蛋白質(zhì)及其模型分子的溶液熱力學(xué)研究.pdf

1、蛋白質(zhì)是生物體中必不可少的基本物質(zhì),在生命活動(dòng)中起著重要的作用。血清白蛋白是血漿中具有廣泛結(jié)合能力的蛋白質(zhì),能結(jié)合內(nèi)源性和外源性物質(zhì),并能將這些物質(zhì)輸送到身體的各個(gè)部位。研究有機(jī)小分子與血清白蛋白的相互作用,可幫助人們更深入地了解親水-憎水等弱相互作用在生物大分子溶液中的重要性,揭示相關(guān)生命過(guò)程的奧秘。 氨基酸、肽、酰胺及其衍生物被認(rèn)為是理論研究中重要的生物模型物質(zhì)。糖類和多羥基化合物能夠穩(wěn)定球形蛋白質(zhì)分子的天然構(gòu)象。通過(guò)研究

2、水溶液中氨基酸或酰胺與羥基化合物的熱力學(xué)性質(zhì)以及pH值對(duì)溶液熱力學(xué)性質(zhì)的影響,既可以獲得水溶液中溶劑化的溶質(zhì)分子間的相互作用方面的信息,又有助于了解多羥基化合物對(duì)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定機(jī)理及氨基酸在蛋白質(zhì)中的構(gòu)象穩(wěn)定性和解折疊過(guò)程中所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧?微量熱方法是現(xiàn)代熱力學(xué)和熱化學(xué)研究中的重要方法,對(duì)含有多種組分的生命體系溶液的熱力學(xué)性質(zhì)研究具有其它方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此,大量開(kāi)展這方面的研究,對(duì)開(kāi)拓物理化學(xué)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域、解決生命科學(xué)

3、中許多復(fù)雜問(wèn)題有著重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。二十一世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì),應(yīng)用微量熱法結(jié)合波譜學(xué)方法研究擬生命體液中生物大分子與小分子之間的相互作用以及生物模型化合物的熱力學(xué)性質(zhì),對(duì)于人類探究生命的本質(zhì)和揭示生命之奧秘具有非常重要的意義。 本論文作為國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.20273061)的部分工作,主要由以下五部分組成： 第一部分：血清白蛋白(人血清白蛋白Human Serum Albumin,HSA

4、;牛血清白蛋白Bovine Serum Albumin,BSA)與季銨鹽雙子表面活性劑的相互作用本部分應(yīng)用等溫滴定量熱法研究298.15 K時(shí)血清白蛋白與兩種季銨鹽雙子表面活性劑((CnN)2Cl2,n=12,14)在緩沖溶液(pH=7.0)中的相互作用,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)以及熱力學(xué)函數(shù)變化。并利用圓二色譜技術(shù)研究了這兩種表面活性劑對(duì)蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明： (1)HSA和BSA對(duì)這兩種表面活性劑均有兩

5、類結(jié)合位點(diǎn),一類是表面活性劑的極性基團(tuán)和蛋白質(zhì)分子表面的氨基酸殘基之間的靜電作用造成的強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)(有較高的結(jié)合常數(shù)),此類結(jié)合為吸熱過(guò)程；另一類是表面活性劑的憎水基團(tuán)與蛋白質(zhì)分子疏水空腔的疏水相互作用造成的弱結(jié)合位點(diǎn)(有較低的結(jié)合常數(shù)),該過(guò)程放出熱量。 (2)HSA和BSA對(duì)這兩種表面活性劑結(jié)合的熵效應(yīng)均為正值。表面活性劑分子中疏水鏈的增長(zhǎng)可加強(qiáng)它們向HSA或BSA分子上的結(jié)合,且同一種表面活性劑對(duì)HSA分子的結(jié)合強(qiáng)度大于B

6、SA。對(duì)于高結(jié)合位點(diǎn),兩種表面活性劑分子對(duì)應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)差別不大。但對(duì)于弱結(jié)合位點(diǎn),由于(C14N)2Cl2疏水鏈過(guò)長(zhǎng),只有部分進(jìn)入疏水空腔內(nèi),因此相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和放熱量減小,而熵變?cè)黾印?(3)這兩種表面活性劑與HSA或BSA的結(jié)合作用會(huì)使蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,主要是α-螺旋向β-疊的轉(zhuǎn)變,這樣會(huì)使構(gòu)成α-螺旋的肽段伸展開(kāi)來(lái),轉(zhuǎn)化為較為松散的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 第二部分：血清白蛋白與丹皮酚及其兩種同分異構(gòu)體的相互作用

7、本部分應(yīng)用等溫滴定量熱法研究298.15 K時(shí)血清白蛋白與丹皮酚(2'-羥基-4'-甲氧基苯乙酮,Pac)及其兩種同分異構(gòu)體(2'-羥基-5'-甲氧基苯乙酮,Hma：4'-羥基-3'-甲氧基苯乙酮,Ace)在緩沖溶液(pH=7.0)中的相互作用。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出結(jié)合常數(shù)、焓變、熵變及吉布斯自由能變等熱力學(xué)數(shù)據(jù)。并利用圓二色譜技術(shù)研究了這三種藥物分子對(duì)蛋白質(zhì)分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)果表明： (1)血清白蛋白(Serum

8、 Albumin,SA)對(duì)這三種藥物分子有兩類結(jié)合位點(diǎn),一類是通過(guò)藥物分子苯環(huán)上的取代基與SA分子表面的氨基酸殘基的靜電及氫鍵作用形成,另一類則通過(guò)藥物分子的苯環(huán)與SA分子疏水空腔的疏水相互作用達(dá)到彼此結(jié)合。 (2)根據(jù)吉布斯自由能的變化特征,這兩類結(jié)合主要以焓驅(qū)動(dòng)為主。同一種藥物分子對(duì)HSA結(jié)合過(guò)程的放熱量及結(jié)合常數(shù)比其對(duì)BSA的結(jié)合均有所減少,并且在同一類結(jié)合位點(diǎn)上,Pae,Hma以及Ace與SA結(jié)合過(guò)程的焓變絕對(duì)值依次減小,這些熱

9、力學(xué)數(shù)據(jù)的差異主要是由于蛋白分子結(jié)構(gòu)的不同以及客體分子苯環(huán)上取代基的相對(duì)位置不同引起的。 (3)由于這三種同分異構(gòu)體與SA的結(jié)合,使蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,這表明Pae,Hma以及Ace與SA的相互作用既包含結(jié)合反應(yīng)也包含其誘導(dǎo)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)部分改變的過(guò)程。 (4)Pae-SA體系的第二類結(jié)合位點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它體系,所以其它條件相同時(shí),Pae分子結(jié)合到蛋白分子上的幾率最大,這可能是Pae比Hma及Ace具有更多的治療

10、功效的主要原因。 第三部分：血清白蛋白與三種咪唑基離子液體的相互作用本部分應(yīng)用等溫滴定量熱法研究298.15 K時(shí)血清白蛋白與三種咪唑基離子液體([bmim]BF4,[bmim]PF6,[omim]BF4)在緩沖溶液(pH=7.0)中的相互作用。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的非線性擬合得到結(jié)合常數(shù)、焓變、熵變及吉布斯自由能變等熱力學(xué)數(shù)據(jù)。并利用圓二色譜技術(shù)研究了這三種離子液體對(duì)蛋白質(zhì)分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)果表明： (1

11、)SA對(duì)這三種離子液有兩類結(jié)合位點(diǎn),一類主要是通過(guò)離子液中陰離子與蛋白分子表面的氨基酸殘基的靜電及氫鍵作用等形成,另一類則主要通過(guò)離子液中的咪唑環(huán)及與之鍵合的烷基鏈與蛋白分子疏水空腔的疏水相互作用形成。 (2)根據(jù)吉布斯自由能的變化特征,這兩類結(jié)合均為熵驅(qū)動(dòng)過(guò)程。同一種離子液對(duì)HSA結(jié)合過(guò)程的放熱量及結(jié)合常數(shù)比其對(duì)BSA的結(jié)合均有所增加。與[bmim]BF4相比,[omim]BF4與蛋白的疏水作用結(jié)合常數(shù)明顯增大,這表明[om

12、im]BF4烷基鏈長(zhǎng)度與蛋白疏水空腔尺寸更匹配。另一方面,與[bmim]BF4相比,蛋白對(duì)[bmim]PF6結(jié)合的第一類結(jié)合位點(diǎn)數(shù)顯著增加,這主要是由于陰離子PF6-在蛋白表面上的結(jié)合機(jī)率增大造成的。 (3)由于這三種離子液與SA的結(jié)合,使蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,主要是α-螺旋相對(duì)含量的減少,進(jìn)一步表明了這三種離子液與SA之間存在相互作用。 第四部分：甲酰胺和N,N-二甲基甲酰胺與肌醇在氯化鈉水溶液中的焓相互作用本部分應(yīng)

13、用等溫流動(dòng)微量熱法測(cè)定298.15 K時(shí)甲酰胺和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)與肌醇分子在不同濃度氯化鈉水溶液中的混合過(guò)程焓變及這些溶質(zhì)分子的稀釋焓,根據(jù)McMillan-Mayer理論關(guān)聯(lián)得到各級(jí)異系焓相互作用系數(shù)(hxy,hxxy及hxyy)。從溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用和溶質(zhì)-溶劑相互作用角度討論這兩種酰胺與肌醇分子之間的相互作用機(jī)制。 結(jié)果表明： (1)無(wú)論是在純水還是在不同濃度的氯化鈉水溶液中,甲酰胺與肌醇分子的異

14、系焓對(duì)相互作用系數(shù)hxy均為負(fù)值,表明在所研究體系中,hxy的大小主要決定于這兩種溶質(zhì)分子之間的偶極-偶極作用。 (2)DMF與肌醇分子的異系焓對(duì)相互作用系數(shù)hxy在所研究的所有氯化鈉濃度范圍內(nèi)均為正值,這是由于DMF分子的甲基與肌醇分子的羥基之間的疏水-親水作用以及這兩種溶質(zhì)分子的去水化超過(guò)了DMF分子的極性基團(tuán)與肌醇分子羥基之間的偶極-偶極作用。 (3)在不同濃度的氯化鈉水溶液中,隨著鹽濃度的增大,甲酰胺與肌醇的

15、焓對(duì)作用系數(shù)hxy的絕對(duì)值逐漸減小,而DMF與肌醇的焓對(duì)作用系數(shù)逐漸增大,這主要是由于氯化鈉濃度的增大導(dǎo)致對(duì)被稀釋組分水化結(jié)構(gòu)的部分破壞增強(qiáng)(一種溶劑效應(yīng))所致。第五部分:D-(-)-對(duì)羥基苯甘氨酸在不同pH緩沖溶液中的稀釋焓本部分應(yīng)用等溫滴定微量熱法測(cè)定298.15 K時(shí)D-(-)-對(duì)羥基苯甘氨酸在不同pH磷酸緩沖溶液中的稀釋焓,根據(jù)McMillan-Mayer理論關(guān)聯(lián)得到各級(jí)同系焓相互作用系數(shù)。根據(jù)溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用和溶質(zhì)-溶劑相互

16、作用對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。 結(jié)果表明： (1)D-(-)-對(duì)羥基苯甘氨酸在不同pH磷酸緩沖溶液中的稀釋焓均為正值,而相應(yīng)的焓對(duì)作用系數(shù)h2均為負(fù)值,這表明在所研究體系中,分子之間的氫鍵、離子-偶極作用以及靜電作用在焓對(duì)作用中占主導(dǎo)地位。 (2)D-(-)-對(duì)羥基苯甘氨酸的稀釋焓在pH 7.0時(shí)具有最小值,導(dǎo)致其焓對(duì)作用系數(shù)在該pH下具有最大值。這是由于該pH值接近D-(-)-對(duì)羥基苯甘氨酸的等電點(diǎn)(6.6),電