不同類型表面活性劑與蛋白質作用研究進展

曹洪玉，張瑩瑩，唐 乾，鄭學仿

（1. 大連大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116622；2. 遼寧省生物有機化學重點實驗室，遼寧 大連 116622）

在化學工業、生物和醫藥等許多領域越來越注重蛋白質與表面活性劑（Protein-Surfactant，P-S）的相互作用的特性。蛋白質在表面活性劑溶液中可保持活性[1,2]，二者混合體系在食品、化妝品和藥物配方[3]等領域中具有廣泛而重要的應用：表面活性劑可改變一些蛋白質的熱穩定性[3,4]和熱變性，據此可以優化含有蛋白質的產品；表面活性劑被廣泛應用于蛋白提取和純化[5,6]，如測定的蛋白質分子量的方法中使用十二烷基硫酸鈉(SDS)-聚丙烯酰胺凝膠電泳；蛋白質自組裝和穩定性研究中最有效的方法是使蛋白質變性和復性，表面活性劑則是理想的變性劑[7]；表面活性劑可作為探針分子，利用光譜法可研究蛋白質結構、功能及二者相互作用情況。基于以上應用，P-S 相互作用的研究成為人們越來越重視的課題.

蛋白質是一類具有特殊結構的兩性聚電解質，明顯不同于其它類型的聚電解質，P-S 相互作用和蛋白與大分子擁擠試劑[8,9]、多糖類大分子[10]等聚合物相互作用相比，具有許多獨特之處，且更為復雜.目前研究P-S 相互作用的方法有紫外、熒光、表面張力測定技術、在線停流技術、小角中子散射、電導率、光散射、核磁共振（NMR）等。其中熒光及紫外等光譜法可以研究P-S 混合體系的微環境和微粘度，測量膠束的聚集數及尺寸大?。辉诰€停流-熒光光譜可以用于檢測P-S 相互作用的折疊過程及動力學機理。我們課題組利用光譜法在蛋白質和小分子相互作用方面開展了一些工作[11,12]，采用在線停流聯用光譜法等手段研究過蛋P-S 的相互作用[13]。本文結合課題組的工作，綜述了P-S 相互作用所形成的復合物的結構化學性質及蛋白質分別與不同類型表面活性劑相互作用特征。

1 蛋白質-表面活性劑復合物結構及吸附機理

P-S 復合物的結構是了解它們之間相互作用的基礎，目前認為二者復合物的結構有三種結構模型[14]：(a)項鏈模型、(b)棒狀模型、(c)柔軟的螺旋狀模型（如圖1）。自由邊界電泳實驗提出了“項鏈模型”，在此模型中，成膠束狀態表面活性劑首先誘導蛋白質發生去折疊過程，不斷聚集到蛋白質分子上；“棒狀模型”是根據粘度實驗所提出的，P-S 復合物呈堅硬棒狀結構，實驗測定該結構有一定的回旋半徑，短軸基本是常數，并發現棒的長度與蛋白質分子量成正比；“柔軟的螺旋模型”是理論結合模型，蛋白質的疏水區域纏繞在由表面活性劑分子形成的柔軟圓柱狀膠束的表面。

Nilsson[15]曾經總結并繪出了典型的P-S 曲線，平均每個蛋白質分子上結合的表面活性劑的數目與游離表面活性劑濃度的對數呈函數關系。隨著表面活性劑濃度的增大出現四個不同區域：(I)特異性結合(a)；(II)非協同性結合(b)；(III)協同性結合(c)；(IV)飽和結合(d)。特異性結合主要是電性作用，即表面活性劑的極性基結合在蛋白質表面的反電性基團上。特異性結合作用與表面活性劑的非極性碳氫鏈長成正比。表面活性劑達到一定濃度后將誘導蛋白質的分子鏈伸展，會發生協同性結合，且結合量急劇增加，表面活性劑以分子聚集體形式結合到蛋白質上，在這一階段也易發生蛋白質變性。達到飽和結合后，繼續增大表面活性劑濃度，形成膠團的表面活性劑與P-S 復合物共存在溶液中。

圖1 蛋白質-表面活性劑（P-S）復合物結構示意圖

P-S 相互作用能顯著改變兩種分子界面間吸附層的性質，影響乳狀液和泡沫等分散體系的穩定性，研究方法主要有Langmuir-Blodgett(LB)膜技術，掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡等[16]。Dickinsion[17,18]曾經提出了P-S 混合體系界面吸附有兩種機理：增溶機理和置換機理。增溶機理是指分散在表面的蛋白質與水溶性表面活性劑形成P-S 復合物，蛋白質分子以復合物形式進入水相，并發生強烈的相互作用，一般蛋白質與離子型表面活性劑混合體系屬于此機理。置換機理是指由于表面相面上分散的蛋白質被表面活性劑置換下來，此時表面活性劑強烈地吸附于表面。非離子型表面活性劑親水性較差，蛋白質與其主要發生疏水相互作用，使蛋白質親水性增加，活性降低，隨著蛋白質分子復合結構的體積增大，其界面膜的緊密性下降、強度降低，溶液中表面活性劑濃度增大一定數值時，可將復合物置換下來，最終使界面主要由表面活性劑所組成，故這一體系屬于置換機理。

2 不同類型表面活性劑與蛋白質相互作用

蛋白質包含非極性、極性和帶電基團，許多兩親分子均可蛋白質發生各種作用。表面活性劑疏水部分通常由烴基構成，親水部分稱為頭基。跟據表面活性劑極性基團的解離性質分類可分為陽離子型、陰離子型、兩性離子型以及非離子型表面活性劑。表面活性劑在不同條件下可形成具有不同結構的分子有序組合體，如膠束、反膠束等，其分別與蛋白質相互作用也不同。P-S 之間主要存在著靜電作用和疏水作用，離子型表面活性劑與蛋白質作用主要是極性基的靜電作用和疏水碳氫鏈的疏水作用，分別結合到蛋白質的極性和疏水部分，形成P-S 的復合物。而非離子型表面活性劑主要通過疏水力與蛋白質發生作用，其疏水鏈與蛋白質的疏水基團之間的相互作用對表面活性劑和蛋白質的結構和功能都能產生一定的影響。因此，表面活性劑的類型、濃度和體系環境決定了表面活性劑是使蛋白質穩定還是失穩，聚集還是分散。

2.1 陰離子型表面活性劑與蛋白質的相互作用

陰離子型表面活性劑（anionic surfactant，AS）與蛋白質的相互作用研究最多，這也因AS 與蛋白質之間有著相對較強的相互作用有關。AS 離子頭基團靜電作用較強，結合到蛋白質表面帶相反電荷的基團上，非極性基團以疏水力結合到蛋白質非極性區域，使蛋白質結構發生變化，從而促進或阻止蛋白質的聚集。P-AS 的相互作用依賴于蛋白質的性質(特別是蛋白質的表面電荷)及AS 濃度、結構等。二者相互作用過程中，靜電作用和疏水作用為主要驅動力，靜電作用與蛋白質的電性相關，可以表現為靜電吸引或靜電排斥。

十二烷基硫酸鈉(SDS)有普通表面活性劑很好的性能，且化學性質穩定，在酸性或堿性介質中以及加熱條件下都不會分解，所以SDS 被廣泛應用于蛋白質的分離純化[5,6]以及蛋白的穩定性和變性研究等。Ghosh 等[19]運用CD 光譜研究改變SDS 的濃度對固定濃度胰蛋白酶的影響，SDS 濃度為2.5 mmol/L 時，胰蛋白酶的螺旋含量比無SDS 時的含量低，加入過量SDS 時形成胰蛋白酶-SDS 聚集體，胰蛋白酶-SDS聚集體間強烈的靜電斥力使得蛋白質分子伸展并引起蛋白變性。Deep 等[20]發現[SDS]/[BSA]摩爾比較小時，SDS 可為BSA 的結構穩定劑，摩爾比增大時，SDS 改變BSA 結構，甚至變性。Kelly 等[21]研究更為細致，固定BSA 濃度為0.5%，逐漸增加SDS 的濃度(0~9 mM)，當SDS 濃度為4 mM 時，BSA 完全變性，并得到了SDS 與BSA 結合曲線的四個區域分別對應于結合等溫線的四個結合階段，得出各個階段熱效應及對蛋白質熱穩定性的影響。Moriyama 等[22]也證實SDS 在低濃度下對BSA 有保護作用，提出摩爾比[SDS]/[BSA]=15 時保護作用最好，隨表面活性劑疏水碳鏈增長，保護作用越強，但陽離子表面活性劑沒有發現這種作用，即這種作用是由AS 的性質所決定的，AS 可同時與蛋白質上正電性和非極性的氨基酸側鏈結合達到穩定蛋白質的作用。

P-S 相互作用時會隨表面活性劑濃度改變而出現多個過渡態并改變兩者之間的相互作用情況和蛋白理化性質。SDS 誘導RNaseA 去折疊過程中[23]蛋白存在3 個過渡態，在初始態和第一個過渡態中，SDS作用在RNaseA 的不同表面活性位點，提高SDS 濃度（低于cmc 值），蛋白陸續呈現第二、三過渡態，二者之間疏水作用占主導，蛋白開始去折疊，部分包埋的蛋白殘基暴露在溶液中，繼續升高SDS 濃度至5mM 時蛋白光譜不再變化，RNaseA 呈完全去折疊態。Gebicka 等[24]認為SDS 和AOT 可以破壞血紅蛋白（Hb）的三級結構，在單體形式下它們均能將高鐵Hb 轉換成可逆的高鐵血紅素原，將其過氧化物酶活性降低，動力學數據表明該變化的過程至少分為兩步，先是表面活性劑與蛋白形成復合物，然后復合物轉化為高鐵血色原。十二烷基苯磺酸鈉SDBS-BSA 體系的RLS 強度要遠大于SDS-BSA 體系的RLS，且該強度與BSA 的濃度成正比，Yang 等據此建立了測定痕量蛋白質的方法[25]。Li 等發現SDBS 可調節溶菌酶的酶活[26]，在低濃度時可誘導使溶菌酶更易溶于水，在高濃度時則誘導改變溶菌酶活性位點內的疏水環境。

2.2 陽離子型表面活性劑與蛋白質的相互作用

陽離子型表面活性劑（cationic surfactant，CS）也是離子型表面活性劑，同AS 一樣，其與蛋白質的作用過程中也有疏水作用和靜電作用，改變蛋白質的結構，不一樣的是，其作用較弱，且CS 與蛋白質相互作用大多屬于吸熱反應，對蛋白質結構的影響也較小[27]。在醫藥領域中，軟膏劑中CS常用作乳劑基質，主要用于角質層中的角蛋白纖維，增加藥物的通透性，很多CS 有很強的殺菌效果，故常用于消毒和滅菌。鑒于以上用途和優點，國內外對于此類研究也逐漸增多，目前主要集中于對蛋白質解折疊的影響，以及結合方式和驅動力方面。

紫外吸收光譜研究陽離子表面活性劑CTAB 對血紅蛋白仿過氧化物酶催化活性的影響時，應用穩態速率法測定了米氏常數(Km)、米氏速率(Vm)及反應級數等動力學參數，發現該體系在CTAB 存在時產物的生成速度比無CTAB 時有所提高[28]。Taleshi 等[29]證實溶菌酶在低濃度DTAB 條件下主要驅動力為靜電作用，隨著DTAB 的增加，酶發生解折疊且露出疏水部位，且不同于其與SDS相互作用中的放熱過程，溶菌酶與DTAB 相互作用為吸熱過程。比較BSA 和不同鏈長的CS（C21H38ClN，C19H34ClN，C17H30ClN）作用時，發現隨著表面活性劑鏈長增長，蛋白聚集所需的表面活性劑的量減少，這一實驗證實二者相互作用的驅動力有疏水作用[30]。Rafati 等[31]實驗證實TTAB 和CTAB 均促使血紅蛋白結構改變，血紅蛋白的四個亞基間作用力減弱，血紅素活性位點的暴露，且二者親和力隨著溫度的升高而增加，即該作用過程是吸熱過程。我們發現CTAB 和DTAB 在低濃度時對高鐵肌紅蛋白的血紅素中心影響不大[32]，但是對Trp 和Tyr 的微環境影響很大，高濃度時以聚合體形式通過靜電作用和疏水作用，主要是靜電作用直接作用于血紅素中心，使Soret 帶發生藍移，metMb 形成五配位高自旋(5-cHs)復合物，使得血紅素逐漸從疏水腔中釋放出來, 同時對蛋白質的二級結構影響較大。DTAB 由于自身結構的特點，與CTAB 作用于蛋白的過程有些區別，形成了一個中間態，但最終導致heme的暴露。

2.3 兩性表面活性劑與蛋白質的相互作用

兩性表面活性劑（zwitterionic surfactant，ZS）的分子結構中同時具有陰離子親水基團和陽離子親水基團，屬于溫和性的離子型表面活性劑，其對蛋白質的作用也不如陰、陽離子型表面活性劑強烈，但因在分子的端部同時存在酸性基和堿性基，在具有普通表面活性劑的性能基礎上，還增加許多獨特的性質，如：低毒性、對人體的低刺激性、良好的生物降解性、低公害低污染、耐硬水及高濃度電解質性及可吸附在物質界面且不生成憎水薄層等，使其成為人們倍感興趣的產品。

生物樣品不能直接注入色譜柱中，因其中所含的氯離子與其他分析離子峰可能重疊，或由于氧化/還原而改變物質性質，蛋白質也會吸附在固定相上，從而縮短分離柱的使用壽命，而用ZS 作流動相能克服上述缺點。Hu 等[33]將甜菜堿型兩性表面活性劑溶解于電解質溶液中，此流動相能快速洗提含生物樣品中的蛋白質。在此流動相中ZS 保持固定相中的表面活性劑數量恒定，兩性膠束能通過除去蛋白質中的洗滌劑而達到清洗分離柱的效果，增加被分析離子停留時間的穩定性，延長了分離柱的使用壽命。

Moreira 等[34]發現十六烷基磺丙基甜菜堿(HPS)能促進HbGp（一種胞外巨型血紅蛋白）的化低聚物分解以及自氧作用從而形成高鐵蛋白類型，與四聚體血紅蛋白不同的是，在所研究的HPS 濃度范圍內，表面活性劑沒有導致折疊和自氧化程度降低；HPS與血紅蛋白的作用明顯低于SDS 和CTAC 對蛋白的作用，這是因為其與蛋白之間的靜電引力作用弱。Gelamo 等[35]根據HPS 對BSA 的結合常數變化而發現提高pH 能增強HPS 與BSA 的結合。HPS-BSA 的結合常數小于其與陰離子型表面活性劑SDS 的結合常數，但略大于其與陽離子型表面活性劑CTAC 的結合常數，且HPS 對蛋白結構都有一定的影響。

2.4 非離子型表面活性劑與蛋白質的相互作用

非離子型表面活性劑（non-ionic surfactant，NIS）在溶液中不呈解離狀態，穩定性高，相溶性好，毒性和溶血作用小，不易受電解質和溶液的影響，能與大多數藥物蛋白配伍，可以增強活性物質的穩定性和溶出率，所以被廣泛應用藥用制劑。NIS 雙水相萃取分離系統在一定溫度(濁點)以上，可從水相中分離出包含蛋白質的表面活性劑，少量的表面活性劑和蛋白質留存于水相中，此系統適合分離具有一定疏水特性的水溶性蛋白質，與其他體系相比，在不需要有機溶劑和很低的表面活性劑濃度就會產生相分離，基于以上優點，該類研究意義重大。

與離子型表面活性劑相比，NIS 與蛋白質作用的報道較少，主要原因是NIS 臨界膠束濃度(cmc)值較小，在溶液中的單體濃度很難達到與蛋白質發生協同結合的濃度，二者通過疏水力發生相互作用，從而增加蛋白質親水性，與蛋白質的作用較弱；NIS 的疏水部分結合在蛋白非極性氨基酸上，極性部分則結合肽鍵和一個或多個極性氨基酸。此領域中研究的比較多的是廣泛應用于生物醫藥領域中的聚山梨醇系列。

聚山梨醇20（Tween20）和聚山梨醇80（Tween80）可應用在生物治療藥物對蛋白降解途徑[3]中，二者能夠阻止影響生物藥劑產品中蛋白質的穩定性因素的產生，如自身氧化導致過氧化氫的形成，側鏈分解導致像甲酸一類物質的短鏈酸類的形成等。Garidel 等[36]也發現Tween20 和Tween80 均能夠通過氫鍵結合HSA 的疏水區域，從而降低蛋白自身之間的相互作用和蛋白聚集，使蛋白的變性溫度升高，增強蛋白的穩定性。對于免疫球蛋白類，聚山梨醇能夠使膠體蛋白穩定的原因應該不是直接結合到蛋白上，因為測到的結合分子數很少。Wei 等[37]證實Tween80 可以抑制白細胞介素-2 突變體溶液儲存時因晃動引起的二硫鍵或其他化學鍵形成從而使蛋白聚集，但同時也有負面作用，它可以不同程度地氧化白介素-2 突變體，Tween80 不僅可以增加蛋白的氧化速率，還可以改變白介素-2 氧化的溫度依賴性和穩定性。用表面活性劑Brij-35 介導的方法將膜蛋白AgrC 鑲嵌到脂質體上，即形成蛋白脂質體[38]，體外磷酸化實驗表明AgrC 蛋白在脂質體中的自我磷酸化活性較高，蛋白脂質體的構建不僅解決了膜蛋白的不穩定性問題，也為體外研究AgrC 蛋白的結構、功能和信號轉導機制提供了新的思路。

2.5 新型表面活性劑與蛋白質相互作用

新型表面活性劑具有很多優良的性能，在研究其與蛋白的作用情況也有很多優越性，如極易形成膠束且可以控制膠團形狀，在酶的分離純化應用中表現出色；在一定條件下，利用其在有機相中自發形成的膠束，將水溶性蛋白質提取至反向膠束的極性核中，創造條件移至另一水相，實現蛋白質分離提純的目的，這一方法的優點是酶不直接與有機相接觸，因而不易失活。醫藥中使用的酶制劑存在穩定性低、臨床上產生抗原性等問題，利用新型表面活性劑對酶進行修飾可解決以上問題，這對于人工合成基因工程蛋白的復性和藥物的傳遞方面應用很有幫助，目前對于此類研究還處于摸索階段。

氟表面活性劑中分子中碳氫鏈的氫原子全部或部分被氟原子取代，所含全氟代烷基兼具疏水性和疏脂性，在水和有機溶劑中均呈現出良好的表面活性，具有很高的熱穩定性及化學穩定性，在強酸和強堿中均穩定、不分解，可在不同藥液中降低其表面張力，H 被強負電性的F 取代后，與蛋白相互作用加強。氟表面活性劑全氟代辛烷磺酸鉀（PFOS）、全氟代丁烷磺酸鉀(PFBS)分別與HSA 相互作用，并與氫代表面活性劑比較，發現C-F 鍵的剛性能使得烷鏈變硬，疏水性增強，PFOS 對蛋白的作用比相同長度疏水鏈氫代的表面活性劑作用強[39]。研究發現全氟壬酸鏗與溶菌酶混合體系中二者相行為與結構中有相同的碳氫鏈的AS 與電性相反蛋白質的相行為類似[40]，Sesta等[41]則發現二者有較強的結合作用，并明顯改變了溶菌酶的結構。

Gemini 表面活性劑具有優越的表面性能及良好的生物降解性，它是通過化學鍵將兩個及兩個以上的相同（或幾乎相同的）表面活性劑單體在親水頭基附近用聯接基團將兩親成分聯接在一起形成的一種新型表面活性劑。在鹽中不同的聚集態[42]和偶聯表面活性劑特殊的分子結構使其與蛋白質或DNA 等生物分子的作用比其他表面活性劑更強烈[43]。酶和底物被包圍在水/Gemini/有機溶劑體系組成的膠團結構內，以模擬酶在活細泡中的功能，調節Gemini 表面活性劑結構可改變微團尺寸，亦可改變酶活性。Dan 等[44]發現Gemini 與蛋白可形成復合物，且主要作用于BSA 的色氨酸殘基，對明膠的酪氨酸殘基和苯丙氨酸殘基都有影響，使蛋白的芳香族氨基酸暴露于更疏水的環境中。由于Gemini 具有雙親水頭部和雙疏水尾部[45]，Gemini 在低濃度（0.145~1 mM）時便可使蛋白大幅度地解折疊，α-螺旋含量迅速減少，蛋白構象變化和飽和點均比CTAB 所需的濃度低得多。pH、溫度以及表面活性劑的立體化學結構均對Gemini 與蛋白的相互作用產生影響[46]，其中立體化學結構影響表面活性劑的表面性質及對BSA 的作用，但不影響在溶液中的膠束性質。

新型鎳螯合表面活性劑TX-Ni 是一種配合物表面活性劑，具有較強的疏水基團，在較高溫度下可有效的疏水并生成膠束。S.Wang 等[47]研究TX-Ni 在生物分離應用時發現，含多個組氨酸的蛋白EGFP 隨TX-Ni 濃度升高極易被萃取至膠束相，而相同條件下只有一個組氨酸的lysozyme 卻不受影響，這一新型表面活性劑可以用于蛋白分子組氨酸殘基數目不同的混合蛋白體系的分離。還有一些新型表面活性劑，如糖胺類表面活性劑，還有由微生物所產生的生物表面活性劑（如枯草桿菌表面活性素[48]）等有著無毒、良好的生物降解性等優點，作為天然添加劑，在食品工業、精細化工、醫藥等方面也愈來愈受到人們的青睞。

3 結論與展望

表面活性劑種類、濃度和體系環境的不同決定了其分別對蛋白質的作用及吸附機理也不相同。在各種類型的單一表面活性劑中，研究最多的是陰離子表面活性劑與蛋白質（AS-P）相互作用，這源于AS 與蛋白質之間的結合作用相對較強，CS-P 作用行對較弱，NIS-P 作用則最弱，新型的表面活性劑中含氟表面活性劑及Gemini 與蛋白質作用多樣化。目前更多研究者傾向于研究多種類型的表面活性劑對同一種蛋白質作用[49-51]，或不同種類蛋白與同一類表面活性劑相互作用的不同之處、不同的機理及各自作用的特點，以期掌握P-S 作用規律。表面活性劑對蛋白質影響尚屬于探索階段，且未來應用極為廣泛，基于以上原因，P-S 相互作用的研究一直非?；钴S，不斷涌現的新P-S 混合體系研究方法，必將推動蛋白質處理新技術的發展。

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