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，一直是研究的重點之一。此篇文章由月旭科技S席科學家王國斌博士執(zhí)筆，對蛋白質(zhì)的結(jié)合與吸附進行了較為系統(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。每個氨基酸都有一個側(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。在目標蛋白和雜質(zhì)蛋白共存時，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，當釋放的能量大于根據(jù)吉布斯自由能定律獲得的能量時，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 必須是一個負數(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輸機制與表面接觸：擴散、熱對流、整體流動或其組合。當考慮蛋白質(zhì)的運輸時，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)擴散速率方程對吸附速率進行建立模型。

擴散率方程

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• D 是擴散系數(shù)

• n 是蛋白質(zhì)的表面濃度

• Co 是蛋白質(zhì)的最大濃度

• t 是時間

較高的堆積濃度和/或較高的擴散系數(shù)（與分子大小成反比）會導致大量分子到達表面。隨之而來的蛋白質(zhì)表面相互作用導致被吸附蛋白質(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（pI）高于所用緩沖液 pH 值的蛋白質(zhì)帶正電荷，而等電點（pI）低于所用緩沖液 pH 值的蛋白質(zhì)帶負電荷。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很好的例子，通常的理解是水和脂肪不會混合，因為作用在水和脂肪分子上的范德華力太弱了。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。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，來進行蛋白的定量檢測。

氫鍵

與形成多肽中的任何基團一樣，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性蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-極性表面相互作用，這會導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，在生命科學和表面化學領(lǐng)域有著20多年的產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗。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、表面科學、蛋白質(zhì)兼容表面等方面的豐富經(jīng)驗，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領(lǐng)域的發(fā)展注入一劑強心針。