脯氨酸调控水溶液中表面相互作用的分子机制及其在细胞应激保护中的意义

本研究针对脯氨酸在环境胁迫下作为渗透保护剂的具体分子机制尚不明确的问题，通过表面力测量技术揭示了脯氨酸对水溶液中带电表面间相互作用力的显著影响。研究发现脯氨酸能增强长程排斥力并改变近表面水合结构，为理解植物抗逆机制提供了新视角，对生物物理化学和农业科学具有重要意义。

　　

在自然界中，植物为了应对高盐、极端温度等环境胁迫，会积累某些特殊的氨基酸来保护自身细胞。其中，脯氨酸（proline）作为一种常见的渗透保护剂（osmoprotectant），其通过调节细胞渗透压来维持细胞稳态的功能已被广泛认知。然而，除了这种传统的“colligative property”（依数性）作用之外，脯氨酸是否以及如何影响细胞内的分子水平相互作用——例如生物大分子之间、膜表面之间或胶体颗粒之间的力——却鲜为人知。这一问题不仅关乎植物抗逆机制的完整理解，也对生物物理学、胶体化学乃至药物递送系统的设计具有深远意义。

正是在这样的背景下，来自牛津大学物理与理论化学实验室的Kieran J. Agg、James E. Hallett和Susan Perkin团队开展了深入研究，他们的研究成果发表在《Biophysical Journal》上。为了揭示脯氨酸在分子相互作用层面的功能，研究者聚焦于水溶液环境中脯氨酸对带电表面间相互作用力的影响。他们发现，脯氨酸能够显著增强表面间的排斥力，改变近表面水分子结构，从而在维持胶体稳定性的同时，允许渗透压在宽范围内进行调节。这一发现突破了人们对脯氨酸功能的传统认知，为从分子力学角度理解生物系统的环境适应机制提供了关键证据。

在研究过程中，作者主要应用了表面力仪（Surface Force Apparatus, SSA）进行直接力测量，通过量化不同浓度脯氨酸和盐溶液中带电云母表面之间的相互作用力，区分了DLVO（Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek）与非DLVO作用力的贡献；借助光谱或散射技术分析溶液结构和分子排列；并结合实验条件控制（如离子强度、脯氨酸浓度）以系统评估脯氨酸的特定效应。

◆ 脯氨酸对长程排斥力的影响

通过比较纯水、盐溶液及含脯氨酸的盐溶液中的表面力曲线，研究人员发现即使在中低浓度下，脯氨酸也能显著增加带电表面之间的排斥作用。这一效应在远距离（far-field）相互作用中尤为明显，表明脯氨酸影响了双电层结构或水合作用范围。

◆ 浓度依赖性与短程结构改变

在较高脯氨酸浓度下，研究人员进一步观察到短程相互作用的变化。实验数据显示力曲线中出现了振荡特征，说明脯氨酸分子在界面处形成了分层排列结构。这一现象属于典型的非DLVO力，反映出脯氨酸直接干扰了界面水合层的稳定性。

◆ 脯氨酸与盐的协同效应

当脯氨酸与盐共同存在时，其效应更为复杂。与单纯盐溶液相比，加入脯氨酸后界面水合结构被显著扰乱，表面之间的斥力在多个距离尺度上均得到增强。这表明脯氨酸不仅调节静电作用，还可能通过改变溶液介电性质或离子水合状态影响分子间力。

◆ 渗透压与胶体稳定性的兼容调控

一个特别值得注意的发现是，脯氨酸在维持强烈排斥性相互作用的同时，还允许渗透压在大范围内变动。这意味着生物系统可在不牺牲胶体稳定性的前提下，通过调节脯氨酸浓度应对不同强度的环境胁迫。

本研究通过严格的实验测量和理论分析，证实脯氨酸不仅作为渗透调节剂，更是一种能够直接调制表面相互作用的关键分子。它在溶液中增强排斥力、形成界面结构、并破坏盐溶液中的水合层，这些机制共同促使脯氨酸在维持细胞稳定性方面发挥核心作用。该研究拓宽了对脯氨酸生物功能的理解，将传统生理生化认知延伸至分子物理相互作用层面，为农业育种、生物材料设计乃至药物保存技术提供了新的理论依据。

特别值得注意的是，脯氨酸所产生的效应在低浓度时即表现明显，且远场作用对浓度变化不敏感，说明其具有强效的生物物理调节能力。这一发现也暗示，在进化过程中脯氨酸之所以被广泛选用为抗逆分子，不仅因其溶解性与低毒性，更因其独特的界面行为与分子调控能力。