N-烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨與牛血清白蛋白的相互作用

邵 爽 胡曉環(huán) 游金宗 雷群芳,*

(1浙江外國語學院化學系,杭州 310012; 2浙江大學化學系,杭州 310027)

N-烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨與牛血清白蛋白的相互作用

邵 爽1,*胡曉環(huán)2游金宗1雷群芳2,*

(1浙江外國語學院化學系,杭州 310012;2浙江大學化學系,杭州 310027)

用熒光光譜法在298 K研究了Tris-HCl緩沖溶液(pH=7.1)中系列N-烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(烷基鏈長為C12到C16)與牛血清白蛋白(BSA)的結(jié)合作用,考察了表面活性劑結(jié)構(gòu)、BSA濃度對結(jié)合作用的影響,分別用Stern-Volmer方程、虛擬結(jié)合常數(shù)模型探討了表面活性劑在濃度較低區(qū)域與BSA的作用機制.結(jié)果表明:三種季銨鹽表面活性劑均對BSA內(nèi)源熒光有猝滅作用,并導(dǎo)致其最大發(fā)射波長藍移;表面活性劑的烷基鏈越長,Stern-Volmer猝滅常數(shù)和虛擬結(jié)合常數(shù)越大,表面活性劑與BSA的結(jié)合作用也越強.

季銨鹽表面活性劑; 牛血清白蛋白; 熒光猝滅; 疏水作用; 虛擬結(jié)合常數(shù)

Abstract：Interactions between a series of N-alkyl-N,N-di(2-hydroxyethyl)-N-methylammonium bromides with alkyl chain from dodecyl to cetyl and bovine serum albumin(BSA)in Tris-HCl buffer solution(pH=7.1)were studied by fluorescence spectroscopy at 298 K.Effects of the surfactant structure and BSA concentration on the interactions were examined.The interaction mechanism between BSA and surfactants at a relatively low concentration range was discussed using the Stern-Volmer equation and a model of the pseudo association constant.Each of the quaternary ammonium surfactants has a fluorescence quenching effect on BSA and leads to a blue shift of the maximum emission wavelength.The Stern-Volmer quenching constant and the pseudo association constant increase,which indicates that the interactions between surfactants and BSA become stronger,as the hydrophobic chain lengths increase.

Key Words： Quaternary ammonium surfactant;Bovine serum albumin;Fluorescence quenching;Hydrophobic interaction; Pseudo association constant

表面活性劑與蛋白質(zhì)等生物大分子相互作用的研究一直是人們十分感興趣的課題,其主要包括表面活性劑-蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化以及相互作用機制;表面活性劑結(jié)構(gòu)、濃度、溶劑、pH值、離子強度和溫度等因素對相互作用有影響.表面活性劑與蛋白質(zhì)的結(jié)合作用常常引起蛋白質(zhì)構(gòu)象及某些氨基酸殘基周圍微環(huán)境的改變[1-2].離子型表面活性劑與蛋白質(zhì)的作用類型主要有特異性結(jié)合作用(包含靜電作用和疏水作用)和協(xié)同性結(jié)合作用[3-4]等,表面活性劑的烷基鏈長度及頭基類型對結(jié)合作用的影響已多見報道[5-7].研究這些作用的方法不僅有傳統(tǒng)的表面張力法、電導(dǎo)法、電化學法和黏度法等,更有現(xiàn)代不斷發(fā)展的光譜法、圓二色譜法、小角X射線散射法、電子自旋共振光譜法和量熱法等[5-10].熒光法因其分析快捷、靈敏度高已成為最常用的方法之一,該方法是基于蛋白質(zhì)中某些氨基酸殘基周圍微環(huán)境極性的變化引起熒光發(fā)射強度的改變,從而分析表面活性劑與蛋白的結(jié)合機制并監(jiān)測蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的變化.

牛血清白蛋白(BSA)具有較為清楚的組成和結(jié)構(gòu),且易于分離、提純,成為最常用的模型蛋白質(zhì)之一,它與表面活性劑主要形成BSA(native)-表面活性劑及BSA(unfolded)-表面活性劑復(fù)合物[8].季銨鹽表面活性劑因其結(jié)構(gòu)簡單、高效、低毒,成為應(yīng)用最廣泛的一類陽離子表面活性劑之一.不同烷基鏈長或以不同基團取代甲基可形成豐富的季銨鹽類表面活性劑,其新的功能和用途也不斷被發(fā)現(xiàn),例如通過調(diào)節(jié)表面活性劑烷基鏈及取代基可以改善抗瘧疾、抗感冒類藥物的活性[11];用N-十二烷基-N,N-二甲基-N-乙基溴化銨改善玉米蛋白的溶解性,可提高營養(yǎng)價值[3];N-十二烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基氯化銨可作為插入試劑用于制備有機蒙脫石[12];以銠-N-十二烷基-N-(2-羥乙基)-N,N-二甲基氯化銨復(fù)合體系可作為有機相轉(zhuǎn)移催化劑[13];N-十二-N-十八烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨具有液晶性質(zhì)[14].

為了深入考察季銨鹽表面活性劑與蛋白質(zhì)的相互作用,本文用熒光光譜法研究系列N-烷基-N,N-(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(烷基鏈長為C12到C16)與牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,運用理論模型處理實驗數(shù)據(jù)得到猝滅常數(shù)、結(jié)合常數(shù)、平均結(jié)合位點數(shù)等重要相互作用參數(shù),以闡明表面活性劑與BSA的結(jié)合機制及作用規(guī)律,特別是表面活性劑結(jié)構(gòu)對二者結(jié)合作用的影響.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

FP-6200型熒光分光光度計(日本,Jasco公司);Finnpipette移液器(上海雷勃分析儀器有限公司)5-50 μL,20-200 μL;TB-85型超級恒溫器(日本,Shimadzu公司);UPWS-10T超純水器(杭州永潔達凈化科技有限公司);AB265-S電子分析天平(瑞典,METTER TOLEDO公司).

牛血清白蛋白(BSA)購于上海伯奧生物科技有限公司,氮含量≥13.5%;三種季銨鹽表面活性劑N-十二烷基-N,N-(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(DDHAB)、N-十四烷基-N,N-(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(TDHAB)和 N-十六烷基-N,N-(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(CDHAB)為本實驗室合成[15];三羥基氨基甲烷(Tris)(純度≥99.9%)、HCl(濃度為 36%-38%)、NaCl(含量≥99.5%)均為分析純;實驗用水為超純水器處理的超純水.

配制pH=7.1的Tris-HCl緩沖溶液(內(nèi)含0.1 mol·L-1的NaCl以維持離子強度),用上述Tris-HCl緩沖溶液分別配制以下溶液備用:4.0、8.0、12.0、15.0 μmol·L-1BSA 溶液;1.5×10-2mol·L-1DDHAB 溶液;5.0×10-3mol·L-1TDHAB 溶液;1.5×10-3mol·L-1CDHAB溶液.

1.2 實驗方法

BSA熒光激發(fā)和發(fā)射光譜的測定:移取一定量BSA溶液于石英比色皿中,設(shè)置發(fā)射波長為280 nm,狹縫寬度為5 nm,在室溫(298 K)下繪制250-350 nm的熒光激發(fā)光譜,測得其最大激發(fā)波長為282 nm;并在其最大激發(fā)波長處設(shè)置狹縫寬度為5 nm,在室溫(298 K)下繪制300-400 nm的熒光發(fā)射光譜,得到熒光發(fā)射光譜的最大發(fā)射波長為345 nm.

三種季銨鹽型表面活性劑對不同濃度下BSA的熒光滴定:分別移取上述不同濃度的BSA溶液(每次3.0 mL)于石英比色皿中,用移液器分別逐次滴加一定量的上述三種表面活性劑溶液(累計體積＜200 μL)進行熒光滴定.測定時熒光激發(fā)和發(fā)射最大寬度均為5 nm,最大激發(fā)波長為282 nm,記錄最大熒光強度.

2 結(jié)果與討論

BSA有三個類似的結(jié)構(gòu)域,每個結(jié)構(gòu)域又包含兩個亞結(jié)構(gòu)域,且以槽口相對的方式形成圓筒狀結(jié)構(gòu),每個亞結(jié)構(gòu)域又分成三個螺旋(X,Y,Z)[16].幾乎所有的疏水性氨基酸都包埋在圓筒腔內(nèi),從而結(jié)構(gòu)域內(nèi)易形成疏水表面.疏水區(qū)可結(jié)合小分子,特別是長鏈脂肪酸、表面活性劑、藥物分子及含有脂環(huán)族類化合物等[17].由于BSA分子中色氨酸(Trp)和酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)等氨基酸殘基可吸收270-300 nm紫外光產(chǎn)生熒光,從而成為內(nèi)源性熒光物質(zhì).BSA的內(nèi)源熒光主要由Trp產(chǎn)生,其熒光最大激發(fā)波長在282 nm附近.

2.1 表面活性劑對BSA的熒光猝滅

2.1.1 熒光猝滅光譜

熒光猝滅是由于分子間的碰撞、激發(fā)態(tài)與基態(tài)分子之間的反應(yīng)、分子重排、能量轉(zhuǎn)移以及形成基態(tài)復(fù)合物等引起的熒光強度逐漸減小的過程.其猝滅機理通常劃分為兩類:一是動態(tài)猝滅,隨著溫度升高,猝滅速率加快;二是靜態(tài)猝滅,隨溫度變化不大,主要是與猝滅劑分子形成復(fù)合物所致[18].為了更好地理解其作用機理,按照上述實驗方法,固定BSA濃度,逐漸增大表面活性劑的濃度,在最大激發(fā)波長(282 nm)下,測得298 K時三種表面活性劑分別對BSA的熒光猝滅光譜.圖1示出TDHAB對BSA(4.0 μmol·L-1)的熒光猝滅光譜及對BSA最大發(fā)射波長的影響,另兩種表面活性劑情況類似.

由圖1可知,在實驗條件下,隨著表面活性劑的加入,BSA的熒光強度逐漸減小,呈現(xiàn)規(guī)律性猝滅(圖1(a)).實驗中,表面活性劑濃度均在其臨界膠束濃度(cmc)之下(298 K時DDHAB,TDHAB和CDHAB的 cmc值分別為 13.0、3.25和 0.756 mmol·L-1[19]),它為BSA的熒光猝滅劑,這與其它陽離子表面活性劑[7]類似.同時,BSA的最大發(fā)射波長發(fā)生明顯藍移(如圖1(b),TDHAB從345 nm藍移到334 nm),這是因為隨著表面活性劑的加入,BSA結(jié)構(gòu)發(fā)生解折疊,Trp逐步暴露到表面,Trp周圍的微環(huán)境發(fā)生了變化,疏水性增強[1,8].實驗結(jié)果表明,三種表面活性劑與BSA之間均存在明顯的相互作用,藍移現(xiàn)象說明在溶液中存在著不同形態(tài)的BSA-表面活性劑復(fù)合物,這些復(fù)合物的形成都將使Trp殘基周圍的微環(huán)境疏水性增強.

2.1.2 表面活性劑結(jié)構(gòu)對BSA熒光猝滅的影響

根據(jù)實驗測得的表面活性劑-BSA熒光猝滅光譜,得到熒光強度比(I0/I)隨表面活性劑濃度([S])的變化,I0為未加入猝滅劑(表面活性劑)時熒光物質(zhì)(BSA)的熒光強度,I為猝滅劑(表面活性劑)濃度等于[S]時BSA的熒光強度,如圖2所示,其中BSA濃度為4.0 μmol·L-1.從圖2可以看出:(1)三種表面活性劑對BSA的熒光猝滅效應(yīng)與烷基鏈長相關(guān),烷基鏈越長,對BSA的熒光猝滅效應(yīng)越強,該結(jié)果類似文獻報道[5-7,20-22].在低濃度區(qū),離子型表面活性劑與BSA的相互作用主要有表面活性劑的頭基部分與BSA中氨基酸帶電離子部分的靜電作用和表面活性劑中的疏水碳鏈與蛋白質(zhì)中疏水基團之間的疏水作用[3,23].同種類型表面活性劑與BSA的靜電作用差異不大,因此影響二者相互作用的主要因素取決于疏水作用的強弱.顯然對于同一類型的表面活性劑,烷基鏈越長,疏水作用越強,其疏水強弱順序為CDHAB＞TDHAB＞DDHAB.(2)三種表面活性劑對BSA的猝滅情況存在差異.在本實驗濃度范圍,烷基鏈相對較長的CDHAB,其I0/I-[S]濃度曲線出現(xiàn)拐點,并隨濃度增大變化趨緩出現(xiàn)平臺;TDHAB有出現(xiàn)拐點跡象,但未出現(xiàn)平臺;烷基鏈相對最短的DDHAB未出現(xiàn)拐點.曲線拐點,特別是平臺的出現(xiàn),是表面活性劑與BSA結(jié)合趨于完全或表面活性劑在BSA表面聚集逐漸趨于飽和的一種表現(xiàn)[24];拐點的位置和形狀與結(jié)合常數(shù)的大小有關(guān),后續(xù)還要采用理論模型進行計算和討論.

2.1.3 BSA濃度對熒光猝滅的影響

圖 3 為不同 BSA 濃度(4.0、8.0、12.0、15.0 μmol·L-1)時TDHAB對BSA熒光猝滅的影響,其它兩種表面活性劑的情況類似.

此實驗結(jié)果表明,TDHAB對BSA的熒光猝滅效應(yīng)與BSA濃度有關(guān):BSA濃度越小,表面活性劑對其的猝滅效應(yīng)越強,且在本實驗濃度范圍內(nèi)出現(xiàn)拐點;BSA濃度較大時,表面活性劑對其的猝滅效應(yīng)較弱,達到相同I0/I值時所需表面活性劑的量要大.另兩種表面活性劑實驗結(jié)果有類似規(guī)律.結(jié)合圖2可知,[S]/[BSA]值越大,表面活性劑對BSA的猝滅作用越強,二者的結(jié)合作用越大,較易達到作用完全或飽和,相應(yīng)的I0/I-[S]曲線可在相對較低的表面活性劑濃度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)拐點甚至出現(xiàn)平臺.

2.2 Stern-Volmer猝滅常數(shù)

對于低濃度線性區(qū)(如圖2和圖3的插入圖),三種表面活性劑對BSA熒光猝滅效應(yīng)較好地符合Stern-Volmer方程[1]:

表1 不同BSA濃度體系的Stern-Volmer猝滅常數(shù)(Ksv)值Table 1 Stern-Volmer constants(Ksv)of the system with different BSA concentrations

式中,Ksv稱為Stern-Volmer猝滅常數(shù).表2列出表面活性劑濃度低于 80 μmol·L-1時,按式(1)擬合得到不同BSA濃度時體系的Stern-Volmer猝滅常數(shù).

猝滅常數(shù)Ksv在一定程度上反映了表面活性劑與BSA相互作用的大小.從Ksv值(表1)可看出,在相同BSA濃度下,表面活性劑的烷基鏈越長,Ksv值越大,其與BSA的作用越強;同種表面活性劑,隨著BSA濃度增大,Ksv減小,這主要是因為表面活性劑與BSA結(jié)合時,其單體有一個重新分布到蛋白質(zhì)分子可鍵合位點的過程,但不與Trp發(fā)生作用,BSA濃度的增大,對表面活性劑相當于起到一個“稀釋作用”,從而導(dǎo)致Ksv減小[25].

與甲基未被羥乙基取代的季銨鹽表面活性劑(DTAB、TTAB和CTAB)相比[7],上述三種表面活性劑(DDHAB、TDHAB 和 CDHAB)與 BSA 的 Ksv值明顯增大,這表明甲基被極性的羥乙基取代導(dǎo)致其與BSA的結(jié)合作用增強.

2.3 虛擬結(jié)合常數(shù)

表面活性劑與BSA之間的相互作用可用“虛擬結(jié)合常數(shù)”[6,24]來進一步分析與度量.定義虛擬結(jié)合常數(shù)Kb:

式中,[S]b為與BSA結(jié)合部分的表面活性劑濃度,[S]f為溶液中自由的表面活性劑濃度.

定義平均結(jié)合數(shù)n為每個BSA分子結(jié)合表面活性劑的平均分子數(shù),n=[S]b/[BSA],代入(2)式則有:

若[S]t為表面活性劑總濃度,存在關(guān)系:[S]t=[S]b+[S]f,則表面活性劑與BSA結(jié)合平衡時有:

以[S]t對[BSA]線性擬合,由直線的斜率和截距可得n和[S]f,從而按式(3)可得Kb.

根據(jù)實驗得到的三種表面活性劑分別與不同濃度BSA混合體系的相對熒光強度與表面活性劑濃度的關(guān)系,讀取I0/I分別為一定值時所對應(yīng)的表面活性劑濃度,然后將表面活性劑濃度對BSA濃度按式(4)作線性擬合,求出在不同 I0/I下的[S]f、n、Kb.I0/I=1.20的擬合結(jié)果列于表2.

表2數(shù)據(jù)表明:在同一熒光強度比(I0/I=1.20)時,三種表面活性劑(DDHAB、TDHAB和CDHAB)的虛擬結(jié)合常數(shù)Kb值依次增大,這歸結(jié)于表面活性劑烷基鏈越長,對BSA的猝滅作用越強,即與BSA的結(jié)合作用越強;平均結(jié)合數(shù)n則依次減小,這可能是由于空間效應(yīng)所致.結(jié)合作用越強,結(jié)合數(shù)越小,使得I0/I在相對較低的表面活性劑濃度時即趨于結(jié)合平衡,從圖2中可觀察到曲線I0/I-[S]出現(xiàn)拐點.

表2 I0/I為1.20時表面活性劑的濃度[S]f及其與BSA的結(jié)合參數(shù)Table 2 [S]fand binding parameters of surfactants on BSA at I0/I=1.20

3 結(jié) 論

用熒光光譜法研究Tris-HCl緩沖溶液(pH=7.1)中系列 N-烷基-N,N-二(2-羥乙基)-N-甲基溴化銨(烷基鏈長為C12到C16)與牛血清白蛋白(BSA)體系的光譜特征.結(jié)果表明:季銨鹽表面活性劑對BSA有熒光猝滅作用,并且導(dǎo)致最大發(fā)射波長藍移.三種季銨鹽表面活性劑結(jié)構(gòu)對上述過程的影響表現(xiàn)在:隨著烷基鏈的增長,其對BSA的熒光猝滅效應(yīng)增強;表面活性劑對BSA的猝滅效應(yīng)與BSA濃度有關(guān),BSA濃度小則猝滅效應(yīng)強.表面活性劑對BSA的猝滅常數(shù)Ksv與其烷基鏈長度正相關(guān);對于同種表面活性劑,BSA濃度越小,其Ksv越大.在相同I0/I時,烷基鏈越長,表面活性劑自由濃度越小,虛擬結(jié)合常數(shù)越大,說明表面活性劑與BSA作用越強,疏水作用在表面活性劑與BSA的相互作用中占主導(dǎo)地位.

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Interactions between N-Alkyl-N,N-di(2-hydroxyethyl)-N-methylammonium Bromide and Bovine Serum Albumin

SHAO Shuang1,*HU Xiao-Huan2YOU Jin-Zong1LEI Qun-Fang2,*
(1Department of Chemistry,Zhejiang International Studies University,Hangzhou 310012,P.R.China;2Department of Chemistry,Zhejiang University,Hangzhou 310027,P.R.China)

O647;O657

Received:April 13,2010;Revised:July 5,2010;Published on Web:August 25,2010.

*Correspondingauthors.SHAOShuang,Email:sshao@zjei.net;Tel:+86-571-88802847.LEIQun-Fang,Email:qflei@zju.edu.cn;Tel:+86-571-88208655.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20673098)and Natural Science Foundation of Zhejiang Province,

China(Y4080201).

國家自然科學基金(20673098)和浙江省自然科學基金(Y4080201)資助項目