在生物材料的相容性研究中，蛋白質(zhì)與材料表面的相互作用極其關(guān)鍵，一直是研究的重點(diǎn)之一。此篇文章由月旭科技S席科學(xué)家王國斌博士執(zhí)筆，對蛋白質(zhì)的結(jié)合與吸附進(jìn)行了較為系統(tǒng)的講述。

蛋白質(zhì)吸附原理

蛋白質(zhì)是由氨基酸亞基組成的生物分子。每個(gè)氨基酸都有一個(gè)側(cè)鏈，該側(cè)鏈根據(jù)周圍環(huán)境的 pH 值以及其自身的極性/非極性性質(zhì)而增減電荷。

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帶電區(qū)域可以極大地促進(jìn)蛋白質(zhì)與其他分子和表面的相互作用，以及其自身的三級結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)折疊）。由于其親水性，帶電荷的氨基酸往往位于蛋白質(zhì)的外部，在此處它們可以與表面相互作用。在表面化學(xué)方面，蛋白質(zhì)吸附是描述這些分子在材料外部聚集的一種關(guān)鍵現(xiàn)象。蛋白質(zhì)保持附著在表面上的能力在很大程度上取決于材料特性，例如表面能、質(zhì)地和相對電荷分布。由于氨基酸和材料表面之間的接觸點(diǎn)數(shù)量更多，因此較大的蛋白質(zhì)更可能吸附并保持附著在表面上。在目標(biāo)蛋白和雜質(zhì)蛋白共存時(shí)，蛋白與表面的吸附/結(jié)合，就分為特異性結(jié)合和非特異性結(jié)合（nonspecific binding，簡稱NSB）。

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蛋白質(zhì)吸附的能量

蛋白質(zhì)自發(fā)吸附的基本思想是，當(dāng)釋放的能量大于根據(jù)吉布斯自由能定律獲得的能量時(shí)，就會發(fā)生吸附。

在等式中可以看出：

ΔG=ΔH?TΔS

• ?是參數(shù)的凈變化

• G 是吉布斯自由能

• T 是溫度（SI 單位：開爾文）

• S 是熵（SI 單位：焦耳每開爾文）

• H 是焓（SI 單位：焦耳）

為了使蛋白質(zhì)吸附自發(fā)發(fā)生，ΔG 必須是一個(gè)負(fù)數(shù)。

吸附率

為了使蛋白質(zhì)吸附，它們必須首先通過以下一種或多種主要的運(yùn)輸機(jī)制與表面接觸：擴(kuò)散、熱對流、整體流動(dòng)或其組合。當(dāng)考慮蛋白質(zhì)的運(yùn)輸時(shí)，很明顯濃度梯度、溫度、蛋白質(zhì)大小和流速將影響蛋白質(zhì)到達(dá)固體表面。在低流量和最小溫度梯度的條件下，可以根據(jù)擴(kuò)散速率方程對吸附速率進(jìn)行建立模型。

擴(kuò)散率方程

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• D 是擴(kuò)散系數(shù)

• n 是蛋白質(zhì)的表面濃度

• Co 是蛋白質(zhì)的最大濃度

• t 是時(shí)間

較高的堆積濃度和/或較高的擴(kuò)散系數(shù)（與分子大小成反比）會導(dǎo)致大量分子到達(dá)表面。隨之而來的蛋白質(zhì)表面相互作用導(dǎo)致被吸附蛋白質(zhì)的局部濃度很高。

蛋白質(zhì)相互作用力

蛋白質(zhì)相互作用力分為四種：離子或靜電相互作用、疏水相互作用、氫鍵作用力以及電荷轉(zhuǎn)移或粒子電子供體/受體相互作用。前兩種較為常見。

離子或靜電相互作用

(Ionic or Electrostatic Interactions)

蛋白質(zhì)的電荷由其氨基酸側(cè)鏈的酸解離常數(shù)pKa以及末端氨基酸和羧酸決定。等電點(diǎn)（pI）高于所用緩沖液 pH 值的蛋白質(zhì)帶正電荷，而等電點(diǎn)（pI）低于所用緩沖液 pH 值的蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷。蛋白質(zhì)的凈電荷由其成分的總電荷確定，可在生理電場中導(dǎo)致電泳遷移。由于水的高介電常數(shù)，這些作用是短距離的，但是，一旦蛋白質(zhì)接近帶電的表面，靜電偶合便成為主要的作用力，因而產(chǎn)生吸附。

帶正電的氨基酸包括: 賴氨酸(Lysine)、精氨酸(arginine)、組氨酸(histidine)。

帶負(fù)電的氨基酸包括: 天冬氨酸(Aspartic acid)，谷氨酸(Glutamic acid)。

疏水相互作用

(Hydrophobic Interactions)

蛋白對于疏水性材料表面的吸附作用可以通過兩個(gè)疏水分子之間與水分子的相互作用來理解。疏水分子也是非極性分子，通常具有不溶于水的長碳鏈、苯環(huán)或者雜環(huán)。脂肪和水的混合是這種相互作用的一個(gè)很好的例子，通常的理解是水和脂肪不會混合，因?yàn)樽饔迷谒椭痉肿由系姆兜氯A力太弱了。脂肪滴在水中的行為與其分子間作用力相比，更多地與反應(yīng)的焓和熵有關(guān)。

蛋白溶液對于疏水性材料表面的吸附作用是相似的。疏水的氨基酸包括：纈氨酸（Valine）, 亮氨酸（Leucine）, 異亮氨酸（Isoleucine）, 蛋氨酸（Methionine）, 苯丙氨酸（Phenylalanine）。疏水的氨基酸，尤其是苯丙氨酸，對于疏水性材料表面有強(qiáng)烈的吸附作用。疏水相互作用比其他弱分子間作用力（即范德華相互作用或氫鍵）相對更強(qiáng)。例如聚苯乙烯的表面。ELISA 就是利用疏水相互作用，把蛋白均勻地，牢固地吸附于96孔板表面，來進(jìn)行蛋白的定量檢測。

氫鍵

與形成多肽中的任何基團(tuán)一樣，水具有形成氫鍵的能力。在折疊和締合過程中，肽和氨基酸基團(tuán)與水交換氫鍵。因此，氫鍵對在水性介質(zhì)中的蛋白質(zhì)吸附?jīng)]有強(qiáng)烈的穩(wěn)定作用。

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電荷轉(zhuǎn)移相互作用

電荷轉(zhuǎn)移相互作用在蛋白質(zhì)穩(wěn)定化和表面相互作用中。帶電和極性基團(tuán)通過形成離子對、氫鍵和其他不太具體的靜電相互作用，賦予蛋白質(zhì)重要的特性。具有可電離側(cè)鏈的氨基酸，例如 Asp、Glu、His、Lys 和 Arg，賦予蛋白質(zhì)重要的特性。Ser、Thr和Tyr的磷酸化和去磷酸化引起的電荷改變是誘導(dǎo)性蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-極性表面相互作用，這會導(dǎo)致蛋白在表面吸附的變化。

作者

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王國斌，美籍華人博士，在生命科學(xué)和表面化學(xué)領(lǐng)域有著20多年的產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。曾就職于SRU Biosystems，開發(fā)了 BIND™生物傳感器，現(xiàn)就職于BMT Biosystems，任副總裁，管理生物醫(yī)學(xué)和診斷產(chǎn)品中特殊材料及表面應(yīng)用的開發(fā)和生產(chǎn)。

王國斌博士憑借在高分子化學(xué)、表面科學(xué)、蛋白質(zhì)兼容表面等方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，在加入月旭科技后，主持研制了“續(xù)凈一號"銀離子消毒液，并對月旭科技的蛋白純化系列產(chǎn)品的研發(fā)提供了極大的技術(shù)支持。為今后月旭科技在生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展注入一劑強(qiáng)心針。