摘要:在模擬動物體生理條件下,應用熒光光譜和紫外可見吸收光譜法研究了Diludine與牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,結果表明,Diludine對BSA有較強的熒光猝滅作用,根據不同溫度下Diludine對BSA的熒光作用及Stern-Volmer方程得到Diludine與BSA反應的結合常數K為1.23×106 L/mol(298 K)和2.27×104 L/mol(303 K)。根據Lineweaver-Buck,結合位點數為0.938 7(298 K)和0.674 03(303 K)。熱力學參數△H 和△S分別為1.84×10-3 J/mol和-1.91×103 J/mol,熱力學數據說明Diludine與BSA之間主要以靜電作用力與疏水作用力相互結合。根據Forster非輻射能量轉移理論,求出Diludine與BSA間的結合距離r=4.58 nm。
關鍵詞:Diludine;牛血清白蛋白;熒光光譜;熒光猝滅;紫外光譜
中圖分類號:O657.31文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2011)21-4496-04
Study on the Interaction between Diludine and Bovine Serum Albumin by Spectroscopy
CHENG Jin-yan1a,2,ZHOU Dou-dou1a,2,SHU Hua-wei1a,2,YE Fa-bing1b,2
(1a. School of Chemistry and Life Science;1b. School of Chemical Engineering, Huanggang Normal College, Huanggang 438000, Hubei, China; 2. Key Laboratory for Economic Germplasm Modification and Product Comprehensive Utilization of Hubei Province, Huanggang 438000, Hubei, China)
Abstract: Under the imitated physiological condition of animal body, the interactions between Diludine and bovine serum albumin(BSA) were investigated by flurescence and UV-Vis spectroscopy. It was shown that Diludine had a quite strong ability to quench the fluorescence launching from BSA. According to the quenching of the fluorescence and Stern-Volmer equation, the binding constant K of the compound that Diludine and BSA formed were 1.23×106 L/mol (298K) and 2.27×104 L/mol(303K). According to Lineweaver-Buck equation, the number of binding sites were 0.938 7(298K) and 0.674 03 (303K), and the thermodynamic parameters △H was 1.84×10-3 J/mol and △S was -1.91×103 J/mol, which explained the binding powers between Diludine and BSA were electrostatic and hydrophobic interaction. Based on Forster theory of non-radiation energy transfer, the binding locality r was 4.58 nm.
Key words: Diludine; bovine serum albumin; fluorescence spectrum; fluorescence quenching; ultraviolet spectrum
Diludine屬有機物中吡啶衍生物,無嗅、無味,化學性質穩定,分子式為C13H19NO4,化學名稱為2.6-二甲基-3.5-二乙酯基-l.4-二氫吡啶。Diludine是一種新型多功能的飼料添加劑,有促進畜禽生長、改善畜禽產品品質、提高畜禽免疫力、提高畜禽繁殖性能及提高家禽產蛋量、瘦肉生長率等功能,安全無毒[1,2]。在醫學上它還具有廣泛的生物學功能,可用作心血管疾病的防治保健藥物,有治療脂肪肝、中毒性肝炎、抗衰老、防早熟等作用。血清白蛋白是血液循環系統中最豐富的運輸蛋白,其與藥物分子的相互作用已有廣泛的研究[3-5]。迄今為止,尚未見有關Diludine與血清白蛋白的相互作用的研究報道。本試驗采用熒光光譜法和紫外可見吸收光譜法研究Diludine與牛血清白蛋白的相互作用,對了解Diludine在動物體內的存在狀態、運輸、吸收、代謝及藥理作用等具有重要的意義。
1材料與方法
1.1實驗材料
1.1.1主要試劑與藥品Diludine(本實驗室合成,純度為>95%),牛血清白蛋白(武漢科瑞生物公司),磷酸二氫鈉(AR,沈陽市試劑三廠),磷酸氫二鈉(AR,天津市天使化學試劑有限公司),95%乙醇(AR 天津市凱通化學試劑有限公司),去離子水。
1.1.2儀器RF-5301PC熒光分光光度儀(日本島津),UV-3802紫外可見分光光度儀(上海尤尼科公司)。
1.2實驗方法
1.2.1熒光光譜法BSA和Diludine溶液均用0.05 mol/L(pH 7.0)的磷酸緩沖溶液配制。移取2 mL 0.2 μmol/L BSA溶液于1 cm的石英比色皿中,用微量注射器依次加入20 μmol/L Diludine溶液進行熒光滴定(每次滴加10 μL,滴定劑累加體積為80 μL)?;靹蚝鬁y定298 K和303 K相應的熒光光譜。
熒光實驗均在RF-5301PC熒光分光光度儀上進行,發射光譜測定時,激發和發射狹縫寬度5 nm,氙燈光源。熒光測定激發波長為228 nm,掃描速率60 nm/min,掃描范圍250~500 nm。
1.2.2可見吸收光譜法在UV-3802紫外可見分光光度儀上測定Diludine與BSA物質的量之比為1∶1的吸收光譜。
2結果與分析
2.1Diludine對BSA的猝滅作用
2.1.1熒光光譜BSA分子中色氨酸和酪氨酸殘基具有熒光發射性質,在298 K下以λ=228 nm激發BSA,在340 nm附近有很強的熒光峰(圖1);而以同樣激發波長在303 K下激發BSA溶液,在341 nm附近也有很強的熒光峰,但是熒光強度相對有所降低(圖2)。證明BSA的內源熒光產生有規律的猝滅,同時隨著溫度的增加熒光強度有所降低。
2.1.2猝滅機理的推斷熒光猝滅過程通常可以分為動態猝滅和靜態猝滅。動態猝滅是猝滅劑和熒光物質的激發分子之間的相互作用引起的。其過程遵循Serm-Volmer方程[6]:
F0 / F=1+Kqτ0[Q]=1+Ksv[Q] (1)
式中,F0和F分別為加入猝滅劑前后的熒光強度,為無猝滅劑時熒光分子的平均壽命,對于Diludine,τ0=10-8 s[7],為雙分子猝滅過程速率常數,[Q]為Diludine的濃度。
靜態猝滅是猝滅劑與熒光物質分子在基態時生成不發光的配合物,從而導致熒光物質熒光強度降低的過程,該過程可用下式表示:
F0 / F=1+K[Q](2)
式中,K是及基態配合物的生成常數。
以F0 / F對[Q]繪制Serm-Volmer圖。由圖3可得F0 / F對[Q]具有良好的線性關系。由直線斜率求得在298 K和303 K下Diludine對BSA的猝滅常數Kq分別為2.96×1014 L·mol-1·S和2.35×1014 L·mol-1·S。由于各類猝滅劑對生物大分子最大擴散控制的碰撞猝滅常數為2.0×1010 L·mol-1·S[8],顯然Diludine對BSA的熒光猝滅過程遠大于擴散控制的Kq,所以熒光的猝滅不是由于動態碰撞引起的,而是Diludine與BSA分子間形成的復合物的靜態猝滅引起的。
不同溫度(298 K和303 K)下,Diludine與BSA的熒光猝滅情況由圖3可以看出,在pH 7時溫度升高,熒光強度降低,直線斜率也明顯規律的下降??梢耘袛啵模椋欤酰洌椋睿鍖Γ拢樱恋臒晒忖邕^程為靜態猝滅[9]。
2.2結合常數和結合位點的確定
在靜態猝滅過程中,熒光體的熒光強度與猝滅劑濃度之間的關系可由熒光體-猝滅劑分子間復合物的形成常數之表達式推導出。設生物大分子有n個獨立且相同的結合位置,則有:
P+nQ?葑QnP (3)
式中,P為熒光生物大分子,Q為猝滅劑分子,QnP為所生成的復合物,其形成常數為:
K=[QnP]/[Q]n[P](4)
若熒光體總濃度為[P0],且[P0]=[QnP]+[P],[P]為游離熒光體濃度。在靜態猝滅中,熒光體的熒光強度與其游離濃度成正比,即[P]/[P0]=[F]/[F0],將以上濃度關系代入(2)式,并整理得[10-12]:
ln[(F0-F)/F]=lnK+nln[Q] (5)
按圖1至圖3的實驗數據以ln[(F0-F)/F]對ln[Q]作線性擬合(圖4)。
由擬合參數可求出Diludine與BSA復合物的形成常數K和結合位點數n,有關結果列于表1。結果表明,Diludine與BSA有較強的結合作用,可形成一個結合位點。
2.3Diludine與BSA相互作用力的確定
大量的實驗結果表明[13],根據反應前后熱力學焓變△H和熵變△S的相對大小,可以判斷藥物與蛋白質之間的主要作用力類型。計算公式如下:
ln(K2/K1)=△H/[R/(1/T1-1/T2)] (6)
△G=△H-T△S=-RTlnK (7)
△G為吉布斯自由能變,△H為焓變,△S為熵變,K1、K2為不同溫度T1、T2下的結合常數。
反應的焓變△H>0,熵變△S<0時分子之間的相互作用力來自于靜電作用和疏水作用力;反應的焓變△H<0,熵變△S<0時,分子的作用力可能來自于范德華力、氫鍵或質子化等作用力;△H=0,△S>0,可能為疏水作用力;△H<0,△S>0,可能為靜電引力。但是血清白蛋白結構很復雜,它和小分子之間通常并不是某一種作用力的單獨作用,而是多種作用力的協同作用[14]。
根據式(6)(7)得△H和△S為1.84×10-3 J/moL,-1.91×103 J/mol。△H>0,△S<0??梢哉J為Diludine與BSA之間的相互作用力為靜電作用與疏水作用力。
2.4Diludine與BSA之間結合距離的測定
F?觟ster的偶極-偶極非輻射理論[15]指出,當供能體的熒光發射光譜與受能體的吸收光譜有足夠的重疊,即供能體與受能體之間的距離不超過7 nm時,將會發生非輻射能量轉移現象,導致熒光體物質的熒光猝滅[16]。測出BSA與Diludine的熒光發射光譜和吸收光譜之間有較大重疊,如圖5。
根據能量轉移理論[17],轉移效率(E)、供能體與受能體之間的結合距離(r)、臨界能量轉移距離(R0)及供能體的熒光發射光譜與受能體吸收光譜的重疊積分(J)之間的關系為:
E=R06/(R06+r6)=(F0-F)/F (8)
R06=8.79×10-25kn-4JΦ(9)
J=■ (10)
式中:R0為臨界能量轉移距離,即轉移效率E為50%時的給能體與受能體之間的距離;k為偶極取向因子,可取受能體和供能體各向隨機分布的平均值2/3[18];Φ為供能體熒光量子產率,根據文獻,在相同實驗條件下BSA量子產率為0.13[19];n為介質常數,一般取水和有機物折射指數的平均值1.336[20]。利用Diludine與BSA摩爾比為1∶1的復合物的熒光強度求出能量轉移效率E值為0.39。F(λ)為在波數為λ時的熒光強度,ε(λ)為受能體在波數為λ時的摩爾吸光系數,采用矩形分割法求出兩光譜中重疊區域的積分值J為2.46×10-13 cm3·L/mol,根據(8)、(9)式得臨界能量轉移距離R0為4.26 nm,與BSA內氨基酸殘基的距離r為4.58 nm。符合能量轉移理論,說明Diludine與BSA足夠靠近(最大距離不超過7 nm),其結合是通過非輻射能量轉移而促使蛋白質的熒光猝滅。
3結論
紫外光譜和熒光光譜研究表明,Diludine對BSA的猝滅機制為靜態猝滅,在溫度為298 K和303 K下Diludin與BSA的結合常數分別為1.23×106 L/mol和2.27×104 L/mol,且具有一個結合位點,二者之間作用力主要為靜電作用與疏水作用力。Diludine與BSA之間的結合距離為4.58 nm,臨界能量轉移距離R0為4.26 nm。
參考文獻:
[1] 申超,袁纓. 二氫吡啶在畜禽中的應用研究進展[J]. 飼料博覽(技術版),2008,(11):12-16.
[2] 吳華東,潘金發,韓曉萍,等.二氫吡啶對豬生長發育和肉質性能影響的研究[J].中國飼料, 2003,(17):43-46.
[3] KANDAGAL P B, ASHOKA S, SEETHARAMAPPA J, et al, Study of the interaction of an anticancer drug with human bovine serum albumin: Spectroscopic approach[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis,2006,41(2):393-399.
[4] 王健林,付連春,周實武,等. 維生素B6與人血清白蛋白的相互作用[J].光譜學與光譜分析,2005,(6):912-915.
[5] LAKOWICZ, J.R. Principles of fluorescence spectroscopy[M]. 2nd ed. New York:Plenum Press, 1999.239-240.
[6] 魏亦男,李宗元,常文保. 熒光共振能量轉移技術在生物分析中的應用[J]. 分析化學,1998,26(4):477-484.
[7] 馮喜增,白春禮, 林章. 吖啶橙與牛血清蛋白的相互結合反應[J].分析化學,1998,26(2):154-157.
[8] 魏曉芳,劉會洲. Triton X-100與牛血清蛋白的相互作用[J].分析化學,2001,28(6):699-701.
[9] 胡艷軍,劉義.稀土雜多酸EuHSiMo10W2O40·25H2O與BSA相互作用的研究[J].化學學報,2004,(16):1519-1523.
[10] 俞天智,楊女棟.蘆丁與血清蛋白的作用研究[J]. 光譜學與光譜分析,2003,23(4):763-765.
[11] 劉慧均,劉維屏,陳愛平,等. 光譜法研究異丙草胺及其S-對映體與脲酶的相互作用機制[J].光譜學與光譜分析,2004,24(2):166-168.
[12] GONZALEZ-JIMENEZ J, JACQUOTTE H, CAYRE L. Fluorescence quenching studies on binding fluoreno-9-spiro-oxazoline to human serum albumin Chem-Biol[J]. Interact,1992,84(3):221-228.
[13] KLOTZ I M, URQUHART J M.The thermodynamics of metallo protein combination copper with bovine serum alburmin[J].Journal of the American Chemical Society,1949,71:847-852.
[14] FORSTER S T.Modern Quantum Chemistry[M]. NewYork:Academic Press,1966.93.
[15] FORSTER T. Intermolecular energy migration and fluorescence[J]. Ann Phys,1948,2:55-75.
[16] 楊頻,高飛. 生物無機化學原理[M]. 北京:科學出版社,2002. 322.
[17] 費燕,陸國才,范國榮,等.西那沙星與牛血清白蛋白的相互作用及共存金屬離子影響的研究[J]. 光譜學與光譜分析,2008,28(11):2609-2614.
[18] CYRIL L, EARL J K, SPERRY W M. Biochemisys’Handbook[M]. London, E & F N Spon,1961.84.
[19] 胡艷軍,劉義,侯安新,等. 稀土雜多酸鹽EuHSiMO10W2O40·25H2O與BSA相互作用的研究[J].化學學報,2004,62(16):1519-1523.
[20] VALEUR B, BROCHON J C. New trends in fluorscence spectroscopy[M]. 6th ed. Berlin:Springer Press,1999. 25.