什么是 疏水 ？

什么是 疏水 ？

疏水作用是决定生物分子的结构和性质的重要因素，特别是在蛋白质的折叠，药物分子与受体(蛋白质、DNA等)的相互作用中扮演着重要的角色[1-3]。至少50年来，药物化学家始终相信疏水作用是药物的非极性区域与受体的非极性区域之间最重要的作用。疏水作用与氢键作用，静电作用，范德华作用同属非键作用，但是人们对前三种相互作用的研究比较深入，都已经有了得到普遍认可和广泛使用的原子水平的势函数表达式[4]。而疏槐嫌水作用的研究则进展缓慢，至今仍然是一个研究热点和难点。本文主要介绍目前人们对疏水作用本质的认识以及以分配系数和疏水场表达疏水作用的研究进展。1 疏水效应和疏水作用 非极性化合物例如苯、环己烷在水中的溶解度非常小，与水混合时会形成互不相溶的两相，即非极性分子有离开水相进入非极性相的趋势，即所谓的疏水性(Hydrophobicity)，非极性溶质与水溶剂的相互作用则称为疏水效应(Hydrophobic effect)[1,5]。在常温下(25° C)，非极性溶质溶于水焓的变化(DH)通常较小，有时甚至是负的，似乎是有利于溶解的；但是非极性分子进入水中会导致周围水分子呈有序化排列使熵大量降低(DS<0)，自由能的变化(DG)最终是正值。因此25°C时疏水效应是一种熵效应，低溶解度是由于熵的减少。对于疏水溶质周围有序化的水分子外壳，早期的研究[1]认为是一种类似“冰笼”一样的结构，其中生成了更多更强的氢键，但是后来的热力学理论计算[6-7]和中子散射实验[8]却表明水化层中的氢键反而更少。 为了减少有序水分子的数量，非极性分子有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的力则称为疏水相互作用(Hydrophobic interaction) [1,5]。疏水作用的强度与非极性分子之间的任何内在吸引无关，受系统获取最大热力学稳定缺正性驱动。一般来说，非极性区域(或称疏水基团)越多，面积越大，则疏水作用越强；温度升高则疏水作用增强[5]。疏水作用最直观的表现是类脂等两亲性分子在水中形成稳态胶束(miscell)以及蛋白质在水中的折叠（Folding)。 这里要指出的是，对于疏水效应和疏水作用这两个概念的定义还存在一些争议，但是有两点是得到大家公认的[9-11]：1. 在25° C非极性溶质的水合作用是受水分子有序化产生的熵效应阻止的。2. 疏水分子或疏水基团在水中是相互吸引的。伏明悔 目前人们对疏水效应的物理起因还没有达成一致认识，但是近年逐渐趋向于这样的看法[12]：水中的氢键重排补偿了疏水效应中少量的焓变和较大量的熵变，因而使疏水溶质也能在水中有少量的溶解度。而对于疏水作用则普遍认为是通过打破疏水溶质周围水分子的有序结构导致熵的增加而获得热力学稳定性的，即疏水作用在25° C时是熵驱动的 [13-15] 疏水基团之间的相互作用通常被认为是没有方向性的，但是最近对剑桥晶体结构数据库(CSD)和蛋白质晶体结构数据库(PDB)的研究发现[16]，疏水作用是有方向倾向性的。例如，富电子的吲哚芳环与苯环通常以边对面的T型方式接触图1(a)，而缺电子的恶唑环则多与苯环面对面地平行接触图1(b)。