大黄酸铜（Ⅱ）配合物与牛血清白蛋白的相互作用

大黄酸铜（Ⅱ）配合物与牛血清白蛋白的相互作用 大黄酸铜(?)配合物与牛血清白蛋白的相 互作用 Vo1.32 2011年6月 高等学校化学 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES No.6 1277,1283 大黄酸铜(?)配合物与牛血清白蛋白的 相互作用 赵芳,梁慧,程惠,王军,赵文慧. (1.石河子大学化学化工学院,新疆兵团化工绿色过程重点实验室——省部共建国家重点实验室 培育基地,石河子832003;2.新疆医科大学药学院,乌鲁木齐830054) 摘要采用荧光光谱法,紫外光谱法和圆二色光谱法并结合电化学方法,研究了大黄酸铜配合物与牛血清 白蛋白之间的相互作用.结果表明,大黄酸铜配合物能显着猝灭牛血清白蛋白的内源荧光并以静态猝灭为 主;汁算了298和309K温度下的结合常数和结合位点,热力学参数和大黄酸铜配合物的电化学行为说明大 黄酸铜配合物与牛血清白蛋白之问具有较强的疏水作用力;依据F6rster的偶极一偶极非辐射能量转移理论, 计算出大黄酸铜在蛋白质中的结合位置与色氨酸残基间的距离为3.21nrll,表明大黄酸铜的部分片段能够插 入蛋白质分子内部;探讨了大黄酸铜配合物对牛血清白蛋白构象的影响. 关键词大黄酸铜;牛血清白蛋白;荧光光谱;紫外光谱;圆二色光谱 中图分类号0657文献标识码A文章编号 12774)7 0251-0790{2011)06— 血清白蛋白与药物分子发生相互作用形成超分子化合物的研究是介于生命科学与化学之间的边缘 性课题,也是化学,生命科学,药学和I临床医学共同关注的研究领域.血清白蛋白是血浆中含量最丰 富的重要载体蛋白,它能与许多内源及外源性化合物结合,是药物发挥药效的重要载体和靶点.另外, 药物与白蛋白作用后,可使药物暂留在血浆中以减弱药物的最大作用强度,防止其大幅波动从而延长 药物的作用时问.因此,研究血清白蛋白与药物的相互作用不仅可以在分子层面上获得蛋白质与 药物小分子的结合反应作用机理,分析蛋白质结构与功能的关系,而且有助于研究药物的药理和毒理 的微观机理,为药物的分子设计,筛选及新药的开发提供依据. 大黄酸(Rhein)属于单蒽核类1,8一二羟基葸醌衍生物,是大黄,何首乌及虎杖等多种中药的主要 活性成分之一,具有抗氧化,抑菌,降糖凋脂,保肝抗纤维化,抗炎及抗肿瘤等多种生物活性及药理作 用,并且因为在治疗骨关节炎,糖尿病和肾病等疾病及协同抗肿瘤方面表现突出而成为研究热点. 大黄酸具有1,8位羟基和9位羰基,完整的大仃键共轭体系,强配位氧原子及合适的空间构型,可作 为良好的金属离子螯合配体.根据中药配位化学原理,中药有机成分与微量元素结合后往往会提高其 生物活性或产生新的生物活性.铜是一种人体必 需的微量元素,是机体内蛋白质和酶的重要组成部 分,在人体新陈代谢过程中起着重要的作用.目前针 对中药有效成分的金属配合物研究多集中在黄酮类化 合物,如槲皮素,芦丁,黄芩甙和桑色素等,鲜见有 关大黄酸类配合物的研究报道.本课题组j首次合成 了大黄酸铜(Rhein—Cu)配合物(结构见图1).本文在 模拟生理条件下,采用光谱法和电化学方法研究了 Rhein—Cu与牛血清白蛋白(BSA)的作用机理,获得了 OOOH \/ Cu /\ Fig.1StructureofcomplexRhein—Cu Rhein—Cu与BSA相互作用的结合常数,结合位点及结合距离,根据热力学参数和配合物的电化学行为 收稿日期:20104)7-23. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:20961009)资助. 联系人简介:赵芳,女,博士,副教授,主要从事天然产物及光谱分析研究.E—mail:nnllzzff@163.corn 高等学校化学 确定了作用力类型,并考察了Rhein—Cu与BSA的结合反应对BSA构象的影响 1实验部分 1.1仪器与试剂 F-4500荧光分光光度计(日本Hitachi公司);TB一85恒温水浴装置(日本岛津公司);UV一2401PC 型紫外一可见分光光度’(日本岛津公司);MOS-450圆二色谱仪(法国华洋科仪公司);PAR283电化 学工作站(美国普林斯顿应用研究公司),三电极体系:M303A型静汞工作电极(美国EG&G公司). Ag/AgC1参比电极和铂丝电极. 配制1.0×10mol/L牛血清白蛋白(BSA,Amresco公司,相对分子量65000)储备液,置于4? 冰箱中保存;大黄酸铜配合物(Rhein—Cu)为本实验室自制,用无水甲醇配成1.0X10mol/L储备液; 配制10mmol/LTris—HC1缓冲液(pH=7.38,含0.1mol/LNaC1维持离子强度);其它试剂均为分析 纯;实验用水为二次去离子蒸馏水. 1.2实验过程 将一定量的BSA与Rhein—Cu配合物溶液依次加入10ml容量瓶中,用pH:7.38的Tris—HC1缓冲 液稀释至刻度,混匀后于实验温度下水浴恒温3h.在激发波长为283nln,激发和发射狭缝均为5nm 的条件下,测定上述样品在300,500nm的荧光猝灭光谱;在室温下,固定?A值,考察BSA的同步荧 光光谱随Rhein—Cu浓度增加的变化情况. 在一系列10m|容量瓶中,加人一定量的Rhein—Cu溶液,再加入不同量的BSA溶液,用pH= 7.38的Tris—HC1缓冲溶液定容,混匀后于室温下放置3h.以相应浓度的BSA溶液为参比,测定紫外 示差吸收光谱.以同样的方法扫描cu与BSA的紫外吸收差谱:将一定量的BSA与Rhein—Cu配合物 溶液分别加入到10mL容量瓶中,用pH=7.38的Tris—HC1缓冲液稀释至刻度,混合均匀后室温放置 3h.以相应浓度的Rhein—Cu溶液为参比,扫描紫外示差吸收光谱. 于室温下测定了200,350nm波长范围内BSA与Rhein—Cu作用前后的圆二色光谱(CD).以 RheinCu所对应浓度的Tris—HCI缓冲溶液作为参比,实验结果用测得的椭圆率来表示,取3次扫描的 平均值. 在一系列25mL容量瓶中依次加入适量的Rhein—Cu和BSA溶液,以pH=7.38的Tris—HCI缓冲溶 液定容,混合均匀后于室温下放置3h.转移部分溶液于电解池中,通氮气10rain以去除氧气,用PAR 283电化学综合分析仪 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 Rhein—Cu溶液以及Rhein—Cu与BSA混合溶液中Rhein—Cu的线性扫描伏安 图.扫描范围0,一1.6V,扫描速率200b~V/s. 2结果与讨论 2.1Rhein-Cu配合物对BSA荧光的猝灭 BSA分子因含有色氨酸,酪氨酸及苯丙氨酸等氨基酸残基而能发射较强的内源荧光.图2表明, 2.2荧光猝灭机理 荧光猝灭主要分为动态猝灭,静态猝灭和非 辐射能量转移.动态猝灭是由于猝灭剂和荧光物 质激发态分子之问的相互作用过程;静态猝灭是 2/mn Fig.2EffectofRhein.CuonfluorescencespectraofBSA (BSA)=3.0x10moVL;10c(Rhein—Cu)/(mo1.L一): “.0,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,6.0,8.0,10.0. 强 的_主色呒 一一,一一一脯?慌鹋蝴嗽啡,蝴不发度.暑长玫撕一一一一一一一蛾姓淞髓般搬旒 No.6赵芳等:大黄酸铜(1I)配合物与牛血清白蛋白的相互作用 由于猝灭剂和荧光物质分子在基态时生成不发光的配合物,从而导致荧光物质荧光强度降低的过程. 为探讨Rhein—Cu配合物对BSA的荧光猝灭机制,首先采用Stern—Volmer方程?处理: /F=1+Ko[Q]=1+[Q](1) 式中,为加入猝灭剂前BSA溶液的荧光发射总量;F为加入猝灭剂后BSA溶液的荧光发射总量; [Q]是猝灭剂的总浓度;K表示生物大分子与荧光猝灭剂分子彼此扩散和相互碰撞达到动态平衡时的 量效关系;Kq为双分子表观猝灭常数,它反映了体系中分子的彼此扩散和相互碰撞对生物大分子荧光 寿命衰减速率的影响;为无猝灭剂时荧光分子的平均寿命,生物大分子的平均寿命约为10一s?. 分别测定了不同温度下BSA与Rhein—Cu作用的荧光光谱,根据Stern—Volmer方程以/,对[Q] 作图,由直线斜率得到Rhein—Cu对BSA的猝灭速 率常数分别为5.11×10L/tool(298K)和4.47 ×10L/tool(309K).图3结果表明,随着温度的 升高,BSA猝灭曲线的斜率降低,初步证明药物与 BSA的结合过程为静态猝灭过程.由K=K.得 出K分别为5.11×10”L?mol?S(298K)和 4.47×10L?mol,?S(309K),此值远大于各 类猝灭剂对生物大分子的最大扩散控制的碰撞速率 常数.值2.0×10’L?mol一?s?’,证明Fig.3 Rhein—Cu对BSA体系猝灭作用的主要因素不是扩 散和碰撞所引起的动态猝灭,而是Rhein—Cu”镶嵌” 10【Q]/(mol?L) Stern-Volmercurvesoffluorescencequench- ingofBSAbyRhein?Cuat298K(a)and 309Kfb, 在BSA分子之间,彼此结合形成了某种特定结构的超分子化合物所引起的静态猝灭. 2.3结合常数和结合位点数 对于静态猝灭过程,荧光强度与猝灭剂的关系可用双对数方程进行描述” lg[(Fo—F)/F]=lgK+nlg[Q](2) 以lg[(F.一F)/F]对lg[Q]作图可得一直线,由直线斜率和截距求得298 和309K下Rhein—Cu 与BSA的结合常数K分别为2.68×10.和6.42×10.L/mol,结合位点数n分别为1.15和1.22,从而 可推测Rhein—Cu与BSA以1:1结合. 2.4Rhein.Cu与BSA之间作用力类型的确定 有机小分子和蛋白质等生物大分子之问的相互作用力主要有疏水作用力,氢键,范德华力和静电 引力等.不同药物与蛋白质结合力的类型是不同的.Ross等?根据大量的实验结果 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了判断生物大 分子与小分子结合力性质和生物大分子自身结合力性质的热力学规律,以及由小分子与生物大分子反 应的热力学参数变化来判断药物与蛋白质之间的主要作用力类型的规律.即疏水作用力可使体系的 ?H和AS增大,氢键或范德华力可使体系的?日和AS减小,静电作用力则使AH20而AS>0.当温 度变化不大时,Rhein—Cu与BSA结合的焓变AH可以视为常数,热力学参数之间的关系如下: ln(K2/KI)=[1/T一1/r,1]AH/R,AG:一RTlnK,AG=?一TAS(3) 根据上述公式可求得Rhein—Cu与BSA结合反应的热力学参数,结果列于表1.由表1数据叮见, AH>0,AS>0表明Rhein—Cu对BSA的作用力主要是疏水作用?j,结合过程为熵驱动.AG<0,表 明Rhein—Cu与BSA的作用过程是一个吉布斯自由能降低的自发过程. Table1ThermodynamicparametersofRhein--Cu?BSAbindingprocedure 2.5Rhein.Cu的电化学行为 电化学方法是一种可简单快速测定物质问相互作用的分析方法.Rhein—Cu与BSA结合反应体系 的线性扫描伏安曲线如图4所示.电位扫描速率与还原峰电流的关系表明,Rhein—Cu与BSA结合反应 高等学校化学 体系的电极过程主要受吸附控制.Rhein—Cu在一0.45V处有一还原峰,随着BSA浓度的增加,峰电流 降低且峰电位明显正移,表明两者之间发生相互作用,形成一种新的电活性结合物.’..不同浓度的 BSA对Rhein—Cu电极过程的减敏效应证明Rhein—Cu与BSA之间的作用力主要是疏水作用.根据文献 [2I]方法计算得到Rhein—Cu与BSA之间的结合常数为2.19×10L/mol,结合位点数为1.16,这与荧 光猝灭实验得到的数据相吻合. ,/V Fig.4Linearsweepvoltammogramscurves 0fRhein.CnandBSA (RheinCu)=10×10,mol/L;10c(BSA)/(tool?L’) ?.0.8,8.0,20.0,40.0,60.0,800,100.0. 2.6Rhein?Cu与BSA的结合距离 Fig.5FluorescencespectrumofBSA(a)and Cu(b) absorptionspectrumofRhein— a.c(BSA)=10×10,mol/L; b.cfRheinCu)=1.0×10mol/[. 根据Fi3rsterc的偶极一偶极非辐射能量转移理论,当供能体可发射荧光时,其荧光发射光谱与受 能体的吸收光谱有足够的重叠,且供能体与受能体之间最大距离不超过7nm时,将会发生非辐射能量 转移现象,导致荧光物质的荧光猝灭.实验结果表明,Rhein—Cu的紫外吸收光谱与BSA的荧光光谱有 … 定程度的重叠(见图5).非辐射能量转移效率,供能体和受能体之间的距离r及能量转移效率为 50%的临界能量转移距离的关系为 E=R’(1”/(『1.+r.),E=l一FRn.:8.8×10K26N一J(4) 式中,为偶极空间取向因子(2/3);N为介质折射指数(1.336);为BSA荧光量子产率(0.118);J 为供能体BSA的荧光发射光谱与受体Rhein—Cu的吸收光谱的重叠积分,可由下式计算: .,=[F(A)(A)A4?A]/[F(A)?A](5)一I』一 采用矩形分割法,由式(5)可求出重叠积分值.,=2.83×10cm?L?mol,,临界距离R=2.92 nil1,能量转移效率E=0.36,r=3.21nln,r<7nm表明两者之问发生了非辐射能量转移. 2.7紫外吸收差谱分析 图6(A)为模拟生理条件下Rhein—Cu的紫外吸收光谱及Rhein—Cu—BSA体系的紫外吸收差谱.可 见,Rhein—Cu配合物在258nm处的吸收峰随着BSA浓度的增加无明显变化,而在219nm处的吸收峰 Fig.6UVabsorptionspectraofRhein—Cu-BSAsystem (A)c(Rhein—Cu)=1.0×10一mol/L;10c(BSA)/(tool?L一):?,0,1.0,2.0,3.0,40,5.0,80,9.0,10.0. (B)?.c(Rhein—Cu)=t.0×10一rnol/L;b.c(nsA)=1.0×10一mol/L;molarrati00fBSA/RheinCu:c——e.1:2.1:5.1:7 No.6赵芳等:大黄酸铜(1I)配合物与牛血清白蛋白的相互作用 强度则有规律地降低并且峰位发生红移.说明Rhein—Cu配合物与BSA之间存在显着的相互作用,使 该共轭体系的能级发生了明显变化.原因可能是Rhein—Cu中蒽醌环的疏水性使其与BSA疏水腔中的 氨基酸残基发生作用J,导致配合物分子的吸收峰红移.Cu一BSA体系中铜离子的存在对BSA吸收 光谱的峰位和峰强没有影响. 图6(B)为模拟生理条件下BSA的紫外吸收光谱及Rhein—Cu—BSA体系的紫外吸收差谱.BSA在紫 外区显示了204和278llII1两个蛋白质特征吸收峰.其中,204HITI附近的特征吸收峰主要是由肽键上 C一0基的仃一7『跃迁引起的.与BSA分子的一螺旋含量有关;而278ilm附近的特征吸收峰主要是 由BSA分子中肽键七的2个色氨酸残基的吲哚环和19个酪氨酸残基的芳杂环的7『一7r跃迁所引起 的.由图6(B)可见,BSA在204nln处的吸收峰随着Rhein—Cu浓度的增加呈现明显的减色效应,最 大吸收峰位发生红移.表明Rhein—Cu与BSA借助分子问力形成了超分子复合物,使蛋白质分子的构 象发生改变,O/一螺旋含量减小,发生了去折叠.而278IlIIl处的吸收峰呈现增色现象,峰位略红移.说 明这种结合也改变了BSA肽链的色氨酸和酪氨酸等芳香氨基酸残基附近的微环境,进一一步证实Rhein— Cu对BSA的荧光猝灭主要是静态猝灭. 2.8同步荧光光谱分析 同步荧光光谱可以反映蛋白质构象的变化.?A为15和60ilm条件下所得同步荧光光谱分别显示 蛋白质酪氨酸和色氨酸残基的光谱特征,由于蛋白质中酪氨酸和色氨酸残基的最大荧光发射波长与其 所处环境的极性有关,故由最大荧光发射波长的改变可判断蛋白质构象的变化.图7(A)和(B)分别是 ?A为15和60nm时Rhein—Cu与BSA反应的同步荧光光谱图.可见,RheinCu的加入使BSA的酪氨 Fig.7SynchronousfluorescencespectraofRhein-Cu?BSA (A)?A:15nn;(B)?A=60nm.c(Rhein—Cu)=5.0X10一mol/L; 1O.c(BSA)/(mol?I..):”_.0,10,1.5,20,25,3.0,4.0,6.0,8.0. 酸和色氨酸残基荧光同时猝灭.酪氨酸残基同步荧光的最大发射波长基本保持不变,而色氨酸残基的 最大荧光发射波长略微蓝移,色氨酸残基的荧光降 低比酪氨酸残基更为显着.说明Rhein—Cu的加入 导致BSA构象发生变化,使色氨酸残基所处微环境 的极性减小,疏水性增加L251. 2.9圆二色光谱分析 蛋白质的各级二级结构在远紫外圆二色光谱 (CD光谱)(I78,250nm)区域存在特征峰.通过 观察BSA的CD光谱变化可了解其结构的变化.为 了研究RheinCu配合物与BSA作用过程中BSA二 级构象的变化,对比测试了BSA及Rhein—Cu—BSA 体系的圆二色谱,结果如图8所示.可以看出, BSA在210和22211113附近的2个负槽为BSAO/一螺 旋结构的CD光谱特征.Rhein—Cu与BSA的结合使 Fig.8EffectofRhein-CuOilCDspectraof BSAsolution . CcJ)= (BSA)=5.ox10mol/L;b.f(BSA)=c(Rhein— 50×10一II101/I:c50×10mol/IBSA+1.0×10 tool/IRhein—Cu l282高等学校化学Vo1.32 得负槽强度减弱,并且210nm的峰消失,222nm的峰移位至225nIn.这与Rhein.Cu—BSA体系的紫外 示差吸收光谱中204nm处吸收峰的减弱相吻合,说明Rhein—Cu与BSA结合使BSA肽链部分伸展,二 级构象发生变化,这是导致BSA内源荧光猝灭及色氨酸残基所处微环境改变的主要原因. 3结论 采用荧光光谱,紫外光谱,圆二色光谱并结合电化学方法研究了Rhein—Cu与BSA的相互作用.结 果表明,Rhein—Cu对BSA内源荧光具有较强的猝灭作用,此猝灭过程是由于形成复合物而引起的静态 猝灭和非辐射能量转移.求得了Rhein—Cu与BSA的结合常数,结合位点和热力学参数,结果表明 Rhein—Cu与BSA之间具有较强的疏水作用力,可以被蛋白质所储存和运输,电化学方法进一步证实了 此结果;通过紫外光谱,同步荧光光谱和圆二色谱探讨了Rhein—Cu对BSA构象的影响,结果表明 Rhein—Cu与BSA的相互作用使得BSA的二级构象发生变化,一螺旋含量减小,色氨酸残基所处微环境 的疏水性增加.依据Fi3rster的偶极.偶极非辐射能量转移理论,求出了Rhein.Cu在BSA上结合位置, 表明Rhein—Cu的部分片段能够插入BSA分子内部. 参考文献 [1]LtuXue—Feug(刘雪锋),XIAYong—M(夏咏梅),FANGYun(方云),LIULing—Ling(刘玲玲),ZOULu(邹鲁).Chem.J.Chinese Universities(高等学校化学)[J],2004,25(11):2099--2103 [2] [3] [4] 5 6 7 8 [9] [1O] [11] [12] [16] 17 l8 l9 2O 21 22 23 [24] LILin—Wei(李林尉),WANGDong—Dong(王冬冬),SUNDe—Zhi(孙德志),WEIXin-Ting(魏新庭),LIUMin(刘敏),ZHAOQiaug (赵强).Chen).J.ChineseUniversities(高等学校化学)[J],2008,29(6):121】,】2】5 SUNYan—Tao(孙艳涛),ZHANGYu-Pu(张玉璞),BIShu-Yun(毕淑云),SUNYe(孙哗),LIUHe(刘贺),ZHAIYu—Juan(翟玉 娟),ZHANGHan-Qi(张寒琦).Chem.J.ChineseUniversities(高等学校化学)[J],2009,30(6):1O95,l100 YuJja(余佳),WUXiao—Qing(吴晓晴),SUNHal-Feng(孙海峰),JIMin(吉民).Phmvn.Clin.Res.(药学与临床研究)[J], 2008,16(2):125—128 TamuraT.,KosakaN.,IshiwaJ.,SatoT.,NagaseH.,ltoA.,OsteoarthrCartilag e[J],2001,9(3):257—263 fJUANGYun—Hong(黄云虹),ZHENYong—Su(甄永苏).AetaPharm.Sinica(药学)[J],2001,36(5):334—338 ZHUXu—Xiang(朱旭祥),MAOHan—Bin(茅涵斌).J.Trad.ChineseMed.(中草药)[J],1997,28(6):373—375 LIUWen—Sheng(刘文胜),LUOWei-Zao(罗维早),ZHANGZhi—Rong(张志荣),YINGongKuan(殷恭宽).W.ChinaJ.Pharm. 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Cu;Bovineserumalbumin(BSA);Fluorescencespectru KeywordsRhein— m;Ultravioletspectrum;Circular dichroismspectrum (Ed.:I,K)