生物結構自組裝作用力——短程與長程作用力

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。

反離子層未重疊,蛋白質分子間不產生斥力 反離子層重疊,產生滲透性斥力和靜電斥力

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。

長程靜電斥力的作用距離主要決定於膠粒擴散雙電層的厚度,一般膠粒擴散雙電層的厚度為1~10nm。所以膠粒在相距數納米或十數納米時就會產生長程斥力作用,而且膠粒越接近產生的斥力作用就越大。蛋白質分子間存在長程靜電斥力,由於長程靜電斥力的存在,蛋白質分子的間距是難以達到納米以下的,即是說蛋白質分子間很難達到短程作用力產生作用的距離。另外,即使蛋白質分子達到短程作用力的作用距離,相對於長程作用力的數量級來說,短程作用力也是可以忽略的。對於達到納米級別的大分子來說,短程作用力一般只在大分子內部的分子間或者鏈段之間產生作用,而完整獨立的大分子之間,主要以長程作用力為主。

2.3 吸附—電中和作用與吸附—架橋機理

對於某一系統,若正、負電荷數量相同,它們對外的作用完全抵消,這就是電中和現象。膠體粒子,如蛋白質分子,其表面會解離,會帶有某種電荷,會在表面形成ξ電位,然後從溶液中吸引反號離子,以達到電荷中和。由於溶液中的反號離子具有熱運動,反號離子不會整齊地排列在蛋白質分子表面(吸附層),而是以擴散的狀態圍繞在蛋白質分子周圍,在蛋白質分子表面形成一個擴散雙電層的結構。擴散雙電層的形成就是電中和作用的結果。

膠體粒子通過電中和作用吸引的粒子並不僅僅只有反號離子,它還能吸附帶異號電荷的膠體粒子。膠體粒子對帶有異號電荷的膠體粒子有很強的吸附作用,這種通過異電吸引,互相結合,中和自身所帶電荷的現象稱為吸附—電中和作用。

如果在膠體溶液中加入鏈狀高分子物質,而鏈狀高分子會與溶液中的膠體粒子吸附結合,並將膠體粒子串連在一起,這種現象稱為吸附—架橋機理。

無論是吸附—電中和作用還是吸附—架橋機理,都是大分子間通過異電相吸,中和電荷的現象。由於大分子的表面存在大量電荷,所以大分子間的異電相吸作用是大量異號電荷互相吸引的結果,是加和作用力,是長程作用力。大分子間由於異電相吸形成的結合是疏鬆結合,大分子間會存在較大的間距。

3. 長程作用力與生物結構的形成

在生命體內,有許多結構只由蛋白質、核酸、多糖等大分子構成,這些生物大分子都是納米級別的,屬於膠體粒子。前面討論了大分子間的相互作用、相互結合只與長程作用力有關,短程作用力在其中起到的作用基本可以忽略,所以討論生物大分子構成生物結構的過程要以長程作用力為主。那麼,哪些生物結構只由生物大分子構成?

3.1 生物病毒的自組裝現象

生物病毒是一種非常微小的粒子,結構非常簡單,是一種由蛋白質分子構成的外殼將一個核酸長鏈分子包裹在內部的結構。為什麼會出現病毒這樣的結構?這一直是生物學未解之謎。生物病毒在侵入宿主細胞後會解體,然後會在細胞內複製自身的核酸分子,並且引導外殼蛋白質分子的形成。當細胞內產生足夠多的病毒核酸分子和外殼蛋白質分子後,核酸長鏈分子就會和外殼蛋白質分子結合,外殼蛋白分子不斷地聚集結合,最後重新裝配成新的病毒粒子,這就是生物病毒的自組裝現象。

生物病毒結構只由生物大分子構成的結構,即使複雜的生物病毒,它們含有的多糖、脂類分子也是大分子。所以,討論生物病毒結構的形成和重新組裝需要用到長程作用力,而生物學對於長程作用力缺乏認識,所以一直無法解釋生物病毒的形成。

3.2 染色體的自組裝現象

我們知道細胞內的核酸分子主要有兩種形態,一種是染色質形態,另一種是染色體形態。

染色質是核酸分子在細胞中的舒展形態,呈長鏈念珠狀,其基本組成單位是核小體。核小體是由DNA纏繞在組蛋白八聚體上而形成,核小體的直徑約為11nm,表面解離呈負電性。染色體是染色質的高度螺旋化形態,實質是由核小體不斷聚集壓縮而成,表現為直徑在400nm左右的筒狀體或桿狀體。在細胞中,核酸的這兩種形態會互相轉化:細胞分裂前期,染色質會高度壓縮聚集螺旋化成染色體形態;分裂期結束,染色體又會去壓縮去聚集,轉變成染色質形態。

為什麼染色質和染色體兩種形態能夠互相轉變?是什麼推動了染色質的壓縮聚集?又是什麼推動了染色體的去壓縮去聚集?這也是生物學上的未解之謎。構成染色質和染色體主要是蛋白質分子和核酸分子,它們都是大分子,所以染色質與染色體的相互轉化主要是長程作用力推動的。

3.3 長程作用力與其它生物學現象

除了生物結構的形成,還有許多生物學現象與長程作用力有關。

抗體與抗原結合的免疫作用就與長程作用力有關。為什麼抗體能夠與抗原結合?抗體的本質是蛋白質分子,是大分子。抗原可以是各種物質,可以是病毒,大多數病毒的直徑在數十納米之間,部分較大的病毒的直徑在200~300nm之間,其實病毒粒子也是膠體粒子,也具有長程作用力。所以,病毒與抗體的結合是大分子間的結合,是長程作用力的作用結果。

血液會凝固也是因為長程作用力的存在。血液凝固的本質是血液中纖維蛋白的聚集,細長的纖維蛋白交錯聚集,形成網路狀的結構,一些大分子和血細胞不能通過纖維蛋白構成的網路,於是會不斷地積聚在一起,然後就產生了凝固狀態。纖維蛋白能夠聚集是因為纖維蛋白之間存在長程作用力,所以說血液的凝固主要是因為長程作用力的存在。

阿爾茲海默症,也就是老年痴呆症,是當今醫學領域裡的研究熱點。研究發現,阿爾茲海默症發病的主要原因是β澱粉樣蛋白在腦細胞中不斷地積聚。β澱粉樣蛋白在腦細胞的積聚會腦細胞失去原有的功能,從而使人發病。β澱粉樣蛋白為什麼會在細胞中積聚?這成了研究阿爾茲海默症的主要問題。蛋白質分子間存在長程范德華引力,當蛋白質分子間的長程范德華引力大於長程靜電斥力時,蛋白質分子就會互相結合在一起,產生積聚。β澱粉樣蛋白的聚集是長程作用力導致的,如果不知道長程作用力的存在,這個問題根本無法得到解答。所以,研究阿爾茲海默症需要研究β澱粉樣蛋白的動力學性質與電學性質,研究β澱粉樣蛋白的結構是得不出什麼結果的。

4. 討論

像蛋白質這樣的大分子,分子量可以達到數十萬甚至上百萬,范德華引力、氫鍵、疏水作用等短程作用力的勢能是難以使蛋白質分子克服布朗運動而相互結合的。蛋白質分子的半徑能夠達到數十甚至數百納米,這樣的大分子之間,它們在碰撞時要克服巨大的遠程的靜電斥力作用,一般情況下布朗運動並不能使蛋白質分子的碰撞達到短程作用力產生作用的距離(納米以下)。所以,次級作用力中的短程作用力並適合討論蛋白質分子間的相互作用。

次級作用力中的長程作用力,作用距離可以達到數十到數百納米,作用力大小也要比短程作用力大2~3個數量級,長程作用力非常適合討論蛋白質分子間的相互作用。像生物病毒這樣只由核酸分子和蛋白質分子相互作用而形成的結構,討論它們的形成,就需要用到長程作用力。

核酸分子一級結構通過磷酸二酯鍵自組裝形成,蛋白質分子一級結構通過肽鍵自組裝形成;DNA分子二級結構通過氫鍵自組裝形成,蛋白質分子二、三、四級結構通過氫鍵、疏水作用自組裝形成;染色體、細胞核、生物病毒等通過電中和作用與長程范德華引力自組裝形成;細胞組裝成組織,組織組裝成器官,器官組裝成生命個體。生物結構自組裝現象是多層次的,從微觀到介觀再到宏觀,不同層次的自組裝現象由不同的作用力來推動。認識到這些作用力的存在,並認識到這些作用力產生的作用,我們才能對生命有更完整的了解。

參考文獻

《膠體與表面化學》沈鍾 《生物結構自組裝》張先恩 《物理化學》傅獻彩

《細胞生物學》翟中和

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下一篇文章會以長程作用力為基礎,討論生物病毒的形成原理與形成過程。如果大家感興趣,可以點擊閱讀,謝謝!

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