生物病毒形成原理一：DLVO理論

DLVO理論是解釋膠體粒子在電解質作用、布朗運動作用、長程范德華引力作用、以及靜電斥力作用下，膠體粒子出現聚集分離現象的一個理論。蛋白質分子的聚集分離現象也可以通過DLVO理論來解釋。

下面介紹一下DLVO理論：

1.長程范德華引力

蛋白質分子在溶液中不斷地做布朗運動，蛋白質分子在互相碰撞時也會產生斥力作用。蛋白質分子能夠在溶液中克服布朗運動和斥力作用而產生聚集沉澱，是因為蛋白質分子間存在長程范德華引力。蛋白質分子間長程范德華引力是如何產生的？又是如何計算的？

1937年，Hamaker假設溶膠粒子的引力勢能等於一個粒子中的任意一個分子與另一粒子中的任意分子之間的引力勢能的加和，從而導得溶膠粒子間的引力勢能表示式為：

式中r為粒子半徑，H為粒子表面間最短距離，A為物性常數，稱為Hamaker常數。

長程范德華引力是小分子范德華力的加和，對於大分子來說，長程范德華引力要比小分子范德華力、氫鍵、斥水作用力大得多。小分子范德華引力的作用範圍約為0.3-0.5nm，而長程范德華引力的作用範圍最大可達到800nm。所以，長程范德華引力是蛋白質分子聚集的主要作用力。

2.擴散雙電層結構與靜電斥力

蛋白質分子間除了存在長程范德華引力作用，還存在斥力作用，這種斥力作用是如何產生的？

擴散雙電層結構：

蛋白質分子在溶液中會解離，表面會帶有某種電荷，然後會從溶液中吸引反號離子，以達到電中和。由於溶液中的反離子具有熱運動，所以反離子並不會整齊地吸附在蛋白質分子表面（吸附層），而是以擴散的狀態圍繞在蛋白質分子周圍，這樣蛋白質分子的表面就會形成一個反離子層。蛋白質分子表面解離形成的電子層與反離子層構成了擴散雙電層結構。

當蛋白質分子距離較遠，反離子層未重疊時，蛋白質分子間不會產生斥力。當蛋白質分子表面的反離子層重疊時，重疊部位的反號離子濃度較高，於是就會產生滲透性斥力和靜電斥力。蛋白質分子間的靜電斥力大小主要取決於反離子層的重疊，所以反離子層越厚，重疊部位越多，產生的斥力作用就越大。這就像兩彈性薄膜的壓縮，膜越厚，膜壓縮越強，產生的斥力作用越大。

蛋白質分子間能產生多大的靜電斥力主要取決於反離子層的厚度。加入電解質能夠影響反離子層厚度，從而影響蛋白質分子間的斥力作用。電解質是通過壓縮雙電層來降低膠體粒子間的靜電斥力，壓縮雙電層是指在膠體分散系中加入能夠產生高價反離子的活性電解質，通過增大溶液中的反離子強度來減小擴散層厚度。該過程的實質是新增的反離子與擴散層內原有反離子之間的靜電斥力把原有反離子程度不同地擠壓到吸附層中，從而使擴散層變簿。

靜電斥力勢能計算公式:

膠體粒子間的靜電斥力除了與粒子半徑（r）粒子距離（H）有關外，還與粒子表面電勢（γ0）、電解質的濃度（n0）和價型（κ）有關。

3.總勢能曲線

在中等電解質作用下，以蛋白質分子間斥力勢能VR，引力勢能VA和總勢能V=(VA+VR),對蛋白質分子間距離H作圖，得到如下勢能曲線圖（藍色為斥力勢能曲線VR，綠色為引力勢能曲線VA，褐色為總勢能曲線V）

通過總勢能曲線圖，我們可以知道，當蛋白質分子互相接近，距離H縮小時，首先會出現一個極小值a，這是一個勢能阱。當蛋白質分子間距陷入這個勢能阱，一方面蛋白質分子會受到靜電斥力作用而難以進一步靠近，另一方面蛋白質分子要分開又會受到引力作用，這時蛋白質分子間就會形成結合聚集。但是，這個勢能阱非常淺，只要賦予蛋白質分子一定的動能就能逃脫這個勢能阱，所以蛋白質分子在這個勢能阱形成的結合聚集是遠距離的、不穩定的、疏鬆的聚集。

當蛋白質分子進一步靠近，距離H進一步縮小時，總勢能曲線會出現一個極大值Vmax，這是一個很高的勢壘，一般蛋白質分子的動能並不能越過這個勢壘。如果蛋白質分子積聚的動能超過15kT,蛋白質分子就有可能越過勢壘，然後落入總勢能曲線的另一極小值b，這是一個非常深的勢能阱。如果蛋白質分子的間距落入這個勢能阱，蛋白質分子間形成的結合聚集是非常穩定的，甚至不可逆轉。

4.蛋白質鹽析實驗

蛋白質鹽析實驗可以完美地證明蛋白質分子的聚集服從DLVO理論。

蛋白質鹽析實驗是指在蛋白質溶液中加入電解質（如(NH4)2SO4或Na2SO4），蛋白質分子會不斷結合聚集，然後沉澱析出。如果再次加入溶劑，攪拌，蛋白質沉澱就會溶解分散在溶液中。如果加入高濃度高價的電解質，蛋白質分子就會快速聚沉，而且沉澱不可逆轉。

蛋白質鹽析實驗說明了蛋白質分子的結合聚集是在電解質作用、布朗運動作用、長程范德華引力作用與靜電斥力作用下產生的結合聚集。往蛋白質溶液中加入電解質會壓縮蛋白質分子表面的擴散雙電層，使蛋白質分子在長程范德華引力作用下產生聚集，這時產生的聚集是在總勢能曲線第二最小值形成的聚集，是一種不穩定疏鬆的聚集。再次加入水溶劑，會稀釋電解質的作用，使反離子層逐漸恢復，蛋白質分子間的斥力作用逐漸增大，最終蛋白質分子互相分離，分散在溶液中。如果加入高價高濃度的電解質，會極大地降低勢壘Vmax，使蛋白質分子在碰撞時能夠越過勢壘Vmax，然後快速落入第一最小值的勢能阱，形成穩定的不可逆轉的聚集。

蛋白質分子的聚集現象在日常生活中經常出現，豆腐、乳酪、布丁等等。蛋白質分子的聚集現象也經常出現在生命體內部，血液中纖維蛋白的聚集、神經細胞中澱粉樣蛋白的聚集、微絲微管等等。蛋白質分子的聚集現象不勝枚舉，但是生物學上一直沒有認清蛋白質分子聚集現象的本質，不知道蛋白分子間存在長程范德華引力與靜電斥力。蛋白質分子間的聚集分離原理就是DLVO理論的，討論蛋白質分子間的聚集分離現象是離不開DLVO理論的。病毒的蛋白質外殼就是由外殼蛋白聚集結合而成，所以討論生物病毒的形成必然離不開DLVO理論。

參考書籍《膠體化學》、《物理化學》