魏雨晨, 易忠勝, 徐 婕, 趙 賽, 王海洋
(桂林理工大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西 桂林 541006)
人血清白蛋白(human serum albumin, HSA)是人體血液中含量最為豐富的載體蛋白質(zhì),約占人血漿總蛋白含量的60%[1-2]。由于HSA具有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn),使得HSA能夠結(jié)合許多的內(nèi)源性、外源性物質(zhì)及不同大小分子的化合物,也能與難溶于水和易溶于水的物質(zhì)相結(jié)合,具有十分重要的生理意義[3]。HSA在人體血漿中起著重要的儲(chǔ)存和運(yùn)輸作用,配體小分子進(jìn)入人體內(nèi),經(jīng)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)靶器官,發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)[4]。與人體其他的蛋白質(zhì)分子相比,HSA穩(wěn)定性好,溶解性也較好,與配體小分子具有良好的親和性[5-6]。由于HSA大分子具有無(wú)毒性、再生性、良好的生物相容性和生物可降解性等特點(diǎn)[7],人血清白蛋白作為一種廣泛使用的模型蛋白被應(yīng)用于各種生物化學(xué)、生命物理和藥物學(xué)等生命科學(xué)的研究中[8-10]。
全氟化合物(perfluorinated compounds, PFCs)是進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)一類含有高能量C—F鍵的新型的環(huán)境污染物,逐漸引起科研工作者的關(guān)注[11]。由于PFCs的C—F鍵的鍵能比C—H鍵的鍵能大,從而使PFCs分子在環(huán)境中具有持久性,在經(jīng)受強(qiáng)熱、光照、化學(xué)作用、微生物作用以及高等脊椎動(dòng)物的代謝作用時(shí)依然很難被降解[12]。這類污染物在一定的劑量下會(huì)使生物體出現(xiàn)體重降低、線粒體受損、肝組織增重、基因誘導(dǎo)等不良生物學(xué)效應(yīng)[13],且具有全球普遍存在的特點(diǎn),甚至于存在于人體的血液之中[14]。因此,開(kāi)展PFCs小分子與HSA生物大分子的相互作用研究,闡明污染物小分子在人體內(nèi)的運(yùn)輸、吸收、代謝以及毒性機(jī)理有著重大的意義,也能為環(huán)境科學(xué)、化學(xué)、毒理學(xué)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域提出可靠的理論依據(jù)和分析手法。
全氟化合物主要分為全氟羧酸類(perfluoroalkyl sulfonates, PFAS)和全氟磺酸類(perfluoroocatanoatc, PFCA)[15]。 全氟羧酸類化合物具有不易分解性和高沉積性, 容易隨著食物鏈進(jìn)行傳遞,并在生物體內(nèi)富集和放大, 其所造成的環(huán)境污染遍及全球的生態(tài)系統(tǒng)[16-18]。 也有研究表明,在許多的動(dòng)物組織和人體中發(fā)現(xiàn)了PFCA[19-20], PFCA已經(jīng)成為了一類備受關(guān)注的環(huán)境污染物。 本文以全氟磺酸類化合物中的全氟丁基磺酸鉀(PFBSK, 結(jié)構(gòu)式如圖1)為例, 從計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)分析兩方面探究PFBSK與HSA相互作用的機(jī)制。
圖1 PFBSK的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of PFBSK
儀器: RF-5301PC熒光光度計(jì)(日本島津公司); PHS-3CS精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠); EL204電子分析天平(上海梅特勒托利多儀器有限公司)。
試劑:三羥甲基氨基甲烷鹽酸緩沖溶液(Tris-HCl, pH=7.4); HSA(purity>97%, 美國(guó)Sigma公司)用Tris-HCl 緩沖溶液配制成濃度為1.0×10-5mol·L-1儲(chǔ)備液; 全氟丁基磺酸鉀(購(gòu)于瑞士AD公司)用Tris-HCl緩沖溶液配制成濃度為1.0×10-3mol·L-1儲(chǔ)備液,搖勻, 放置于4 ℃的冰箱中,備用。除非有其他說(shuō)明,否則所用試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。
本文所有的計(jì)算工作均通過(guò)DELL服務(wù)器上RedHat Linux 6.4系統(tǒng)完成。通過(guò)Sybyl X1.1軟件和 GROMACS 4.6.5軟件分別進(jìn)行分子對(duì)接與分子動(dòng)力學(xué)模擬,用LigPlus軟件進(jìn)行分子圖形展示和結(jié)果分析。HSA晶體結(jié)構(gòu)從Brookhaven蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.rcsb.org/pdb)獲得(代碼為1n5u,結(jié)構(gòu)相對(duì)完整)。
分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD):運(yùn)用GROMOS96 43a1力場(chǎng)和周期性邊界條件,采用三點(diǎn)型的水模型SPC并對(duì)HSA體系和PFBSK-HSA體系建立水盒子,添加離子和溶劑使體系平衡。通過(guò)最陡下降法進(jìn)行最大步數(shù)10 000步的能量最小化,隨后采用正則系統(tǒng)(NVT)和等溫等壓系統(tǒng)(NPT)平衡體系進(jìn)行50 ns的MD模擬。
光譜法:將1 mL 1.0×10-5mol·L-1HSA溶液加入10 mL的比色管中, 然后用pH=7.4 Tris-HCl緩沖溶液定容至刻度線,搖勻。 之后依次加入一定量濃度為1.0×10-6mol·L-1PFBSK溶液。 在恒溫下反應(yīng)8 min后,于λex=280 nm處進(jìn)行掃描,激發(fā)光柵和發(fā)射光柵的狹縫寬度分別為3.0/5.0 nm,測(cè)定體系熒光光譜。同時(shí),檢測(cè)Δλ=15 及60 nm時(shí)的同步熒光光譜。
分子對(duì)接可以直觀明顯地觀察出小分子與HSA的結(jié)合情況和作用力類型。 HSA由585個(gè)氨基酸殘基組成, 主要有2個(gè)結(jié)合藥物的位點(diǎn), 位點(diǎn)Ⅰ和位點(diǎn)Ⅱ(也被稱為華法林位點(diǎn)與布洛芬位點(diǎn))[3], 大部分藥物小分子都是結(jié)合在這兩個(gè)位點(diǎn)上。 通過(guò)運(yùn)用Sybyl X1.1軟件中的Surflex Dock模塊對(duì)PFBSK與HSA進(jìn)行分子對(duì)接分析。 對(duì)接的方式采用盲接,探針可自動(dòng)探測(cè)結(jié)合位點(diǎn)。 Total-Score為Surflex Dock得分, 表達(dá)為親和力-logKd,該函數(shù)包含對(duì)極性作用、疏水作用、靜電作用和氫鍵作用等綜合因素的考慮,數(shù)值越大,表示形成的復(fù)合物越穩(wěn)定[23]。
模擬結(jié)果顯示位點(diǎn)Ⅱ的Total-Score函數(shù)得分較高(Site Ⅰ:3.564 1, Site Ⅱ:4.492 2),說(shuō)明在位點(diǎn)Ⅱ?qū)有纬傻膹?fù)合物更加穩(wěn)定。圖2a表示PFBSK在1n5u位點(diǎn)II處的分子對(duì)接圖。圖2b顯示PFBSK與HSA結(jié)合后PFBSK周圍5?(0.5 nm)范圍內(nèi)的氨基酸殘基,PFBSK與ARG485、SER342和ARG348之間形成了6個(gè)氫鍵,從而大大提高了復(fù)合物的穩(wěn)定性。圖2c為活性位點(diǎn)在3?(0.3 nm)范圍內(nèi)疏水作用的氨基酸二維圖,參與疏水作用的氨基酸有VAL344、ALA449和ILE388等,且分布在氟原子周圍,說(shuō)明PFBSK中氟原子有很強(qiáng)的極性。由于PFBSK的分子體積不大,能夠較容易進(jìn)入到HSA的疏水腔中。圖2d為PFBSK在HSA空腔內(nèi)的靜電引力作用圖,可見(jiàn)PFBSK進(jìn)入HSA位點(diǎn)Ⅱ的疏水空腔中并與HSA殘基間形成了較強(qiáng)的靜電力。-logKd反映的是受體與配體之間的親和力, 分子對(duì)接的結(jié)果顯示該值較大,表明PFBSK與HSA之間形成的復(fù)合物具有良好的穩(wěn)定性。
分子動(dòng)力學(xué)模擬可以研究復(fù)合物在水溶液中的穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)特征。本文對(duì)游離的HSA與HSA-PFBSK形成的復(fù)合物進(jìn)行50 ns動(dòng)力學(xué)模擬。均方根偏差(RMSD)常用于表述構(gòu)象偏差的統(tǒng)計(jì)值,是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)[24]。圖3a為模擬時(shí)間為50 ns的PFBSK-HSA復(fù)合物與游離HSA的均方根偏差變化情況, 可以看出在約13 ns后復(fù)合物體系和HSA體系趨于穩(wěn)定。 對(duì)比游離HSA,PFBSK與HSA形成的復(fù)合物在整個(gè)模擬過(guò)程RMSD平均值較小,因此可以說(shuō)明PFBSK與HSA形成的復(fù)合物更加穩(wěn)定。均方根波動(dòng)(RMSF)可用于描述兩個(gè)體系氨基酸殘基柔性的變化情況。圖3b為 PFBSK-HSA復(fù)合體系與游離HSA體系的均方根波動(dòng)的變化趨勢(shì),可以看出360~500號(hào)位置殘基發(fā)生異常波動(dòng),這表明PFBSK的結(jié)合位置位于HSA這些位置的殘基處,所得結(jié)果與分子對(duì)接相吻合。回轉(zhuǎn)半徑(Rg)可用來(lái)衡量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的緊湊程度。 從50 ns的回轉(zhuǎn)半徑的變化情況(圖3c)中可以看出每個(gè)系統(tǒng)的Rg值在10 ns后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定,表示動(dòng)力學(xué)模擬在10 ns后很快達(dá)到平衡。而PFBSK-HSA復(fù)合體系的Rg值低于HSA體系,這表明PFBSK的加入使HSA結(jié)構(gòu)縮小,導(dǎo)致其空腔變小,進(jìn)而引起其二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[25]。
結(jié)合自由能分析可以有效地預(yù)測(cè)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能,利用MM-PBSA程序計(jì)算PFBSK-HAS體系在生理?xiàng)l件下的結(jié)合自由能(ΔGbind)。 本文忽略熵變對(duì)ΔGbind的影響,通過(guò)提取PFBSK-HSA復(fù)合物在MD模擬平衡(45 ~50 ns)的構(gòu)象軌跡求平均值并計(jì)算得到各個(gè)能量,結(jié)果如圖4a所示, 總體的結(jié)合自由能ΔGbind為負(fù)值, 且范德華作用力EvdW、 靜電能Eelec、 非極性溶劑化能ΔGnp也均為負(fù)值, 充分表明真空中的靜電能、 范德華作用能、 非極性溶劑化能都有利于PFBSK和HSA的結(jié)合。 由于靜電溶劑化能ΔGpb對(duì)靜電作用能Eelec的抑制作用使得總體的靜電作用不利于小分子和蛋白質(zhì)的結(jié)合。范德華作用能在PFBSK和HSA的結(jié)合過(guò)程中貢獻(xiàn)很大,此時(shí)范德華作用力是結(jié)合的主要?jiǎng)恿Α?/p>
圖2 PFBSK在HSA位點(diǎn)II的分子對(duì)接圖Fig.2 Molecular docking and detailed view of the interactions of PFBSK and HSA
圖3 PFBSK與HSA的分子動(dòng)力學(xué)模擬Fig.3 Molecular dynamics of PFBSK and HSA
對(duì)每個(gè)氨基酸殘基在結(jié)合過(guò)程中對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析如圖4b所示。其中ARG348、ARG484、ARG485、ALA449等對(duì)兩者的結(jié)合有顯著的貢獻(xiàn)。結(jié)合分子對(duì)接分析,殘基ALA449表現(xiàn)的疏水作用使其對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)較大;而殘基ARG348和ARG485形成的氫鍵也是對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)較大的原因之一。
同步熒光具有靈敏度高和選擇性好的優(yōu)點(diǎn),由于氨基酸殘基的最大熒光波長(zhǎng)與其所處周圍環(huán)境的極性和疏水性有關(guān),所以可以用其來(lái)探討蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化及部分氨基酸的光譜特征。熒光光譜的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)差值Δλ=15和60 nm分別為酪氨酸和色氨酸殘基的光譜特征。
圖5為PFBSK和HSA相互作用的同步熒光光譜圖, 隨著PFBSK濃度的逐漸增加, 蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基和色氨酸殘基的熒光強(qiáng)度不斷下降, 說(shuō)明PFBSK對(duì)HSA的熒光發(fā)生了一定程度的淬滅作用。 色氨酸殘基(Δλ=60 nm)熒光峰的最大發(fā)射波長(zhǎng)位置隨PFBSK濃度的增加發(fā)生了微弱的藍(lán)移(圖5b, 藍(lán)移1 nm), 而酪氨酸殘基(Δλ=15 nm)熒光峰的最大發(fā)射波長(zhǎng)始終保持在309 nm處(圖5a),說(shuō)明雖然PFBSK結(jié)合在HSA位點(diǎn)II的空腔, 但是并沒(méi)有對(duì)酪氨酸產(chǎn)生太大影響, 而是對(duì)色氨酸附近的微環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響, 它破壞了色氨酸殘基附近的微環(huán)境, 增加了疏水性, 進(jìn)而影響了HSA的構(gòu)象, 所得結(jié)果與動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果相吻合。
熒光光譜是一種檢測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和推斷其與小分子結(jié)合的有效手段。 當(dāng)小分子與蛋白質(zhì)結(jié)合的時(shí)候, 色氨酸的熒光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯的變化,HSA的位點(diǎn)Ⅰ中只存在一個(gè)色氨酸, 是HSA內(nèi)源性熒光的主要來(lái)源。
圖5 PFBSK-HSA的同步熒光光譜Fig.5 Synchronous fluorescence spectra of PFBSK-HSA
圖4 PFBSK-HSA之間的結(jié)合自由能(a)與單個(gè)氨基酸殘基對(duì)結(jié)合自由能貢獻(xiàn)值(b)Fig.4 Binding free energies of PFBSK-HSA complex(a)and binding free energy contribution of each residue in the complex(b)
圖6是298 K下PFBSK和HSA的熒光淬滅圖。 HSA的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象, 說(shuō)明PFBSK在進(jìn)入HSA的疏水腔時(shí), 引起構(gòu)象變化導(dǎo)致HSA的熒光發(fā)生淬滅。
圖6 PFBSK-HSA的熒光淬滅圖Fig.6 Fluorescence quench titration of HSA with increasing PFBSK concentrations
PFBSK和HSA的淬滅遵循Stern-Volmer方程[26-27]:
F0/F=1+Ksv[Q]=1+Kqτ[Q];
(1)
log((F0-F)/F)=logKa+nlog[Q],
(2)
其中,F0和F分別為PFBSK加入前、后的熒光強(qiáng)度;Q是PFBSK的濃度;Kq是HSA的淬滅速率常數(shù); 而Ksv是Stern-Volmer的淬滅常數(shù);τ表示沒(méi)有淬滅劑存在下熒光分子平均壽命, 生物大分子的熒光的熒光壽命約為10-8s;Ka是蛋白質(zhì)和淬滅劑的結(jié)合常數(shù)。
蛋白質(zhì)的熒光淬滅機(jī)制主要分為動(dòng)態(tài)淬滅(分子間的碰撞)、 靜態(tài)淬滅(淬滅劑和蛋白質(zhì)形成復(fù)合物)和非輻射能量轉(zhuǎn)移等幾種機(jī)制,分別在溫度為291、298和310 K時(shí)加入PFBSK,HSA-PFBSK體系的熒光強(qiáng)度的變化如圖7a所示。可見(jiàn),隨著溫度升高,Ksv減小,Kq大于各類淬滅劑對(duì)蛋白質(zhì)大分子的最大分散碰撞常數(shù)(2×1010L·mol-1·s-1),淬滅劑與具有熒光物質(zhì)的HSA在基態(tài)時(shí)發(fā)生了配合反應(yīng),PFBSK進(jìn)入了HSA的空腔,蛋白質(zhì)原有的微環(huán)境和二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化,從而導(dǎo)致的靜態(tài)淬滅。
用修正的Stern-Volmer方程(式(2))可以得到不同溫度下PFBSK濃度對(duì)HSA-PFBSK體系熒光強(qiáng)度的雙對(duì)數(shù)曲線,由該直線的斜率和截距可求出PFBSK與HSA結(jié)合位點(diǎn)數(shù)n及表觀結(jié)合常數(shù)Ka(圖7b)。
由表1可知,PFBSK濃度對(duì)HSA-PFBSK體系熒光強(qiáng)度的雙對(duì)數(shù)曲線在不同溫度下都具有良好的線性關(guān)系。它們相互作用的結(jié)合常數(shù)在105L·mol-1數(shù)量級(jí)以上,結(jié)合較穩(wěn)定。結(jié)合位點(diǎn)數(shù)n約等于1,說(shuō)明在PFBSK與HSA作用時(shí)只存在1個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。這與分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果都存在高度的一致性。
F?rster偶極-偶極非輻射能量轉(zhuǎn)移理論常被用于研究大分子體系中兩個(gè)發(fā)光基團(tuán)間的距離。理論方程[28-29]可計(jì)算能量供給體和受體間的結(jié)合信息
圖7 PFBSK濃度與F0/F及l(fā)g((F0-F)/F)的關(guān)系Fig.7 Q-F0/F and lg Q-lg((F0-F)/F) diagrams
表1 PFBSK與HSA體系在不同溫度下的表觀結(jié)合常數(shù)Ka、熒光淬滅常數(shù)Ksv及結(jié)合位點(diǎn)n
(3)
(4)
J=(∑F(λ)ε(λ)λ4Δλ)/(∑F(λ)Δλ),
(5)
式中:E為PFBSK與HSA二者間的能量轉(zhuǎn)移效率;R0為能量轉(zhuǎn)移距離;K2=2/3;N為介質(zhì)的折射常數(shù)(取水和有機(jī)物的平均值1.336);Φ為熒光量子產(chǎn)率(0.15);J為熒光發(fā)射光譜與受體吸收光譜的重疊積分。
圖8是PFBSK的紫外吸收光譜和HSA的熒光發(fā)射光譜的重疊圖,根據(jù)F?rster偶極-偶極非輻射能量轉(zhuǎn)移機(jī)理通過(guò)式(3)~(5)計(jì)算得出給體與受體間能量轉(zhuǎn)移的效率E、重疊積分J和結(jié)合距離r。由表2依據(jù)式(3)~(5)求出的給體與受體之間的距離r值等于3.71 nm(小于7 nm), 且0.5R 圖8 PFBSK紫外吸收光譜與HSA熒光光譜的重疊圖Fig.8 Overlap of fluorescence spectrum of HSA and absorbance spectrum of PFBSK J/(cm3·L·mol-1)ER/nmr/nm2.11×10-140.01822.883.71 小分子與生物大分子之間結(jié)合的相互作用力包括靜電引力、氫鍵、范德華力和疏水作用力等。通過(guò)熱力學(xué)方程[30] lnK2/K1=ΔH(1/T1-1/T2)/R; (6) ΔG=-RTlnK; (7) ΔS=-(ΔG-ΔH)/T, (8) 可計(jì)算反應(yīng)的焓變(ΔH)、熵變(ΔS)和吉布斯自由能變化(ΔG), 并由此判斷小分子和生物大分子之間的主要作用力類型。 其中,K為結(jié)合常數(shù),R=8.314 51 J·mol-1·K-1。 根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)可以判斷作用力的類型,當(dāng)ΔG<0時(shí)表示反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行,若ΔH>0,ΔS>0時(shí),主要表現(xiàn)為疏水作用力;若ΔH<0,ΔS<0時(shí),則是氫鍵和范德華力起主要作用;若ΔH<0,ΔS>0時(shí),則靜電作用處于主導(dǎo)地位。計(jì)算不同溫度下(T=291、 298、 310 K),PFBSK與HSA相互作用時(shí)的體系熱力學(xué)參數(shù),如表3所示。 表3 不同溫度下PFBSK與HSA相互作用的熱力學(xué)常數(shù) 當(dāng)溫度變化不大時(shí),可認(rèn)為焓變?chǔ)是一個(gè)常數(shù)。該體系ΔG<0,ΔH<0,ΔS<0,說(shuō)明PFBSK與HSA的相互作用的主要類型為氫鍵和范德華作用力,這與分子對(duì)接和結(jié)合自由能分析所得的結(jié)論相一致。 本文通過(guò)分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬從分子水平上對(duì)PFBSK與HSA的相互作用進(jìn)行計(jì)算模擬和理論推測(cè)。分子對(duì)接結(jié)果和關(guān)鍵氨基酸殘基分析表明PFBSK與HSA主要結(jié)合在位點(diǎn)Ⅱ處,其相互作用力主要體現(xiàn)為氫鍵和范德華作用力并伴有疏水作用力與靜電引力。分子動(dòng)力學(xué)模擬各種參數(shù)的結(jié)果顯示:PFBSK與HSA之間形成的復(fù)合物比游離的HSA具有更好的穩(wěn)定性,同時(shí)PFBSK與HSA的結(jié)合使得HSA原本的微環(huán)境發(fā)生變化,從而導(dǎo)致HSA的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,所得的結(jié)果與分子對(duì)接相吻合。結(jié)合自由能分析中貢獻(xiàn)較大的是范德華作用力和疏水作用力。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明HSA與PFBSK結(jié)合是由疏水作用力、靜電引力并伴隨著氫鍵和范德華力共同作用的結(jié)果。熒光光譜法得出PFBSK導(dǎo)致HSA的熒光淬滅機(jī)制為靜態(tài)淬滅并發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移;通過(guò)對(duì)熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算,焓變和熵變均為負(fù)值,說(shuō)明PFBSK與HSA之間的主要作用力為氫鍵和范德華作用力;同步熒光和能量轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)表明PFBSK與HSA的相互作用使HSA的構(gòu)象發(fā)生改變,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬所得的結(jié)論高度一致,為今后探究全氟磺酸類化合物與HSA的研究提供了可靠的參考信息與分析手法。2.7 PFBSK與HSA作用力類型的確定
3 結(jié) 論