1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
3 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
4 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
太赫兹波具有非电离、对非极性物质穿透性高、对氢键等弱共振敏感等特性，是生物、材料、化学等领域的重要研究对象。蛋白质、糖类等生物大分子的转动频率和基团的振动频率以及分子之间弱相互作用的特征频率恰好处于太赫兹频段，这赋予了太赫兹光谱技术在生物医学领域中极大的发展潜力。然而，由于待测物尺寸一般小于太赫兹波长（0.03~3.00 mm），微量的待测物难以引起谱线的改变，太赫兹光谱检测灵敏度较低。能够灵活操控电磁波特性的超材料为解决上述问题提供了新的思路，通过设计不同的结构及参数，能够得到谐振频率位于太赫兹波段的超材料，微量的待测物即可引起谱线的明显变化。基于共振型太赫兹超材料构建了牛血清白蛋白（BSA）传感器，实验结果表明，当BSA溶液的体积质量为2.0~8.0 mg/mL时，传感器共振频率偏移量与溶液浓度呈线性关系，传感器的最低浓度检测限为0.3 mg/mL。
光谱学 太赫兹 超材料 牛血清白蛋白 传感器 中国激光
2023, 50(17): 1714017
1 天津科技大学食品科学与工程学院, 食品营养与安全国家重点实验室, 天津 300457
2 九江安德和生物科技有限公司, 江西 九江 332000
3 九江学院药学与生命科学学院, 江西 九江 332000
4 江西丹霞生物科技有限公司, 江西 鹰潭 335000
实验室前期研究结果表明, 在国家规定的药食两用物品名单中, 丁香抗氧化活性最强。 前人发现天然产物的抗氧化功能与抗糖基化活性息息相关。 因此, 目的是在此基础上进一步对丁香精油(clove essential oil, CEO)的抗糖基化活性及其中含量最高的组分-丁香酚(Eugenol)与牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)的相互作用进行研究。 在低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)的非酶糖基化孵育体系中, 光谱测定结果表明CEO对LDL糖基化早期、 中期和末期产物的生成均具有显著的抑制效果, 且对末期产物的抑制作用最强。 采用气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography mass spectrometry, GC-MS)对CEO分析发现, CEO中含量最多的组分是丁香酚。 通过多光谱和分子对接对丁香酚与BSA的相互作用研究发现, 紫外-可见(ultraviolet-visible, UV-Vis)光谱表明丁香酚与BSA之间存在相互作用; 在荧光发射光谱中, 随着丁香酚浓度增加, BSA的荧光强度逐渐增强且发生蓝移, 进一步证明了二者之间存在相互作用。 通过计算不同温度下的结合常数发现, 丁香酚与BSA产生相互作用过程中有热力学过程参与, 热力学参数和位点标记竞争试验表明丁香酚通过氢键和范德华力与BSA在位点Ⅰ结合。 随着丁香酚浓度增加, 丁香酚与BSA混合体系的同步荧光(synchronous fluorescence, SF)、 三维荧光(three-dimensional, 3D)和傅里叶变换红外(Fourier transform infrared, FTIR)光谱的信号强度在发生变化的同时也发生了位移, 表明丁香酚的添加使BSA构象发生了改变。 通过分子对接技术进一步验证了丁香酚与BSA间相互作用的试验结果。 该研究为丁香进一步开发应用提供理论支持。
丁香精油 抑制低密度脂蛋白糖基化 丁香酚- 牛血清白蛋白相互作用 荧光光谱 分子对接 Clove essential oil Inhibition of low density lipoprotein glycation Eugenol-bovine serum albumin interaction Fluorescence spectroscopy Molecular docking
Author Affiliations
Abstract
1 The State Key Laboratory of Photoelectric Technology and Functional Materials, International Collaborative Center on Photoelectric Technology and Nano Functional Materials, Institute of Photonics & Photon Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China
2 The State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
3 The School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China
A biosensor for bovine serum albumin (BSA) detection by graphene oxide (GO) functionalized micro-taped long-period fiber grating (GMLPG) was demonstrated. The amide bond connected between the GO and BSA enabled the BSA to attach onto the fiber surface, which changed the effective refractive index of the cladding mode and characterized the concentration of the BSA. This real-time monitoring system demonstrated a sensing sensitivity of 1.263 nm/(mg/mL) and a detection limit of 0.043 mg/mL. Moreover, it illustrated superior measurement performance of higher sensitivity in the presence of glucose and urea as the interference, which showed static sensitivities of ~1.476 nm/(mg/mL) and 1.504 nm/(mg/mL), respectively. The proposed GMLPG demonstrated a great potential for being employed as a sensor for biomedical and biochemical applications.
Graphene oxide bovine serum albumin biosensor Photonic Sensors
2022, 12(3): 220305
1 许昌学院食品与药学院, 河南 许昌 461000
2 西北农林科技大学食品科学与工程学院, 陕西 杨凌 712100
采用荧光光谱法、 同步荧光光谱法、 三维荧光光谱法、 紫外光谱法以及分子对接法研究了柠檬黄与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用。 柠檬黄与BSA相互作用的荧光光谱分析表明柠檬黄能有效猝灭BSA的内源荧光, 根据Stern-Volmer方程计算得到柠檬黄对BSA的荧光猝灭常数KSV随着温度的升高而逐渐降低, 表明柠檬黄对BSA的荧光猝灭过程属于静态猝灭; 通过静态猝灭双对数公式计算结合常数KA为4.335×107 L·mol-1(293 K), 结合位点数n约为1, 说明柠檬黄与BSA有很强的结合能力, 且形成了一个结合位点; 根据Van’t Hoff方程确定柠檬黄与BSA结合过程中的热力学参数ΔH=-154.5 kJ·mol-1, ΔS=-387.8 J·mol-1·K-1, ΔG<0, 两者之间的作用力主要为氢键和范德华力, 且该结合过程是自发进行的; 根据Förster非辐射能量转移理论计算得到结合距离r为3.310 nm, 说明柠檬黄与BSA相互作用过程中发生了非辐射能量转移; 同步荧光光谱分析表明, 随着柠檬黄浓度的增加, Tyr残基和Trp残基的荧光强度都逐渐降低, 表明Tyr残基和Trp残基均参与了柠檬黄与BSA的作用过程; 三维荧光光谱分析表明柠檬黄的加入引起peak 1和peak 2的峰强度显著降低, 同时peak 2的发射波长发生了变化, 表明BSA的肽链结构发生了改变; 随着柠檬黄浓度的增加, BSA的紫外吸收峰峰值逐渐增大; 光谱分析结果表明柠檬黄与BSA的结合使BSA的构象发生改变, 从而改变Trp残基和Tyr残基周围微环境, 导致其发光效率降低; 分子对接表明柠檬黄结合在BSA的Ⅲb亚域, 柠檬黄周围的氨基酸残基主要包括: Phe506, Thr507, Ala527, Leu528, Met547, Gly571, Pro572, Leu574, Val575, Thr578。 柠檬黄与BSA间主要通过范德华力与极性不带电荷的Thr507, Thr578残基作用。 苯环磺酸基O与Thr507残基侧链—OH的H形成氢键。 柠檬黄周围也存在非极性氨基酸残基, 因此, 疏水作用也可能是柠檬黄与BSA间非共价作用方式之一。 该研究有助于了解柠檬黄与BSA的作用机制, 为揭示柠檬黄在生物体内的分布、 代谢及毒理作用机制等提供参考。
柠檬黄 牛血清白蛋白 多光谱法 分子对接 Tartrazine Bovine serum albumin Multispectral method Molecular docking
华南理工大学化学与化工学院, 广东 广州 510640
研究蛋白质水溶液的红外光谱(IR)谱时, 由于溶剂水的强吸收与蛋白质的吸收峰会发生严重重叠, 极大地干扰对蛋白质吸收峰的识别、 定性、 定量和结构分析。 尝试利用杂化光谱法扣除溶剂水峰。 采用双背景方法, 用空白ATR晶体(背景样品1)与ATR水层(背景样品2)合成了单光束杂化背景谱, 通过控制对背景样品1和背景样品2的扫描次数, 合成的单光束杂化背景谱中水的信号强度可任意调节, 成功实现了牛血清白蛋白(BSA)水溶液中溶剂峰的在线扣除。 与光谱差减技术比较, 杂化光谱扣除法具有显著的优势: 水3 400 cm-1峰强度接近于零, 1 700~1 800 cm-1区间得到近似平滑直线, 水1 640 cm-1峰彻底扣除, 观察到了高质量的酰胺I带吸收峰。 将杂化谱法获得BSA红外光谱二次微分, 得到蛋白质二级结构大量信息, 与文献报道高度吻合。 杂化光谱法应用到蛋白质热变性研究中, 成功获得没有溶剂水峰干扰的蛋白质红外光谱, 变性前后, 酰胺Ⅰ带光谱发生明显改变, 峰形变化显著, 吸收峰往低波数方向移动, 吸收强度显著减小。 杂化光谱ATR法扣除溶剂水峰简单、 易操作、 效果令人满意。
牛血清蛋白水溶液 溶剂水峰 杂化光谱法 双背景 Bovine serum albumin aqueous solution Water peak Hybrid spectroscopy Double background samples 
1 内蒙古科技大学化学与化工学院, 内蒙古 包头 014010
2 清华大学生命科学学院, 北京 100084
在模拟生理环境中, 使用荧光光谱法、 紫外光谱法、 圆二色谱法、 同步荧光光谱法、 三维荧光光谱法与分子对接模拟法研究黄腐植酸和牛血清白蛋白(BSA)之间相互作用。 在荧光光谱法研究中, 经Stern-Volmer方程计算得到298, 303和308 K温度下的动态荧光猝灭速率常数Kq和猝灭常数, 证明BSA与黄腐殖酸(FA)相互作用的猝灭过程为静态猝灭; 同时根据计算得出的结合位点数n都在1附近, FA与BSA体系相互作用比为1:1; 利用静态猝灭双对数方程计算三个温度下的热力学参数, 焓变ΔH<0, 熵变ΔS<0, 得出结论, FA与BSA之间的主要作用力为氢键和范德华力; ΔG<0, 说明作用过程为自发过程。 采用Förster's偶极-偶极非辐射能量转移理论, 计算出结合距离r=6.340 nm, 表明BSA与FA之间存在非辐射能量转移。 分子对接模拟结果表明FA与BSA残基的结合作用力具有氢键和范德华力, 同时二者之间还存在疏水作用力, 多种力共同作用使FA与BSA能够稳定结合。 通过对FA与BSA相互作用的紫外-可见吸收光谱分析, 发现BSA最大吸收峰发生了较为明显的红移, 表明FA使BSA的二级结构发生改变。 通过研究FA与BSA相互作用的同步荧光光谱, 得到FA使BSA中的色氨酸(Trp)残基周围的微环境极性增强, 疏水性减弱, 亲水性增强, 使BSA的蛋白质构象发生了一定程度的改变。 通过研究FA与BSA相互作用的三维荧光光谱, 峰1(peak 1)与峰2(peak 2)的最大发射波长峰都发生了红移, 证明FA与BSA发生了相互作用, FA使BSA周围环境的极性增大, 疏水性减小, 亲水性增加, BSA蛋白质构象发生变化。 最后采用圆二色谱法进行分析, 利用软件计算得出该实验相互作用体系下α-螺旋(α-Helix)减少2.3%、 β-折叠(β-sheet)增加7.7%、 β-转角(β-Turn)增加0.6%和无规则结构(Random coil)含量减少1.2%, β-折叠(β-sheet)含量增加最为明显, 强有力地说明了FA使BSA结构发生了改变。
牛血清白蛋白 黄腐植酸 多光谱法 分子对接模拟 Bovine serum albumin Fulvic acid Multi-Spectroscopy Molecular docking 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2904
1 天津大学生命科学学院, 天津市生物大分子结构功能与应用重点实验室, 天津 300072
2 天津大学化工学院, 化学工程联合国家重点实验室, 天津 300072
丹酚酸B（SAB）是丹参中主要的水溶性成分之一, 具有广泛的生物活性。 血清白蛋白是哺乳动物体内血浆中含量最为丰富的蛋白质, 约占血浆总蛋白的60%, 能与许多内源及外源性物质相结合, 发挥存储和转运的作用。 丹酚酸B进入人体后, 必然先与血液中的蛋白质相结合, 然后才被转运到其受体结合部位, 进而发挥其药理作用。 为更好地了解丹酚酸B在体内的分布、 转运及代谢, 在模拟生理条件下, 采用荧光光谱法、 圆二色光谱法和核磁共振波谱法等方法研究丹酚酸B与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用机制。 结果表明: 丹酚酸B与牛血清白蛋白的结合能有效地导致牛血清白蛋白的内源荧光猝灭, 猝灭机制为以静态猝灭为主的联合猝灭方式。 荧光光谱分析表明两者的结合常数分别为7.51 ×105（288 K）, 7.40 ×105（298 K）和5.57 ×105（308 K） L·mol -1, 达到105 L·mol -1数量级, 且随着温度的升高逐渐降低。 Scatchard方法确定牛血清白蛋白与丹酚酸B相互作用时结合位点数约为1, 说明两者之间可形成1∶1型非共价复合物。 位点标记竞争实验表明丹酚酸B在牛血清白蛋白亚结构域IIA（Site I）的疏水腔内相结合。 三维荧光光谱法和圆二色谱法实验结果显示, 结合丹酚酸B后牛血清白蛋白中色氨酸和酪氨酸所处的微环境发生了一定的变化（即峰位置发生红移, 色氨酸和酪氨酸残基周围微环境疏水性减小, 极性增强）, 而二级结构和和三级结构的变化较小。 此外, 利用核磁共振波谱技术比较一定浓度的丹酚酸B在不同浓度的牛血清白蛋白溶液中的化学位移变化情况, 研究表明H5”和H6”所在的苯环在牛血清白蛋白与丹酚酸B相互作用过程中发挥着重要的作用。 该研究有助于了解丹酚酸B在机体内的作用机制以及对血清白蛋白结构和功能的影响, 为丹酚酸B类新药的研发提供一定的理论参考。
丹酚酸B 牛血清白蛋白 光谱法 核磁共振 相互作用 Salvianolic acid B Bovine serum albumin Spectroscopy NMR Interaction 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1701
1 南昌大学化学学院, 江西 南昌 330000
2 南昌大学药学院, 江西 南昌 330000
六溴环十二烷(HBCD)是一种被人类广泛使用的溴系阻燃剂。 近年来的研究表明HBCD已经广泛存在于环境中且对人类的健康具有较大威胁。 目前还没有关于HBCD与牛血清白蛋白(BSA)之间相互作用机制的报道。 该研究在模拟生理条件下, 整合光谱学和计算机模拟研究等技术手段探究HBCD与BSA之间的相互作用, 为揭示HBCD对人类的毒性作用机制提供新的视角和一些基础数据。 荧光光谱法和紫外光谱法证明HBCD能够使BSA的内源荧光猝灭, 猝灭机制为静态猝灭和非辐射能量转移。 HBCD与BSA有1个结合位点, 结合常数为2.796 6×104 L·mol-1 (288 K), 2.194 1×104 L·mol-1 (293 K), 1.174 4×104 L·mol-1 (298 K)。 荧光光谱、 紫外光谱、 分子对接结果表明HBCD与BSA在结合位点Ⅰ处结合, 结合距离为3.45 nm左右。 根据热力学常数与结合常数之间的关系, 计算得到ΔH=-61.749 kJ·mol-1 , ΔS=-128.742 J·(mol·K)-1, 两者之间的结合作用力为范德华力或氢键。 三维荧光光谱实验、 分子动力学模拟结果表明, HBCD不会对BSA的二级结构产生影响。
六溴环十二烷 多光谱法 计算机模拟 牛血清白蛋白 Hexabromocyclododecane Multi-spectroscopy Computer Simulation Bovine serum albumin 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1487
江西省农业科学院农产品加工研究所, 江西 南昌 330200
以牛血清白蛋白(BSA)和葡萄糖为原料, 采用光谱技术从分子水平上研究不同浓度尿素(0~7 mol·L-1)对BSA糖基化反应的影响。 结果表明: BSA经过尿素处理后, 其糖基化产物的自由氨基含量和内源荧光强度均显著下降; 同步荧光光谱表明BSA与尿素的结合点更接近于色氨酸(Trp)残基; 紫外光谱分析表明经尿素处理后BSA的糖基化产物的紫外吸收值均有不同程度的增加; 三维荧光光谱表明随着尿素浓度的增加, BSA的最大发射波长产生先红移再蓝移的变化趋势, 说明其结构展开, 促进了BSA的糖基化反应。 结果表明, 尿素处理会使BSA的空间结构发生不同程度的伸展, 且当尿素浓度为3 mol·L-1时BSA的糖基化反应程度最大。
尿素 牛血清白蛋白 糖基化 光谱分析 Urea Bovine serum albumin Glycation Spectral analysis
暨南大学理工学院食品科学与工程系, 广东 广州 510632
大蒜中的含硫氨基酸, 如脱氧蒜氨酸(SAC)、 蒜氨酸(SACS)、 S-烯丙基巯基半胱氨酸(SAMC), 具有抗肿瘤、 抗氧化等多种生理、 药理活性, 这些活性应当与上述含硫氨基酸和存在于生物体内的蛋白质等生物大分子之间的相互作用有直接关系。 为探明其关系, 本文以牛血清蛋白(BSA)为模型蛋白, 运用荧光光谱法和紫外吸收光谱法, 研究了pH 7.40的Tris-HCl缓冲溶液中, 大蒜中SAC, SACS, SAMC与BSA的相互作用。 采用荧光分光光度计, 以280 nm为激发波长, 扫描300~400 nm的荧光发射光谱; 采用紫外分光光度计, 扫描SAMC的300~400 nm紫外吸收光谱。 荧光光谱和紫外吸收光谱结果分析表明: BSA与SAC, SACS的猝灭类型是动态猝灭。 BSA与SAMC的猝灭类型是静态猝灭, 在298和310 K下两者的结合常数分别为6.18×103和5.54×103 L·mol-1, 结合作用较强; 对应温度下BSA与SAMC均近似为1个结合位点, 可形成1:1的复合物, 推断其在生物体内能被较好的储存与转运; 两者的结合距离为1.61 nm。 两者结合的热力学参数在298和310 K下的ΔG分别为-21.63和-22.21 kJ·mol-1, 说明反应是一个自发进行的过程; 其ΔH为-7.06 kJ·mol-1; 在298和310 K温度下的ΔS分别为48.89和46.99 J·mol-1·K-1, 结合ΔH和ΔS的大小可判断两者的结合以静电引力作用为主。 研究表明SAMC与BSA的结合作用较强, 为其可作为药物分子提供了理论依据, 同时这些结果也为进一步研究三种含硫氨基酸与BSA等大分子的相互作用、 开发与利用提供了理论依据。
脱氧蒜氨酸 蒜氨酸 S-烯丙基巯基半胱氨酸 牛血清白蛋白 S-allyl cysteine S-allyl cysteine sulfoxid S-allyl mercapto cysteine Bovine serum albumin 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3483
