高等有机化学论文

关于疏水作用的读书报告理学院化学系 06 硕王彦琳 20606267 在常温常压下，非极性物质很难溶于水中。传统上来讲，这种非极性物质的水不溶性归结为这些物质的疏水性，换句话说，它们会自发“疏远”水分子。其实，术语“疏水性”是一种误导。在非极性物质和水分子之间的相互扩散作用是确实存在的，而且这种作用力相当可观。需要指出的是这种非极性物质要侵入一种具有特殊特征的液体，这种特征就是有以氢键为联结组成的很大的网，其次这种液体要有很强的黏附能量密度。而每一个水分子是不可能失去它的任何氢键从而在这些非极性物质分子表面进行自己的重新定位。水是一种很独特的溶剂分子，不仅因为它的分子体积很小，而且因为它能较容易地形成一种四面调和式的网状结构，除此，水分子还有相当低的等温可压缩性。这些特征使得水分子有很强的倾向能够在一个非极性物质的分子附近牢牢地挤在一起，形成类似“冰笼”的结构，同时还能保持大多数甚至是全部的氢键结构。然而，尽管有这些独一无二的结构，对非极性物质而言，水分子仍然被看作是一种非常差的溶剂。1 对蛋白质而言，疏水作用就是介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部的现象。它在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。在天然蛋白质中，疏水键是疏水侧链为了避开水相而群集在一起的一种相互作用。2疏水作用对蛋白质的稳定性、构象和蛋白质功能具有重要意义。由于蛋白质的大分子结构，表面（或有效）疏水性比整体的疏水性对蛋白质的功能具有更大的影响。表面疏水性影响分子间的相互作用，如蛋白质与蛋白质、蛋白质与脂类等小配位体间的缔合作用或其它大分子间的相互作用。疏水作用是重要的非键相互作用，它及疏水和亲水的平衡在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重要的作用。蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构即所谓笼形结构clathratestructure。与此相反的过程（疏水作用），排列有序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发 3过程。传统上，疏水作用通常是通过测量气态或液态的有机物在水中的溶解情况的热力学参数来研究的，有时候要把这些参数和溶质在水中和非极性相中的分配参数联系起来。随着越来越多的蛋白质的晶体结构被解析，对蛋白质立体结构的一般规律也日益清楚。就一个球状蛋白质而言，它们的表面常被一层亲水残基包围，带有疏水侧链的残基原则上处于分子内部，但并不是绝对的。严格地说，整个蛋白质分子由里到外，疏水残基是逐渐减少，亲水残基则不断增多。比较而言，亲水残基出现在分子内部的几率大于疏水残基出现在分子表面的几率。因为很多带有电荷的残基通过正负电荷的相互作用而形成盐键，或者是一些残基的侧链参与氢键的形成，结果削弱了残基的亲水性，使某些侧链的疏水性质更为突出。又例如肽链骨架中肽键内的羰基和亚胺基都有亲水和形成氢键的特性。球状蛋白质表面也存在着一些疏水残基，从能量上看，是处于不稳定状态，它们有变得更为稳定的倾向。这些残基的侧链往往成为蛋白质的活性位点，参与和其它分子的相互作用；或是参与亚基和亚基的相互作用，形成蛋白质的四级结构，或是自身、或是和其它分子缔合。蛋白质结构的特征是疏水/亲水间的平衡，其结构的稳定在很大程度上有赖于分子内的疏水作用。当然，稳定蛋白质结构的因素不仅是疏水作用，还有氢键、盐键和范德华力以及肽链内的二硫键、肽链和所含金属元素间的配位键等。但是从各种因素的贡献看，疏水作用是最重要的。在对蛋白质立体结构有所了解的基础上，蛋白质化学家很自然地希望阐明蛋白质立体结构是如何形成的，即肽链是如何折叠的。从 Anfinsen 经典的核糖核酸酶的还原和重氧化实验，得出蛋白质肽链折叠的基本原则：蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的立体结构，即肽链的折叠方式。肽链折叠的本质，可以简单地理解为将肽链中绝大多数的疏水残基包裹到分子内部。这种包裹或是说折叠，却不是任意的。一条肽链可以有无数种可能的折叠方式——空间构象，但最终形成的是有活性的特定构象。近年来，对蛋白质的新生肽链在体内的折叠研究已成为一个热点，

发现了许多帮助肽链折叠的蛋白质，其中有些有利于二硫键的交换和配对二硫键异构酶与脯氨酰参与的肽键的异构化肽基脯氨酰异构酶，还有一大类被称为蛋白质伴侣。后者的主要特点是能和疏水性的肽段结合，一方面避免肽链因疏水作用而聚集，另一方面帮助新生肽链形成正确的空间构象。对一些具有四级结构的蛋白质，蛋白质伴侣还帮助了亚基间的装配。在胞质中有些蛋白质伴侣是由 2 种亚基构成的多聚体，其外形犹如带有盖的圆桶，其效果如有魔法的桶，松散的新生肽链进入，出来的便是有特定空间构象的蛋白质。在体液中，一些疏水的分子输送非常困难。所幸的是，在体液中存在着多种这些疏水分子的运载蛋白。不仅有各种不同的载脂蛋白以专一性较广的方式运输着不同的脂质类分子包括脂肪、胆固醇等，而且还有一些非常专一的运载蛋白负责着一些特殊疏水分子的运输，如维生素 B12 结合蛋白、视黄醇/甲状腺素运载蛋白transthyretin等。同样，亲水分子通过质膜，一定要越过能障。可欣慰的是，质膜中存在着不同类型的离子和分子通道。它们是通过膜蛋白的肽段在质膜中以特定方式排列而成的。如一些神经递质受体蛋白，多数由几个亚基组成，每个亚基又分别有螺旋穿越质膜，同时排列成中间亲水的通道。最近还发现了水通道蛋白。一些研究报道还表明，蛋白质“构象病”在蛋白质的研究中，绝对不是孤立的现象，完全应该也可能，从疏水作用、亲水/疏水平衡的角度，与蛋白质的折叠、蛋白质的装配、蛋白质 4的别构现象联系起来进行研究。正因为疏水作用对蛋白质的结构、肽链的折叠、定位及传送有着举足轻重的作用。多年来，科学工作者为能够定量测定蛋白质的表面疏水性做了许多方面的研究，但是迄今为止仍没有一个达到共识的标准测定方法。通常采用的是几种经验测定方法，主要有荧光探针法、疏水结合法、疏水色谱和疏水分级法等。各种方法皆被用于评估蛋白质的表面疏水性，但测定的疏水参数与蛋白质的乳化能力间的相关性尚存在争论之处。这是因为这些经验方法的建立都没有考虑到蛋白质结构的复杂性以及蛋白质与其他物质间的相互作用的特性。目前来说，疏水色谱是一种比较好的方法。不过，蛋白质在金属螯合色谱中的疏水作用现象，虽然早已发现，然而疏水作用产生原因、形成的条件以及不同条件下对蛋白质保留的影响却未深入研究。搞清这些问题，对研究蛋白质在金属螯合色谱中保留机理，提高蛋白质分离的选择性， 5选择适宜的洗脱条件有重要作用。需要指出的是，对非极性物质在水中和其他一些同水分子体积差不多但没有氢键的溶剂（比如说液态甲烷）中的溶解做一些广泛的比较性计算研究具有指导意义。一般说来，关于非极性物质在水中和不同有机溶剂中的溶解行为的比较研究是很少的。尤其是关于溶剂分子结构骨架在温度、浓度不同时的一些变化在很大程度上被计算性研究工作所忽略。我们亟亟期盼着此领域的更高水平的发展。参考文献：1.Angew.chen.Intern.Ed.Eng.1993.32111545-1579.2 Li Rong（李蓉），Di Zemei （邸泽梅），Chen Guoliang（陈国亮）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化学），2002，30（5）1376-1380.3.张建合．亲水／疏水半互穿网络凝胶对温度的响应J 物理化学学报．2003，191：90—93．4. 王克夷.疏水作用的蛋白质.生命的化学. 1999年第19卷第5期5. 3 Ueda E K M，Gout P W，Morganti L. J. Chromatogr. A，2003，988：1 ～ 23