全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
纳米颗粒和蛋白质：何其相似耶?*
Nicholas A. KOTOV1，孟海凤2 译述
(1 Chemical Engineering, University of Michigan, USA；2 国家纳米科学中心，北京 100190)
摘　要：纳米颗粒，即尺寸为纳米级(一般在 1－ 100 nm之间)，处在原子簇和微尺度物体过渡区域内
的粒子，又称超微颗粒，一般都是人工合成的产物。蛋白质是人类生命活动最重要的物质基础，是
构成一切细胞和组织结构必不可少的成分，但从本质上出发，它是一类具有生物活性的有机生物高分
子。两者看似属于不同的科学范畴，但是近十年来的研究发现，纳米颗粒和蛋白质在很多方面具有惊
人的相似，例如尺寸、结构、电荷、表面化学组成、分子间相互作用力等。本文将通过一些实例，
从不同角度阐述纳米颗粒和蛋白质之间的异同及相互联系。
关键词：纳米颗粒；蛋白质；相似性；自组装
中图分类号：TB383; Q51　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0375-08
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：Nanoparticles and proteins: how simi-
lar are they?
通讯作者：E-mail: Kotov@umich.edu
随着纳米科学技术的发展，纳米颗粒作为纳米
材料的最基本结构单元，日益成为社会和科学家们
关注的焦点，其定义为尺寸处在纳米级(一般在 1－
100 nm之间)，处于原子簇和微尺度物体过渡区域
内的粒子，又称超微颗粒。它具有大的比表面积，
并且表面原子数、表面能和表面张力均随粒径的下
降而急剧增大。另外，纳米颗粒的尺度与物质的许
多特征长度尺寸相当，如电子的德布洛意波长、超
导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸等，
因此，表现出小尺寸效应、量子尺寸效应、界面
与表面效应及宏观量子隧道效应等特性，并导致其
光、热、磁敏感特性和表面稳定性等宏观性质不同
于正常粒子及块体材料。最典型的代表是荧光半导
体纳米颗粒，又称量子点或纳米晶，它具有窄的、
可调的、均衡的发射光谱和宽的、连续的激发光
谱，且光化学性质稳定，不易发生光漂白。图 1
展示的是 CdSe半导体纳米颗粒的荧光随尺寸的变
化，从左至右，纳米颗粒尺寸逐渐变大，而荧光
发射波长相应逐渐变长，这就是量子点荧光发射的
尺寸依赖性。
研究发现，纳米颗粒拥有非常独特的性质，不
同于传统的粒子和块体材料，但在很多方面却和人
类生命活动的物质基础——蛋白质之间存在着惊人的
相似，具体体现在如下几个方面[1-4]。首先，它们
具有相似的内在结构，如图 2所示，蛋白质属于有
机聚合物链，而纳米颗粒是无机晶体网格；其次，
蛋白质的尺寸为1－25 nm，所带总电荷大约为3－15
个电子，而纳米颗粒大小为0.5－50 nm，所带总电荷
约为3－45个电子，并且它们具有相同的表面化学组
成(-OH、-COOH、-NH2、-CH3、-CH2-CH3、-NH-)
和相互作用力(包括静电力、偶极力、氢键力、疏水
力)。蛋白质分子表面带有的亲水基团使其表现为
亲水的胶体溶液，而其周围的水化膜(或称水化层)
以及非等电状态时颗粒所带同性电荷之间的互相排
斥，是使蛋白质胶体系统稳定的主要因素。纳米颗
粒表面一般都包覆有亲水性或双亲性的稳定剂，如
巯基丙酸、半胱氨酸等，并和蛋白质一样，也因
颗粒之间相互的静电排斥作用而得以稳定存在。
另外，蛋白质具有手性结构，譬如，其最常
见最典型含量最丰富的二级结构元件—— α- 螺旋
(α-helix)，如图 2左图中的螺旋结构(红色部分)所
示。科学家们发现纳米颗粒也会因手性的表面稳定
剂的诱导而呈现出手性[5-12]。
2003年，Roman-Velazquez等[5]发现不管是裸
露的，还是被巯基钝化的手性金纳米团簇，其圆二
色谱(CD)都符合偶极近似，并且得到的 CD谱线特
征分明，可以用来区分不同的手性结构。他们进一
步研究得出导致CD曲线形状不同的主要因素是决定
手性几何学特征的原子间距分布，这为手性的量化
以及利用手性金属团簇的CD曲线形状进行表征提供
376 生命科学 第20卷
了理论支持[5 ]。
2006年，Gautier和 Bürgi[6]教授课题组制备了
平均粒径小于 2nm，表面分别包覆左旋和右旋N-异
丁酰半胱氨酸的两种水溶性金纳米颗粒，对其在红
外和紫外可见区域的光学活性进行了研究，振动圆
二色谱(VCD)结果表明两个对映体包覆的纳米颗粒呈
现出镜像关系(图 3)。而密度泛函数理论计算揭示
出VCD谱决定于吸附在表面的N-异丁酰半胱氨酸的
构型。VCD谱暗示羧基和巯基都与金纳米颗粒有相
互作用，并提出正是由于此“两点作用”导致了
纳米颗粒表面的手性“印迹”。
除了如上所述的相似性之外，纳米颗粒和蛋白
质之间也有明显的不同，其最大的区别在于前者可
以发生表面重构(如图 4左)和核融合，而后者也拥
图 1　不同粒径的CdSe纳米颗粒的荧光照片，从左至右，纳米颗粒粒径逐渐变大
图2　蛋白质(左)和无机纳米颗粒(右)的结构示意图
图3　表面分别包覆左旋(虚线)和右旋(实线)N-异丁酰半胱氨酸的金纳米颗粒的
圆二色谱(VCD)和紫外-可见光谱(UV-vis)[6]
　　　　　　　　注：其中紫外 -可见光谱在 250 nm处放大到 1个吸收单位
377Nicholas A.KOTOV：纳米颗粒和蛋白质：何其相似耶?第3期
有专属自己的特异性质，如动态的构型变化(图 4
右)、变性和水解。蛋白质最大的特点是有生物活
性，引起蛋白质变性的因素很多，主要有物理因素
和化学因素两方面。物理因素，如加热、高压、
紫外照射、表面张力、搅拌等能引起蛋白质变性；
化学的因素，如脲、胍、极端的酸碱，还有一些
有机溶剂和重金属等均会引起蛋白质的失活和变性。
基于纳米颗粒和蛋白质之间的相似性，密歇
根大学的 Kotov教授课题组做了很多相关的研究，
并获得了不少出色的成果。下文将通过举例，并
结合科学家们前期的研究成果，从三个方面详细
介绍纳米颗粒和蛋白质之间的相似性，具体包括
分子间相互作用、功能性结构以及自组装性质的
相似性。
1　分子间相互作用力相似
纳米颗粒和蛋白质的分子间相互作用力相似，
都包括静电力、氢键力、偶极偶极相互作用，以
及疏水力，并且如上文所述，它们在电荷、尺寸
上都比较一致，因此可以采用相同的方法进行分
离、纯化以及相应的表征，如凝胶电泳法、选择
性聚沉法等[13-19]。2003年，Joo等[13]在合成半导体
性质的金属硫化物纳米晶(如 PbS、ZnS、CdS和
MnS)过程中，利用纳米颗粒的大小不一致，进行
尺寸选择性聚沉以达到分离纯化的目的，图 5是分
离之后的不同尺寸 PbS纳米晶的透射电镜(TEM)照
片。基于同样的原理，考虑到荷质比大小的不同，
Kotov 教授课题组利用凝胶电泳的方法分离金纳米颗
粒和纳米棒以及不同尺寸的CdTe纳米颗粒[14, 15]，图
6展示的是不同尺寸CdTe纳米颗粒的凝胶电泳谱图
和它们在凝胶中的分布示意图。早在 2001年，美
国化学会Nano Letters杂志上报道了Kotov等[15]利用
凝胶电泳方法证明左旋半胱氨酸稳定的CdTe纳米颗
粒是否接枝到牛血清蛋白上，并根据凝胶谱带的位置
及其荧光成像亮度，初步确定其接枝比例的工作[16]。
另外，2006 年，据英国皇家学会 Chemica l
Communications杂志报道，麻省理工大学的 Rotello
图4　纳米颗粒表面重构(左)和蛋白质的动态构型变化(右)示意图
图5　不同粒径PbS纳米晶的透射电镜照片
从左至右，粒径分别为 6 nm、8 nm和 9 nm
378 生命科学 第20卷
和Knapp等利用非变性凝胶电泳的手段跟踪表征蛋
白质和纳米颗粒之间的绑定和相互作用 [12, 20]，如图
7所示，其中CCP代表细胞色素C过氧化酶，Cyt C
代表细胞色素C，Au-TTMA/Au-TCOOH/Au-TOH分
别代表三种不同功能化稳定剂包覆的金纳米颗粒。
他们利用纳米颗粒和蛋白质相互作用力的相似性，
成功地做到了用特定稳定剂包覆的纳米颗粒干扰蛋
白质之间的相互作用。如原文所述，纳米颗粒Au-
TTMA抑制细胞色素 C过氧化酶(CCP)的活性，而
另外两种稳定剂(Au-TCOOH、Au-TOH)包覆的纳米
颗粒由于缺乏和CCP之间的作用力，不能明显抑制
其活性。
2　结构相似性
除了作用力之间的相似之外，纳米颗粒和蛋白
质纳米颗粒在结构上也非常相似，纳米颗粒甚至可
以在生命体系中起到类似蛋白质的作用。
如前所述，蛋白质的特点之一是动态的构型变
化，日本Aida等受此启发，在蛋白质结构中内含适当
尺寸的CdS纳米颗粒，并且在Mg2+离子和ATP的辅助
下成功实现了客体(CdS纳米颗粒)的释放(图8)[21]。而美
国的McMillan等[22]利用自组装的蛋白质结构为模板，
限制性的合成了规整的纳米颗粒阵列，图9为自组装
蛋白质模板结构示意图和合成的纳米颗粒阵列的TEM
表征结果。由此可见其结构和尺寸上的相似性。
另外，上文提到的纳米颗粒Au-TTMA能够干
扰蛋白质之间的相互作用，具体而言表现为能够抑
制细胞色素 C过氧化酶(CCP)的活性，表明纳米颗
粒在某种程度上可以作用于生命体系，并且可能和
蛋白质起类似的作用。
浙江大学的Tang教授等制备了一系列尺寸的羟
基磷灰石(HAP)纳米颗粒(直径分别为20±5, 40±10和
80±12 nm) ，并研究了它们对两种骨细胞(间叶细
胞和骨肉瘤细胞)增殖的影响[23]。他们发现和传统
的HAP相比，HAP纳米颗粒在细胞培养实验中显示
出更强的亲细胞能力，并且有利于细胞增殖和优化
生物功能。
Pengo等[24]共同研究发现，如果在金纳米结构上
绑定缩氨酸，将会导致自组装成拥有类似酶的结构和
性能的纳米颗粒，即所谓的纳米酶(Nanozymes)。
Bharail等[25]曾报道过有机修饰的二氧化硅纳米颗粒在
活体中能起到基因传递的作用，并预测其可能在基
因治疗方面有重大应用。
正由于这种结构上的相似性，纳米颗粒在生物
学标记和检测中也有很重要的应用，如由于纳米金
色彩鲜艳，具有良好的光学性质(直径为 13 nm的金
颗粒在 520 nm处有明显的熄灭系数，是比色检测
中优良的报告系统)和强表面吸附作用，并且吸附
后不会使生物分子变性，纳米金标记技术如今已成
为现代四大标记技术之一。近几年来，量子点作为
一类新型的荧光探针，利用其与生物识别分子的结
合，也常用于成像或生物反应过程的标记[26]。其他
如纳米免疫磁性颗粒，以磁性材料(主要为 Fe3O4、
γ2Fe2O3等)为固相载体，在其表面引入活性基团(氨
基、羧基、羟基、醛基等)，通过偶联反应将抗
图6　不同粒径CdTe纳米颗粒的凝胶电泳谱图及其在凝胶中的分布示意图
注：大尺寸颗粒的电泳速度明显小于小尺寸
379Nicholas A.KOTOV：纳米颗粒和蛋白质：何其相似耶?第3期
体、酶等物质结合在载体上，既保留了大分子的生
物学活性，在外加磁场作用下又可定向移动，在细
胞、蛋白质、核酸的分离、微生物检测、肿瘤诊
断、药物靶向治疗中发挥着重大作用。
3　自组装行为
纳米颗粒之间的相互作用和蛋白质之间类似，
图 7
A：CCP－ Cyt C联合体和 Cyt C结构示意图；B：非变性凝胶电泳(0.7%琼脂糖)，上为 pH值为 7.40的 10mmol/LTris缓
冲液，下为含 300mmol/L NaCl，pH值为 7.40的 10mmol/LTris缓冲液，正极在上；C：蛋白质表面被 CCP、Cyt C以及
纳米颗粒识别的示意图；D：在 pH为 7.2的 10mmol/L的 Tris缓冲体系中，CCP(2.1 nmol/L)的活性能被纳米颗粒Au-TTMA
抑制(方块)，曲线是根据希尔方程(Hill equation)拟合而成，但Au-TCOOH(圆点)和Au-TOH(三角)和CCP之间缺乏作用力，
由图可知它们对 CCP活性的抑制不明显。
380 生命科学 第20卷
导致它们拥有相似的自组装行为。蛋白质有一级结
构、二级结构、三级结构，并可组装成各种形态
结构，而纳米颗粒也可以进行一维、二维、三维
自组装，得到纳米线(或棒、带)以及纳米片。
2005年，Moradian-Oldak教授实现了釉原蛋白
纳米球体到微米带结构的趋向超分子自组装[27](图
10)。其组装原理为溶液中引入的适量沉淀剂可以诱
导蛋白质的沉降并自组装成纳米带结构。
而早在 2002年， Kotov教授课题组在美国Sci-
ence杂志上报道了通过选择性移除CdTe纳米颗粒表
面的部分有机稳定剂(巯基乙酸)，可以实现各种尺
寸的纳米颗粒一维自组装形成纳米线(图 11左)[28]。
其组装原理和蛋白质自组装类似，都是在合适的沉
淀剂的辅助下完成的，而且都是先形成纳米链的中
间态结构(图 11右)，此过程的驱动力是纳米颗粒之
间强的偶极－偶极相互作用[29-31]。另外，由其共聚
焦荧光照片可知，自组装所得单根纳米线具有高的
发光亮度。
更多的研究发现，其他纳米颗粒，如 ZnSe、
CdSe[32]、ZnO[33]、PbSe[34]、Ag[35,36]等，都可以自
组装成纳米棒或纳米线等结构，说明这种一维自组
装具有普适性。
图8　蛋白质内含和释放客体CdS纳米颗粒过程示意图
图9　自组装蛋白质模板结构示意图(左)以及所获纳米颗粒阵列的TEM照片(右)
图10　釉原蛋白纳米球体分子自组装成微米带结构
381Nicholas A.KOTOV：纳米颗粒和蛋白质：何其相似耶?第3期
另外，Kotov教授研究组更深入的研究发现，
纳米颗粒不但可以一维自组装成纳米线，还可以二
维自组装成纳米片。他们在 2006年的 Science杂志
上报道：如果将表面稳定剂巯基乙酸替换成另外一
种表面活性剂二甲基胺乙硫醇，CdTe纳米颗粒在
同样的实验条件下将发生二维自组装成纳米片(图
12)[37]。其中图A和 B分别是 CdTe纳米颗粒二维自
组装成纳米片结构的 TEM和AFM图片，A中插图
为组装机理示意图。
4　结论
总而言之，作为纳米材料最基本结构单元的纳
米颗粒，和人类生命活动最重要的物质基础——蛋
白质，尽管在内在化学组成上存在着很大的差别，
它们在尺寸、结构、电荷、表面化学组成、分子
间相互作用力等方面都非常相似，并因此导致两者
在很多物理和化学性质上具有惊人的一致性，某些
蛋白质，甚至可以被纳米颗粒所取代。可以说，有
蛋白质化学的地方就有纳米化学。而今科学家们正
图 11
A：CdTe纳米颗粒自组装成 CdTe纳米线结构及其中间态纳米链结构；B：TEM照片；A图中插图为纳米线的共聚焦荧光
照片；C、D 为 B 的高倍 T EM 照片
图12　CdTe纳米颗粒自组装成纳米片结构的TEM形貌照片(A)和原子力(AFM)形貌图(B)
注: 图A中插图为自组装机理模拟图
382 生命科学 第20卷
致力于多学科交叉的科学研究，相信蛋白质研究和
纳米颗粒研究的有机结合将为微纳米科学技术领域
开辟新的道路，并最终在人类仿生科学领域发挥重
大作用。
[参　考　文　献]
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