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荧光染料探针与牛血清白蛋白作用机理的研究

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第26卷第2期 V0l_26 No.2 吕梁高等专科学校学报 Journal of Lvliang Higher College 2010年6月 Jun.2010 荧光染料探针与牛血清白蛋白作用机理的研究 张改清 ,席小莉 (1.吕梁学院化学化工系,山西离石033000;2.山西大学分子科学研究所,山西太原030006) 摘 要:用荧光光谱法和uV光谱法,研究染料荧光素、铬黑T、结晶紫(Crystal Violet)与牛血清白蛋白(BSA) 的作用,可以给出它们在不同结合数下的生成常数,求出它们的能量转移效率、给体一受体之间的距离,进而得知一 些小分子染料与蛋白质结合后所引起染料或蛋白质光谱特性的变化.因此,这些小分子染料可作为蛋白质的探针, 从分子水平的角度研究蛋白质与小分子相互作用的机理,从而为生命科学研究以及药物研究提供有价值的信息. 关键词:荧光染料;牛血清白蛋白;给体与受体 中图分类号:O6t1.3 文献标识码:A 文章编号:1008—7834(2010)02—0030—06 配体同生物大分子的作用是研究生命现象和药物作用机理的一个基本问题.荧光探针法是研究上述问 题简单易行的方法.一些染料小分子可与蛋白质结合,引起其光谱呈现出能量转移特征,即发生荧光的加强 或淬灭,而测定生物分子与某些基团(如蛋白质的芳香氨基酸到配体)之间的距离,因此常被称为“光谱 尺”¨J.杨频等曾用此法研究了染料与多种蛋白质的作用机理 ;本文则采用uV光谱法、荧光光谱法,研究 了染料荧光素、铬黑T、结晶紫(Crystal Violet)等与牛血清白蛋白(BSA)的作用.研究结果表明,在pH=7.4 的Tris—HC1缓冲溶液中它们与牛血清白蛋白(BSA)生成不同的缔合物.且应用杨频等曾导出的荧光加强 效应应用于给体一受体作用的理式 J,求出它们在不同结合数下的生成常数,进而又研究了它们的能 量转移效应、给体一受体之间的距离. 1实验部分 1.1 主要仪器和试剂 LS一50B(PE公司)荧光光谱仪,HP8453UV—Vis紫外吸收光谱仪(HP公司),Finnpipette微量可调取液 器(上海金林生化仪器厂),Beckman ̄一50酸度计(美国贝克曼公司),实验中所有的玻璃仪器以及吸收池、 荧光池均使用1 moL/L的HNO,浸泡后用蒸馏水冲洗干净. 牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)(A.R.,Sigma公司);Tris(三羟基氨基甲烷),盐酸,氯化钠 等均为分析纯试剂,荧光素(A.R.,北京经科宏达生物技术有限公司),铬黑T(A.R.,北京经科宏达生物技 术有限公司),结晶紫(A.R.,天津市方得科技有限公司),实验用水均为三次蒸馏水. 1.2溶液的配制 Tris—HC1缓冲液的配制:在分析天平上准确称取0.605 7 gTris,0.175 5 gNaC1于小烧杯中,用约80 ml 三蒸水溶解,再用盐酸调溶液pH值(用Beckman ̄一50酸度计测量)至7.38(约7.4左右),再定容到100 ml 容量瓶中,放冰箱中备用. 牛血清白蛋白(BSA)的配制:在分析天平上准确称取0.067 g牛血清白蛋白,用pH=7.4的Tris—HC1 缓冲液容于小烧杯中,待完全溶解后,定容到10 ml容量瓶中,其浓度为1.0×10 I4 mol/L的溶液(相对分子 质量以66 700计),4℃冰箱保存. 收稿日期:2010-01-07 基金项目:国家自然科学基金(No.20971081)资助项目. 作者简介:张改清(1976一),女,山西柳林人,硕士研究生,讲师,研究方向为生物无机化学 30 染料荧光素,铬黑T,结晶紫(Crystal Violet)用三蒸水配制为1×10I4 mol/L的溶液,配置后放冰箱中备 用. 1.3实验方法 1.3.1紫外光谱测定 紫外光谱使用HP8453UV—Vis(HP公司)紫外吸收光谱仪,在室温条件下,以 s—HCI溶剂为参比,分 别取浓度为1×10 mol/L的染料荧光素,铬黑T,结晶紫(Crystal Violet)各500 L及1.5 mlTris—HCI于1 cm干燥的吸收池中,用微量可调取液器,逐次滴加10 txL1.0×10-4 mol/L的BSA(最后加入滴定剂的累加 体积以吸收强度不再变化为止),每次滴定中保持反应时间间隔3 min,测吸收光谱.记录各自的最大吸收峰 变化情况. 1.3.2荧光光谱测定 (1)使用LS一50B(PE公司)荧光光谱仪测定荧光光谱,确定它们的扫描参数分别为:选荧光素的激发 波长为440 nm,激发狭缝为2.5 nm,发射狭缝为2.5 nm.选铬黑T的激发波长为339 nm,激发狭缝为8 nm, 发射狭缝为6 nm.选结晶紫的激发波长为303 nm,激发狭缝为10 nm,发射狭缝为5 nm.光谱滴定在室温条 件下,分别移取20 L1.0×10-4 mol/L的染料荧光素,铬黑T,结晶紫(Crystal Violet)及2 mlTris—HCll ml于 干燥的荧光池中,用微量可调取液器,逐次滴加10 txL1.0×10-4 mol/LBSA(最后加入滴定剂的累加体积以 荧光强度不再变化为止而定),每次滴定中保持反应时间间隔3 min,扫描其荧光发射谱,观察BSA对染料发 生的荧光加强或猝灭。记录每次向染料溶液中加人BSA后得到荧光强度Fn值(第一个点为F ;最高点为 Fb). (2)再分别移取空白Tris—HC1缓冲液2 mL于干燥的荧光池中,用微量可调取液器,逐次滴加10 L1.0 ×10 mol/LBSA(最后加入滴定剂的累加体积与(1)中一样),每次滴定中保持时间间隔3 min,其它参数和 (1)中一样,扫描其荧光发射谱,记录每次向空白Tris—HC1溶液中加入BSA后得到的荧光强度FDn值. (3)测定牛血清白蛋白与3种染料分别为1:1(摩尔比)时缔合物的荧光发射光谱和染料的吸收光谱. 2结果和讨论 2.1 紫外可见吸收光谱 测定结果如图1(a)、1(b)、1(c)所示: 由1(a)图可见:当向荧光素溶液中加入牛血清白蛋白(BSA)时, 随BSA溶液浓度的增加,BSA使荧光素产生了明显的减色效应 J,且 随BSA溶液浓度的增加,减色效应减弱. 由1(b)图可见:当向铬黑T溶液中加人牛血清白蛋白(BSA)时, 随BSA溶液浓度的增加,BSA使铬黑T产生了明显的增色效应,最大 图1(a)BSA滴加荧光素的可见光谱 吸收峰位未见明显移动,仍在278 am处. C黄光素=2.5×10一 mol/L;/X1至6依序 '由1(c)图可见:当向结晶紫(Crystal Violet)溶液中加入牛血清白 为CBsA(10 mol/L)=0、0.498、0.990、 蛋白(BSA)时,随BSA溶液浓度的增加,BSA使结晶紫产生了明显减 色效应 ,最大吸收峰位未见明显移动,仍在303 nm处. 1.478、1.961的曲线;pH=7.4 /rim /nm 图1(b)BSA滴加铬黑T的紫外光谱 C铬_T=2.5×10一 mot/L; ̄1至7依序为CBsA(10一 mol/L) =图1(c)BSA滴加结晶紫的紫外光谱 C结-羹=2.5 x10一 mol/L; ̄1至7依序为C瞵A(10’ mot/L) =O .498、o.990、1.478、1.961、2.439、2.913的曲线;pH=7.4 0、0.498、0.990、1.478、1.961,2.439,2.913的曲线;pH=7.4 31 2.2牛血清白蛋白(BSA)与染料在不同结合数下的生成常数 测定荧光光谱如图2(a)、2(b)、2(c)所示,当BSA中加入染料时出现荧光加强效应.说明传能过程是主 要过程.按杨频等推导荧光加强效应应用于给体一受体作用的理式 ]: AF=F—FD (1) Mb=M (AF—FA)/(Fb—FA) (2) (3) (AF—FA)一。=(Fb—F )一 (1+1/K (nP 一M )) 皇 图2(a)BSA滴加铬黑T的荧光光谱 =339 nm。C铬舯=1.0×10一 mol/L;} ̄1至5为 ,C (10 mol/L)=0、0.98、i.94、2.88、3.81的曲线 =图2(b) BSA滴加结晶紫的荧光光谱 303 nln,C 目肇:1.0×10一 mol/L;}j,[1至5为 CBSA(10 mol/L)=0、0.8、91.94、2.88、3.81的曲线 其中F是在牛血清白蛋白(BSA)溶液中加入染料后体系 的荧光强度;F。是自由牛血清的荧光强度;Fa是自由染料的荧 光强度;F 是键合到牛血清白蛋白(BSA)上的染料对荧光的贡 献. 为键合到牛血清上的染料浓度, 为染料总浓度,P 为牛 血清白蛋白(BSA)的总浓度, 为生成常数,n为牛血清白蛋白 (BSA)(P)与染料(M)成键时的相互且等同的键合位置数. 一根据向染料溶液中逐次加入BSA后得到荧光强度F 值(第 个点为FA;最高点为 ),然后逐点减去向空白Tris—HC1溶 图2(c)BsA滴加荧光 的荧光光谱 0 0 n L;从 至 为 液中加入BSA得到的荧光强度F。 ,由式(2)及染料浓度M ,可 求得不同F 值下的 ,求出加人不同量BsA溶液后的P 值.按 式(3),以(nP 一Mb、一-作横轴变量、(△F—Fa)---O/ i i 一 作纵轴变量、并 ex=440 ,c 设n:2和 作图,如图3(a)、3(b)、3(c)所示,得到良好的直c嘲( 0 L)=0,0.98,1.94,2.88,3.81的曲线 图3(a) 结晶紫与BSA I n=2,II n=4的双倒数图 2.3能量给体一受体间距离的测定 最大激发波长荧光素选440 nm,铬黑T选339 nm,结晶紫选303 nm测定它们的荧光发射光谱,观察了 染料在加人BSA时荧光强度变化,结果表明加入BSA后出现荧光加强效应 . 为了论证给体一受体间是否发生了能量转移,我们固定激发波长,测定了BSA与三种染料分别为1:1 (摩尔比)时缔合物的荧光发射光谱和染料的吸收光谱,将测得的缔合物的荧光发射光谱和染料的吸收光谱 绘在同一图中如图4(a)、4(b)、4(c)所示两者间发生了重叠,说明给体一受体间发生了能量转移 』. 32 nP.-M2 (×105Umo1) nP.一M (×| ̄Umo1) 图3(b) 铬黑T与BSA I n=2。I1 n=4的双倒数图 图4(a) (I)BSA的荧光发射谱与(Ⅱ)荧光素 的吸收谱之间的光谱重叠 图4(b) (I)BSA的荧光发射谱与(Ⅱ)结晶紫 的吸收谱之间的光谱重叠 根据Forster型偶极一偶极无辐射能量转移机理 ,转移效 率E与给体一受体间距离r及临界能量转移距离R。有关: E=R06//(Rn。+r6) (4) 其中R0是能量转移效率为50%时的临界距离: R0 =8.8×10 ( n~J4>D) 墓 (5) 式中: 为偶极空间的取向因子,n为介质的折射指数, 。 为给体的光量子产率,‘,为给体(牛血清白蛋白(BSA))的荧光 发射光谱与受体(染料)的吸收光谱间的光谱重叠积分,可表示 为 .,=∑Fv( ) ( ) 一 Av/∑FD(v)av (6)图4(c) (I)BsA的荧光发射谱与(II)铬黑T 的吸收谱之间的光谱重叠 其中:FD( )为荧光给体(牛血清白蛋白(BSA))在波数 为t,的荧光强度, (t,)为受体(染料)在波数为 的摩尔消光系数,能量转移效率亦可由下式测定: E=1一 (7) 33 其中: 和 分别为能量接受体存在和不存在时能量给予体的荧光发射强度,显然,只要得知 , , 。,和n并通过实测光谱求出积分.,,就可算出 和r. 由图4,结合式(6),把光谱重叠部分分割成极小的矩形面积求积分,分别算得BSA与3种染料相互对 应的重叠积分J值如表1. 以色氨酸为标准物( 。=0.14 )、用相同的激发波长和仪器参数,用相对法测定牛血清白蛋白(BSA) 中色氨酸的量子产率 。=0.118,折射参数n取水和有机物的平均值1.336,取向因子取给体一受体各向随 机分步的平均值K =2/3.以上各量代入式(5),分别得到牛血清白蛋白(BSA)和3种染料相互间的能量转移 距离R。如表1.能量转移效率的测定,利用前面测定的牛血清白蛋白(BSA)与染料摩尔比为1:1的缔合物 的荧光强度,按式(7)算得能量转移效率E值如表1.于是,由 。和E、按式(4)分别得到BSA与染料分子的距 离r如表1. 表1 三种染料与BSA的生成常数、结合位置数、作用距离、能量转移效率和线性相关系数 3 结论 牛血清白蛋白有两个色氨酸残基,它们都可能与染料分子发生结合能量转移 .从三种染料对牛血清 的荧光光谱来看,它们有着类似的作用,它们的生成常数均在l0 以上,据此可说明它们的结合较牢固.同时 得到线性相关系数C,由表1可看出n=2时C在0.998 0—0.999 4之间;n=4时C在0.998 2—0.998 7之 间.从生成常数大小来看:结晶紫的KA(2)和K H’大于荧光素的K ’和K (4’大于铬黑T的K (2 和K ¨’; 但能量转移效率却是E荧光素>E铬黑T>E结晶紫.可见结合的稳定程度与能量转移并不成正比关系. 从表1数据可见结晶紫与牛血清白蛋白(BSA)的给体一受体作用距离r(A)明显大于荧光素和铬黑T 与牛血清白蛋白(BSA)的相应距离;而能量转移效率E前者明显小于后者,表明给体一受体作用距离的增 加,会大大降低能量转移效率.说明能量转移效率是和相互之间的距离成正比. 通过以上几个方面的分析得知:一些小分子染料与蛋白质结合 ,可引起染料或蛋白质光谱特性的变 化,因此可作为蛋白质的探针 ’加 ,从而可以从分子水平认识蛋白质与小分子相互作用的机理,为生命科学 研究以及药物研究提供有用的信息. 参考文献: [1]Stryer L,Hauland R.P.Enger transfer:A spectroscopic ruler[J].Pro1.Nat1.Acad.Sci,1967,58:719. 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[1O]俞英,廖尖,黄发德.牛血清白蛋白与酸性铬兰K结合反应的研究[J].光谱学与光谱分析,2002,22(6):1067—1069. 34 Study on the Mechanism of Interaction of Fluorescence Dye with Bovine Serum Albumin ZHANG Gai—qing ._.XI Xiao—li (1.Department ofChemistry and Chemical Engineering, Lvliang College,Lishi Shanxi 033000 China; 2.Institute ofMolecular Science,Shanxi University,Taiyuan Shanxi 030006,China) Abstract:In this article,the interactions mechanism of dye Fluorescein,Eriochrome Black T and Methyl Violet with Bovine Serum Albumin have been studied by means of fluorescence spectrum and UV spectrum,and the association constant with different binding numbers has also been obtained;Furthermore,we have a1so got the energy transfer- .ring efifciency and the distance of donor and acceptor.Thus we can understand the interactions mechanism of pro— tein and small molecule from the perspective of molecular level and then provide useful information for life science research and medicine research Key words:fluorescence dyes;BSA;donor and acceptor 夸 j -窜k-9 Ik一 r曹譬 =I 。 }夸 业夸 宣 。j r夸譬业=Ik 9 r窜kr夸譬 jj}盥夸 夸 业 I;er夸 坐坐坐 ;}业j j 夸 簟夸 j 业9;亭 (上接第23页) 电位差计法测电动势和内电阻的实验优点是可以不从被测对象中取用电流而消耗其能量,测量结果稳 定可靠,结果相当精确.但电位差计法测内电阻需要一个校准的过程,步骤繁琐,且数据处理比较麻烦. 参考文献: [1]冯国进.测量电源电动势的一种简易方法[J].大学物理实验,2003,16(4). 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