生化小课 | 疏水氨基酸远离水的包装有利于蛋白质折叠

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生化小课

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疏水氨基酸远离水的包装有利于蛋白质折叠

在仔细研究弱相互作用对蛋白质稳定性的贡献时，我们发现疏水效应通常占主导地位。纯水含有一个由H2O分子组成的氢键网络。没有其他分子具有水的氢键势能，并且水溶液中其他分子的存在会破坏水的氢键。当水包围疏水性分子时，氢键的最佳排列会在分子周围形成高度结构化的水壳或溶剂化层（solvation layer）（见图 2-7）。溶剂化层中水分子有序度的增加与水熵的不利降低相关。然而，当非极性基团聚集在一起时，溶剂化层的范围会减小，因为每个基团不再将其整个表面呈现给溶液。结果是熵的有利增加。如第2章所述，熵的增加是水溶液中疏水基团缔合的主要热力学驱动力。因此，疏水性氨基酸侧链往往聚集在蛋白质的内部，远离水（想象一下水中的油滴）。因此，大多数蛋白质的氨基酸序列包含大量疏水性氨基酸侧链（尤其是 Leu、Ile、Val、Phe 和 Trp）。这些蛋白质的位置使得它们在蛋白质折叠时聚集在一起，形成疏水性蛋白质核心。

在生理条件下，蛋白质中氢键的形成主要受到这种熵效应的驱动。极性基团通常可以与水形成氢键，因此可以溶解于水中。纯水单位质量的氢键数量通常比任何其他液体或溶液的氢键数量都要多。因此，甚至在极性分子周围也会形成一定程度的溶剂化层。虽然在大分子中两个极性基团之间形成分子内氢键的能量在很大程度上被这些极性基团与水之间的相互作用所抵消，但作为分子内结合形式的结构水的释放为折叠提供了熵驱动力。因此，当非极性氨基酸侧链聚集在蛋白质内时，自由能的大部分净变化源于疏水表面的掩埋导致的周围水溶液中熵的增加。这远远抵消了多肽被限制在折叠构象时构象熵的巨大损失。

Principles of Biochemistry

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