BSA与CTAB相互作用的荧光光谱研究
2021-06-10
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第41卷第24期 2013年12月 广州化工 Vo1.41 No.24 Deeember.2013 Guangzhou Chemical Industry BSA与CTAB相互作用的荧光光谱研究 涂逢樟,俞芸,上官昌汾 龙岩364000) (龙岩学院化学与材料学院,福建摘 要:在模拟生理条件下,用荧光光谱法研究了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用。结果 表明:BSA分子中色氨酸和酪氨酸残基具有荧光发射性质,以280 nm激发BSA,在341 nm处有很强的荧光发射。在加入CTAB后, 发现CTAB—BSA强荧光峰的位置蓝移,且荧光强度随着CTAB浓度的增大而明显减弱,说明CTAB对BSA有荧光猝灭现象,猝灭 以静态猝灭为主,由Stern—Volmer方程求得CTAB表观猝灭常数K =1.469×10”L・mol~・S~。得到了CTAB与牛血清白蛋白 分子间的结合常数和热力学参数。利用已有的计算方法,建立了相应的计算机程序,使计算结果更合理。通过与常见公式计算的结 果进行比较,所建立的方法得到了比较满意的结果。 关键词:荧光光谱;牛血清白蛋白;十六烷基三甲基溴化铵;相互作用 中图分类号:0616 文献标识码:A 文章编号:1001—9677(2013)24—0055—04 Studies on the Interaction for Bovine Serum Albumin with Cetyltrimethylammonium Bromide by Fluorescence Spectrometry TU Feng—zhang,YU Yun,SHANGGUAN Chang—fen (College of Chemistry and Material,Longyan University,Fujian Longyan 364012,China) Abstract:The interaction of cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)and bovine serum albumin(BSA)was studied under conditions similar to those in human bodies by lfuorescence spectra.The results indicated that CTAB.which was located in BSA.had a max fluorescence emission peak at 34 1 nm with an excitation wavelength of 280 HE.It showed that CTAB had a powerful ability to quench the BSA fluorescence with a mechanism of a static process rather than a dynamic one.The apparent quenching constant K。was obtained to be 1.469×10 L・mol一 ・s一 by Stern—Volmer equation.The binding and thermodynamic parameters were obtained.The reasonable results were obtained by programmed calculation process based on the calculating equation established.By comparison with the results obtained by other calculating methods.it was proved that the satisfaetory results can be obtained by the proposed method. Key words:fluorescence;bovine serum albumin;cetyltrimethylammonium bromide:interaction 在医学研究上,测定血清蛋白量及质的改变,可对疾病的 面活性剂与蛋白质的相互作用。本文用荧光光谱法来研究 诊断、疗效的观察提供有价值的资料及数据。同时,在生命科 CTAB对BSA的结构影响,获得有关CTAB与BSA相互作用的 学和化学的研究中,需要了解各种类型的蛋白质的结构性能、 结合常数、结合热力学参数及荧光猝灭机理,旨在从分子水平 形态、与其它的物质的结合形式以及反应机理等方面的信 上阐明CTAB与BSA作用的驱动力。 息 。牛血清蛋白(bovine serum albumins,BSA)是常用的研 究蛋白,因为它是血浆中含量最丰富的载体蛋白,能与体内许 1 实验部分 多内源性物质及外源性物质作用,且这类蛋白的结构己用x光 测定 。 1.1仪器与试剂 表面活性剂开发半个多世纪以来,作为洗涤剂大量使用。 RF一5301PC型荧光光谱仪,日本岛津公司;TU一1901双 使用初期就发现对皮肤产生明显的刺激作用,后来逐步认识到 光束紫外可见分光光度计,普析通用仪器有限责任公司(北 在接触过程中对人体安全性的潜在危险 J。而表面活性剂引起 京);pHS一3C数字酸度计,杭州东兴设备仪器厂;DK一¥22 的皮肤刺激跟表面活性剂与角质层蛋白间的相互作用有关。因 型电热恒温水浴锅,上海精宏实验设备有限公司;微量进样 此,表面活性剂与蛋白质的相互作用在工业、生物、食品、医 器,日本岛津公司。 药和化妆品等行业中具有重要意义 J。而溴化十六烷基三甲基 牛血清白蛋白,厦门鹭隆生物公司,Sigma分装;十六烷基 铵(cetyhrimethyl ammonium bromide,CTAB)是人们经常研究的 三甲基溴化铵(分析纯),汕头西陇化工厂;磷酸氢钠、磷酸二 一种阳离子表面活性剂 。 ,故选其作为表面活性剂来研究表 氢钠、盐酸、氯化钠及氢氧化钠等其它试剂均为分析纯,实验 基金项目:龙岩学院第二批教育教学改革立项项目(岩学院教[2009]40号)资助。 作者简介:涂逢樟(1977一),男,硕士,讲师,主要从事荧光、毛细管电泳、色质联用的研究。 广州化工 2013年12月 用水为二次蒸馏水。 称取68 mg牛血清白蛋白,溶于50 mL二次蒸馏水中,配 灭。动态猝灭的作用过程遵循Stem—Volmer方程 J: 成浓度为2.0×10。mol/L的储备液,置于4℃冰箱中保存。 称取9.1 mg CTAB,加入少量重蒸乙醇预溶解,移人 50 mL容量瓶中,用重蒸水稀释至刻度,即得浓度为5.0× 10 moL/L CTAB溶液。 准确移取9.60 mL浓度为0.067 mol/L NaH PO 溶液和准 F0/F=1+K [Q]=1+k。T0[Q] (2) 式中:F。和F——不存在和存在猝灭剂时BSA的荧光强度 K ——动态猝灭常数 k ——双分子猝灭过程速率常数 T ——无猝灭剂存在下荧光分子的平均寿命,生物 大分子荧光寿命约为10 S 13 3 [Q]——猝灭剂的浓度 确移取40.40 mL浓度为0.067 mol/L Na2HPO4溶液,两者混合 均匀即得50.00 mL pH 7.40等渗磷酸盐缓冲溶液(PBS)。 由猝灭曲线的斜率即可求得猝灭常数,CTAB的猝灭常数 及线性相关系数r列于表1。各类猝灭剂对生物大分子的最大 扩散碰撞猝灭常数为2.0×10 L・mol~・s _1 ,显然CTAB 1.2实验过程 移取5O 浓度为2×10 mol/L的BSA于1 cnl石英吸收 池中,加入2.45 mL pH7.40等渗磷酸盐缓冲液(PBS)。用微量 进样器进行荧光滴定,每次加入1—5 txL CTAB溶液。混合均 匀并静置15 rain后,以280 nm为激发波长(入射和发射狭缝分 别为3和5 nm),在荧光光度计上记录290~450 nm波长范围 内的发射光谱。 2结果与讨论 2.1 CTAB对BSA的荧光猝灭作用 图1给出了CTAB浓度对BSA荧光光谱的影响,可见随着 CTAB浓度的增加,BSA在341 nm处荧光发射峰强度明显减弱, 而且峰位发生明显的蓝移,表明色氨酸疏水性增强 J。CTMAB 的作用位点位于血清白蛋白亚域ⅡA和ⅢA的疏水腔中,而位 于亚结构域ⅡA的色氨酸残基,其荧光强度易受小分子配体的 影响。因此,将CTMAB加入到BSA后,荧光强度明显降低。 随着CTAB浓度的增加,BSA中的位点渐渐“饱和”,导致溶 液中的荧光猝灭渐趋“饱和”。实验表明,当C TAB:CBsA >I20:1 后,CTAB基本不再具有进一步的猝灭作用,如图1中曲线h 和曲线i所示。 Wavelength/nm e(BSA)=O 4,,xmol/1 ;c(cTAB),( m0l,I ): a O;h 0 4;c.0 8;d.1 2;el 6;f 2 O;g 2 4;h 8.0;i10.0 pH=7 40.T=19 oc 图1 CTAB浓度对BSA荧光光谱的影响 Fig.1 The fluorescence quenching spectra of CTAB—BSA 除静态和动态猝灭外,引起物质荧光强度降低的原因还有 “内滤光效应”。Steiner等 提出,如果吸收值不超过0.3 时,内滤光效应可用如下公式进行校正: F。 =F。b ×e +Aem)/2 (1) 式中:F…和F曲。——校正后和观察到的荧光强度 A 和A ——药物在激发和发射波长处的吸光度 本文采用式(1)对内滤光予以校正。 2.2猝灭类型和机理 小分子对蛋白质荧光的猝灭主要分为动态猝灭和静态猝 对BSA猝灭过程的速率常数(1.105~1.469×10”L・tool~・S ) 远大于扩散控制的k ,可见猝灭不是由动态碰撞引起的,而是 由于形成了不发荧光的化合物引起的静态猝灭。 同时,动态猝灭和静态猝灭可以通过猝灭常数随温度的变 化来区分。如果温度越高,导致猝灭常数越大,就说明碰撞分 子数越大,是动态猝灭,反之则是静态猝灭” 。从表1数据可 知,随着温度的升高,K 减小,这也佐证CTAB对BSA荧光的 猝灭应该属于静态猝灭。 表1 不同温度下猝灭常数及相关系数r Table 1 Correlation coefficients r,K and kq at different temperatures 2.3结合常数计算 当荧光物质与猝灭体之间形成不发荧光的复合物时,可利 用许多公式,如L ineweaver—Burk方程[式(3)] 16]、Scatchard 方程[式(4)]m 、对数方程[式(5)][】 、改进的Scatchard方 程[式(6)和式(7)]㈣及Rosenthanl方程[式(8)] 等来计算 此相互作用的结合常数和结合位点数。 】 1 1 … 而j_ ) L _r,j : (n—r) (4) lg =lgKo+nlg[() (5) Fo百F : F一 n—F …。L—t J] (6)、、 Fo 1 1 , 、 一/'t ) 争一(1一 F)E Q IKo+n ]Ko+l (8) 式中:n和K ——结合位点数和结合常数 一平均结合数,即为平均每摩尔大分子结合 CTAB小分子的量 [Q ]和[B。]——体系中CTAB和BSA的总浓度 [Q ]——游离CTAB浓度 除式(6)和式(8)外,其余方程式都是应用游离CTAB的浓 度计算结合参数的。由于实验过程中很难获得游离CTAB的浓 度,用总的CTAB浓度代替游离的CTAB浓度又必然会影响计 算结果的准确性。鉴于此,推导了生物大分子和小分子相互作 第41卷第24期 用的关系式 : lg( ):nlgKo+ lg( 涂逢樟等:BSA与CTAB相互作用的荧光光谱研究 57 值重新带入到方程式(9)中的括弧内,无限循环下去,直到括 此方法虽然可利用总浓度直接计算,减少误差,但计算步 弧内外的n相同。根据lg[(F。一F)/F]和lgt[Q ]一n[B ](F。 0 一n )(9) lg{[Q ]_[B ]( —F)/F。}作图,由该曲线的斜率可以得到括 弧外的n值,如果结合位点n不等于1,那么就将括弧外的n 骤复杂。孙艳涛等 利用自编程序进行计算,不仅使计算结果 F)/Fo}的曲线截距,进而可以得到K 值。常见的计算公式及 更加合理,而且简化了计算过程。首先将nlg{[Q ]一n[B ] 本文所用方法所得的结果列于表2。表3为利用计算机程序时 (F。一F)/F。}括弧内的n假设为1,以lg[(F。一F)/F]对 的具体计算方法。 一表2不同温度下BSA与CTAB的结合常数和位点数 Table 2 Binding constants and sites of BSA with the drugs at 292 K and 300 K 2.4作用类型 小分子和蛋白质等生物大分子之间的结合力主要有疏水作 用力、氢键作用力、范德华力和静电引力等。不同物质与蛋白 CTAB与BSA结合后的△H,AS及AG的求算结果如表4所 示。从表4可见,CTAB与BSA的结合是一个自发过程(AG< 0);CTAB与BSA结合的AH<0,AS<0,可以认为CTAB与 BSA分子间主要表现为氢键和范德华力。 表4 不同温度下BSA与CTAB结合后的热力学常数 Table 4 Thermodynamic parameters of binding for BSA and CTAB at 292 K and 300 K 质结合力的类型是不同的,根据反应前后热力学焓变△H和熵 变AS的相对大小,可以判断小分子与蛋白质之间的主要作用 力类型 。△H>0,AS>0为疏水作用力;AS<0,△H<0为 氢键和范德华力;AH<0,AS>0为静电引力。 当温度变化不大时,反应的△H可以看作一个常数。根据 得到的不同温度下的结合常数及以下各式可得到热力学参数。 1n(KB2/K 1)=(1/T。一1/T2)(△H/R) AG=一RTlnK AG:AH—TAS 式中:△H——焓变 △S——熵变 △G——自由能变 T——热力学温度 (1o) (11) (12) 3 结论 研究了不同温度下CTAB溶液与BSA作用的荧光猝灭光 谱,证实了CTAB与BSA间的相互作用导致的荧光猝灭为静态 猝灭。比较多个计算结合常数和结合位点公式,结果表明,本 文根据计算机程序方法所得结果比用总浓度代替游离猝灭剂浓 度的计算方法更合理。同时得到的热力学参数,证明CTAB与 R——大气压常数 T.和T2——两个状态下的热力学温度 K 。和K ——不同温度下的结合常数 58 广州化工 版社,1990:122. 2013年l2月 BSA之间主要靠氢键和范德华力结合。 参考文献 迟燕华,庄稼,李娜,等.锌试剂与牛血清白蛋白作用机理的研究 [J].高等学校化学学报,1999,20(11):1697—1702. 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