前言:弱相互作用力(次級鍵)有短程作用力和長程作用力之分。在生物學中,被普遍認識到的弱相互作用力有靜電作用、范德華力、氫鍵、疏水作用等,這些弱相互作用力的作用距離都不足1納米,是短程作用力。除了短程作用力,生物結構自組裝過程中還存在長程作用力,這些長程作用力的作用距離可以達到數百納米,長程作用力的大小也要比短程作用力大2-3個數量級。長程作用力在生命結構形成過程中起到非常重要的作用,但生命科學並沒有認識到這些長程作用力的存在以及它們在生命體系中產生的作用。本文主要介紹長程作用力與短程作用力的區別,介紹長程作用力的產生以及它們在生物結構自組裝過程中產生的重要作用。
1. 短程作用力
氫鍵、疏水作用、范德華力都是短程作用力,它們在生物結構自組裝過程中起到非常重要的作用,也被大家廣泛地認識到。例如氫鍵,DNA雙螺旋結構就是在氫鍵的作用下形成的;例如疏水作用,細胞膜就是磷脂分子通過疏水作用聚集形成;在蛋白質分子二三四級結構的形成過程中,疏水作用與氫鍵都起到非常重要的作用。
1.1 范德華力
范德華力屬於弱靜電作用,包括取向力、誘導力和色散力。從量子動力學上看,范德華力源於鄰近粒子極化擺動所產生的相互作用,尤其是誘導力和色散力。在極性分子中,三種力都有;在極性分子與非極性分子之間主要是色散力和誘導力;在非極性分子之間主要是色散力。小分子間的范德華力的作用力勢能在10KJ/mol以下,一般只有0.4~4.0KJ/mol,作用距離在0.3~0.5nm之間。
1.2 氫鍵
氫鍵也可以認為是固有偶極之間的范德華力。在DNA雙螺旋結構中,氫鍵是雙螺旋結構形成的關鍵。在DNA分子中,是N—H…O和N—H…N型氫鍵;在蛋白質的α-螺旋中為N—H…O型氫鍵。氫鍵的鍵能最大約為200KJ/mol,一般為5~30KJ/mol。不同氫鍵之間,作用距離不一樣,O—H之間約為0.1nm,O—H…O之間約為0.18nm,F—H…F之間約為0.25nm,氫鍵的作用距離一般不會超過0.4nm.
1.3 疏水作用
疏水作用是指極性基團間的靜電力和氫鍵使極性基團傾向於聚集在一起,因而排斥疏水基團,使疏水基團互相聚集所產生的能量效應和熵效應。就化學分子來說,它們的非極性部分在生物體內的環境中均為水合狀態,即被水分子所包圍,當它們與受體接近到某種程度時,非極性部分周圍的水分子便被擠出去,兩個非極性區域的接觸穩定化,從而締合在一起。
非極性基團要達到足夠短的距離,要達到將水分子擠出去的距離才能將互相締合。而水分子的直徑是0.4nm,所以疏水作用力也是短程作用力。
2. 長程作用力
生物結構自組裝作用力還包含長程作用力,這些長程作用力主要有長程范德華引力、長程靜電斥力、吸附--電中和作用。長程作用力主要的特點是作用距離遠,作用力勢能大,一般要比短程作用力大2-3個數量級。長程作用力主要適用於半徑在1~100nm的粒子,也就是膠體粒子。多數蛋白質分子的半徑在20nm左右,所以大多數蛋白質分子都是膠體粒子。
2.1 長程范德華引力
長程范德華引力主要指膠體粒子間產生的范德華力,是一種加和力。由於膠體粒子是由數萬甚至上百萬的分子組成,所以當兩個膠體粒子互相靠近時,膠體粒子上的任一分子都會與另一個膠體粒子上的任一分子產生范德華力,這些分子的范德華力加和在一起就是兩個膠體粒子間的長程范德華引力。范德華力可以加和,比如C—H 在苯中范德華力有7 kJ/mol,而溶菌酶和糖結合底物范德華力卻有60kJ/mol。所以,膠體粒子越大,膠體粒子間產生的長程范德華引力勢能就越大,甚至可以比氫鍵和疏水作用力大數千甚至上萬倍。長程范德華引力的作用距離也要比小分子范德華力的作用距離大得多,例如Fe2O3膠粒層間的距離可以達到800nm,而小分子范德華引力的作用範圍在0.3~0.5nm之間。
蛋白質分子是膠體粒子,所以蛋白質分子間存在固有的長程范德華引力,這種長程引力作用相當於數千個氫鍵的作用,而且兩個蛋白質分子在相距很遠距離時就會產生長程引力作用。由於這種巨大引力作用的存在,蛋白質分子具有趨於聚集、互相結合的傾向,例如豆漿中的蛋白質沉澱、牛奶中的蛋白質沉澱和蛋白質鹽析中的沉澱,都是長程范德華引力作用下產生的結果,而不是氫鍵或者疏水作用力導致的。
2.2 擴散雙電層結構與長程靜電斥力作用力
蛋白質分子間除了長程范德華引力作用外還存在長程靜電斥力作用,這種長程靜電斥力作用也是巨大的,它能使蛋白質分子在溶液中克服引力作用而處於分散狀態。那麼長程靜電斥力是如何產生的?
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,以達到電荷中和。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。