檸檬黃與玉米醇溶蛋白的相互作用研究

饒震紅， 王明安， 陳蓁蓁， 張 莉*

(1. 中國農業大學 理學院， 北京 100083; 2. 山東師范大學 化學化工與材料科學學院， 山東 濟南 250014)

1 引 言

玉米醇溶蛋白(Zein)是玉米中含量最高的儲藏蛋白，其氨基酸序列中超過50%是疏水性氨基酸殘基，溶劑乙醇的含量及pH高低影響著玉米醇溶蛋白的性能[1]。研究表明玉米醇溶蛋白在醇的水溶液中可以自組裝成微球形成納米結構[2]，微球結構是包埋的理想形態，因此玉米醇溶蛋白是傳遞物質的良好載體[3]。作為天然疏水兩親性高分子材料，玉米醇溶蛋白在藥物緩釋材料的應用以及利用包埋技術保護物質生物活性方面的研究成為當今的熱點。Joye研究了玉米醇溶蛋白封裝白藜蘆醇的可能性[4]；Gao研究了基于玉米醇溶蛋白和丙二醇海藻酸鈉的二元配合物槲皮素的傳遞作用[5]。

生物大分子二級結構因結合而發生的變化會導致蛋白質整體性質的改變[15]，為此本文利用熒光光譜、紫外光譜、ATR-FTIR傅里葉紅外光譜和核磁共振氫譜探究檸檬黃與兩親性玉米醇溶蛋白的相互作用，分析檸檬黃的加入對玉米醇溶蛋白構象的影響，為玉米醇溶蛋白擴展應用范圍及檸檬黃合成色素的合理使用提供借鑒資料。

2 實 驗

2.1 儀器與試劑

LS55型熒光光度計、Lambda 650紫外-可見分光光度計(PerkinElmer公司)；IS10傅里葉紅外光譜儀(Thermo公司)；Avance DPX 300 核磁共振波譜儀(Bruker公司)；AB104-N分析天平(Mettler公司)。

玉米醇溶蛋白(北京百靈威科技有限公司，含量98%)用85%的乙醇超聲溶解，配成5.3×10-2g/mL的儲備液；檸檬黃(阿拉丁試劑有限公司)結構式見圖1，用純凈水配成1.0×10-3mol/L的儲備液，于陰涼暗處存放，用時分別逐級稀釋到所需濃度。實驗用水為純凈水。

圖1 檸檬黃的化學結構

2.2 實驗方法

2.2.1 熒光光譜分析

在若干只10 mL比色管中，均加入1.00 mL玉米醇溶蛋白溶液和不同濃度的檸檬黃溶液，用85%乙醇溶液稀釋定容，混合均勻后，于不同溫度下放置1 h，固定激發波長λex=280 nm，狹縫寬度5.0/5.0 nm,發射波長在280～410 nm范圍，掃描熒光光譜。設置激發波長范圍200～300 nm，發射波長范圍260～380 nm，狹縫寬度5.0/5.0 nm，激發波長每遞增5 nm掃描一次，得到玉米醇溶蛋白和檸檬黃與玉米蛋白結合后的三維熒光譜。

2.2.2 紫外差譜分析

室溫下，若干支10 mL比色管中加入固定量的玉米醇溶蛋白溶液，再分別加入不同濃度的檸檬黃溶液，定容混合均勻，并放置1 h后，在270～320 nm范圍內，以85%乙醇溶液為空白溶液，掃描各溶液的紫外光譜。記錄吸收強度及最大吸收波長的變化，計算吸收強度的差值。

2.2.3 ATR-FTIR傅里葉紅外分析及自去卷積計算

利用Thermo公司 IS10所帶的衰減全反射ATR附件測定溶液的紅外光譜，掃描范圍4 000～400 cm-1，掃描次數64，數據間隔0.482 cm-1，分辨率4 cm-1。將一定濃度的玉米醇溶蛋白溶液與檸檬黃溶液按2∶1混合均勻，放置達到平衡后直接置于ATR附件上面，使用OMNIC 9軟件進行紅外光譜掃描。再用Peakfi V4軟件對酰胺Ⅰ帶區域進行去卷積計算。

2.2.4 核磁共振氫譜分析

配制一定濃度的檸檬黃溶液和一定濃度的檸檬黃與玉米醇溶蛋白相互作用達到平衡的溶液，分別放于核磁管中進行氫譜分析。核共振頻率300 MHz，zg30脈沖序列，掃描次數6，弛豫時間2 s，譜寬7 183 Hz，脈沖寬度(P1)10.70 μs。

3 結果與討論

3.1 檸檬黃與玉米醇溶蛋白相互作用的熒光光譜

玉米醇溶蛋白溶液與不同濃度的檸檬黃溶液混合后，所得熒光光譜如圖2所示。結果表明隨著檸檬黃濃度的增加，玉米醇溶蛋白在305.5 nm處的熒光強度逐漸降低，存在明顯的熒光猝滅現象，最大發射波長微弱藍移。

從同步熒光光譜同樣觀察到熒光猝滅現象，如圖3所示，固定玉米醇溶蛋白的濃度，隨著檸檬黃濃度的增加，玉米醇溶蛋白的熒光強度逐漸減弱。Δλ=60 nm時表現為玉米醇溶蛋白中色氨酸殘基的光譜特征，Δλ=15 nm時表現為玉米醇溶蛋白中酪氨酸殘基的光譜特征[16]，酪氨酸和色氨酸的峰位均發生了不同程度的紅移。說明檸檬黃的加入使得氨基酸殘基微環境的疏水性降低，對玉米醇溶蛋白的構象產生了顯著的影響。

圖2 不同濃度的檸檬黃與玉米醇溶蛋白的熒光光譜(T=299 K)

Fig.2 Fluorescence spectra of zein with different concentrations of tartrazine(T=299 K)

c(Zein)=4.7×10-4g/mL ;c(Tartrazine)(a～g): 0，2.0×10-5，4.0×10-5，6.0×10-5，8.0×10-5，1.0×10-4，1.2×10-4mol/L。

圖3 檸檬黃與玉米醇溶蛋白的同步熒光光譜。 (a)Δλ=15 nm；(b)Δλ=60 nm。

Fig.3 Synchronous fluorescence spectrum of tartrazine-zeinsystem. (a) Δλ=15 nm. (b) Δλ=60 nm.

三維熒光光譜能夠同時完整地表達出熒光強度隨激發和發射波長變化的信息。從玉米醇溶蛋白加入檸檬黃前后變化的三維等高線圖譜(圖4)可以觀察到等高線特征譜中的2個峰Peak A和Peak B的熒光強度值隨著檸檬黃的加入明顯降低，在相同的條件下，峰A降低了49%，峰B降低了29%。Peak A是蛋白質典型的熒光峰，Peak B主要體現了蛋白質肽鏈的結構特征。從表1的特征參數可知加入檸檬黃后，玉米醇溶蛋白Peak A斯托克斯位移發生紅移，Peak B 斯托克斯位移幾乎未變。

圖4 玉米醇溶蛋白與檸檬黃混合液三維熒光光譜等高線圖。(a)c(Zein)=1.1×10-4g/mL,c(Tartrazine)=0 mol/L； (b)c(Zein)=1.1×10-4g/mL，c(Tartrazine)=3.0×10-5mol/L。

Fig.4 Three-dimensional fluorescence contour diagram of tartrazine-zein. (a)c(Zein)=1.1×10-4g/mL,c(Tartrazine)=0 mol/L. (b)c(Zein)=1.1×10-4g/mL，c(Tartrazine)=3.0×10-5mol/L.

表1 三維熒光特征參數

3.2 檸檬黃對玉米醇溶蛋白紫外差示光譜分析

檸檬黃在紫外區有吸收，因而采用變化后與變化前的紫外吸收光譜差來考察檸檬黃對玉米蛋白構象的影響，如圖5所示。在選擇的實驗條件下，玉米醇溶蛋白在 278 nm有特征吸收峰，主要由玉米醇溶蛋白分子中酪氨酸和色氨酸殘基上芳雜環π-π*躍遷引起。隨著檸檬黃濃度的增加，玉米醇溶蛋白在278 nm處的吸收峰值逐漸降低，呈現減色效應，最大吸收波長沒有變化。說明檸檬黃與玉米醇溶蛋白發生了作用，由于檸檬黃結構中存在較大空間位阻，以及羧酸鈉鹽和磺酸鹽的存在，不影響共軛程度，卻改變了吸光系數。

c(Zein)=1.05×10-4g/mL ;c(Tartrazine) (a～e):5.1×10-6,1.0×10-5,2.0×10-5,3.0×10-5,0 mol/L

圖5 玉米醇溶蛋白與檸檬黃作用的紫外差譜

Fig.5 UV difference spectra of zein-tartrazine

3.3 傅立葉紅外光譜分析及自去卷積計算

圖6 玉米醇溶蛋白(a)及檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合(b)的ATR-FTIR譜

Fig.6 ATR-FTIR spectra of zein(a) and tartrazine bound to zein(b)

紅外譜圖中的酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)是研究蛋白質二級結構最有價值的區域。這一區域多種譜峰重疊，形成一個寬的強吸收峰。將紅外譜圖進行基線校準，經SavitskGolay函數做5點平滑處理。選取酰胺Ⅰ帶區域，用Peakfi V4軟件得到傅立葉自去卷積曲線，在二階導數譜圖基礎上用高斯曲線進行多次擬合，使得殘差最小，得到完全可分辨的各子峰圖譜，結果如圖7所示。根據分開峰的位置，確定子峰的歸屬，每一種子峰對應著蛋白質中一種二級結構，通過計算子峰的積分面積，求出各種二級結構的相對百分含量[17-18]，面積百分比見表2。

圖7 酰胺Ⅰ帶傅里葉去卷積曲線與二階導數曲線的擬合。(a)玉米醇溶蛋白；(b)玉米醇溶蛋白-檸檬黃。

Fig.7 Fitting of Fourier I-band Fourier deconvolution curve with second derivative curve. (a) Zein. (b) Zein-Tartrazine.

表2 酰胺Ⅰ帶子峰的位置、相對面積和歸屬

從表2中的數據可知，玉米醇溶蛋白與檸檬黃結合后α螺旋結構從13.7%增加為25.1%，增加了83.2%，β-折疊從46%減小為43.5%，降低了5.4%；無規卷曲消失，β-轉角從14.24%增加為31.4%，增加了121%。α螺旋結構含量增加很多，說明分子間存在比較大的疏水作用，導致蛋白質多肽鏈結構收縮。檸檬黃與玉米蛋白結合紅外光譜中指紋區吸收強度明顯降低，也是α螺旋結構顯著變化引起的。β-轉角的特定構象一定程度上取決于與它組成的氨基酸，因為脯氨酸具有換裝結構和固定的角，它在一定程度上迫使β-轉角形成，而在玉米蛋白中脯氨酸的含量較大，使得檸檬黃與玉米蛋白結合β-轉角改變很大，無規則卷曲消失，推測是檸檬黃的加入對脯氨酸結構的影響。通過核磁共振氫譜氫原子化學位移的變化，也可以觀察到這種現象。

3.4 核磁共振光譜分析

核磁共振氫譜可以提供原子水平上結構信息的變化。圖8是檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合前后的核磁共振譜圖。檸檬黃可以完全溶解于水，是極性的；微量的也可以溶于乙醇。當以DMSO為溶劑時，檸檬黃和玉米醇溶蛋白都處于低極性環境，3個質子峰從結合前的δ7.97，7.70，7.41到1 h后相應地變為δ7.94、7.66，7.37，略微地向高磁場移動，說明檸檬黃與玉米醇溶蛋白功能區的芳香族氨基酸發生了π-π相互作用，作用程度比較弱，而且4 h后化學位移沒有變動。當以重水為溶劑時，重水促進微量玉米醇溶蛋白的溶解，在極性環境下，1 h后，3個質子峰從與玉米醇溶蛋白結合前δ7.81,7.73,7.43相應地變為δ8.04,7.82,7.63，化學位移有了明顯的低場位移，4 h后，化學位移未再變化。說明在以重水為溶劑的極性環境下，檸檬黃與玉米醇溶蛋白的芳香族氨基酸發生了強烈的π-π相互作用，向低場移動明顯。這種變化與溶劑的極性有關，與作用時間的長短無關。

圖8 檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合前后的核磁共振氫譜。(a)檸檬黃，溶劑DMSO;(b)檸檬黃-玉米醇溶蛋白，溶劑DMSO;(c)檸檬黃,溶劑D2O;(d)檸檬黃-玉米醇溶蛋白，溶劑D2O。

Fig.8 Nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectra before and after the combination of tartrazine and zein. (a) Tartrazine, solvent DMSO. (b) Tartrazine-zein， solvent DMSO. (c) Tartrazine, solvent D2O. (d) Tartrazine-zein， solvent D2O.

3.5 檸檬黃與玉米蛋白相互作用力判斷

通過Stern-Volmer方程定量描述熒光猝滅作用的機制[19]，F0/F=1+KSV[Q]=1+kqτ0[Q],其中F0和F分別為無猝滅劑和有猝滅劑時玉米醇溶蛋白的熒光強度，[Q]為檸檬黃的濃度，KSV為動態猝滅常數，kq為雙分子猝滅過程速率常數，τ0是無猝滅劑時玉米蛋白的熒光壽命，數值為10-8s。根據Stern-Volmer方程，猝滅劑濃度對熒光強度比擬合應得到直線方程，由于檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合得到的曲線嚴重地向Y軸彎曲，產生熒光內濾效應，因此利用Fcorr=Fobs×e(Aex+Aem)/2對熒光強度進行修正[20]。根據不同溫度下玉米醇溶蛋白熒光猝滅光譜，繪制F0/F-[Q]的關系圖，進而求得猝滅常數KSV和速率常數kq，結果見表3。由表中的數據可知，檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合的KSV隨溫度的升高先增大后減小，但kq均大于2.0×1010L·mol-1·s-1，熒光猝滅性質復雜。

表3 在不同溫度下玉米醇溶蛋白與檸檬黃結合的線性方程與猝滅常數

檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合常數和結合位點數可以通過lg[(F0-F)/F]=nlg[Q]+lgKa進行計算。lg[(F0-F)/F]與lg[Q]呈線性關系，通過線性擬合得到斜率和截距，進而可以求得在不同溫度下檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合常數和結合位點數，結果見表4。從數據可以看到，檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合位點數約為1.0，結合常數隨溫度的升高而增大，具有動態猝滅的特征，結合紅外光譜和核磁共振氫譜及Stern-Volmer方程計算結果，推斷檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合符合靜態與動態同時存在的混合猝滅機制[21]，機制的存在形式與溫度關系很大。在低溫時Ka值為103，比高溫104低一個數量級，說明檸檬黃與玉米醇溶蛋白的親和力在低溫時較弱。

表4 不同溫度下檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合常數Ka和結合位點數n

檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合力可以通過Van’t Hoff 公式計算反應的焓變ΔH和熵變ΔS，根據符號進行作用力類型的判斷[22]。當ΔH>0，ΔS>0時為疏水作用力；當ΔH<0，ΔS<0為氫鍵和范德華力；當ΔH<0，ΔS>0時為靜電作用力。

lnK=-ΔH/RT+ ΔS/R，

(1)

ΔG=ΔH-TΔS=-RTlnK,

(2)

式中：R為氣體摩爾常數，K為結合常數，計算結果列入表5。從表5可知，檸檬黃與玉米醇溶蛋白在3個不同的溫度下，反應的ΔG均小于0，表明檸檬黃與玉米醇溶蛋白之間的結合是自發反應。ΔH>0，ΔS>0，說明檸檬黃與玉米蛋白之間主要是疏水作用力，與1H NMR觀察到的強烈的芳環間π-π相互作用吻合。

表5 檸檬黃與玉米醇溶蛋白結合的熱力學參數

Tab.5 Thermodynamic parameters for the binding of tartrazine to zein

T/KΔH/(kJ·mol-1)ΔS/(J·mol-1·K-1)ΔG/(kJ·mol-1)28875.7331.9-19.9299331.9-23.6309331.9-26.9

4 結 論

通過熒光光譜、紫外光譜、紅外光譜及核磁共振氫譜對檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合特點進行了探討。結果表明，檸檬黃與玉米醇溶蛋白的結合比較復雜，雖然物質間的結合是自發的，而且結合常數較大，但檸檬黃溶液本身是極性溶劑，在低極性的環境中，對玉米醇溶蛋白的構象有一定程度的影響，α螺旋結構的改變量很大，β轉角的改變也非常突出，是靜態與動態同時存在的混合猝滅機制，分子間主要以疏水作用力結合。當玉米醇溶蛋白溶于重水處于極性環境中時，加入檸檬黃，核磁共振氫譜中質子的化學位移改變很大，說明在極性環境下玉米醇溶蛋白疏水域暴露，與檸檬黃結合，其構象變化。作為理想載體應能夠通過特定的途徑將承載的外源物質轉入既定目標，而且要有良好的物理化學穩定性，在傳遞過程中維持物質本性的存在，具有多孔網狀結構，與承載物質沒有明顯的非特異性吸附。因此，玉米醇溶蛋白不是檸檬黃理想的搭載體，對于檸檬黃的輸送與包埋都會產生不利影響。