蛋白質(zhì)及其模型分子的溶液熱力學研究.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)輸送到身體的各個部位。研究有機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)生命過程的奧秘。 氨基酸、肽、酰胺及其衍生物被認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。通過研究

2、水溶液中氨基酸或酰胺與羥基化合物的熱力學性質(zhì)以及pH值對溶液熱力學性質(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蛋白質(zhì)的穩(wěn)定機理及氨基酸在蛋白質(zhì)中的構(gòu)象穩(wěn)定性和解折疊過程中所擔當?shù)慕巧?微量熱方法是現(xiàn)代熱力學和熱化學研究中的重要方法,對含有多種組分的生命體系溶液的熱力學性質(zhì)研究具有其它方法不可比擬的優(yōu)勢。因此,大量開展這方面的研究,對開拓物理化學的研究及應(yīng)用領(lǐng)域、解決生命科學

3、中許多復雜問題有著重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。二十一世紀是生命科學的世紀,應(yīng)用微量熱法結(jié)合波譜學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性質(zhì),對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。 本論文作為國家自然科學基金資助項目(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,由實驗數(shù)據(jù)擬合出結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點數(shù)以及熱力學函數(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蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明： (1)HSA和BSA對這兩種表面活性劑均有兩

5、類結(jié)合位點,一類是表面活性劑的極性基團和蛋白質(zhì)分子表面的氨基酸殘基之間的靜電作用造成的強結(jié)合位點(有較高的結(jié)合常數(shù)),此類結(jié)合為吸熱過程；另一類是表面活性劑的憎水基團與蛋白質(zhì)分子疏水空腔的疏水相互作用造成的弱結(jié)合位點(有較低的結(jié)合常數(shù)),該過程放出熱量。 (2)HSA和BSA對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可加強它們向HSA或BSA分子上的結(jié)合,且同一種表面活性劑對HSA分子的結(jié)合強度大于B

6、SA。對于高結(jié)合位點,兩種表面活性劑分子對應(yīng)的結(jié)合位點數(shù)差別不大。但對于弱結(jié)合位點,由于(C14N)2Cl2疏水鏈過長,只有部分進入疏水空腔內(nèi),因此相應(yīng)的結(jié)合位點數(shù)和放熱量減小,而熵變增加。 (3)這兩種表面活性劑與HSA或BSA的結(jié)合作用會使蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,主要是α-螺旋向β-疊的轉(zhuǎn)變,這樣會使構(gòu)成α-螺旋的肽段伸展開來,轉(zhuǎn)化為較為松散的二級結(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。由實驗數(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蛋白質(zhì)分子二級結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)果表明： (1)血清白蛋白(Serum

8、 Albumin,SA)對這三種藥物分子有兩類結(jié)合位點,一類是通過藥物分子苯環(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,另一類則通過藥物分子的苯環(huán)與SA分子疏水空腔的疏水相互作用達到彼此結(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)動為主。同一種藥物分子對HSA結(jié)合過程的放熱量及結(jié)合常數(shù)比其對BSA的結(jié)合均有所減少,并且在同一類結(jié)合位點上,Pae,Hma以及Ace與SA結(jié)合過程的焓變絕對值依次減小,這些熱

9、力學數(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)也包含其誘導蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)部分改變的過程。 (4)Pae-SA體系的第二類結(jié)合位點數(shù)遠遠大于其它體系,所以其它條件相同時,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。通過對實驗數(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蛋白質(zhì)分子二級結(jié)構(gòu)的影響。 結(jié)果表明： (1

11、)SA對這三種離子液有兩類結(jié)合位點,一類主要是通過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)動過程。同一種離子液對HSA結(jié)合過程的放熱量及結(jié)合常數(shù)比其對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[bmim]PF6結(jié)合的第一類結(jié)合位點數(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)分子的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,主要是α-螺旋相對含量的減少,進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、用等溫流動微量熱法測定298.15 K時甲酰胺和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制。 結(jié)果表明： (1)無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、系焓對相互作用系數(shù)hxy均為負值,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)分子的去水化超過了DMF分子的極性基團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、焓對作用系數(shù)hxy的絕對值逐漸減小,而DMF與肌醇的焓對作用系數(shù)逐漸增大,這主要是由于氯化鈉濃度的增大導致對被稀釋組分水化結(jié)構(gòu)的部分破壞增強(一種溶劑效應(yīng))所致。第五部分:D-(-)-對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定298.15 K時D-(-)-對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、作用對結(jié)果進行了討論。 結(jié)果表明： (1)D-(-)-對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)的焓對作用系數(shù)h2均為負值,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作用中占主導地位。 (2)D-(-)-對羥基苯甘氨酸的稀釋焓在pH 7.0時具有最小值,導致其焓對作用系數(shù)在該pH下具有最大值。這是由于該pH值接近D-(-)-對羥基苯甘氨酸的等電點(6.6),電