Co2+对聚酰胺胺树状大分子和牛血清蛋白相互作用的影响

杜彬荣 章宝娟▲ 胡 斌

1.浙江省绍兴市绍兴第二医院，浙江绍兴 312000；2.浙江省绍兴市药检所中药室，浙江绍兴 312071

聚酰胺胺（PAMAM）树状大分子是由Tomalia 等[1]首次合成的一类新型的聚合物，具有较大的内部空腔和大量的端基官能团，可与多种有机小分子或聚合物结合，并且具有细胞毒性低等许多独特的生物性状。正是由于这些优势使其非常适宜作为药物和基因的转运载体[2-4]。众所周知，多数药物进入人体后，必须通过血浆的储存和运输才能到达靶部位，进而发生药理作用。 血清白蛋白是血液中一类重要的蛋白质，对许多内源性和外源性的药物都具有较高的亲和力[5]。 血清白蛋白还可与许多金属离子结合，另有报道显示，具有不同末端基团的PAMAM 也可与多种金属离子（Cu、Zn、Co、Ni、Pb、Cd）发生配位作用[6-7]。 因 此，研究PAMAM，金属离子与白蛋白的相互作用，对阐明该药物载体在体内的转运、分布和代谢等具有重要意义。

本实验利用紫外-可见光谱法研究Co2+与PAMAM树状大分子的配位作用；利用荧光光谱法研究PAMAM树状大分子在生理条件下与牛血清白蛋白、Co2+三者的作用，并探讨相互作用机制，以及对蛋白构象的影响。

1 仪器与试药

1.1 试剂

3.5 代（G3.5，具有末端酯基）和4.0 代（G4.0，具有末端氨基）以乙二胺为核的PAMAM 树枝状大分子，实验室自制；牛血清白蛋白BSA（组分Ⅴ，生化试剂，南京大冶生物科技有限公司）；CoCl2（分析纯，上海振兴试剂厂）；三羟甲基氨基甲烷；实验用水为二次蒸馏水，其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器

RF5301 型荧光分光光度计（日本岛津公司）；UV2100 型紫外分光光度计（日本岛津公司）；pHS-25型酸度计（上海伟业仪器厂）；BS 124S 型电子天平[赛多利斯科学仪器（北京）有限公司]。

2 方法与结果

2.1 紫外光谱法研究G4.0 PAMAM 和G3.5 PAMAM与Co2+配位作用

配制一定浓度的G3.5 PAMAM 和G4.0 PAMAM树状大分子与Co2+的混合体系，在波长为200～800 nm的范围内扫描紫外光谱，狭缝宽度为2.0 nm[8]。

2.2 各类PAMAM 树状大分子对牛血清白蛋白荧光的猝灭作用

将BSA 溶解于pH 为7.4 的Tris-HCl 缓冲盐溶液（缓冲液含NaCl 的浓度为100 mmol/L）中，配制成终浓度为5 μmol/L 的溶液。 室温下测定上述浓度溶液的荧光光谱。 激发波长选择295 nm，发射波长为300～460 nm[9]。 然后向BSA 溶液中分别加入不同浓度的各类树状大分子溶液，在同样条件下测定其荧光光谱，记录荧光强度。

2.3 Co2+对牛血清白蛋白荧光的猝灭作用

按照“2.1”项下方法，向BSA 溶液中分别加入不同浓度的Co2+，测定其荧光光谱，记录荧光强度。

2.4 Co2+对PAMAM 树状大分子和BSA 相互作用的影响

将BSA 溶解于pH 为7.4 的Tris-HCl 缓冲盐溶液（NaCl 浓度100 mmol/L）中，配制成浓度为5 μmol/L的溶液。 然后向其中分别加入一定量的CoCl2溶液，制成BSA- Co2+二元猝灭体系[10-11]，按照“2.2”项下方法测定其荧光光谱。随后向该混合溶液中加入不同浓度的G4.0 PAMAM 或G3.5PAMAM 树状大分子溶液，在同样的条件下测定荧光光谱。

2.5 紫外光谱法研究G4.0 PAMAM 和G3.5 PAMAM与Co2+配位作用结果

图1 是PAMAM 树状大分子水溶液在pH 值为7.40，25℃下的紫外可见光吸收光谱图。从图中可以看出，该溶液在紫外区有较大吸收，而在可见光区几乎无吸收。

图2 是不同代数PAMAM 与Co2+溶液在pH 值为7.40，25℃下相互作用后的紫外可见吸收光谱图，分为紫外区的吸收光谱和可见光区的吸收光谱两个部分。从图2 中可以发现，加入G4.0 PAMAM 树状大分子时，最大吸收波长为356 nm；加入G3.5 PAMAM 树状大分子时，溶液在可见光区域几乎没有吸收。 在实验过程中还观察到，当向Co2+溶液中加入G4.0 PAMAM 后，溶液瞬间由原来的粉红色变为亮黄色，而加入G3.5 PAMAM 溶液没有变化。

图1 不同代数PAMAM 水溶液的紫外可见光吸收光谱

图2 不同代数的PAMAM/Co2+配合物和CoCl2 溶液的紫外可见吸收光谱

2.6 各类PAMAM 树状大分子对牛血清白蛋白荧光的猝灭作用结果

图3 是295 nm 激发波长下不同浓度G4.0 PAMAM对BSA 荧光光谱的影响，加入树状大分子后荧光强度降低。 对于所有类型的树状大分子，它们浓度的增加均可引起色氨酸残基荧光的线性下降，并且通过稳定性考察发现这种猝灭作用瞬间即可达到稳定状态。上述现象说明PAMAM 树状大分子同BSA 之间存在相互作用。

图4 是根据公式F0/F=1+Ks[Q]（其中F0为猝灭体不存在的荧光强度，F 为加入猝灭体后的荧光强度，Ks为双分子猝灭常数，[Q]为猝灭体浓度）得到的各类树状大分子对BSA 荧光猝灭的Stern-Volmer 曲线图。

树状大分子对色氨酸荧光猝灭的Stern-Volmer常数见表1。Ksv 值越大，则说明PAMAM 树状大分子与BSA 间的相互作用越强。 根据表1 中Ksv 数据推测PAMAM 树状大分子与BSA 的相互作用强弱顺序：G4.0>G3.5。 并且各种猝灭剂对生物大分子最大动态猝灭过程的猝灭常数都不大于0.2 L/mmol[12～13]，而表1 中的各Ksv 值均大于此值，可由此推断该猝灭过程是由于各类树枝状大分子与BSA 之间形成了配合物所引起的静态猝灭，而非树状大分子扩散时所引起的动态猝灭。

图3 PAMAM-BSA 的荧光猝灭光谱

图4 G3.5 PAMAM-BSA、G4.0 PAMAM-BSA 体系的Stern-Volmer 曲线

表1 各体系的荧光猝灭常数及相关系数

2.7 荧光光谱法研究Co2+对BSA 的猝灭作用

图5 为Co2+对BSA 的荧光猝灭光谱图，经Stern-Volmer 方程[y=0.2533x+1.0124，其中x 为Co2+浓度（mmol/L），y 为F0/F，相关系数r=0.9973]处理后得图6，由图6 可见，加入高浓度Co2+后，F0/F 值只发生略微增加，说明Co2+对BSA 的猝灭作用很小，其Ksv 值仅为0.2533 L/mmol。

图5 Co2+-BSA 的荧光猝灭光谱

图6 Co2+-BSA 体系Stern-Volmer 曲线

2.8 荧光光谱法研究PAMAM 树状大分子对Co2+和BSA 相互作用的影响

图7 为PAMAM 树状大分子对BSA-Co2+二元体系的荧光猝灭光谱图。随着PAMAM 树状大分子浓度的增加，荧光猝灭增强。 由其Stern-Volmer 曲线（图8，yG4.0PAMAM=1.7170x+1.0053，yG3.5PAMAM=1.3410x+1.0093，其中x 为相应PAMAM 浓度（mmol/L），y 为F0/F，相关系数r=0.9984，0.9971）和表2 可知，Co2+的存在使G4.0 PAMAM 树状大分子对BSA 的猝灭降低，Ksv 值由2.7358 L/mmol 降至1.7170 L/mmol，这可能是由于Co2+先与PAMAM 之间发生了较强的配位作用，导致G4.0 PAMAM 与BSA 结合的区域构型、电荷等发生变化，使G4.0 PAMAM 树状大分子对BSA 的猝灭减弱，也可能是由于Co2+优先占据了BSA 的某些位点且很稳定，从而减弱了PAMAM 与BSA 的结合。 而G3.5 PAMAM 与Co2+基本不发生配位作用，因此Co2+的加入基本上对猝灭作用没有影响。

图7 G4.0 PAMAM-（BSA- Co2+）的荧光猝灭光谱

图8 PAMAM-（Co2+-BSA）体系的Stern-Volmer 曲线

表2 各体系的荧光猝灭常数及相关系数

3 讨论

采用紫外光谱法研究两类PAMAM 树状大分子与Co2+的相互作用，结果表明应，Co2+可与G4.0 PAMAM配位，而与G3.5 PAMAM 几乎无作用。由于加入G4.0 PAMAM 时，Co2+同其端基-伯胺基配位，使得Co2+的d轨道分裂能ΔE 值增大，两者混合溶液在可见光区域最大吸收波长向短波方向移动。 对于G3.5 PAMAM而言，由于其端基-酯基的配位能力弱，很难与Co2+配位，另外由于PAMAM 树状大分子的球体外形，当温度低于25℃时，Co2+克服不了G3.5 PAMAM 的空间位阻，不能进入到其分子内层与叔胺基进行配位[14]，所以导致了G3.5 PAMAM 与Co2+的混合溶液在可见光区域几乎没有吸收。 用荧光光谱法研究生理条件下（pH=7.4）PAMAM、BSA、Co2+三者之间的相互作用，研究结果表明，在Co2+-BSA 体系中，Co2+对BSA 的猝灭作用很小，Co2+导致了G4.0 PAMAM 与BSA 的猝灭常数明显减小，Ksv 值由2.7358 L/mmol 降至1.7170 L/mmol，而对G3.5 PAMAM 与BSA 的相互作用影响不大，Ksv值由1.3447 L/mmol 至1.3410 L/mmol。 这可能是由于Co2+先与PAMAM 之间发生了较强的配位作用，导致G4.0 PAMAM 与BSA 结合的区域构型、电荷等发生变化，使G4.0 PAMAM 树状大分子对BSA 的猝灭减弱，也可能是由于Co2+优先占据了BSA 的某些位点且很稳定，从而减弱了PAMAM 与BSA 的结合。而G3.5PAMAM与Co2+基本不发生配位作用，因此Co2+的加入基本上对猝灭作用没有影响。

由此可见，Co2+的存在可在一定程度上影响具有末端氨基的PAMAM 树状大分子与BSA 间的相互作用，对研究该类药物载体与BSA 的结合有指导作用。

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