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白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素与BSA相互作用的荧光光谱法研究



全 文 :第 28 卷 第 3 期
2013 年 9 月
湖南科技大学学报(自然科学版)
Journal of Hunan University of Science & Technology(Natural Science Edition)
Vol. 28 No. 3
Sept. 2013
白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素与 BSA
相互作用的荧光光谱法研究 ①
刘芝兰,曾春姣,李君,李俊雅
(湘潭职业技术学院 药学教研室,湖南 湘潭 411102)
摘 要:应用荧光光谱法和紫外光谱法对二苯乙烯类化合物白皮杉醇(Piceatannol)、白藜芦醇(Resveratrol)和赤松素
(Pinosylvin)与 BSA之间的相互作用进行研究.计算了这 3 种化合物与 BSA的结合常数和结合位点数及热力学函数△G,△S,
△H. 并分析了它们对 BSA的荧光淬灭过程及其之间的相互作用类型,运用了 Foerster’s偶极 -偶极非辐射能量转移原理测
定了与牛血清白蛋白的结合距离.结果表明,白皮杉醇、白藜芦醇和赤松素 3 种二苯乙烯化合物对 BSA 的荧光淬灭属于自发
的以疏水作用力为主导的非辐射能量转移的静态淬灭过程.随分子中 B 环上的羟基数目的逐渐增加,白皮杉醇、白藜芦醇和
赤松素与 BSA的结合力逐渐增强.
关键词:白皮杉醇;白藜芦醇;赤松素;牛血清白蛋白;荧光光谱法
中图分类号:O657. 32 文献标识码:A 文章编号:1672 - 9102(2013)03 - 0115 - 06
白藜芦醇、白皮杉醇和赤松素均是二苯乙烯类
化合物,广泛存于自然界.大量的实验性研究证实该
类化合物具有显著的生物活性. 目前除对赤松素的
研究较少,仅发现其对细菌及多种真菌具有抗菌活
性和阻止纸浆化的作用外,对白藜芦醇的研究从 50
年代初开始迄今从未停止过. 白藜芦醇与白皮杉醇
的多重生物学效应已被国内外学者公认,笔者归纳
为“五抗四护一调节”作用. 其中抗氧化,清除氧自
由基是基础,抗衰老、抗炎、抗菌、抗癌和保护心、脑、
肝、肾、血管和骨质以及提高机体免疫调节力是其作
用的延续或结果[1]. 虽然包括美国 NIH(National
cancer institute)在内的机构都在根据白黎芦醇的药
理作用致力于进行包括阿尔茨海默病、结肠癌等在
内的多种疾病的临床研究,但实际上白黎芦醇的临
床应用仍然处于空白状态[2]. 这种基础研究与临床
应用脱离的现象引起了生物医药学界学界的高度重
视.究其原因可能与制剂类型、药物的吸收,体内的
分布与组织浓度及消除方式等药代动力学有关. 为
此,作者拟从探索白藜芦醇和白皮杉醇及赤松素
(如图 1)与 BSA结合的关系入手,探究二苯乙烯类
化合物的药动学特点.
白蛋白是血浆中转运药物的重要载体,多种药
物分子都能与之结合,随血液循环被运送到身体的
各个部位发挥其药效,因此,药物与血清白蛋白的相
互作用不仅影响药物在体内的吸收、分布、代谢与排
泄,也在一定程度上预示了药物效应和毒性强弱.研
究药物小分子与血清白蛋白相互作用的热力学特
征,利用白蛋白具有内源性荧光的特点,测定由白蛋
白参与的实验体系中的荧光强度、荧光寿命和峰波
长的变化等指标,来探索药物与白蛋白相互作用机
制和蛋白质分子的构型变化以及药物的药理作用,
是国内外生命科学研究者公认的重要手段[3 - 4]. 本
511

收稿日期:2013 - 05 - 08
基金项目:湖南省科技厅自然科学研究基金(2011FJ6003)
通信作者:刘芝兰(1955 -) ,女,湖南资兴人,教授,主要从事临床药理学研究. E - mail:lzl5507@ 163. com
课题组采用荧光光谱法,比较了含有不同羟基的 3
种二苯乙烯化合物白皮杉醇、白藜芦醇、赤松素与
BSA的相互作用之区别,探讨了苯环羟基取代对二
苯乙烯与 BSA相互作用的影响规律.以期能更深入
地研究二苯乙烯化合物的药理学特征,或为寻找二
苯乙烯类新药提供有价值的信息.
图 1 白皮杉醇( A) 、白藜芦醇( B) 和赤松素( C)
Fig. 1 Piceatannol( A) ,Resveratrol( B) and Pinosylvin( C)
1 实验部分
1. 1 仪器与试剂
UV -2450 紫外光谱仪(日本 Shimadzu 公司) ;
日立 F - 4500 荧光光谱议(日本日立公司) ;酸度
计;移液器等.牛血清白蛋白(美国 Sigma 公司) ;白
皮杉醇、白黎芦醇和赤松素(杭州广林生物医药有
限公司) ;缓冲液 PBS(pH = 7. 4) ;所用试剂为分析
纯,所用水均为二次去离子水.
1. 2 实验方法
用配好的 PBS(pH = 7. 40)溶液把 BSA 配制成
1. 0 × 10 -5 mol·L -1溶液,用水和甲醇(体积比为 1
∶2)将 3 种化合物配成 2 × 10 -3 mol·L -1的溶液.在
比色皿中加入 2. 5 mL 配好的 BSA 溶液,然后比色
皿中加入不同微量体积的配好的上述 3 种化合物溶
液,分别在 310 K,300 K,290 K 恒温条件下静置
1 h,固定 λex = 280 nm,在 290 ~ 500 nm 之间扫描
BSA的荧光光谱及 BSA 在 3 种化合物作用下的荧
光强度;在 290 ~ 400 nm 范围内扫描 3 种化合物溶
液的紫外光谱.
2 结果与讨论
2. 1 白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素对 BSA 荧光淬
灭光谱
由于白蛋白分子中含有芳香性氨基酸残基,在
紫外光照射下能产生内源性荧光. 因此采用光谱法
可获得蛋白质与各种小分子物质相互作用的荧光光
谱.图 2 为固定 BSA 的浓度,测得不同浓度的白皮
杉醇、白黎芦醇和赤松素与 BSA相互作用的荧光光
谱.由图 2 可知随着白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素浓
度的递增,BSA 的荧光光谱发生了规律性变化,其
荧光强度递减,且峰型不变,最大发射波长均发生了
的红移,尤其是白皮杉醇和白黎芦醇红移较明显.此
现象表明白皮杉醇、白藜芦醇、赤松素与 BSA 发生
了相互作用,致使 BSA分子中的 2 个吲哚环中至少
一个的微环境发生了变化,荧光生色团所处介质的
疏水性增加[5],可见 3 种化合物都可能与 BSA形成
了不发荧光或发射弱的荧光复合物.
CBSA = 1. 0 × 10 -5 mol·L -1,(a - j) :0. 0,0. 4,0. 8,1. 2,1. 6,
2. 0,2. 4,2. 8,3. 2,3. 6(× 10 -6 mol·L -1).
图 2 白皮杉醇 ( A) 、白黎芦醇 ( B) 和赤松素 ( C) 对
BSA 的荧光淬灭
Fig. 2 a - j. The fluorescence quenching spectra of BSA by
piceatannol( A) ,resveratrol( B) and pinosylvin( C)
611
2. 2 白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素对 BSA 的荧光
淬灭类型
按荧光淬灭机理的不同,可将其分为静态淬灭
和动态淬灭.静态和动态淬灭类型可随温度的变化
来区别.若随温度的升高,复合物的稳定性增强,且
淬灭常数增大,则为动态淬灭,反之则为静态淬灭.
动态淬灭是一种能量或电子转移过程,不影响蛋白
质的二级结构和生理活性[6].其作用过程遵循 Stern
- Volmer[7]方程:
F0 /F = 1 + KSV[Q] = 1 + Kqτ0[Q]. (1)
式中,F0 和 F分别代表猝灭剂加入之前和加入之后
所测得的相对荧光强度,[Q]为猝灭剂的浓度,KSV
是 Stern - Volmer猝灭常数,Kq 是双分子淬灭常数.
如果白皮杉醇、白藜芦醇、赤松素对 BSA 的淬
灭类型均属于动态淬灭,则他们与 BSA 的作用过程
应符合上述方程(1).若以 F0 /F 对[Q]作图,可得
一直线,斜率就是 KSV. 本实验观察了白皮杉醇、白
藜芦醇、赤松素在 290 K,300 K 和 310 K3 种温度
下,对 BSA的淬灭情况,所得 Stern - Volmer 曲线见
图 3.根据方程式(1) ,经计算白皮杉醇、白藜芦醇、
赤松素的动态淬灭常数 KSV 和淬灭速率常数 Kq 的
值,结果见表 1.结果表明,BSA 的淬灭曲线呈良好
的线性关系,随温度升高,其斜率均下降,且对 BSA
淬灭过程的 Kq 都远大于 2. 0 × 10
10 L·mol - 1·
s - 1[8](各类淬灭剂对荧光分子的最大扩散碰撞淬灭
常数) ,由此可推测白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素对
BSA的淬灭是由于与 BSA 结合形成了稳定配合物
的静态淬灭过程,并非为分子间的相互碰撞所致的
动态淬灭过程.
表 1 不同温度下,白皮杉醇、白藜芦醇和赤松素与 BSA 作
用的淬灭常数
Tab. 1 Fluorescence quenching parameters of BSA by
picearannol,resveratrol and pinosylvin at different
temperatures
化合物 温度 /K KSV /(L·mol -1)Kq /(L·mol -1·s-1) r
白皮杉醇
310 4. 93 × 105 4. 93 × 1013 0. 994
300 6. 03 × 105 6. 03 × 1013 0. 991
290 6. 98 × 105 6. 98 × 1013 0. 99
白藜芦醇
310 5. 69 × 105 5. 69 × 1013 0. 996
300 7. 05 × 105 7. 05 × 1013 0. 993
290 7. 68 × 105 7. 68 × 1013 0. 994
赤松素
310 6. 03 × 105 6. 03 × 1013 0. 993
300 7. 44 × 105 7. 44 × 1013 0. 991
290 8. 04 × 1013 8. 04 × 1013 0. 997
图 3 不同温度下,白皮杉醇( A) 、白藜芦醇( B) 和赤
松素( C) 淬灭 BSA的 Stern - Volmer曲线
Fig. 3 The Stern - Volmer curves of fluorescence quenching
of BSA by piceatannol ( A) ,resveratrol ( B) and
pinosylvin( C) at different temperatures
2. 3 白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素与 BSA 的结合
常数和结合位点数
静态淬灭是发光分子基态和淬灭剂形成不发光的
基态络合物的过程,在此过程中,其荧光强度、淬灭剂
711
浓度与结合常数 Ka的相互关系可以用下式表示[9]:
lg
F0 - F
F = lgKA + nlg[Q]. (2)
式中,F和 F0 表示存在和不存在淬灭剂时荧光物质
的荧光强度,n 为每一个生物大分子上淬灭剂与其
结合的为点数,Ka为此结合反应的结合常数; [Q]
为淬灭剂的浓度.以 lg (F0 /F - 1 )对 lg[Q]作图,
可得到结合常数 Ka和结合位点数 n的值(如表 2) ,
结果表明这 3种化合物与 BSA的结合位点数 n随着
Ka值的增大而增大且 Ka 值均很大,这些说明它们
之间都具有很强的作用力.白皮杉醇、白黎芦醇和赤
松素与 BSA的结合强弱顺序为:白皮杉醇 > 白黎芦
醇 > 赤松素,这说明二苯乙烯化合物 B环上的羟基
可增强其与 BSA 之间的结合能力. 因此,二苯乙烯
化合物B环上的羟基是影响其与BSA相互作用的重
要基团,可能和参与 BSA的反应有关.
表 2 不同温度下,白皮杉醇,白藜芦醇和赤松素与 BSA 的
平衡常数 Ka和结合常数 n
Tab. 2 Binding constants and binding site number of BSA by
picearannol,resveratrol and pinosylvin at different
temperatures
化合物 K Ka /(L·mol -1) n r
白皮杉醇
310 6. 49 × 106 1. 24 0. 998
300 2. 17 × 107 1. 26 0. 995
290 3. 30 × 107 1. 31 0. 999
白藜芦醇
310 1. 86 × 106 1. 19 0. 996
300 3. 36 × 106 1. 22 0. 994
290 5. 93 × 106 1. 27 0. 999
赤松素
310 1. 54 × 106 1. 18 0. 998
300 3. 28 × 106 1. 19 0. 998
290 5. 49 × 106 1. 23 0. 998
2. 4 白皮杉醇、白藜芦醇和赤松素与 BSA 的结合
模式
药物等有机小分子与蛋白质大分子发生相互结
合的能力主要依赖于分子间形成的氢键、疏水作用
力、静电引力和范德华力等. BSA 分子中存在着一
个疏水性腔[10 - 11],这是因为 BSA 分子中几乎所有
的疏水性氨基酸残基都包埋在一个圆筒内而形成
的.此结构特点决定了 BSA的空间构象主要靠疏水
作用力来维持.当药物小分子与 BSA 的结合时,其
反应过程中伴随着热力学性质的改变.不容置疑,通
过测定药物小分子与 BSA 相互结合过程中的熵和
焓变化来探讨其与 BSA 的结合方式和性质[12]是切
实可行的.在温度相对恒定的条件下,焓变 △H 可
以看作是一个常数.根据反应前后焓变 △H 和熵变
△S的相对大小,可以判断出小分子化合物与蛋白
质的主要作用力类型[13].根据 van’t Hoff 方程和热
力学第一定律:
lnK = - ΔHRT +
ΔS
R ; (3)
△G = △H - T△S. (4)
式中 K为药物与蛋白质的结合常数,R 为气体常数
8. 314 472 J·K·mol. 利用上述所计算的各化合物
在常温下的 Ka值计算 3 种二苯乙烯化合物和 BSA
作用的热力学参数(见表3).由通过表1可知△G <
0,△S > 0,3 种二苯乙烯化合物与 BSA的结合是
一个自发放热过程,即该反应是自发进行的. 根据 3
种二苯乙烯化合物的△H < 0,△S > 0,由 Ross生
物大分子和小分子的结合力性质规律判断[14],3 种
二苯乙烯化合物与 BSA之间以疏水作用为主,即通
过疏水作用力进入 BSA 的疏水空腔的内部形成稳
定的配合物[15].
表 3 白皮杉醇、白藜芦醇和赤松素与 BSA相互作用的ΔG,ΔS
Tab. 3 Piceatannol, resveratrol and pinosylvin and BSA
interaction ΔG,ΔS
化合物 △H /(kJ·mol-1)△G /(kJ·mol-1)△S /(J·mol·K-1)
白皮杉醇 - 5. 98 - 16. 43 36. 16
白藜芦醇 - 2. 89 - 11. 13 27. 47
赤松素 - 2. 48 - 10. 01 24. 30
2. 5 白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素与 BSA 的结合
距离
根据荧光共振能量转移(Frster 非辐射能量转
移原理)[16]:如果一个荧光基团(供体 Donor)的发
射光谱与另一个基团(受体 Acceptor)的吸收光谱有
足够的重叠,且供体与受体之间的距离不超过 7 nm
时,将会发生非辐射能量转移现象,从而使荧光体荧
光猝灭. 能量转移效率 E与供体 -受体间距离 r0以
及临界能量转移距离 R0 之间的关系为
E = 1 - FF0
=
R60
R60 + r
6; (5)
R60 = 8. 8 × 10
-25K2ΦN-4J; (6)
J = ∑F(λ)ε(λ)λ
4Δλ
∑F(λ)Δλ
. (7)
式中,F0 和 F表示不存在和存在淬灭剂时荧光物质
的荧光强度,r为给体 - 受体间的距离;R0 为能量传
递效率为50% 时给体 -受体间的临界距离;K2为偶
极空间取向因子;N 为介质的折射指数;φ 为供体
(BSA)的荧光量子产率. J 为供体(BSA)荧光光谱
与受体药物分子紫外吸收光谱的重叠积分.
811
图 4 为 BSA 的荧光光谱与白皮杉醇、白藜芦醇
和赤松素的紫外吸收光谱的重叠图谱.多数情况下,
K2,N和 φ分别取2 /3,1. 336和0. 118[17],经计算得出
J,R0及 r的值(见表4) ,由计算结果可知3种二苯乙
烯化合物与 BSA 的结合距离分别为 4. 50 nm,4. 60
nm和 4. 80 nm,均小于 7 nm,表明 BSA与 3种二苯乙
烯化合物之间发生了非辐射能量转移.因此,BSA 在
白皮杉醇、白黎芦醇和赤松素的作用下发生的荧光淬
灭属于非辐射能量转移的静态淬灭过程所导致.
图 4 白皮杉醇( A) ,白藜芦醇( B) 和赤松素( C) 的紫
外吸收光谱和 BSA荧光光谱叠加图
Fig. 4 Overlaped spectra of fluorescence spectrum of BSA
with absorption spectra of piceatannol ( A ) ,
resveratrol ( B) and pinosylvin( C)
表 4 白皮杉醇、白藜芦醇和赤松素与 BSA的结合参数
Tab. 4 The distance parameters of BSA with piceatannol,
resveratrol and pinosylvin
化合物 J /(cm3·L·mol - 1) R0 /nm r /nm
白皮杉醇 1. 13 × 10 -14 3. 20 4. 50
白藜芦醇 1. 04 × 10 -14 3. 48 4. 60
赤松素 6. 23 × 10 -15 3. 53 4. 80
3 结论
本实验采用荧光光谱法对白皮杉醇、白藜芦醇
和赤松素 3 种二苯乙烯化合物与 BSA 的相互作用
进行了研究.结果表明:白皮杉醇、白藜芦醇和赤松
素 3 种二苯乙烯化合物对 BSA 的荧光淬灭属于自
发的以疏水作用力为主导的非辐射能量转移的静态
淬灭过程. 3 种二苯乙烯化合物分子和 BSA 的结合
力与 B环上的羟基数有关,随之增加而增强,由此
推测,二苯乙烯化合物分子 B 环上的羟基可能是与
BSA结合的活性基团,且羟基的数量及取代的位置
决定着其作用强度.
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Study on the interaction between flavonoid components of
piceatannol,resveratrol,pinosylvin and bovine serum albumin by
fluorescence spectroscopy
LIU Zhi - lan ,ZENG Chun - jiao ,LI Jun ,LI Jun - ya
(Department of Pharmacognosy Xiangtan Vocational & Technical College,Xiangtan 411102,China)
Abstract:The interactions between BSA and three stilbene compounds, piceatannol, resveratrol and
pinosylvin were studied by means of fluorescence spectroscopy. The respective bingding constant Kaand number of
binding sites of each compound were calculated as well as thermodynamic function △G,△S,△H . The bingding
distance between each and BSA was obtained by Foerster s dipile - dipile non - radiation energy transfer
mechanism. The result showed that the binding of each compound with BSA proceeds spontaneously,and is mainly
dominated by hydrophobic forces. Non - radiation energy transfer occurre between BSA with each compound. The
structure of the three compounds influences significantly the binding process and the affinity increase with the
numbers of - OH groups on the Bring.
Key words:piceatannol;resveratrol;pinosylvin;bovine serum albumin;fluorescence spectroscopy
021