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        乳糖酰胺季銨鹽與牛血清白蛋白的相互作用

        2022-04-07 11:57:10智麗飛張二壯王秀文石秀芳
        中國洗滌用品工業(yè) 2022年3期

        智麗飛 張二壯 王秀文 石秀芳

        1.太原科技大學化學與生物工程學院,山西太原,030024;2.山西中醫(yī)藥大學中藥與食品工程學院,山西太原,030619

        自從2020年初新冠肺炎疫情暴發(fā)以來,人們對日常消毒殺菌的意識提高到了前所未有的高度,最近兩年消殺產(chǎn)品的需求量和生產(chǎn)量快速增長,其中一類無色、無味、使用安全、不易揮發(fā)、不易燃的廣譜高效季銨鹽殺菌劑[1],與常用的酒精、過氧乙酸、有機醛、二氧化氯、84消毒液等殺菌劑相比,不論在運輸、存儲和使用安全等方面[2,3],還是應用功能方面(防腐蝕、抗靜電、洗滌、柔軟、吸附、絮凝等)[4]都更具有優(yōu)勢。因此,季銨鹽表面活性劑最近兩年在研究領(lǐng)域和生產(chǎn)方面都快速增長。但目前常用的季銨鹽大多數(shù)細胞毒性較大,開發(fā)低毒、多功能的生物基季銨鹽表面活性劑迫在眉睫。糖類物質(zhì)由天然可再生資源淀粉制備而來,是生物質(zhì)原料的典型代表[5],課題組以葡萄糖酸內(nèi)酯或乳糖酸為原料開發(fā)了系列糖基季銨鹽表面活性劑[6-8],其中N,N-二甲基-N[3-(乳糖酰胺基)]丙基-N-烷基溴化銨(C12DLPB)產(chǎn)品(結(jié)構(gòu)式見式1)[9]具有無刺激、毒性低、與陰離子有較好的復配性能、對金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌有較高的抑菌活性[10]。季銨鹽表面活性劑可以與蛋白質(zhì)相結(jié)合[11],且蛋白質(zhì)與表面活性劑混合體系在生物技術(shù)過程、藥物輸送、化妝品系統(tǒng)、洗滌劑、食品和生物科學中具有廣泛而重要的應用[12]。牛血清白蛋白(BSA)與人血清白蛋白(HSA)極為相似,且在水介質(zhì)中有較好的穩(wěn)定性和溶解性,因此BSA作為模型蛋白被廣泛應用于研究蛋白質(zhì)和兩親配體的相互作用[13,14]。研究C12DLPB與BSA的相互作用,能更好地了解其殺菌機制,且為開發(fā)其在洗滌劑、化妝品、生物科學和藥物傳輸?shù)确矫娴膽锰峁├碚撘罁?jù)。

        本文采用熒光光譜法研究了C12DLPB與BSA相互作用的適宜條件;通過動態(tài)猝滅常數(shù)、結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點數(shù)及熱力學參數(shù)的計算,了解二者相互結(jié)合的作用;并通過三維熒光光譜考察了BSA在C12DLPB作用下的構(gòu)象變化。

        1 實驗

        1.1 主要試劑與儀器

        C12DLPB,課題組自制,純度>98%;牛血清白蛋白(BSA)和氯化鈉(分析純),上海阿拉丁生化科技股份有限公司,生物技術(shù)級96%;實驗用水為娃哈哈純凈水。

        F97pro熒光分光光度計,上海棱光技術(shù)有限公司;PHS-4C+智能酸度計,成都世紀方舟科技有限公司。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 熒光光譜

        準確移取BSA儲備液(1×10-4mol/L)1.0ml于10 ml容量瓶中,然后依次加入不同體積的C12DLPB儲備液(2×10-3mol/L),定容至刻度。

        激發(fā)狹縫寬度10 nm,發(fā)射狹縫寬度5 nm,激發(fā)波長283 nm,掃描速度1000轉(zhuǎn)/min,掃描間隔1 nm。

        1.2.2 三維熒光光譜

        激發(fā)波長200~500 nm,發(fā)射光波長200~500 nm,激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度5 nm,激發(fā)光波長掃描間隔5 nm,掃描間隔1 nm,掃描速度1 000 nm/min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 熒光光譜

        熒光發(fā)射光譜能精確地反映蛋白質(zhì)發(fā)射熒光基團周圍環(huán)境的構(gòu)象和疏水性等的變化[15]。BSA屬于內(nèi)源性熒光物質(zhì),分子中含有的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸殘基能發(fā)射熒光。隨著C12DLPB溶液濃度的增加(圖1),BSA的內(nèi)源性熒光強度降低,并發(fā)生了藍移;熒光強度由408AU降低到了338AU,降低了17%;熒光峰由341 nm藍移到了336 nm,表明C12DLPB引起B(yǎng)SA表面3個氨基酸殘基周圍的構(gòu)象及疏水性能發(fā)生變化,因此BSA熒光發(fā)生了猝滅。當C12DLPB濃度為0.2×10-4mol/L時,熒光猝滅現(xiàn)象較強,說明此濃度下C12DLPB與BSA結(jié)合作用較強,因此選擇該濃度為作用濃度。

        圖1 不同濃度C12DLPB對BSA熒光強度的影響

        2.2 作用時間

        由圖2可以看出,在0 min時,C12DLPB-BSA的熒光強度大大降低,從448AU降低到了441AU。在15~60 min作用時間內(nèi),BSA與C12DLPB-BSA熒光強度變化比較平穩(wěn),之后熒光強度又有所升高,變化較大,相對不穩(wěn)定??傮w來看,15~35 min熒光強度變化趨于穩(wěn)定,因此選擇15 min為最佳的作用時間。

        圖2 不同時間下BSA和C12DLPB-BSA熒光強度變化曲線

        2.3 離子強度

        在實際使用過程中經(jīng)常會有無機鹽類等物質(zhì)存在,因此離子強度是影響C12DLPB-BSA相互作用的重要因素[16,17],研究了當cC12DLPB為0.2×10-4mol/L,作用時間為15 min時,NaCl濃度對二者相互作用的影響。

        由圖3可以看出,從總體的變化趨勢來看,體系熒光強度成上升趨勢。這可能是因為NaCl溶液中的Na+離子能中和蛋白質(zhì)骨架上的負電荷,使得BSA骨架間的靜電斥力降低,BSA鏈緊縮,這樣小分子很難嵌入BSA堿基對中,甚至可能將已經(jīng)嵌插進入堿基對中的小分子重新排擠出來,導致體系熒光增強[18,19]。其中,當加入NaCl溶液的濃度為0.01~0.02 mol/L時,熒光強度比較穩(wěn)定,此時兩個體系中存在物質(zhì)之間的相互作用比較穩(wěn)定。當濃度繼續(xù)增加后,熒光強度增強,因此選取0.02 mol/L為NaCl的最佳濃度。

        圖3 NaCl濃度對BSA和C12DLPB-BSA熒光強度的影響

        2.4 pH

        在應用體系中pH的大小也是影響蛋白質(zhì)與兩親配體間作用的重要因素之一。固定cNaCl為0.02 mol/L,作用時間15 min條件下,考察了不同pH對C12DLPB-BSA和BSA熒光強度的影響,溶液pH用0.01 mol/L的NaOH/HCl調(diào)節(jié)。圖4中a~g表示C12DLPB的濃度分別為0、0.2×10-4mol/L、0.4×10-4mol/L、0.6×10-4mol/L、0.8×10-4mol/L、1.0×10-4mol/L、1.2×10-4mol/L。對于加入不同濃度的C12DLPB的BSA溶液,在pH為2.5~10.5時,體系的熒光強度都有先升高后降低的現(xiàn)象,且在原液(pH=6.5)系統(tǒng)中有最高的熒光值。當pH為2.5~4.5和6.5~10.5時體系的熒光強度變化較大,在堿性環(huán)境中熒光強度降低比酸性環(huán)境中更強。在pH為4.5~6.5時熒光值比較穩(wěn)定,且在pH=6.5時(原液),有最高的熒光值,且隨著樣品濃度的增大有相對明顯的猝滅現(xiàn)象,適宜的酸堿環(huán)境為原液系統(tǒng)。

        圖4 pH對BSA和C12DLPB-BSA熒光強度的影響

        2.5 熒光猝滅機制

        小分子引起蛋白質(zhì)熒光猝滅的原因一般有兩種情況:①能量轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)移,屬于激發(fā)態(tài)分子之間的相互作用,不影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生理活性,為靜態(tài)猝滅。②小分子與蛋白質(zhì)在基態(tài)時發(fā)生配合作用,生成不發(fā)熒光的配合物,使蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化,從而影響蛋白質(zhì)的生理活性,為動態(tài)猝滅[15]。在不同溫度下測得C12DLPB與BSA相互作用的數(shù)據(jù),運用Stern-Volmer[20]方程對其進行分析(式2)。

        F0表示加入C12DLPB前BSA熒光強度;F表示加入C12DLPB后BSA熒光強度;Ksv表示動態(tài)猝滅常數(shù);τ0表示猝滅體不存在時熒光分子平均壽命(s);[Q]表示C12DLPB濃度;Kq是雙分子猝滅速率常數(shù)。以F0/F對[Q]濃度作圖(圖5),288.15K、294.15K、301.15K、308.15K溫度下的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系。且由表1可以看出,隨著溫度的升高,猝滅常數(shù)Ksv逐漸升高,此現(xiàn)象為動態(tài)猝滅的特征,但是Kq值大于各類猝滅劑與生物大分子的最大碰撞猝滅常數(shù)2.0×1010L/mol·s,該特征為靜態(tài)猝滅的特征,因此判斷C12DLPB對BSA熒光猝滅的類型為混合熒光猝滅。

        表1 不同溫度下C12DLPB對BSA熒光猝滅的Stern-Volmer方程及猝滅常數(shù)

        圖5 C12DLPB對BSA作用的Stern-Volmer曲線

        C12DLPB與BSA在猝滅過程中的結(jié)合常數(shù)(Ka)和結(jié)合位點數(shù)(n)可通過修正的Stern-Volmer方程式求得[20](式3)。

        上式中Ka表示結(jié)合常數(shù),n表示結(jié)合位點數(shù)。通過lg[(F0-F)/F]對lg[Q]作圖得到直線斜率和截距能計算出結(jié)合位點數(shù)和結(jié)合常數(shù),如圖6和表2所示。當溫度在288.15~294.15K時,Ka隨著溫度升高而增加,說明溫度升高,C12DLPB-BSA形成的復合物穩(wěn)定性增加。當溫度繼續(xù)增加時,Ka隨著溫度升高而減小,說明當溫度在294.15~308.15K時,降低了C12DLPB-BSA復合物的穩(wěn)定性。結(jié)合位點數(shù)n都接近1,證明復合物C12DLPB-BSA的摩爾比為1∶1。溫度越高,n值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;說明C12DGPB與BSA的結(jié)合程度表明溫度的升高也呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。

        圖6 C12DLPB對BSA作用的修正Stern-Volmer曲線

        根據(jù)熱力學參數(shù)間的關(guān)系式可以計算出各種熱力學常數(shù)[21](式4、式5、式6)。

        當溫度變化較小時,反應的焓變(ΔH)能近似認為是常數(shù)。根據(jù)小分子與生物大分子反應的熱力學參數(shù)的變化判斷其作用力類型的規(guī)律[22],當ΔS和ΔH都<0時,主要作用力為氫鍵和范德華力;當ΔS和ΔH都>0時,主要作用力為疏水作用力;當ΔH<0,ΔS>0時,主要作用力為靜電作用力[23,24]。從表2看出,ΔS和ΔH都>0,說明疏水作用力是C12DLPB-BSA之間結(jié)合的主要作用力[25,26],ΔG<0,說明二者之間的鍵合反應是一個自發(fā)過程。

        表2 不同溫度下C12DLPB對BSA的結(jié)合參數(shù)和熱力學參數(shù)

        2.6 三維熒光光譜

        三維熒光光譜以發(fā)射波長、激發(fā)波長和熒光強度為坐標的三維空間圖譜,可用強度等高線描述組分的濃度和分布,是考察蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化的有效方法[27]。在兩個10 ml容量瓶中分別準確加入1 ml BSA儲備液和1 ml BSA儲備液+7 ml C12DLPB儲備液,相互作用15 min后,采用1.2.2實驗條件,進行三維熒光光譜測定。BSA與C12DLPB-BSA體系的等高線光譜圖如圖7所示,可觀察到明顯的鉛筆狀條紋有一個峰,這個峰反映的是酪氨酸和色氨酸殘基的疏水微環(huán)境[28,29]。從表3的特征參數(shù)可以看出,加入C12DLPB溶液后BSA的熒光峰產(chǎn)生藍移,從341 nm藍移到339 nm,熒光強度由511AU降至453AU,降低了11.5%,說明C12DLPB與BSA的結(jié)合引起了酪氨酸和色氨酸殘基疏水微環(huán)境的變化,從而引起了猝滅現(xiàn)象。

        圖7 BSA與C12DLPB-BSA體系的等高線圖譜

        表3 C12DLPB對 BSA三維熒光特征峰的影響

        3 結(jié)論

        C12DLPB能與BSA發(fā)生結(jié)合作用,使BSA的熒光發(fā)生猝滅;二者相互作用的適宜條件為作用時間15 min,pH為原液pH=6.5,NaCl濃度為0.02mol/L;C12DLPB對BSA熒光猝滅過程為混合熒光猝滅;結(jié)合常數(shù)Ka和結(jié)合位點數(shù)n隨著溫度升高先增大后減小,形成復合物穩(wěn)定性隨著溫度的升高先增大后降低;C12DLPB與BSA相互作用力類型主要是疏水作用力,且二者的結(jié)合引起了酪氨酸和色氨酸殘基疏水微環(huán)境的變化。

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