固体表面蛋白质吸附理论研究进展

第24卷　第2期

2006年4月沈阳师范大学学报(自然科学版) Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science ) V ol 124, N o. 2Apr. 2006文章编号:1673-5862(2006) 02-0158-03

固体表面蛋白质吸附理论研究进展

钟　博, 张　辉

(沈阳师范大学物理科学与技术学院, 辽宁沈阳　110034)

摘　　　要:对近年来蛋白质吸附的理论研究成果进行了回顾, 对所提出的蛋白质吸附模型进行

了总结, 分析了这些模型的适用条件和局限性・指出了蛋白质吸附研究面临的困难和需要解决的

问题・

关　键　词:蛋白质吸附; 理论研究; 模型

中图分类号:O 485　　　文献标识码:A

0　引　　言

蛋白质与表面相互作用的问题是纳米技术、度和理论角度展开了广泛研究, ・Asthagiri 和Lenhoff , 对带电蛋白与表面的作用给出了合理的解释[1]・[2](距离的函数, 且考虑了溶解焓和熵的贡献) , , 这些参数有重要的应用价值・

也有人从原子尺度对蛋白质的吸附进行了研究[3]・Ravichandran 等人也用经过静电学处理的刚性原子模型研究了蛋白质的吸附, 发现带正电的蛋白质能够吸附在带正电的表面上, 这是由于蛋白质表面电荷分布不均[4]・最近,Zhou 等人预言了吸附在表面上的抗体的取向, 采用的是联合参基模型, 每个氨基酸都用能够发生平均静电相互作用和范德瓦尔斯相互作用的集团来表示[5]・

最近的理论模型包括较大空间尺度的模型(胶体) 和空间尺度和时间尺度都非常小的模型(MD ) ・由于蛋白质吸附的初始过程非常快(几微秒到几毫秒) , 而蛋白质展开却需要较长的时间(几小时到几天) , 因此用不同时间和空间尺度的模型来描述蛋白质的吸附行为是必要的・

1　蛋白质吸附模型

1. 1　朗谬尔模型(Langmuir Model )

这是描述蛋白质吸附的最简单的模型・这个模型中有几个基本的假设:

1) 单层吸附, 即吸附量不超过一层;

2) 吸附表面由离散的、相同的且不发生相互作用的位点构成;

3) 分子吸附到表面上某一位点的能力与其他位点是否被占据无关・最终的动力学方程为

ρ=K a c 1-ρ-K d 9t 0

μg/cm 2) ; ρ其中, ρ是蛋白质的吸附量(0是吸附质单层覆盖时的吸附量; c 是发生吸附的吸附质的体浓

μg/mL ) ; K a 和K d 分别是吸附和脱附常数・度(朗谬尔模型最初是在研究气体吸附时建立的, 一般认收稿日期:2005212215

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50571071) ・

作者简介:钟　博(1981-) , 男(满族) , 辽宁抚顺人, 沈阳师范大学硕士研究生; 张　辉(1959-) , 男, 辽宁沈阳人, 沈阳师范大学教

授, 博士, 硕士研究生导师・

第2期　　　　　　　　　　　　钟　博等:固体表面蛋白质吸附理论研究进展159为, 蛋白质的覆盖度较低时可以用该方程进行描述・

1. 2　简单粒子模型(Simple Particle Model )

由于用朗谬尔模型描述蛋白质的吸附比较粗糙, 因此又发展了简单粒子模型・在该模型中蛋白质分子被视为几何体・最简单的粒子尺度的模型就是随机次序模型(Random Sequential Model ,RSA ) ・

蛋白质等生物大分子的吸附一般是不可逆的, 即吸附速率远大于脱附速率和扩散速率・在这种情况下, 可以用RSA 模型来描述蛋白质的吸附・RSA 模型的基本假设如下:

1) 在粒子吸附的局部范围内界面是均一的, 即吸附质在哪点吸附以及以何种取向吸附与界面上吸附点的位置无关;

2) 吸附质之间不能重叠・而且如果两个粒子之间有相互作用, 其中一个粒子在另一个粒子(先发生了吸附) 附近吸附的概率服从玻耳兹曼分布;

3) 吸附是局域的且是不可逆的・粒子发生吸附以后, 其位置和取向将不再随时间改变・

在这个模型中, 粒子在不与已吸附粒子发生重叠的条件下, 随机地选取位置吸附・没有脱附或表面扩散发生・该模型所给出的动力学方程为

Φ(ρ) =K a c 9t

式中, ρ是蛋白质的吸附量; Φ是表面封闭(blockage ) 系数, 具有两个基本性质, Φ(0) =1, Φ(ρ∞) =0・这个模型的特点是随着时间的延续吸附逐渐趋于饱和态・在时间足够长的条件下, Φ形式

Φ≈t -v ≈[ρ1

其中, ρ∞是饱和吸附量; v , ・在简单粒子模型中也可以将脱附作用考虑在内, ・

RSA , ・当覆ρ的幂级数・但对蛋白质在表面的吸附行为的实验研究表明, 在生物分子体系中, 能够观察到由于粒子的扩散重组产生的表面弛豫效应・长时间的覆盖密度比不可逆RSA 的计算值要大, 与粒子密堆积排列的密度可比拟・

1. 3　扩散粒子模型(Spreading Particle Model )

扩散粒子模型在简单粒子模型的基础上进一步考

虑了粒子构象和取向的变化・该模型所给出的蛋白质吸

附图像是, 蛋白质分子按照一定顺序随机地吸附在表面

上(分子间不重叠) , 吸附以后可能有两个事件发生, 一

种可能是发生脱附, 另一种可能是扩散为半径较大的粒

子(在空间允许的条件下) , 反映构象和取向的变化(图

1) ・这两个事件相互竞争, 各有一定的发生几率・图1　扩散粒子模型示意图

该模型的基本假设包括:

1) 蛋白质横向相互作用通过实心势(Hard core potential ) 实现;

2) 蛋白质只有两种可变状态・这个过程的动力学方程如下:

ΦρΨ=K a c α-K d αβa -K ρs α9t

βΨ=K ραβs α9t

式中, ρα为处于非扩散态的蛋白质吸附量; ρβ为处于变化以后状态的蛋白质吸附量; Φα是蛋白质的吸附概率(表面上有足够空间用于吸附的概率) ; Ψαβ为蛋白质扩散的概率(已经吸附的分子有足够的空间用于扩散的概率) ; K s 为扩散速率; K a 和K d 分别为吸附和脱附速率; c 是表面附近蛋白质体浓度・

如果蛋白质的吸附可视为准静态过程, 即吸附过程足够缓慢以至可以认为蛋白质的分布在任意时刻都处于平衡态, 并且蛋白质在表面的投影为碟子形状, 那么吸附概率和扩散概率的解析表达式可以从

160沈阳师范大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　第24卷标度粒子理论(Scaled Particle Theory ,SPT ) 中推导出

来[6]・

1. 4　吸附模型曲线

朗谬尔模型和粒子模型所给出的吸附曲线如图2

所示・在初始阶段吸附量都随时间增加・在朗谬尔模

型中, 吸附量以指数形式接近饱和, 因此是非常快的・

而在粒子模型中, 吸附量接近饱和的速率就比较慢,

这是因为对表面封闭(blockage ) 的处理更符合实际情

况・图2　蛋白质吸附理论曲线与实验曲线的对比2　蛋白质吸附研究面临的困难和前景展望

蛋白质吸附在胶体尺度上得到了极好的描述, 但是还有许多基本的问题尚未解决, 这些问题的解决有待于高分辨率的实验测量和更精细的(氨基酸尺度和原子尺度上) 吸附模型的提出・建立完善的蛋白质吸附模型仍然面临许多困难, 主要包括:

1) 在目前所建立的模型中, 一般都将蛋白质近似为均匀带电的刚性球, 很显然这一近似是十分粗略的, 而且还忽略了许多相互作用和流体的流动效应, 这进一步增大了模型的局限性・

2) 实际上, 在与蛋白质大小可以比拟的尺度上, 立・同时处理该问题的精确方法量化计算(如分子动力学模拟) 附衬底这样复杂的体系・

3) 导致吸附量出现很大的变化・, 同时也反映出准确的实验() 是第一性原理首要的研究目标, 第一性原理应能够定、动力学以及多态性・用实验手段对这些问题进行研究的工作已经展开・实验手段主要包括:光谱技术(如非线性光学技术) 以及其他以激光为基础的技术(SF G ,SHG 等) 、同步加速器、核磁共振和扫描探测技术等・能够测量吸附态蛋白质结构的技术是非常有用的・目前, 具有时间分辨的结构数据并不多见・许多实验已经得到了吸附等温线和动力学覆盖度数据, 利用这些数据得到更细致的模型是非常有必要的・

参考文献:

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]ASTHA GIRI D , L ENHOFF A M. Influence of structural details in modeling electrostatically driven protein adsorption [J].Langmuir , 1997,13:676126768. LA TOUR R A J R , HENCH L L. A theoretical analysis of the thermodynamic contributions for the adsorption of individual protein residues on functionalized surfaces[J].Biomaterials , 2002,23:463324648. NOINV ILL E V , V IDALMADIAR C , SEBILL E B. Modeling of protein adsorption on polymer surfaces 2computation of adsorption potential[J].J Phys Chem , 1995,99:151621522. RAV ICHANDRAN S , MADURA J D , TALBO T J. A Brownian dynamics study of the initial stages of hen egg 2white lysozyme adsorption at a solid interface[J].J Phys Chem B , 2001,105:361023613. ZHOU J , CHEN S , J IAN G S. Orientation of adsorbed antibodies on charged surfaces by computer simulation based on a United 2Residue Model[J].Langmuir , 2003(9) :347223478. BRUSA TORI M A , VAN TASSEL P R. A K inetic Model of Protein Adsorption/Surface 2Induced Transition K inetics

Evaluated by the Scaled Particle Theory[J].J Colloid Interface Sci , 1999,219:3332338.

Evolution of Theoretical Study on Protein Adsorption on Solid Substrates

ZHON G Bo , ZHA N G Hui

(College of Physics Science and Technology , Shenyang Normal University , Shenyang 110034, China )

Abstract :Several protein adsorption models , such as Langmuir model , simple particle model and spreading particle model , have been set up recently. In this review , the theoretical approaches and models that have been developed in recent years in the field of protein adsorption on solid substrates are summarized , the applying conditions and limitations of these models are discussed , and the difficulties the protein adsorption research are faced and the problems that should be solved are indicated. K ey w ords :protein adsorption ; theoretical study ; model

第24卷　第2期

2006年4月沈阳师范大学学报(自然科学版) Journal of S henyang Norm al U niversity (N atural Science ) V ol 124, N o. 2Apr. 2006文章编号:1673-5862(2006) 02-0158-03

固体表面蛋白质吸附理论研究进展

钟　博, 张　辉

(沈阳师范大学物理科学与技术学院, 辽宁沈阳　110034)

摘　　　要:对近年来蛋白质吸附的理论研究成果进行了回顾, 对所提出的蛋白质吸附模型进行

了总结, 分析了这些模型的适用条件和局限性・指出了蛋白质吸附研究面临的困难和需要解决的

问题・

关　键　词:蛋白质吸附; 理论研究; 模型

中图分类号:O 485　　　文献标识码:A

0　引　　言

蛋白质与表面相互作用的问题是纳米技术、度和理论角度展开了广泛研究, ・Asthagiri 和Lenhoff , 对带电蛋白与表面的作用给出了合理的解释[1]・[2](距离的函数, 且考虑了溶解焓和熵的贡献) , , 这些参数有重要的应用价值・

也有人从原子尺度对蛋白质的吸附进行了研究[3]・Ravichandran 等人也用经过静电学处理的刚性原子模型研究了蛋白质的吸附, 发现带正电的蛋白质能够吸附在带正电的表面上, 这是由于蛋白质表面电荷分布不均[4]・最近,Zhou 等人预言了吸附在表面上的抗体的取向, 采用的是联合参基模型, 每个氨基酸都用能够发生平均静电相互作用和范德瓦尔斯相互作用的集团来表示[5]・

最近的理论模型包括较大空间尺度的模型(胶体) 和空间尺度和时间尺度都非常小的模型(MD ) ・由于蛋白质吸附的初始过程非常快(几微秒到几毫秒) , 而蛋白质展开却需要较长的时间(几小时到几天) , 因此用不同时间和空间尺度的模型来描述蛋白质的吸附行为是必要的・

1　蛋白质吸附模型

1. 1　朗谬尔模型(Langmuir Model )

这是描述蛋白质吸附的最简单的模型・这个模型中有几个基本的假设:

1) 单层吸附, 即吸附量不超过一层;

2) 吸附表面由离散的、相同的且不发生相互作用的位点构成;

3) 分子吸附到表面上某一位点的能力与其他位点是否被占据无关・最终的动力学方程为

ρ=K a c 1-ρ-K d 9t 0

μg/cm 2) ; ρ其中, ρ是蛋白质的吸附量(0是吸附质单层覆盖时的吸附量; c 是发生吸附的吸附质的体浓

μg/mL ) ; K a 和K d 分别是吸附和脱附常数・度(朗谬尔模型最初是在研究气体吸附时建立的, 一般认收稿日期:2005212215

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50571071) ・

作者简介:钟　博(1981-) , 男(满族) , 辽宁抚顺人, 沈阳师范大学硕士研究生; 张　辉(1959-) , 男, 辽宁沈阳人, 沈阳师范大学教

授, 博士, 硕士研究生导师・

第2期　　　　　　　　　　　　钟　博等:固体表面蛋白质吸附理论研究进展159为, 蛋白质的覆盖度较低时可以用该方程进行描述・

1. 2　简单粒子模型(Simple Particle Model )

由于用朗谬尔模型描述蛋白质的吸附比较粗糙, 因此又发展了简单粒子模型・在该模型中蛋白质分子被视为几何体・最简单的粒子尺度的模型就是随机次序模型(Random Sequential Model ,RSA ) ・

蛋白质等生物大分子的吸附一般是不可逆的, 即吸附速率远大于脱附速率和扩散速率・在这种情况下, 可以用RSA 模型来描述蛋白质的吸附・RSA 模型的基本假设如下:

1) 在粒子吸附的局部范围内界面是均一的, 即吸附质在哪点吸附以及以何种取向吸附与界面上吸附点的位置无关;

2) 吸附质之间不能重叠・而且如果两个粒子之间有相互作用, 其中一个粒子在另一个粒子(先发生了吸附) 附近吸附的概率服从玻耳兹曼分布;

3) 吸附是局域的且是不可逆的・粒子发生吸附以后, 其位置和取向将不再随时间改变・

在这个模型中, 粒子在不与已吸附粒子发生重叠的条件下, 随机地选取位置吸附・没有脱附或表面扩散发生・该模型所给出的动力学方程为

Φ(ρ) =K a c 9t

式中, ρ是蛋白质的吸附量; Φ是表面封闭(blockage ) 系数, 具有两个基本性质, Φ(0) =1, Φ(ρ∞) =0・这个模型的特点是随着时间的延续吸附逐渐趋于饱和态・在时间足够长的条件下, Φ形式

Φ≈t -v ≈[ρ1

其中, ρ∞是饱和吸附量; v , ・在简单粒子模型中也可以将脱附作用考虑在内, ・

RSA , ・当覆ρ的幂级数・但对蛋白质在表面的吸附行为的实验研究表明, 在生物分子体系中, 能够观察到由于粒子的扩散重组产生的表面弛豫效应・长时间的覆盖密度比不可逆RSA 的计算值要大, 与粒子密堆积排列的密度可比拟・

1. 3　扩散粒子模型(Spreading Particle Model )

扩散粒子模型在简单粒子模型的基础上进一步考

虑了粒子构象和取向的变化・该模型所给出的蛋白质吸

附图像是, 蛋白质分子按照一定顺序随机地吸附在表面

上(分子间不重叠) , 吸附以后可能有两个事件发生, 一

种可能是发生脱附, 另一种可能是扩散为半径较大的粒

子(在空间允许的条件下) , 反映构象和取向的变化(图

1) ・这两个事件相互竞争, 各有一定的发生几率・图1　扩散粒子模型示意图

该模型的基本假设包括:

1) 蛋白质横向相互作用通过实心势(Hard core potential ) 实现;

2) 蛋白质只有两种可变状态・这个过程的动力学方程如下:

ΦρΨ=K a c α-K d αβa -K ρs α9t

βΨ=K ραβs α9t

式中, ρα为处于非扩散态的蛋白质吸附量; ρβ为处于变化以后状态的蛋白质吸附量; Φα是蛋白质的吸附概率(表面上有足够空间用于吸附的概率) ; Ψαβ为蛋白质扩散的概率(已经吸附的分子有足够的空间用于扩散的概率) ; K s 为扩散速率; K a 和K d 分别为吸附和脱附速率; c 是表面附近蛋白质体浓度・

如果蛋白质的吸附可视为准静态过程, 即吸附过程足够缓慢以至可以认为蛋白质的分布在任意时刻都处于平衡态, 并且蛋白质在表面的投影为碟子形状, 那么吸附概率和扩散概率的解析表达式可以从

160沈阳师范大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　第24卷标度粒子理论(Scaled Particle Theory ,SPT ) 中推导出

来[6]・

1. 4　吸附模型曲线

朗谬尔模型和粒子模型所给出的吸附曲线如图2

所示・在初始阶段吸附量都随时间增加・在朗谬尔模

型中, 吸附量以指数形式接近饱和, 因此是非常快的・

而在粒子模型中, 吸附量接近饱和的速率就比较慢,

这是因为对表面封闭(blockage ) 的处理更符合实际情

况・图2　蛋白质吸附理论曲线与实验曲线的对比2　蛋白质吸附研究面临的困难和前景展望

蛋白质吸附在胶体尺度上得到了极好的描述, 但是还有许多基本的问题尚未解决, 这些问题的解决有待于高分辨率的实验测量和更精细的(氨基酸尺度和原子尺度上) 吸附模型的提出・建立完善的蛋白质吸附模型仍然面临许多困难, 主要包括:

1) 在目前所建立的模型中, 一般都将蛋白质近似为均匀带电的刚性球, 很显然这一近似是十分粗略的, 而且还忽略了许多相互作用和流体的流动效应, 这进一步增大了模型的局限性・

2) 实际上, 在与蛋白质大小可以比拟的尺度上, 立・同时处理该问题的精确方法量化计算(如分子动力学模拟) 附衬底这样复杂的体系・

3) 导致吸附量出现很大的变化・, 同时也反映出准确的实验() 是第一性原理首要的研究目标, 第一性原理应能够定、动力学以及多态性・用实验手段对这些问题进行研究的工作已经展开・实验手段主要包括:光谱技术(如非线性光学技术) 以及其他以激光为基础的技术(SF G ,SHG 等) 、同步加速器、核磁共振和扫描探测技术等・能够测量吸附态蛋白质结构的技术是非常有用的・目前, 具有时间分辨的结构数据并不多见・许多实验已经得到了吸附等温线和动力学覆盖度数据, 利用这些数据得到更细致的模型是非常有必要的・

参考文献:

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]ASTHA GIRI D , L ENHOFF A M. Influence of structural details in modeling electrostatically driven protein adsorption [J].Langmuir , 1997,13:676126768. LA TOUR R A J R , HENCH L L. A theoretical analysis of the thermodynamic contributions for the adsorption of individual protein residues on functionalized surfaces[J].Biomaterials , 2002,23:463324648. NOINV ILL E V , V IDALMADIAR C , SEBILL E B. Modeling of protein adsorption on polymer surfaces 2computation of adsorption potential[J].J Phys Chem , 1995,99:151621522. RAV ICHANDRAN S , MADURA J D , TALBO T J. A Brownian dynamics study of the initial stages of hen egg 2white lysozyme adsorption at a solid interface[J].J Phys Chem B , 2001,105:361023613. ZHOU J , CHEN S , J IAN G S. Orientation of adsorbed antibodies on charged surfaces by computer simulation based on a United 2Residue Model[J].Langmuir , 2003(9) :347223478. BRUSA TORI M A , VAN TASSEL P R. A K inetic Model of Protein Adsorption/Surface 2Induced Transition K inetics

Evaluated by the Scaled Particle Theory[J].J Colloid Interface Sci , 1999,219:3332338.

Evolution of Theoretical Study on Protein Adsorption on Solid Substrates

ZHON G Bo , ZHA N G Hui

(College of Physics Science and Technology , Shenyang Normal University , Shenyang 110034, China )

Abstract :Several protein adsorption models , such as Langmuir model , simple particle model and spreading particle model , have been set up recently. In this review , the theoretical approaches and models that have been developed in recent years in the field of protein adsorption on solid substrates are summarized , the applying conditions and limitations of these models are discussed , and the difficulties the protein adsorption research are faced and the problems that should be solved are indicated. K ey w ords :protein adsorption ; theoretical study ; model