第23 卷第10 期化 学 进 展
Vol. 23 No. 10 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究
张 涛†1 陈 凡†1 盖青青1 屈 锋1∗∗ 张玉奎2
2. 中国科学院大连化学物理研究所 大连116023 )
( 1. 北京理工大学生命学院 北京100081 ;
∗
摘 要 离子液因其具有良好的生物兼容性和独特的理化性质, 近年来在生物催化和生物大分子蛋白质与核酸的分离分析领域得到广泛应用。 离子液与生物大分子相互作用的研究是离子液相关理论与应用研究的基础, 有关离子液与蛋白质和核酸相互作用的机理研究受到关注。 本文简要介绍了常用离子液的分类, 离子液与蛋白质分子作用的机理, 离子液与核酸分子作用的机理, 以及离子液在酶催化反应、 生物分子分离、 生物分子电化学分析和毛细管电泳分析中的应用, 并主要综述了近年的相关研究和应用进展。
关键词 离子液 蛋白质 核酸 相互作用
中图分类号: O657. 1; O629. 7 文献标识码: A 文章编号: 1005⁃281X(2011)10⁃2132⁃08
Ionic Liquids and Protein / Nucleic Acid Interaction
(1. School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;
Zhang Tao †1 Chen Fan †1 Gai Qingqing 1 Qu Feng 1∗∗ Zhang Yukui 2
2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China)
been widely applied in biological catalysis and proteins and nucleic acids separation due to their good compatibility
Abstract Room⁃temperature ionic liquids( ILs) have aroused considerable interest recent years. They have
and unique properties. The interaction of ionic liquids and biological macromolecules is the foundation of their
theory and application study. In this paper, the types of common used ILs, the principle of interaction between ionic liquids and protein, and ionic liquids and nucleic acid are introduced respectively. Furthermore, the recent capillary electrophoresis analysis is reviewed.
Key words ionic liquids; protein; nucleic acids; interaction
3. 4 Coordination interaction 4. 1 Electrostatic interaction
application of ILs in biological catalysis, biological molecules separation electrochemical analysis as well as
Contents
1 Introduction 2 Type of ILs
3 Interaction between ILs and protein 3. 1 Electrostatic interaction 3. 2 Hydrophobic interaction 3. 3 Hydrogen bond interaction
† 共同第一作者
收稿: 2011 年1 月, 收修改稿: 2011 年3 月
4 Interaction between ILs and nucleic acid 4. 2 Hydrophobic interaction
protein and nucleic acid 4. 3 Hydrogen bond interaction 5. 1 Enzyme⁃catalyzed reaction
5 Application of ILs based on the interaction between
∗ 国家重点基础研究发展计划(973) 项目(No. 2007CB914101) 和国家自然科学基金项目(No. 20875009) 资助∗∗Corresponding author e⁃mail:qufengqu@ bit. edu. cn
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2133 ·
5. 5. 2 Extraction separation 6 5. 3 4 Electrochemical Separation and analysis analysis
Outlook
in CE
1 前言
liquids, 20 世纪80—90 年代以来, 离子液( ionic
子液或室温熔融盐ILs) 的研究日益广泛) 是指在室温或接近室温下呈现。 离子液( 又称室温离液态的融盐, 通常由特定的有机阳离子和无机阴离子构成[1,2] 且相比有机溶剂表现出很多独特的理化性质。 它不仅具有传统有机溶剂的优势[3,4] , 而
如室温下稳定性好、 蒸气压低、 不可燃、 溶解能力强, 和导电性好等。 更重要的是, 可通过改变阳离子和阴离子种类而改变离子液的理化性质。 因此, 离子液成为一种可人为设计的“ 绿色溶剂” [5,6] 作为有机溶剂的替代品一直应用于有机合成。 离子液、 电化学等领域。 自从Erbeidinger [7] 首先报道离子液作为酶促反应介质可提高酶的稳定性和活性以来, 研究发现许多酶都能在ILs 及其形成的两相体系或单相体系中保持催化活性, 因此ILs 作为生物催化反应的溶剂或共溶剂的研究备受关注,ILs 以其独特的优势成为生物催化反应研究的热点[8—10] 液在生物分子分离分析方面也取得新的应用进展。 此外, 离子, 如其在酶催化、 蛋白质和核酸的萃取分离[11—14] 在色谱、 电泳和电化学分析等生物分子分析检测中、 及的应用[15—24] 离子液在生物催化和分离分析领域的应用。
, 涉及离子液与生物大分子相互作用的机理研究。 由于离子液的结构多样性和可设计性, 它可承载多种功能基团, 而生物大分子种类繁多、 结构复杂, 因此二者之间的相互作用机理比较复杂。 目前离子液与蛋白质、 核酸等生物大分子相互作用机理的研究还相对较少, 这可能与离子液几乎没有活性, 很难直接产生光学、 电学以及热力学信号, 因此很难直接检测到其与生物大分子相互作用的物理化学信息有关[25,26] 作用的机理研究。 本文将对离子液与蛋白质和核酸的相互, 以及近年来离子液在生物大分子
酶催化和分离分析中的应用进行综述。
2 离子液的分类
离子液种类繁多, 通过改变阴离子和阳离子的组合可产生成千上万种离子液, 因而可设计和满足各种不同需求的离子液。 中国科学院张锁江课题组
在2005 年建立了离子液体数据库, 当年已收集包含了276 种阳离子、55 种阴离子和588 种离子液的物
理化学性质, 并且不断的更新和丰富[27] 目前, 用于蛋白质和核酸相关领域的离子液种
。
类相对较少, 根据阳离子组成的不同, 主要分为4 类[28,29] 烷基季铵盐类离子液:(1) 咪唑类离子液;(4) ;(2) 烷基季吡啶类离子液 盐类离子液;(3) 。 其中, 以烷基取代的咪唑基离子液和晕⁃ 烷基取代的吡啶类离子液的研究和应用较常见。 上述组成的离子液中, 常见无机阴离子主要有Cl - PF 6 - 、NO 3 - 、CF 3 SO 3 - 、NTf 、AlCl 4 - 、BF 4 - 、
2 - 3 离子液与蛋白质的相互作用
、HSO 4 - 和CF 3 CO 2 - 等。 离子液与蛋白质相互作用时可以改变生物大分子理化性质, 并通过离子液的功能基团直接或间接作用于生物大分子。 离子液种类繁多, 其阳离子、 阴离子和功能基团, 都可与蛋白质产生作用, 改变蛋白
质的结晶行为[30—33] 、 变性温度[34] 和溶解性能[35] 以及改变酶的活性和稳定性等[36,37] 作为蛋白质结晶的添加剂, 可改变蛋白质的晶体结。 例如离子液, 构, 提高结晶的均一性, 促进蛋白质的结晶行为[30,32] 咪唑[33] 。 或某些特殊的离子液1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑四氟硼酸盐, 如溴化1⁃ 丁基[31] ⁃3⁃ 能够控甲基制蛋白质结晶的生长速度, 形成均一稳定的结晶形态。 离子液作为酶催化的介质或者酶催化反应的助溶剂或添加剂, 具有重大的应用前景。 某些离子液可以增强蛋白质的溶解性能, 选择性地提高酶的催化活性, 提高酶催化的效率[35—37] 液却使蛋白质的变性温度降低, 破坏蛋白质的热稳
。 相反, 某些离子定性, 而且疏水作用越强, 这种破坏作用越强[34] 此外, 离子液还可特异性地吸附或萃取蛋白质[38] 。
甚至可通过形成离子液双水相体系对蛋白质进行选, 择性分配[39—41] 蛋白质在某些离子液中通常不溶解。
[8] 白质与离子液之间没有明显的化学键合。 可溶解于, 说明蛋
离子液中的蛋白质, 其在离子液中的紫外光谱最大吸收峰和红外光谱红外特征吸收峰没有发生明显位
移和强度的变化, 也说明离子液与蛋白质之间没有发生化学键合[39,42] 常以静电作用、 疏水作用。 然而离子液中的阴、 氢键作用、 范德华力、 阳离子通
、 盐析效应和空间位阻作用等与蛋白质的一些特定功能基团相互作用。 因此离子液与蛋白质作用通常是由多3. 种作用力共同导致1 离子液阳离子与蛋白质的静电作用, 较难明确其主要作用力。
离子液与蛋白质作用时, 主要是离子液中阳离子起主要作用。 蛋白质作为两性分子其带电性质受介质pH 影响, 调节介质pH 值可使蛋白质带负电荷, 便于与离子液的阳离子部分发生静电作用。 溴化1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑/ 磷酸氢二甲离子液双
水相体系([Bmim]Br / K 着体系pH 的变化而改变2 HPO , 说明蛋白质的分配主要4 ) 中, 蛋白质的分配随
由静电作用决定蛋白质[39] 含量相对较低。 当蛋白质带正电时其在离子液相中的, 并可利用静电作用选择性地分离
, 而随着pH 值减小, 蛋白质带正电荷
增加, 与离子液正离子产生排斥作用增强, 使萃取率降低; 当溶液的pH 值大于蛋白质的等电点时, 因蛋白质带负电荷Dreyer 等, 其在离子液相中的含量增加。
[11] 考察了4 种模板蛋白在不同离子
液/ 盐双水相体系中的分配主要是受静电作用和蛋白质分子量的影响。 调整体系pH 值可改变蛋白质表面的带电性质, 并证明静电作用主要是在蛋白质表面的氨基酸残基和离子液中阳离子间产生。 Pei 等[12] 考察了烷基侧链不同的咪唑基离子液双水相中,pH 值对牛血清白蛋白( BSA)、 胰蛋白酶( Try)、 细胞色素C(cyt C) 和γ⁃ 球蛋白(γ⁃globulins) 的分配3. 影响2 , 离子液阳离子与蛋白质的疏水作用
探讨了蛋白质在双水相中分离的热力学模型。
天然状态下, 蛋白质的疏水基团( 如芳香烃基
团和长链脂肪烃残基) 会导致蛋白质折叠包埋而形成疏水性内核区域。 离子液阳离子与蛋白质的疏水作用研究较多的是带正电的咪唑环和疏水烷基侧链与蛋白质的相互作用( 唑类阳离子相似色氨酸、 苯丙氨酸和酪氨酸残基。 蛋白质的芳香烃氨基酸残基, 都含有具有π 电子的芳香环) 的分子结构与咪。 当
咪唑基与氨基酸基团靠近时, 二者间π 电子将发生
较强的π⁃π 共轭作用。 Pei 等[12] 报道咪唑类离子液双水相体系能够有效地从水溶液中萃取分离蛋白质, 是因为等电点附近, 静电作用最弱而疏水作用最强, 蛋白质从富盐相转移到离子液相是由蛋白质表面暴露的氨基酸残基与离子液阳离子咪唑环之间的疏水作用驱动。 李志勇等[43] 利用荧光光谱测定了离子液溴化1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑[ Bmim] Br、 溴化1⁃ 己基⁃3⁃ 甲基咪唑([ Omim] Br)、 溴化1⁃ 辛基⁃3⁃ 甲基咪唑([ Hmim] Br) 对蛋白质( BSA、 Lyz) 的荧光猝灭, 表明离子液使蛋白质的荧光发生猝灭有一定规律可循, 猝灭是由离子液与蛋白质的相互碰撞引起, 且是一个动态猝灭过程。 热力学研究表明, 猝灭过程是一个熵驱动过程, 其中疏水相互作用是其主要特征。
除离子液基团与蛋白质间的π⁃π 共轭作用外, 离子液阳离子的疏水性烷基链也能与蛋白质的疏水性长链脂肪烃残基发生疏水作用, 从而导致蛋白质结构发生变化。 在双水相体系中, 离子液阳离子烷基侧链的长度可影响蛋白质在双水相体系的分配[44] 的增长而提高。 蛋白质的萃取率随着离子液阳离子烷基链
[45] , 在疏水性较强的离子液双水相中3. 得到较高的萃取率3 离子液阴离子与蛋白质的氢键作用。
蛋白质水溶液中, 蛋白质分子的结构和活性均
受其分子表面的水含量控制。 水在蛋白质表面形成水化层, 并与蛋白质表面的氨基酸残基发生氢键作用, 使蛋白质分子保持原始形态和活性。 离子液中无机阴离子与蛋白质的作用主要体现在阴离子可破坏原水分子与蛋白质间形成的氢键, 并与蛋白质重新形成氢键, 导致蛋白质分子表面的水分含量改变, 从而引起蛋白质分子空间构象以及活性的改变。
离子液阳离子与阴离子之间通过氢键作用缔合, 但不同阴离子因氢键碱度不同, 对蛋白质和水之间的氢键破坏作用也不同[46] 强氢键碱度和亲核性, 容易破坏蛋白质与水形成的。 亲核性阴离子具有
氢键, 并与蛋白质的氨基酸重新形成氢键, 从而破坏蛋白质分子的活性构象, 降低蛋白质分子的活性。 而某些具有较低氢键碱度的阴离子, 则不会破坏原有的氢键, 其与蛋白质氢键间相互作用较弱, 不会对蛋白质的构象乃至活性产生影响Micaelo 等。
[47] 考察离子液1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑六氟磷酸盐([ Bmim] PF 盐([Bmim]NO 6 3 ) 体系, ) 在不同温度下增加水分子含
和1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑硝酸量对酶活性和热稳定性的影响, 证实阴离子的影响起重要作用。 PF 能力相对较弱, 故不易破坏水分子和蛋白质间已形
6 - 具有较低的氢键碱度, 夺取水的成的氢键, 因此它具有更好的生物亲合性, 其存在有利于提高酶的热稳定性; 而NO 低, 推测其原因是NO 3 - 则会导致酶活性降氢键, 导致蛋白质表面水含量的明显降低3 - 会与蛋白质分子形成大量的, 并破坏了原蛋白质分子内部主链上的氢键, 尤其是作用于α 螺旋和环区肽键的酰胺基, 在低水含量时会导致蛋白质二级结构的改变以及活性降低。 Wang 等[48] 发现阴离子HSO 阴离子的氢键碱度和亲核性越强4 - 、Cl - 、NO 3 - 均导致酶的活性下降, ( HSO 程度越大NO 3 - ) 就越容易与酶形成氢键。 Diana 等[34] 发现含有, 导致酶的活性下降4 - > Cl - >
BF 4 - 、PF 6 - 和NTf 2 -
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2135 ·
阴离子的离子液中, 蛋白质的酶活性不会改变, 但在含有Cl - 质的活性丧失、NO 3 - 。
、CF 3 SO 3 - 等阴离子的离子液中蛋白
除了直接与蛋白质发生氢键作用外, 离子液阴离子的疏水性也可间接影响蛋白质。 阴离子的疏水性越强, 水的存在更容易破坏阳离子与阴离子之间的氢键缔合, 导致更多的阳离子从离子液中解离, 从而增加离子液阳离子与蛋白质作用的机会。 Diana (RNase 等[34] 研究A) 不热变性温度的影响同阴离子的离子液, 证实阴离子的疏水对核糖核酸酶A
性会影响蛋白质的热稳定性。 离子液阴离子的疏水
3. 性越强4 血红蛋白血红素基团与咪唑阳离子的配位作用, 越有利于蛋白质的变性。
(Hb)、 肌红蛋白(Mb)、 辣根过氧化物
酶(FRP) 和cyt C 等蛋白质的疏水核心区域均含有血红素基团。 该基团中的亚铁原子为五配位结构, 其空余的第六配位位置可与配体结合。 咪唑阳离子是较强的共价配体, 它比氨基酸中的中性咪唑基团具有更强的配位作用, 可改变蛋白质分子构象, 促进蛋白质氨基酸链的伸展, 使较多的疏水区域暴露在蛋白质分子表面, 从而影响蛋白质的催化活性和稳3. 定性。
唑阳离子的配位作用
4. 1 血红蛋白、 肌红蛋白和辣根过氧化物酶与咪研究发现,Hb、Mb 和FRP 易与咪唑阳离子发生配位作用。 Cheng 等[45] 考察了1⁃ 丁基⁃3⁃ 三甲基硅C、BSA、 烷咪唑六氟磷酸盐(TRF) 载脂蛋白⁃ 肌([ 红Btmsim] 蛋白( A⁃Mb) PF 6 ) 对和Hb、 转铁Mb、 蛋cyt 白血清中选择性地分离血红蛋白的直接萃取, 并利用[ Btmsim] 。 结果显示只有血红PF 6 实现了从
蛋白和肌红蛋白可被萃取到离子液中, 而其他蛋白则不被萃取。 通过57 测定, 证实血红蛋白和肌红蛋白中的血红素基团可Fe 穆斯堡尔光谱和圆二色光谱
与离子液Btmsim + 形成配位键, 形成了Btmsim + 红素基团复合物。
⁃ 血其中, 介质pH 值、 离子液阴离子种类和疏水性也影响血红素基团与离子液阳离子的配位作用。 陈旭伟等[49] 制备了亲水性离子液1⁃ 乙烯基⁃3⁃ 甲基咪唑氯代盐pH ⁃PVC 复合物([ Nmim] Hb 值可以选择性吸附血红素基团外露发生去折叠和肽链伸展Hb 和, 血红素中的亚铁原子与咪唑发生
, 从而使包埋在肽链中的cyt Cl⁃PVC), C。 酸性条件导致
调节溶液Hb 配位结合而使形态发生转变Hb , 的吸附量增加结构由松散变为紧密; 随pH , 值的增大其疏水基
,
又被包埋在Wang 等Hb 内部致使吸附量产生下降趋势。
[48] 研究了HSO [Emim] 4 、[Bmim]Cl、[Bmim]NO BF 4 、 [ Bmim] BF FRP 在7 种亲水性离子液
4 、 [ Omim] BF 4 、 [ Bmim ]
的活性与稳定性变化, 发现不同阴离子对血红素基3 和[Bmim]CF 3 CO 2 中团和咪唑阳离子的配位作用产生不同的影响较强的Hb [Btmsim] 属于亲水性蛋白质PF 6 中, 但结果表明, 本质上应不溶于疏水性
。
Hb 反而倾向
于分配到疏水性的离子液中, 这可以证明离子液阳离子本身
, 并且随着离子液疏水性的增加而增加[45] 的疏水性也会影响咪唑环与血红素基团的配位作用。 原因可能是由于咪唑基阳离子疏水性增加会减弱咪唑环C N 上的电子云密度, 增加咪唑阳离子上+ 3. 4. 基团对2 Cyt 细胞色素Fe 的配位能力C 虽然含有血红素基团C 与咪唑阳离子的配位作用。
因铁原子的6 个配位位置已被具有较强配位能力的, 但在中性条件下,
配体(Histidyl⁃18 和Methionyl⁃80) 所占据, 故无法和
咪唑阳离子基团结合。 因此,[ Btmsim] PF [45]
6 以及
[Nmim] 影响。 但在酸性条件下Cl⁃PVC [43] 不会对cyt C 的分配和吸附产生
,cyt C 发生构型转变, 肽链伸展, 使疏水性基团外露, 增加了cyt C 与离子液配位作用的机会; 当pH
与Methionyl⁃80 的配位断裂, 空出第6 个配位空间, 离子液咪唑阳离子进入到肽链孔穴与铁原子发生配位, 形成新的配位键。 Cheng 等[50] 发现在酸性条件下离子液可以萃取cyt C,pH = 1 时,cyt C 的萃取率达到pH 85% 。 从吸收光谱可看出,cyt C 的吸光度随肽链中的疏水性基团及血红素外露值降低而明显增大, 表明其肽链伸展, 增加了疏水基, 使包埋在
团与离子液的接触机会, 从而有利于cyt C 转移到离子液中。 以上研究说明, 因酸度影响cyt C 的结
构,cyt C 与咪唑阳离子的配位作用受溶液酸度影响很大。
目前已知离子液是通过静电作用、 疏水作用、 氢键作用以及特殊蛋白质与离子液的配位作用等多种作用力协同作用导致蛋白质的物理、 化学和生物学性质的变化, 但离子液与蛋白质相互作用机理的研究还不够深入。
源摇离子液与核酸的相互作用
核酸是储存、 复制及表达遗传信息的生物大分子, 其与生长、 发育等重要生命活动以及癌变、 突变等异常生命过程密切相关[51] 。 随着涉及离子液与
核酸相关的研究逐渐增多, 探究离子液与核酸相互作用机理, 考察离子液对核酸分子活性和构象变化的影响具有重要的意义。 相比在蛋白质和酶方面的应用, 离子液在核酸领域的应用研究较少, 近几年才开始陆续有相关报道。 研究结果表明, 与蛋白质的相互作用类似, DNA 在离子液中有很好的稳定
性[52] 价结合, 离子液与, 没有发DNA 生化分子的结合过程中通过非共DNA 作用。 相互结合的主要作用力也是静电作用和疏水学变化[53] 。 驱动离子液与DNA 中的磷酸基团带有大量的负电荷, 而离子液阳离子头部易与磷酸基团发生静电结合。 同时, 离子液的烃链与DNA 碱基之间也会产生疏水作用。 此外, 离子液与核酸的结合过程中可能也存在氢键作用。 在离子液与DNA 的结合过程中,DNA 4. 的构象会在一定程度上发生变化1 离子液阳离子与核酸的静电作用。
离子液中阳离子的类型主要影响其性质。 核酸
分子中带有大量的磷酸基团, 因此具有很高的负电性。 离子液与核酸分子结合过程中, 离子液阳离子基团会与带负电的核酸分子发生明显的静电作用。 目前研究表明, 静电作用是二者相互作用的主要机理, 该机理已通过多种研究手段得到了验证。 导率时发现Nishimura ,DNA 等
[54]
最早在制作DNA 薄膜测定电
薄膜中混入一定浓度丁基咪唑四氟硼酸盐离子液([ EtIm] BF 有明显的增大; 并且当DNA 4 的质量分数低至) 后, 其离子电导率会
7% , 离子液质量分数为97% 时依然能形成DNA 薄膜, 说明离子液与DNA 之间存在高亲合性。 经离子液诱导的DNA 水凝胶纤维形成的实验也发现离子液与DNA 有良好的亲合性[53] 。 Qin 等[14] 通过一种烷基咪唑离子液涂层的毛细管(ILCC) 进行DNA 电泳分析时发现DNA 片段与毛细管内壁涂层的离子液之间有静电相互作用, 在DNA 片段小于900bps 的范围内,DNA 电荷密度随其片段尺寸的增大而增加, 尺寸越大的DNA 片段与毛细管内壁离子液涂层的作用更强DNA , 在电泳过程中受到的阻力更大。 比较管电泳中的电泳行为在离子液涂层毛细管和聚丙烯酰胺涂层毛细, 发现在离子液涂层的毛细管中,DNA 的电泳迁移时间更长, 且峰形更不对称, 说明DNA 取水溶液中痕量的双链Wang 与离子液发生静电相互作用等。
[55] 将离子液[ Bmim] PF DNA, 明确提出离子液咪唑6 直接用于萃阳离子头部与并用31 P NMR 和DNA FT⁃IR 磷酸基团发生静电作用的机理红外光谱等手段进行了验
, 证。 其结果表明, 离子液阳离子基团Bmim + 与DNA 分子磷酸基团P—O( 氧原子电子密度高) 相互作用促进萃取的发生, 同时这一过程中伴随着DNA 构象的改变。 通过进一步的共振光散射( RLS) 研究[56] 比较DNA⁃EB 复合物在水相和离子液相中不同的光
, 谱行为, 也验证了离子液咪唑阳离子头部与DNA 磷酸基团静电相互作用的机理, 并且证实了pH 值对静电作用的影响, 发现高pH 值能更好地促进离子液萃取DNA Xie DNA。
DNA 之静电结合的间等[25] 静电也作通过电化学的方法对离子液与
Co( 用进bpy) 行了3 3 验+ / 2 证+ 作为电化学探针。 他们使用能与,
比较有无离子液体存在时,DNA 溶液中电化学氧化还原特征峰的变化[Bmim]BF 。 当溶液中加入亲水性离子液
Co(bpy) 3 + 4 , / 2 离子液会和+ 进行竞争, 逐渐取代其与DNA 发生静电作用而与ctDNA 的相
互作用, 由于3 [ Bmim] BF 测到DNA 溶液中的氧化还原峰电流与没有加入离
4 几乎没有电活性, 所以检子液时相比会明显下降。 该研究首次得到了离子液与DNA 结合过程中的热力学和动力学参数, 如结合常数K 、 解离速率常数k 、 表面结合吉布斯能Δ G 等, 进一步揭示了结合过程的相互作用机理。 以上研究表明离子液与DNA 之间存在良好的亲合性, 二者的结合过程中, 离子液阳离子头部与DNA 磷酸基团发生了较强的静电作用。
最近,Wang 等[57] 使用荧光光谱分别测定了6
种离[Bmim]BF 子液[ C n 和吉布斯能4 与小牛胸腺mim] Br ( DNA n = 4, 相互作用的结合常数
6, 8, 10, 12 ) 以及
, 发现离子液与小牛胸腺DNA 相互作用
的结合常数高达10 5 的增加而增加; 结合过程中获得的吉布斯能发现离
L / mol, 并且随着烷基侧链长度子液体阳离子头部与DNA 之间的静电作用是两者4. 结合的主要作用力之一2 离子液阳离子基团上所带的不同长度烷基链的
离子液阳离子与核酸的疏水作用。
DNA 疏水性水环境中因存在的碱基堆积力使其碱基形成一个疏随着烷基侧链长度的增加而增强[44] 。 而
, 因此, 离子液烷基侧链与DNA 碱基之间也
可能存在疏水相互作用Ding 。
、 等[58] 通过电导率测定、 动态光散射、 低温
透射电镜圆二色光谱、 核磁共振等多种手段对离子液[Bmim] Cl 与小牛胸腺DNA 之间相互作用机理
进行研究, 证明了离子液咪唑阳离子头部与DNA 磷酸基团的静电作用; 而由荧光猝灭和傅里叶变换红
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2137 ·
外光谱实验结果发现在静电作用存在的同时, 离子液烷基侧链与DNA 碱基之间存在着疏水作用, 并且这种疏水作用可能强于静电作用, 是离子液与DNA 结合的主要驱动力之一。 他们通过等温滴定量热法得到的热力学参数也支持离子液与DNA 之间存在很强的疏水作用这一观点。 这是首次提出离子液与核酸之间的疏水相互作用并且由实验数据得到验证, 表明离子液与核酸分子之间的结合过程是由静电作用和疏水作用共同主导驱动的。 该研究还通过离子液与DNA 的相互作用机理提出了不同浓度的DNA 离子液与之间的比例DNA 结, 可控制离子液与合的模型。 通过调DNA 节离的结合行子液与
为、 结合量、DNA 构象变化和结合状态等。 这些研究对于离子液在生命科学领域的进一步应用具有重
要的指导意义Wang 等。
[57] 关于离子液体与小牛胸腺DNA 相
互作用的最新研究也表明疏水作用与静电作用是离4. 子液与核酸作用的主要作用力3 离子液阴离子与核酸的氢键作用。
离子液与核酸结合除受静电作用和疏水作用这
两种主要作用力共同作用外, 不同结构类型的离子液与核酸的结合可能还会出现其他的作用力。
与蛋白质相似, 在水溶液中水分子会在核酸表面形成水化层, 并与核酸磷酸基团形成氢键, 与碱基堆积力一起维持DNA 结构和性质的稳定。 离子液与DNA 的结合过程虽然没有化学键的形成, 但离子液可以中和DNA 分子的负电荷, 破坏DNA 分子与水分子间的氢键作用[53] 的离子液可能与DNA 。 发所以生氢, 某些含有特殊基团
键作用。 Uzagare 等[59] 研究了多种离子液在核酸化学中的应用, 比较了胸腺嘧啶在不同种类离子液中溶解性, 发现胸腺嘧啶在阴离子为甲磺酸酯和三氟醋酸这类含氧原子的离子液中的溶解性最好, 推测可能是由于含氧阴离子基团与胸腺嘧啶的2′⁃ 脱氧核苷之间存在的氢键作用, 造成胸腺嘧啶在这类离子液中溶解性高。
离子液与核酸相互作用主要是基于离子液阳离子头部与核酸的负电荷磷酸基团之间的静电作用以及离子液烷基侧链与核酸碱基之间的疏水作用。 此外, 某些离子液具有的特殊阴离子基团与核酸之间也可产生氢键作用。 目前离子液与核酸的研究大都考察离子液与DNA 磷酸基团和碱基之间的作用, 并没有区分单双链的差别DNA 的相互作用, 几乎没有关于与。 而且主要涉及离子液与的报道。
RNA 相互作用
缘摇基于离子液与生物大分子相互作用的应用
利用离子液与生物大分子间存在的相互作用, 可改善生物过程中的酶催化效率, 提高生物大分子的萃取分离效率, 也可促进生物分子的电化学检测5. 和电泳分离分析等应用1 离子液作为一种酶催化的酶催化
。
“ 绿色” 溶剂, 被广泛
应用于生物催化领域, 已经拥有十余年的历史。 离子液的蒸气压低, 方便回收利用, 其良好的生物兼容性可以增加酶的结构稳定性和催化活性。 在含有离子液的溶液或基质中, 离子液与酶分子相互作用, 可以破坏酶分子的天然结构, 改变酶分子的活性构象或活性位点, 促进酶分子与底物的结合, 从而改变酶在离子液中的催化活性。 有关离子液在酶催化方面的应用已有多篇综述[60—65] 离子液的溶剂性质和生物催化应用以及存在的关键, 介绍了生物催化中所用
问题, 深入讨论了离子液对酶结构、 活性、 稳定性和选择性的影响, 并提出如何稳定酶的结构和增加酶5. 的活性的方法2 离子液可以直接萃取生物大分子形成双水相体萃取分离。
系, 实现蛋白质和核酸的选择性分配。 利用某些离子液与蛋白质或核酸的特殊亲合性离子液在蛋白质分析中的应用, 。 包括离子液用于蛋
Chen , 可以直接从混合溶液中萃取蛋白质或核酸[41] 等[66] 综述了白质分离。 Ge 等[38] 利用离子液直接萃取酵母菌的蛋白质, 分别比较了21 种离子液的萃取效率, 确定甲酸⁃3⁃ 二甲胺基丙胺([Dmapa]FA) 萃取效率最高, 并可以萃取部分疏水性蛋白。 Wang 等[55] 使用疏水性离子液[Bmim]PF 统萃取手段相比, 该方法快速6 直接萃取痕量双链DNA, 与传、 萃取效率高、 蛋白质
和金属离子不会形成干扰, 而且在萃取过程中DNA 不会变性。 离子液的毒性低、 对环境污染小, 为分离纯化实际生物基质中的痕量核酸提供了很好的方法。
离子液与某些无机盐或糖形成的双水相体系, 可以选择性分配蛋白质, 分配系数的大小由蛋白质与离子液的相互作用决定[67] 、 原理以及萃取应用。 Li 等[68] 综述了离子液双水相体系的形成, 较全面地总结了离子液双水相发展过程。 Pei 等[69] 使用离子液BSA, ⁃ 无机盐双水相体系首次从含糖溶液中选择性分离物保留在下相中萃取率达到, 蛋白质与糖类得到很好地分离82. 7% —100% , 而大多数糖类化合。 Du
等[39] 首次报道了采用离子液[Bmim] Cl / K 2 HPO 4 双水相体系直接从人类的尿液中萃取分离蛋白质, 分相后蛋白质富集于上层离子液相, 分配系数约为10, 可以实现蛋白质的在线分离和量化分析。
5. 3 电化学检测是离子液最早应用的领域之一电化学检测
。 通
过离子液固定修饰电极, 利用离子液与蛋白质和核酸的相互作用, 能有效提高电化学分析检测蛋白质和核酸的灵敏度, 而且可以提供丰富的热力学和动力学数据, 从而为离子液与生物大分子相互作用研究提供理论依据。 关于离子液在电化学分析中的应用, 目前已有相关综述对其进行系统总结[70] Shangguan 等[71] 使用离子液1⁃ 丁基吡啶六氟磷酸盐
。 ([BuPy]PF 测到明显的电化学信号6 ) 修饰的电极检测葡萄糖氧化酶, 并将其成功用于检测人血
, 可检浆中的葡萄糖氧化酶。 Wang 等[72] 利用离子液测定HRP 的生物活性、 稳定性的直接电化学和电催化研究, 实现了HRP、cyt C、Hb、 。 基Sun Mb、 )⁃3⁃ 等过氧化氢酶[73] 使用一种新型离子液(Cat) 1⁃(3⁃ 叶绿素⁃2⁃ 羟丙甲基咪唑醋酸盐([Pmim]CH 极研究胸腺嘧啶的电化学行为, 发现该离子液能促
3 COO) 修饰的电进胸腺嘧啶氧化, 得到明显的电化学氧化峰, 该方法可以选择性地检测胸腺嘧啶。 5. 4 离子液具有较高的电导率毛细管电泳分离分析
, 可以涂层到毛细管内壁或者作为蛋白质毛细管电泳分离时的电解质添加剂。 离子液与毛细管壁键合, 形成离子液阳离子层, 不但可以减少硅羟基对被分析物的吸附作用, 还能减少和逆转电渗流, 从而提高毛细管电泳的分离效率, 加快分离时间以及提高分离度。
现3% Li 的离子液可以降低蛋白质在管内壁的吸附等[74] 将离子液添加至毛细管电泳缓冲液, 发
, 明显提高抗生物素蛋白的检测灵敏度。 Wu 等
[75]
利
用10mM [ C 20kV 电压下,14min 4 mim] BF 内完成了4 离子液作为电解质溶液, 在白蛋白(SA) 和α⁃ 乳清蛋白( α⁃LA) cyt C、Lyz、RNase 的基线分离, A、
理
论塔板数高达670 000。Li 等[76] 在电泳缓冲液中添加一种聚合离子液( PIL), 优化离子液体浓度、pH 值和缓冲液浓度等条件, 在最优条件下对4 种蛋白
质进行了较好分离。 Qin 等[14] 用咪唑离子液涂层的毛细管柱对DNA 进行电泳分析, 与传统聚丙烯酰胺涂层毛细管电泳相比, 该方法对900bps 以下的DNA 得到比较好的基线分离, 而且分析时间更短。
远摇展望
随着对离子液研究的深入以及新型离子液的不断出现, 其在生物大分子蛋白质和核酸的分离和分析检测研究中的应用将更加广泛。 目前, 有关离子液和生物大分子作用的机理研究尚不够深入, 还缺乏必要的离子液与生物大分子相互作用的模型分析。 通过离子液与生物大分子作用机理的研究和模型的建立, 有望进行离子液的定向设计合成, 以获得功能化的离子液, 拓展离子液在蛋白质和核酸分离分析及其他领域的应用。
参考文献
[ 1 ] Han X X, Armstrong D W. Acc. Chem. Res. , 2007, 40(11):
[ 2 ] 1079—1086
Mwongela S [ 3 ] Anal. M, Numan A, Gill N L, Agbaria R A, Warner I M.
Hu X L, Chem. Peng , 2003, J F, 75(22): 6089—6096
[ 4 ] Sci. Tzeng , 2009, Huang Y J, Yin D Q, Liu J F. J. Sep.
Y P, Shen 32(23 C / W, 24): Yu 4126—4132
T. J. Chromatogr. A, 2008, [ 5 ] (1 Sharifi / 2): 1—6
1193
[ 6 ] Lett. Xu Y , A, Barazandeh M, Abaee M S, Mirzaei M. Tetrahedron
H, 2010, Li J, 51(14): Wang E 1852—1855
K. J. Chromatogr. A, 2008, 1207(1 /
[ 7 ] 2): Erbeldinger 175—180
M, Mesiano A J, Russell A J. Biotechnol. Prog. ,
[ 8 ] 2000, Gamba 16(6): 1129—1131
[ 9 ] Catal. Sate , M, Alexandre, Lapis A M, Dupont J. Adv. Synth.
[10] R, Roosen Lu D, 2008, J Janssen 350(1): C, R. Müller Green M P, Chem. H A, 160—164
Stephens Greiner , 2007, G, Sheldon R A, Seddon K
L. Appl. 9(8): Microbiol. 859—867
Biotechnol. ,
[11] 2008, Dreyer 81(4): S, Salim 607—614
P, Kragl U. Biochem. Eng. J. , 2009, 46(2):
[12] 176—185
Pei Technol. Y C, Wang J J, Wu K, Xuan X P, Lu X J. Sep. Purif. [13] Shu [14] 637—642
Y, , Chen 2009, X 64(3): W, Wang 288—295
J H. Talanta, 2010, 81 ( 1 / 2 ): [15] Qin Xu W D, [16] 4597—4605
Y H, Jiang Fong H, S, Wang Li Y. E Analyst, K. Electrophoresis, 2003, 128(1): 2007, 37—41 28(24): Jiang Chim. T F, Gu Y L, Liang [17] Chitta [18] Chem. K Acta, B, Li J B, Shi Y P, Ou Q Y. Anal. R, 2003, van Meter 479(2): D S, 249—254
Stalcup A M. Li [19] Chromatographia, D, , Wang 2010, 396(2): Anal. Bioanal. Z M, Wang 775—781
L, Qu C L, Zhang H Q. Huang 2009, 70(5 / 6): 825—830
[20]
Bioanal. K, Xu Y, Wang Chem. Han X X, Zhang X T, Armstrong D W. Anal. E. , J. 2007, Chromatogr. 389(7 / 8): A, 2265—2275
2009, [21] 4823
1216(24): 4817—
Marszall M P, Kaliszan R. Anal. Chem. , 2007, [22] 140
37(2): 127—
Buszewski B, Studziska S. Chromatographia, 2008, 68 (1 / 2):
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2139 ·
[23] 1—10
Berthod [24] 2008, Corradini 1184(1 A, Ruiz⁃ángel (11): D, Nicoletti / 2): 6—18
M J, Carda⁃Broch S. J. Chromatogr. A,
I, Bonn G K. Electrophoresis, 2009, 30 [25] Xie B, Y N, 1869—1876
Wang S F, Zhang Z L, [26] Zhang 2008, Pang D W. J. Phys. Chem. [27] 2877—2889
L Q, 112(32): Li H R. 9864—9868
Acta. Phys. Chim. Sin. , 2010, 26(11): Sun [28] Eng. N, Zhang S J, Zhang X P, Li 王仲妮, 2005, Z X. Chinese J. Process. 周武(Zhou (Wang 5(6): W). Z N), 689—702
化学进展王洁莹( Prog. (Wang Chem. J Y), ), 司友华2008, ( 20(7 Si Y / H), 8): [29] 1057—1063
Anderson [30] 78(9): J L, Armstrong D W, Wei G T. Anal. Chem. , 2006, Li [31] Res. X X, 2892—2902
Xu X D, Dan Y Y, Feng J, Ge L, Zhang M Judge Technol. A [32] 3469
Z, Chiu R A, M Takahashi , 2008, L. Cryst. S, 43(10): Growth. Longenecker 1062—1068
L. Cryst. Des. K , L, 2009, Elizabeth 9 (8): H F, 3463— Cele Dariusch [33] 31 Chen (6): H, 911—916
Dirk H, Dirk W B. Chem. Eng. Technol. , 2008, [34] 2241—2248
X W, Ji Y P, Wang J H. Analyst, 2010, 135 ( 9 ): Diana [35] 2007, C, Hermann W, Christian H. Angew. Chem. Int. Liu [36] 2432—2436
L 46(46): Y, Chen 8887 H Z. —8889
Ed. , Chinese Sci. Bulletin, 2006, 51 (20 ): Byrneand 707—714
N, Angell C A. J. Mol. Biol. , 2008, 378 ( 3 ): [37] Cui [38] 506
G Y, Ni M X. Prog. Phar. Sci. , 2010, 34 (11): 499— Ge [39] Talanta, L Y, Wang X T, Tana S N, Tsai H H, Yong J W H, Hua L.
Du [40] 2130—2137
Z, Yu 2010, Y L, 81(4 Wang / 5): J H. 1861—1864
Chem. Eur. J. , 2007, 13 (7 ): 姜大雨(Ma 剂(China C (Jiang H), Reagens), 闫永胜D Y), (Yan 朱红2010, Y (Zhu S), H), 32(9): 王庆伟王良805—810
(Wang (Wang Q W). L), 马春宏化学试[41] Han [42] Sci. B, Zhang L H, Liang Z, Qu F, Deng Y L, Zhang Y K. Wen Sin. [43] Chim. Y Chim. , 2010, 40(10): 1487—1495
Li Acta, L, Yang X D, Hu G H, Chen S H, Jia N Q. Electro⁃ [44] (Natural Z Y, Pei 2008, Y C, 54(2): Wang J 744—748
J. J. Henan Normal University Chun [45] (15): S V, Science), Dzyuba 2010, S, Bartsch 38(1): R A. 100—104
Anal. Chem. , 2001, 73 [46] (5): Cheng D 3737—3741
H, Chen X W, Shu Y, Wang J H. Talanta, 2008, 75
Page [47] Phys. T 1270—1278
Micaelo Chem. A, Kraut B, N 2009, D, Page 113(38): P M, Baker G A, Bright F V. J. [48] 2566—2572
N M, Soares C M. J. Phys. 12825—12830
Chem. B, 2008, 112(9): [49] Wang Chen [50]
40(1): X K, W, Wang Liu J Y F. J, J. Su Mol. Y, Wang Cata. J , H. 2009, Sci. 23(1): Sin. Chim. 73—77 , 2010, 程德红(Cheng 63—69
D H), 陈旭伟(Chen X W), 舒杨(Shu Y), 王
建华( Wang J H). 分析化学( Chinese J. Anal. Chem. ), [51] 2008, 吴会灵36(9): 何锡文(Wu ( He H 1187—1190
X L), W). 杨芃原分析(Yang 化学( P Chinese Y), 张重杰J. Anal. (Zhang Chem. Z J),
), [52] 2004, Vijayaraghavan 32(9): 1256—1261
MacFarlane 1675—1677
D R. R, Angew. Izgorodin Chem. A, Ganesh Int. Ed. V, , Surianarayanan 2010, 122 ( 9 M, ): [53] Lee S [54] Angew. I, C Mun K, Shin J Y, S R, Lee S H, Jeon J H, So I, Kang T M, Kim Nishimura Chem. Han Int. S Ed. S, , Spinks G M, Wallace G G, Kim S J. [55] 2299—2304
N, Ohno H. J. 2008, Mater. 120(13): Chem. 2504—2508
, 2002, 12 ( 8 ): Wang [56] Chem. J H, Cheng D H, Chen X W, Du Z, Fang Z L. Anal. Cheng , [57]
2007, D 2007, H, Chen 79(2), X W, 620—625
Wang J H, Fang Z L. Chem. Eur. J. , Wang H 13(17): Y, Wang 4833—4839
J J, Zhang S B. Phys. Chem. [58] 2011, Chem. Phys. , Ding Y 13: H, 3906—3910
Zhang L, Xie J, Guo R. J. Phys. Chem. B, 2010,
[59] 114(5): Uzagare M 2033—2043
C, Sanghvi Y S, Salunkhe M M. Green [60] 2003, Sheldon 5(4): Chem. ,
R A, 370—372
Lau R M, Sorgedrager M J, van Rantwijk [61] Seddon Park S, K Kazlauskas R. Green R Chem. J. Curr. , 2002, Opin. 4(2): Biotech. 147—151
F,
, 2003, [62] 432—437
14(4):
Yang Z, Pan W B. Enzyme. Microb. Tech. , 2005, [63] 19—28
37 (1 ):
Moon Y H, Lee S M, Ha S H, Koo Y [64] Eng. Zhao , H. 2006, J. Chem. 23(2): M. Korean J. Chem.
Technol. 247—263
Biotechnol. , [65] 907
2010, 85(7): 891—
Moniruzzamana Biochem. M, Nakashimab K, Kamiyaa N, Goto M. [66] Chen 1222—1226
X W, Eng. Liu J. J W, , 2010, Wang 48(3): J H. Anal. 295—314
Methods, 2010, 2(9): [67] Gutowski Swatloski K [68] 2003, R E, P, Holbrey Broker G J D, A, Rogers Willauer R D. H J. D, Am. Huddleston Chem. Soc. J G, , Li [69] Chem. Z Y, 125(22): Pei Y C, 6632—6633
Wang H Y, Fan J, Pei Chem. Y C, , 2010, Wang J J. Trends Anal. Li Z 29(11): Y, Liu L, 1336—1346
Wang J J, Wang H Y. Sci. [70] Shiddiky , 2010, China [71] 13: M J A, 53(7): Torriero 1554—1560
A A J. Biosens. Bioelectron. Shangguan 1—13
, 2010, [72] Commun. X D, Zhang H Wang [73] Commun. S F, , 2008, F, Zheng J B. Electrochem. Chen 10(8): T, Zhang 1140—1143
Z Sun [74] Electrochim. W, Xi , 2007, L, Pang D W. Electrochem. M Y, 9(6): Zhang 1337—1342
L, Zhan T R, Gao H W, Jiao K. Li [75] 13: T, Li B L, Acta, Dong 2010, S J, 56(1): Wang E 222—226
K. Chem. Eur. J. , 2007, Wu 8516—8521
[76]
Electrophoresis, X P, Wei W P, Su Q M, Xu L J, Chen G N. Li 2008, 29(11): 2356—2362
2010, J, Han 674(2): H F, Wang 243—248
Q, Liu X, Jiang S X. Anal. Chim. Acta,
第23 卷第10 期化 学 进 展
Vol. 23 No. 10 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究
张 涛†1 陈 凡†1 盖青青1 屈 锋1∗∗ 张玉奎2
2. 中国科学院大连化学物理研究所 大连116023 )
( 1. 北京理工大学生命学院 北京100081 ;
∗
摘 要 离子液因其具有良好的生物兼容性和独特的理化性质, 近年来在生物催化和生物大分子蛋白质与核酸的分离分析领域得到广泛应用。 离子液与生物大分子相互作用的研究是离子液相关理论与应用研究的基础, 有关离子液与蛋白质和核酸相互作用的机理研究受到关注。 本文简要介绍了常用离子液的分类, 离子液与蛋白质分子作用的机理, 离子液与核酸分子作用的机理, 以及离子液在酶催化反应、 生物分子分离、 生物分子电化学分析和毛细管电泳分析中的应用, 并主要综述了近年的相关研究和应用进展。
关键词 离子液 蛋白质 核酸 相互作用
中图分类号: O657. 1; O629. 7 文献标识码: A 文章编号: 1005⁃281X(2011)10⁃2132⁃08
Ionic Liquids and Protein / Nucleic Acid Interaction
(1. School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;
Zhang Tao †1 Chen Fan †1 Gai Qingqing 1 Qu Feng 1∗∗ Zhang Yukui 2
2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China)
been widely applied in biological catalysis and proteins and nucleic acids separation due to their good compatibility
Abstract Room⁃temperature ionic liquids( ILs) have aroused considerable interest recent years. They have
and unique properties. The interaction of ionic liquids and biological macromolecules is the foundation of their
theory and application study. In this paper, the types of common used ILs, the principle of interaction between ionic liquids and protein, and ionic liquids and nucleic acid are introduced respectively. Furthermore, the recent capillary electrophoresis analysis is reviewed.
Key words ionic liquids; protein; nucleic acids; interaction
3. 4 Coordination interaction 4. 1 Electrostatic interaction
application of ILs in biological catalysis, biological molecules separation electrochemical analysis as well as
Contents
1 Introduction 2 Type of ILs
3 Interaction between ILs and protein 3. 1 Electrostatic interaction 3. 2 Hydrophobic interaction 3. 3 Hydrogen bond interaction
† 共同第一作者
收稿: 2011 年1 月, 收修改稿: 2011 年3 月
4 Interaction between ILs and nucleic acid 4. 2 Hydrophobic interaction
protein and nucleic acid 4. 3 Hydrogen bond interaction 5. 1 Enzyme⁃catalyzed reaction
5 Application of ILs based on the interaction between
∗ 国家重点基础研究发展计划(973) 项目(No. 2007CB914101) 和国家自然科学基金项目(No. 20875009) 资助∗∗Corresponding author e⁃mail:qufengqu@ bit. edu. cn
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2133 ·
5. 5. 2 Extraction separation 6 5. 3 4 Electrochemical Separation and analysis analysis
Outlook
in CE
1 前言
liquids, 20 世纪80—90 年代以来, 离子液( ionic
子液或室温熔融盐ILs) 的研究日益广泛) 是指在室温或接近室温下呈现。 离子液( 又称室温离液态的融盐, 通常由特定的有机阳离子和无机阴离子构成[1,2] 且相比有机溶剂表现出很多独特的理化性质。 它不仅具有传统有机溶剂的优势[3,4] , 而
如室温下稳定性好、 蒸气压低、 不可燃、 溶解能力强, 和导电性好等。 更重要的是, 可通过改变阳离子和阴离子种类而改变离子液的理化性质。 因此, 离子液成为一种可人为设计的“ 绿色溶剂” [5,6] 作为有机溶剂的替代品一直应用于有机合成。 离子液、 电化学等领域。 自从Erbeidinger [7] 首先报道离子液作为酶促反应介质可提高酶的稳定性和活性以来, 研究发现许多酶都能在ILs 及其形成的两相体系或单相体系中保持催化活性, 因此ILs 作为生物催化反应的溶剂或共溶剂的研究备受关注,ILs 以其独特的优势成为生物催化反应研究的热点[8—10] 液在生物分子分离分析方面也取得新的应用进展。 此外, 离子, 如其在酶催化、 蛋白质和核酸的萃取分离[11—14] 在色谱、 电泳和电化学分析等生物分子分析检测中、 及的应用[15—24] 离子液在生物催化和分离分析领域的应用。
, 涉及离子液与生物大分子相互作用的机理研究。 由于离子液的结构多样性和可设计性, 它可承载多种功能基团, 而生物大分子种类繁多、 结构复杂, 因此二者之间的相互作用机理比较复杂。 目前离子液与蛋白质、 核酸等生物大分子相互作用机理的研究还相对较少, 这可能与离子液几乎没有活性, 很难直接产生光学、 电学以及热力学信号, 因此很难直接检测到其与生物大分子相互作用的物理化学信息有关[25,26] 作用的机理研究。 本文将对离子液与蛋白质和核酸的相互, 以及近年来离子液在生物大分子
酶催化和分离分析中的应用进行综述。
2 离子液的分类
离子液种类繁多, 通过改变阴离子和阳离子的组合可产生成千上万种离子液, 因而可设计和满足各种不同需求的离子液。 中国科学院张锁江课题组
在2005 年建立了离子液体数据库, 当年已收集包含了276 种阳离子、55 种阴离子和588 种离子液的物
理化学性质, 并且不断的更新和丰富[27] 目前, 用于蛋白质和核酸相关领域的离子液种
。
类相对较少, 根据阳离子组成的不同, 主要分为4 类[28,29] 烷基季铵盐类离子液:(1) 咪唑类离子液;(4) ;(2) 烷基季吡啶类离子液 盐类离子液;(3) 。 其中, 以烷基取代的咪唑基离子液和晕⁃ 烷基取代的吡啶类离子液的研究和应用较常见。 上述组成的离子液中, 常见无机阴离子主要有Cl - PF 6 - 、NO 3 - 、CF 3 SO 3 - 、NTf 、AlCl 4 - 、BF 4 - 、
2 - 3 离子液与蛋白质的相互作用
、HSO 4 - 和CF 3 CO 2 - 等。 离子液与蛋白质相互作用时可以改变生物大分子理化性质, 并通过离子液的功能基团直接或间接作用于生物大分子。 离子液种类繁多, 其阳离子、 阴离子和功能基团, 都可与蛋白质产生作用, 改变蛋白
质的结晶行为[30—33] 、 变性温度[34] 和溶解性能[35] 以及改变酶的活性和稳定性等[36,37] 作为蛋白质结晶的添加剂, 可改变蛋白质的晶体结。 例如离子液, 构, 提高结晶的均一性, 促进蛋白质的结晶行为[30,32] 咪唑[33] 。 或某些特殊的离子液1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑四氟硼酸盐, 如溴化1⁃ 丁基[31] ⁃3⁃ 能够控甲基制蛋白质结晶的生长速度, 形成均一稳定的结晶形态。 离子液作为酶催化的介质或者酶催化反应的助溶剂或添加剂, 具有重大的应用前景。 某些离子液可以增强蛋白质的溶解性能, 选择性地提高酶的催化活性, 提高酶催化的效率[35—37] 液却使蛋白质的变性温度降低, 破坏蛋白质的热稳
。 相反, 某些离子定性, 而且疏水作用越强, 这种破坏作用越强[34] 此外, 离子液还可特异性地吸附或萃取蛋白质[38] 。
甚至可通过形成离子液双水相体系对蛋白质进行选, 择性分配[39—41] 蛋白质在某些离子液中通常不溶解。
[8] 白质与离子液之间没有明显的化学键合。 可溶解于, 说明蛋
离子液中的蛋白质, 其在离子液中的紫外光谱最大吸收峰和红外光谱红外特征吸收峰没有发生明显位
移和强度的变化, 也说明离子液与蛋白质之间没有发生化学键合[39,42] 常以静电作用、 疏水作用。 然而离子液中的阴、 氢键作用、 范德华力、 阳离子通
、 盐析效应和空间位阻作用等与蛋白质的一些特定功能基团相互作用。 因此离子液与蛋白质作用通常是由多3. 种作用力共同导致1 离子液阳离子与蛋白质的静电作用, 较难明确其主要作用力。
离子液与蛋白质作用时, 主要是离子液中阳离子起主要作用。 蛋白质作为两性分子其带电性质受介质pH 影响, 调节介质pH 值可使蛋白质带负电荷, 便于与离子液的阳离子部分发生静电作用。 溴化1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑/ 磷酸氢二甲离子液双
水相体系([Bmim]Br / K 着体系pH 的变化而改变2 HPO , 说明蛋白质的分配主要4 ) 中, 蛋白质的分配随
由静电作用决定蛋白质[39] 含量相对较低。 当蛋白质带正电时其在离子液相中的, 并可利用静电作用选择性地分离
, 而随着pH 值减小, 蛋白质带正电荷
增加, 与离子液正离子产生排斥作用增强, 使萃取率降低; 当溶液的pH 值大于蛋白质的等电点时, 因蛋白质带负电荷Dreyer 等, 其在离子液相中的含量增加。
[11] 考察了4 种模板蛋白在不同离子
液/ 盐双水相体系中的分配主要是受静电作用和蛋白质分子量的影响。 调整体系pH 值可改变蛋白质表面的带电性质, 并证明静电作用主要是在蛋白质表面的氨基酸残基和离子液中阳离子间产生。 Pei 等[12] 考察了烷基侧链不同的咪唑基离子液双水相中,pH 值对牛血清白蛋白( BSA)、 胰蛋白酶( Try)、 细胞色素C(cyt C) 和γ⁃ 球蛋白(γ⁃globulins) 的分配3. 影响2 , 离子液阳离子与蛋白质的疏水作用
探讨了蛋白质在双水相中分离的热力学模型。
天然状态下, 蛋白质的疏水基团( 如芳香烃基
团和长链脂肪烃残基) 会导致蛋白质折叠包埋而形成疏水性内核区域。 离子液阳离子与蛋白质的疏水作用研究较多的是带正电的咪唑环和疏水烷基侧链与蛋白质的相互作用( 唑类阳离子相似色氨酸、 苯丙氨酸和酪氨酸残基。 蛋白质的芳香烃氨基酸残基, 都含有具有π 电子的芳香环) 的分子结构与咪。 当
咪唑基与氨基酸基团靠近时, 二者间π 电子将发生
较强的π⁃π 共轭作用。 Pei 等[12] 报道咪唑类离子液双水相体系能够有效地从水溶液中萃取分离蛋白质, 是因为等电点附近, 静电作用最弱而疏水作用最强, 蛋白质从富盐相转移到离子液相是由蛋白质表面暴露的氨基酸残基与离子液阳离子咪唑环之间的疏水作用驱动。 李志勇等[43] 利用荧光光谱测定了离子液溴化1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑[ Bmim] Br、 溴化1⁃ 己基⁃3⁃ 甲基咪唑([ Omim] Br)、 溴化1⁃ 辛基⁃3⁃ 甲基咪唑([ Hmim] Br) 对蛋白质( BSA、 Lyz) 的荧光猝灭, 表明离子液使蛋白质的荧光发生猝灭有一定规律可循, 猝灭是由离子液与蛋白质的相互碰撞引起, 且是一个动态猝灭过程。 热力学研究表明, 猝灭过程是一个熵驱动过程, 其中疏水相互作用是其主要特征。
除离子液基团与蛋白质间的π⁃π 共轭作用外, 离子液阳离子的疏水性烷基链也能与蛋白质的疏水性长链脂肪烃残基发生疏水作用, 从而导致蛋白质结构发生变化。 在双水相体系中, 离子液阳离子烷基侧链的长度可影响蛋白质在双水相体系的分配[44] 的增长而提高。 蛋白质的萃取率随着离子液阳离子烷基链
[45] , 在疏水性较强的离子液双水相中3. 得到较高的萃取率3 离子液阴离子与蛋白质的氢键作用。
蛋白质水溶液中, 蛋白质分子的结构和活性均
受其分子表面的水含量控制。 水在蛋白质表面形成水化层, 并与蛋白质表面的氨基酸残基发生氢键作用, 使蛋白质分子保持原始形态和活性。 离子液中无机阴离子与蛋白质的作用主要体现在阴离子可破坏原水分子与蛋白质间形成的氢键, 并与蛋白质重新形成氢键, 导致蛋白质分子表面的水分含量改变, 从而引起蛋白质分子空间构象以及活性的改变。
离子液阳离子与阴离子之间通过氢键作用缔合, 但不同阴离子因氢键碱度不同, 对蛋白质和水之间的氢键破坏作用也不同[46] 强氢键碱度和亲核性, 容易破坏蛋白质与水形成的。 亲核性阴离子具有
氢键, 并与蛋白质的氨基酸重新形成氢键, 从而破坏蛋白质分子的活性构象, 降低蛋白质分子的活性。 而某些具有较低氢键碱度的阴离子, 则不会破坏原有的氢键, 其与蛋白质氢键间相互作用较弱, 不会对蛋白质的构象乃至活性产生影响Micaelo 等。
[47] 考察离子液1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑六氟磷酸盐([ Bmim] PF 盐([Bmim]NO 6 3 ) 体系, ) 在不同温度下增加水分子含
和1⁃ 丁基⁃3⁃ 甲基咪唑硝酸量对酶活性和热稳定性的影响, 证实阴离子的影响起重要作用。 PF 能力相对较弱, 故不易破坏水分子和蛋白质间已形
6 - 具有较低的氢键碱度, 夺取水的成的氢键, 因此它具有更好的生物亲合性, 其存在有利于提高酶的热稳定性; 而NO 低, 推测其原因是NO 3 - 则会导致酶活性降氢键, 导致蛋白质表面水含量的明显降低3 - 会与蛋白质分子形成大量的, 并破坏了原蛋白质分子内部主链上的氢键, 尤其是作用于α 螺旋和环区肽键的酰胺基, 在低水含量时会导致蛋白质二级结构的改变以及活性降低。 Wang 等[48] 发现阴离子HSO 阴离子的氢键碱度和亲核性越强4 - 、Cl - 、NO 3 - 均导致酶的活性下降, ( HSO 程度越大NO 3 - ) 就越容易与酶形成氢键。 Diana 等[34] 发现含有, 导致酶的活性下降4 - > Cl - >
BF 4 - 、PF 6 - 和NTf 2 -
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2135 ·
阴离子的离子液中, 蛋白质的酶活性不会改变, 但在含有Cl - 质的活性丧失、NO 3 - 。
、CF 3 SO 3 - 等阴离子的离子液中蛋白
除了直接与蛋白质发生氢键作用外, 离子液阴离子的疏水性也可间接影响蛋白质。 阴离子的疏水性越强, 水的存在更容易破坏阳离子与阴离子之间的氢键缔合, 导致更多的阳离子从离子液中解离, 从而增加离子液阳离子与蛋白质作用的机会。 Diana (RNase 等[34] 研究A) 不热变性温度的影响同阴离子的离子液, 证实阴离子的疏水对核糖核酸酶A
性会影响蛋白质的热稳定性。 离子液阴离子的疏水
3. 性越强4 血红蛋白血红素基团与咪唑阳离子的配位作用, 越有利于蛋白质的变性。
(Hb)、 肌红蛋白(Mb)、 辣根过氧化物
酶(FRP) 和cyt C 等蛋白质的疏水核心区域均含有血红素基团。 该基团中的亚铁原子为五配位结构, 其空余的第六配位位置可与配体结合。 咪唑阳离子是较强的共价配体, 它比氨基酸中的中性咪唑基团具有更强的配位作用, 可改变蛋白质分子构象, 促进蛋白质氨基酸链的伸展, 使较多的疏水区域暴露在蛋白质分子表面, 从而影响蛋白质的催化活性和稳3. 定性。
唑阳离子的配位作用
4. 1 血红蛋白、 肌红蛋白和辣根过氧化物酶与咪研究发现,Hb、Mb 和FRP 易与咪唑阳离子发生配位作用。 Cheng 等[45] 考察了1⁃ 丁基⁃3⁃ 三甲基硅C、BSA、 烷咪唑六氟磷酸盐(TRF) 载脂蛋白⁃ 肌([ 红Btmsim] 蛋白( A⁃Mb) PF 6 ) 对和Hb、 转铁Mb、 蛋cyt 白血清中选择性地分离血红蛋白的直接萃取, 并利用[ Btmsim] 。 结果显示只有血红PF 6 实现了从
蛋白和肌红蛋白可被萃取到离子液中, 而其他蛋白则不被萃取。 通过57 测定, 证实血红蛋白和肌红蛋白中的血红素基团可Fe 穆斯堡尔光谱和圆二色光谱
与离子液Btmsim + 形成配位键, 形成了Btmsim + 红素基团复合物。
⁃ 血其中, 介质pH 值、 离子液阴离子种类和疏水性也影响血红素基团与离子液阳离子的配位作用。 陈旭伟等[49] 制备了亲水性离子液1⁃ 乙烯基⁃3⁃ 甲基咪唑氯代盐pH ⁃PVC 复合物([ Nmim] Hb 值可以选择性吸附血红素基团外露发生去折叠和肽链伸展Hb 和, 血红素中的亚铁原子与咪唑发生
, 从而使包埋在肽链中的cyt Cl⁃PVC), C。 酸性条件导致
调节溶液Hb 配位结合而使形态发生转变Hb , 的吸附量增加结构由松散变为紧密; 随pH , 值的增大其疏水基
,
又被包埋在Wang 等Hb 内部致使吸附量产生下降趋势。
[48] 研究了HSO [Emim] 4 、[Bmim]Cl、[Bmim]NO BF 4 、 [ Bmim] BF FRP 在7 种亲水性离子液
4 、 [ Omim] BF 4 、 [ Bmim ]
的活性与稳定性变化, 发现不同阴离子对血红素基3 和[Bmim]CF 3 CO 2 中团和咪唑阳离子的配位作用产生不同的影响较强的Hb [Btmsim] 属于亲水性蛋白质PF 6 中, 但结果表明, 本质上应不溶于疏水性
。
Hb 反而倾向
于分配到疏水性的离子液中, 这可以证明离子液阳离子本身
, 并且随着离子液疏水性的增加而增加[45] 的疏水性也会影响咪唑环与血红素基团的配位作用。 原因可能是由于咪唑基阳离子疏水性增加会减弱咪唑环C N 上的电子云密度, 增加咪唑阳离子上+ 3. 4. 基团对2 Cyt 细胞色素Fe 的配位能力C 虽然含有血红素基团C 与咪唑阳离子的配位作用。
因铁原子的6 个配位位置已被具有较强配位能力的, 但在中性条件下,
配体(Histidyl⁃18 和Methionyl⁃80) 所占据, 故无法和
咪唑阳离子基团结合。 因此,[ Btmsim] PF [45]
6 以及
[Nmim] 影响。 但在酸性条件下Cl⁃PVC [43] 不会对cyt C 的分配和吸附产生
,cyt C 发生构型转变, 肽链伸展, 使疏水性基团外露, 增加了cyt C 与离子液配位作用的机会; 当pH
与Methionyl⁃80 的配位断裂, 空出第6 个配位空间, 离子液咪唑阳离子进入到肽链孔穴与铁原子发生配位, 形成新的配位键。 Cheng 等[50] 发现在酸性条件下离子液可以萃取cyt C,pH = 1 时,cyt C 的萃取率达到pH 85% 。 从吸收光谱可看出,cyt C 的吸光度随肽链中的疏水性基团及血红素外露值降低而明显增大, 表明其肽链伸展, 增加了疏水基, 使包埋在
团与离子液的接触机会, 从而有利于cyt C 转移到离子液中。 以上研究说明, 因酸度影响cyt C 的结
构,cyt C 与咪唑阳离子的配位作用受溶液酸度影响很大。
目前已知离子液是通过静电作用、 疏水作用、 氢键作用以及特殊蛋白质与离子液的配位作用等多种作用力协同作用导致蛋白质的物理、 化学和生物学性质的变化, 但离子液与蛋白质相互作用机理的研究还不够深入。
源摇离子液与核酸的相互作用
核酸是储存、 复制及表达遗传信息的生物大分子, 其与生长、 发育等重要生命活动以及癌变、 突变等异常生命过程密切相关[51] 。 随着涉及离子液与
核酸相关的研究逐渐增多, 探究离子液与核酸相互作用机理, 考察离子液对核酸分子活性和构象变化的影响具有重要的意义。 相比在蛋白质和酶方面的应用, 离子液在核酸领域的应用研究较少, 近几年才开始陆续有相关报道。 研究结果表明, 与蛋白质的相互作用类似, DNA 在离子液中有很好的稳定
性[52] 价结合, 离子液与, 没有发DNA 生化分子的结合过程中通过非共DNA 作用。 相互结合的主要作用力也是静电作用和疏水学变化[53] 。 驱动离子液与DNA 中的磷酸基团带有大量的负电荷, 而离子液阳离子头部易与磷酸基团发生静电结合。 同时, 离子液的烃链与DNA 碱基之间也会产生疏水作用。 此外, 离子液与核酸的结合过程中可能也存在氢键作用。 在离子液与DNA 的结合过程中,DNA 4. 的构象会在一定程度上发生变化1 离子液阳离子与核酸的静电作用。
离子液中阳离子的类型主要影响其性质。 核酸
分子中带有大量的磷酸基团, 因此具有很高的负电性。 离子液与核酸分子结合过程中, 离子液阳离子基团会与带负电的核酸分子发生明显的静电作用。 目前研究表明, 静电作用是二者相互作用的主要机理, 该机理已通过多种研究手段得到了验证。 导率时发现Nishimura ,DNA 等
[54]
最早在制作DNA 薄膜测定电
薄膜中混入一定浓度丁基咪唑四氟硼酸盐离子液([ EtIm] BF 有明显的增大; 并且当DNA 4 的质量分数低至) 后, 其离子电导率会
7% , 离子液质量分数为97% 时依然能形成DNA 薄膜, 说明离子液与DNA 之间存在高亲合性。 经离子液诱导的DNA 水凝胶纤维形成的实验也发现离子液与DNA 有良好的亲合性[53] 。 Qin 等[14] 通过一种烷基咪唑离子液涂层的毛细管(ILCC) 进行DNA 电泳分析时发现DNA 片段与毛细管内壁涂层的离子液之间有静电相互作用, 在DNA 片段小于900bps 的范围内,DNA 电荷密度随其片段尺寸的增大而增加, 尺寸越大的DNA 片段与毛细管内壁离子液涂层的作用更强DNA , 在电泳过程中受到的阻力更大。 比较管电泳中的电泳行为在离子液涂层毛细管和聚丙烯酰胺涂层毛细, 发现在离子液涂层的毛细管中,DNA 的电泳迁移时间更长, 且峰形更不对称, 说明DNA 取水溶液中痕量的双链Wang 与离子液发生静电相互作用等。
[55] 将离子液[ Bmim] PF DNA, 明确提出离子液咪唑6 直接用于萃阳离子头部与并用31 P NMR 和DNA FT⁃IR 磷酸基团发生静电作用的机理红外光谱等手段进行了验
, 证。 其结果表明, 离子液阳离子基团Bmim + 与DNA 分子磷酸基团P—O( 氧原子电子密度高) 相互作用促进萃取的发生, 同时这一过程中伴随着DNA 构象的改变。 通过进一步的共振光散射( RLS) 研究[56] 比较DNA⁃EB 复合物在水相和离子液相中不同的光
, 谱行为, 也验证了离子液咪唑阳离子头部与DNA 磷酸基团静电相互作用的机理, 并且证实了pH 值对静电作用的影响, 发现高pH 值能更好地促进离子液萃取DNA Xie DNA。
DNA 之静电结合的间等[25] 静电也作通过电化学的方法对离子液与
Co( 用进bpy) 行了3 3 验+ / 2 证+ 作为电化学探针。 他们使用能与,
比较有无离子液体存在时,DNA 溶液中电化学氧化还原特征峰的变化[Bmim]BF 。 当溶液中加入亲水性离子液
Co(bpy) 3 + 4 , / 2 离子液会和+ 进行竞争, 逐渐取代其与DNA 发生静电作用而与ctDNA 的相
互作用, 由于3 [ Bmim] BF 测到DNA 溶液中的氧化还原峰电流与没有加入离
4 几乎没有电活性, 所以检子液时相比会明显下降。 该研究首次得到了离子液与DNA 结合过程中的热力学和动力学参数, 如结合常数K 、 解离速率常数k 、 表面结合吉布斯能Δ G 等, 进一步揭示了结合过程的相互作用机理。 以上研究表明离子液与DNA 之间存在良好的亲合性, 二者的结合过程中, 离子液阳离子头部与DNA 磷酸基团发生了较强的静电作用。
最近,Wang 等[57] 使用荧光光谱分别测定了6
种离[Bmim]BF 子液[ C n 和吉布斯能4 与小牛胸腺mim] Br ( DNA n = 4, 相互作用的结合常数
6, 8, 10, 12 ) 以及
, 发现离子液与小牛胸腺DNA 相互作用
的结合常数高达10 5 的增加而增加; 结合过程中获得的吉布斯能发现离
L / mol, 并且随着烷基侧链长度子液体阳离子头部与DNA 之间的静电作用是两者4. 结合的主要作用力之一2 离子液阳离子基团上所带的不同长度烷基链的
离子液阳离子与核酸的疏水作用。
DNA 疏水性水环境中因存在的碱基堆积力使其碱基形成一个疏随着烷基侧链长度的增加而增强[44] 。 而
, 因此, 离子液烷基侧链与DNA 碱基之间也
可能存在疏水相互作用Ding 。
、 等[58] 通过电导率测定、 动态光散射、 低温
透射电镜圆二色光谱、 核磁共振等多种手段对离子液[Bmim] Cl 与小牛胸腺DNA 之间相互作用机理
进行研究, 证明了离子液咪唑阳离子头部与DNA 磷酸基团的静电作用; 而由荧光猝灭和傅里叶变换红
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2137 ·
外光谱实验结果发现在静电作用存在的同时, 离子液烷基侧链与DNA 碱基之间存在着疏水作用, 并且这种疏水作用可能强于静电作用, 是离子液与DNA 结合的主要驱动力之一。 他们通过等温滴定量热法得到的热力学参数也支持离子液与DNA 之间存在很强的疏水作用这一观点。 这是首次提出离子液与核酸之间的疏水相互作用并且由实验数据得到验证, 表明离子液与核酸分子之间的结合过程是由静电作用和疏水作用共同主导驱动的。 该研究还通过离子液与DNA 的相互作用机理提出了不同浓度的DNA 离子液与之间的比例DNA 结, 可控制离子液与合的模型。 通过调DNA 节离的结合行子液与
为、 结合量、DNA 构象变化和结合状态等。 这些研究对于离子液在生命科学领域的进一步应用具有重
要的指导意义Wang 等。
[57] 关于离子液体与小牛胸腺DNA 相
互作用的最新研究也表明疏水作用与静电作用是离4. 子液与核酸作用的主要作用力3 离子液阴离子与核酸的氢键作用。
离子液与核酸结合除受静电作用和疏水作用这
两种主要作用力共同作用外, 不同结构类型的离子液与核酸的结合可能还会出现其他的作用力。
与蛋白质相似, 在水溶液中水分子会在核酸表面形成水化层, 并与核酸磷酸基团形成氢键, 与碱基堆积力一起维持DNA 结构和性质的稳定。 离子液与DNA 的结合过程虽然没有化学键的形成, 但离子液可以中和DNA 分子的负电荷, 破坏DNA 分子与水分子间的氢键作用[53] 的离子液可能与DNA 。 发所以生氢, 某些含有特殊基团
键作用。 Uzagare 等[59] 研究了多种离子液在核酸化学中的应用, 比较了胸腺嘧啶在不同种类离子液中溶解性, 发现胸腺嘧啶在阴离子为甲磺酸酯和三氟醋酸这类含氧原子的离子液中的溶解性最好, 推测可能是由于含氧阴离子基团与胸腺嘧啶的2′⁃ 脱氧核苷之间存在的氢键作用, 造成胸腺嘧啶在这类离子液中溶解性高。
离子液与核酸相互作用主要是基于离子液阳离子头部与核酸的负电荷磷酸基团之间的静电作用以及离子液烷基侧链与核酸碱基之间的疏水作用。 此外, 某些离子液具有的特殊阴离子基团与核酸之间也可产生氢键作用。 目前离子液与核酸的研究大都考察离子液与DNA 磷酸基团和碱基之间的作用, 并没有区分单双链的差别DNA 的相互作用, 几乎没有关于与。 而且主要涉及离子液与的报道。
RNA 相互作用
缘摇基于离子液与生物大分子相互作用的应用
利用离子液与生物大分子间存在的相互作用, 可改善生物过程中的酶催化效率, 提高生物大分子的萃取分离效率, 也可促进生物分子的电化学检测5. 和电泳分离分析等应用1 离子液作为一种酶催化的酶催化
。
“ 绿色” 溶剂, 被广泛
应用于生物催化领域, 已经拥有十余年的历史。 离子液的蒸气压低, 方便回收利用, 其良好的生物兼容性可以增加酶的结构稳定性和催化活性。 在含有离子液的溶液或基质中, 离子液与酶分子相互作用, 可以破坏酶分子的天然结构, 改变酶分子的活性构象或活性位点, 促进酶分子与底物的结合, 从而改变酶在离子液中的催化活性。 有关离子液在酶催化方面的应用已有多篇综述[60—65] 离子液的溶剂性质和生物催化应用以及存在的关键, 介绍了生物催化中所用
问题, 深入讨论了离子液对酶结构、 活性、 稳定性和选择性的影响, 并提出如何稳定酶的结构和增加酶5. 的活性的方法2 离子液可以直接萃取生物大分子形成双水相体萃取分离。
系, 实现蛋白质和核酸的选择性分配。 利用某些离子液与蛋白质或核酸的特殊亲合性离子液在蛋白质分析中的应用, 。 包括离子液用于蛋
Chen , 可以直接从混合溶液中萃取蛋白质或核酸[41] 等[66] 综述了白质分离。 Ge 等[38] 利用离子液直接萃取酵母菌的蛋白质, 分别比较了21 种离子液的萃取效率, 确定甲酸⁃3⁃ 二甲胺基丙胺([Dmapa]FA) 萃取效率最高, 并可以萃取部分疏水性蛋白。 Wang 等[55] 使用疏水性离子液[Bmim]PF 统萃取手段相比, 该方法快速6 直接萃取痕量双链DNA, 与传、 萃取效率高、 蛋白质
和金属离子不会形成干扰, 而且在萃取过程中DNA 不会变性。 离子液的毒性低、 对环境污染小, 为分离纯化实际生物基质中的痕量核酸提供了很好的方法。
离子液与某些无机盐或糖形成的双水相体系, 可以选择性分配蛋白质, 分配系数的大小由蛋白质与离子液的相互作用决定[67] 、 原理以及萃取应用。 Li 等[68] 综述了离子液双水相体系的形成, 较全面地总结了离子液双水相发展过程。 Pei 等[69] 使用离子液BSA, ⁃ 无机盐双水相体系首次从含糖溶液中选择性分离物保留在下相中萃取率达到, 蛋白质与糖类得到很好地分离82. 7% —100% , 而大多数糖类化合。 Du
等[39] 首次报道了采用离子液[Bmim] Cl / K 2 HPO 4 双水相体系直接从人类的尿液中萃取分离蛋白质, 分相后蛋白质富集于上层离子液相, 分配系数约为10, 可以实现蛋白质的在线分离和量化分析。
5. 3 电化学检测是离子液最早应用的领域之一电化学检测
。 通
过离子液固定修饰电极, 利用离子液与蛋白质和核酸的相互作用, 能有效提高电化学分析检测蛋白质和核酸的灵敏度, 而且可以提供丰富的热力学和动力学数据, 从而为离子液与生物大分子相互作用研究提供理论依据。 关于离子液在电化学分析中的应用, 目前已有相关综述对其进行系统总结[70] Shangguan 等[71] 使用离子液1⁃ 丁基吡啶六氟磷酸盐
。 ([BuPy]PF 测到明显的电化学信号6 ) 修饰的电极检测葡萄糖氧化酶, 并将其成功用于检测人血
, 可检浆中的葡萄糖氧化酶。 Wang 等[72] 利用离子液测定HRP 的生物活性、 稳定性的直接电化学和电催化研究, 实现了HRP、cyt C、Hb、 。 基Sun Mb、 )⁃3⁃ 等过氧化氢酶[73] 使用一种新型离子液(Cat) 1⁃(3⁃ 叶绿素⁃2⁃ 羟丙甲基咪唑醋酸盐([Pmim]CH 极研究胸腺嘧啶的电化学行为, 发现该离子液能促
3 COO) 修饰的电进胸腺嘧啶氧化, 得到明显的电化学氧化峰, 该方法可以选择性地检测胸腺嘧啶。 5. 4 离子液具有较高的电导率毛细管电泳分离分析
, 可以涂层到毛细管内壁或者作为蛋白质毛细管电泳分离时的电解质添加剂。 离子液与毛细管壁键合, 形成离子液阳离子层, 不但可以减少硅羟基对被分析物的吸附作用, 还能减少和逆转电渗流, 从而提高毛细管电泳的分离效率, 加快分离时间以及提高分离度。
现3% Li 的离子液可以降低蛋白质在管内壁的吸附等[74] 将离子液添加至毛细管电泳缓冲液, 发
, 明显提高抗生物素蛋白的检测灵敏度。 Wu 等
[75]
利
用10mM [ C 20kV 电压下,14min 4 mim] BF 内完成了4 离子液作为电解质溶液, 在白蛋白(SA) 和α⁃ 乳清蛋白( α⁃LA) cyt C、Lyz、RNase 的基线分离, A、
理
论塔板数高达670 000。Li 等[76] 在电泳缓冲液中添加一种聚合离子液( PIL), 优化离子液体浓度、pH 值和缓冲液浓度等条件, 在最优条件下对4 种蛋白
质进行了较好分离。 Qin 等[14] 用咪唑离子液涂层的毛细管柱对DNA 进行电泳分析, 与传统聚丙烯酰胺涂层毛细管电泳相比, 该方法对900bps 以下的DNA 得到比较好的基线分离, 而且分析时间更短。
远摇展望
随着对离子液研究的深入以及新型离子液的不断出现, 其在生物大分子蛋白质和核酸的分离和分析检测研究中的应用将更加广泛。 目前, 有关离子液和生物大分子作用的机理研究尚不够深入, 还缺乏必要的离子液与生物大分子相互作用的模型分析。 通过离子液与生物大分子作用机理的研究和模型的建立, 有望进行离子液的定向设计合成, 以获得功能化的离子液, 拓展离子液在蛋白质和核酸分离分析及其他领域的应用。
参考文献
[ 1 ] Han X X, Armstrong D W. Acc. Chem. Res. , 2007, 40(11):
[ 2 ] 1079—1086
Mwongela S [ 3 ] Anal. M, Numan A, Gill N L, Agbaria R A, Warner I M.
Hu X L, Chem. Peng , 2003, J F, 75(22): 6089—6096
[ 4 ] Sci. Tzeng , 2009, Huang Y J, Yin D Q, Liu J F. J. Sep.
Y P, Shen 32(23 C / W, 24): Yu 4126—4132
T. J. Chromatogr. A, 2008, [ 5 ] (1 Sharifi / 2): 1—6
1193
[ 6 ] Lett. Xu Y , A, Barazandeh M, Abaee M S, Mirzaei M. Tetrahedron
H, 2010, Li J, 51(14): Wang E 1852—1855
K. J. Chromatogr. A, 2008, 1207(1 /
[ 7 ] 2): Erbeldinger 175—180
M, Mesiano A J, Russell A J. Biotechnol. Prog. ,
[ 8 ] 2000, Gamba 16(6): 1129—1131
[ 9 ] Catal. Sate , M, Alexandre, Lapis A M, Dupont J. Adv. Synth.
[10] R, Roosen Lu D, 2008, J Janssen 350(1): C, R. Müller Green M P, Chem. H A, 160—164
Stephens Greiner , 2007, G, Sheldon R A, Seddon K
L. Appl. 9(8): Microbiol. 859—867
Biotechnol. ,
[11] 2008, Dreyer 81(4): S, Salim 607—614
P, Kragl U. Biochem. Eng. J. , 2009, 46(2):
[12] 176—185
Pei Technol. Y C, Wang J J, Wu K, Xuan X P, Lu X J. Sep. Purif. [13] Shu [14] 637—642
Y, , Chen 2009, X 64(3): W, Wang 288—295
J H. Talanta, 2010, 81 ( 1 / 2 ): [15] Qin Xu W D, [16] 4597—4605
Y H, Jiang Fong H, S, Wang Li Y. E Analyst, K. Electrophoresis, 2003, 128(1): 2007, 37—41 28(24): Jiang Chim. T F, Gu Y L, Liang [17] Chitta [18] Chem. K Acta, B, Li J B, Shi Y P, Ou Q Y. Anal. R, 2003, van Meter 479(2): D S, 249—254
Stalcup A M. Li [19] Chromatographia, D, , Wang 2010, 396(2): Anal. Bioanal. Z M, Wang 775—781
L, Qu C L, Zhang H Q. Huang 2009, 70(5 / 6): 825—830
[20]
Bioanal. K, Xu Y, Wang Chem. Han X X, Zhang X T, Armstrong D W. Anal. E. , J. 2007, Chromatogr. 389(7 / 8): A, 2265—2275
2009, [21] 4823
1216(24): 4817—
Marszall M P, Kaliszan R. Anal. Chem. , 2007, [22] 140
37(2): 127—
Buszewski B, Studziska S. Chromatographia, 2008, 68 (1 / 2):
第10 期张 涛等 离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究· 2139 ·
[23] 1—10
Berthod [24] 2008, Corradini 1184(1 A, Ruiz⁃ángel (11): D, Nicoletti / 2): 6—18
M J, Carda⁃Broch S. J. Chromatogr. A,
I, Bonn G K. Electrophoresis, 2009, 30 [25] Xie B, Y N, 1869—1876
Wang S F, Zhang Z L, [26] Zhang 2008, Pang D W. J. Phys. Chem. [27] 2877—2889
L Q, 112(32): Li H R. 9864—9868
Acta. Phys. Chim. Sin. , 2010, 26(11): Sun [28] Eng. N, Zhang S J, Zhang X P, Li 王仲妮, 2005, Z X. Chinese J. Process. 周武(Zhou (Wang 5(6): W). Z N), 689—702
化学进展王洁莹( Prog. (Wang Chem. J Y), ), 司友华2008, ( 20(7 Si Y / H), 8): [29] 1057—1063
Anderson [30] 78(9): J L, Armstrong D W, Wei G T. Anal. Chem. , 2006, Li [31] Res. X X, 2892—2902
Xu X D, Dan Y Y, Feng J, Ge L, Zhang M Judge Technol. A [32] 3469
Z, Chiu R A, M Takahashi , 2008, L. Cryst. S, 43(10): Growth. Longenecker 1062—1068
L. Cryst. Des. K , L, 2009, Elizabeth 9 (8): H F, 3463— Cele Dariusch [33] 31 Chen (6): H, 911—916
Dirk H, Dirk W B. Chem. Eng. Technol. , 2008, [34] 2241—2248
X W, Ji Y P, Wang J H. Analyst, 2010, 135 ( 9 ): Diana [35] 2007, C, Hermann W, Christian H. Angew. Chem. Int. Liu [36] 2432—2436
L 46(46): Y, Chen 8887 H Z. —8889
Ed. , Chinese Sci. Bulletin, 2006, 51 (20 ): Byrneand 707—714
N, Angell C A. J. Mol. Biol. , 2008, 378 ( 3 ): [37] Cui [38] 506
G Y, Ni M X. Prog. Phar. Sci. , 2010, 34 (11): 499— Ge [39] Talanta, L Y, Wang X T, Tana S N, Tsai H H, Yong J W H, Hua L.
Du [40] 2130—2137
Z, Yu 2010, Y L, 81(4 Wang / 5): J H. 1861—1864
Chem. Eur. J. , 2007, 13 (7 ): 姜大雨(Ma 剂(China C (Jiang H), Reagens), 闫永胜D Y), (Yan 朱红2010, Y (Zhu S), H), 32(9): 王庆伟王良805—810
(Wang (Wang Q W). L), 马春宏化学试[41] Han [42] Sci. B, Zhang L H, Liang Z, Qu F, Deng Y L, Zhang Y K. Wen Sin. [43] Chim. Y Chim. , 2010, 40(10): 1487—1495
Li Acta, L, Yang X D, Hu G H, Chen S H, Jia N Q. Electro⁃ [44] (Natural Z Y, Pei 2008, Y C, 54(2): Wang J 744—748
J. J. Henan Normal University Chun [45] (15): S V, Science), Dzyuba 2010, S, Bartsch 38(1): R A. 100—104
Anal. Chem. , 2001, 73 [46] (5): Cheng D 3737—3741
H, Chen X W, Shu Y, Wang J H. Talanta, 2008, 75
Page [47] Phys. T 1270—1278
Micaelo Chem. A, Kraut B, N 2009, D, Page 113(38): P M, Baker G A, Bright F V. J. [48] 2566—2572
N M, Soares C M. J. Phys. 12825—12830
Chem. B, 2008, 112(9): [49] Wang Chen [50]
40(1): X K, W, Wang Liu J Y F. J, J. Su Mol. Y, Wang Cata. J , H. 2009, Sci. 23(1): Sin. Chim. 73—77 , 2010, 程德红(Cheng 63—69
D H), 陈旭伟(Chen X W), 舒杨(Shu Y), 王
建华( Wang J H). 分析化学( Chinese J. Anal. Chem. ), [51] 2008, 吴会灵36(9): 何锡文(Wu ( He H 1187—1190
X L), W). 杨芃原分析(Yang 化学( P Chinese Y), 张重杰J. Anal. (Zhang Chem. Z J),
), [52] 2004, Vijayaraghavan 32(9): 1256—1261
MacFarlane 1675—1677
D R. R, Angew. Izgorodin Chem. A, Ganesh Int. Ed. V, , Surianarayanan 2010, 122 ( 9 M, ): [53] Lee S [54] Angew. I, C Mun K, Shin J Y, S R, Lee S H, Jeon J H, So I, Kang T M, Kim Nishimura Chem. Han Int. S Ed. S, , Spinks G M, Wallace G G, Kim S J. [55] 2299—2304
N, Ohno H. J. 2008, Mater. 120(13): Chem. 2504—2508
, 2002, 12 ( 8 ): Wang [56] Chem. J H, Cheng D H, Chen X W, Du Z, Fang Z L. Anal. Cheng , [57]
2007, D 2007, H, Chen 79(2), X W, 620—625
Wang J H, Fang Z L. Chem. Eur. J. , Wang H 13(17): Y, Wang 4833—4839
J J, Zhang S B. Phys. Chem. [58] 2011, Chem. Phys. , Ding Y 13: H, 3906—3910
Zhang L, Xie J, Guo R. J. Phys. Chem. B, 2010,
[59] 114(5): Uzagare M 2033—2043
C, Sanghvi Y S, Salunkhe M M. Green [60] 2003, Sheldon 5(4): Chem. ,
R A, 370—372
Lau R M, Sorgedrager M J, van Rantwijk [61] Seddon Park S, K Kazlauskas R. Green R Chem. J. Curr. , 2002, Opin. 4(2): Biotech. 147—151
F,
, 2003, [62] 432—437
14(4):
Yang Z, Pan W B. Enzyme. Microb. Tech. , 2005, [63] 19—28
37 (1 ):
Moon Y H, Lee S M, Ha S H, Koo Y [64] Eng. Zhao , H. 2006, J. Chem. 23(2): M. Korean J. Chem.
Technol. 247—263
Biotechnol. , [65] 907
2010, 85(7): 891—
Moniruzzamana Biochem. M, Nakashimab K, Kamiyaa N, Goto M. [66] Chen 1222—1226
X W, Eng. Liu J. J W, , 2010, Wang 48(3): J H. Anal. 295—314
Methods, 2010, 2(9): [67] Gutowski Swatloski K [68] 2003, R E, P, Holbrey Broker G J D, A, Rogers Willauer R D. H J. D, Am. Huddleston Chem. Soc. J G, , Li [69] Chem. Z Y, 125(22): Pei Y C, 6632—6633
Wang H Y, Fan J, Pei Chem. Y C, , 2010, Wang J J. Trends Anal. Li Z 29(11): Y, Liu L, 1336—1346
Wang J J, Wang H Y. Sci. [70] Shiddiky , 2010, China [71] 13: M J A, 53(7): Torriero 1554—1560
A A J. Biosens. Bioelectron. Shangguan 1—13
, 2010, [72] Commun. X D, Zhang H Wang [73] Commun. S F, , 2008, F, Zheng J B. Electrochem. Chen 10(8): T, Zhang 1140—1143
Z Sun [74] Electrochim. W, Xi , 2007, L, Pang D W. Electrochem. M Y, 9(6): Zhang 1337—1342
L, Zhan T R, Gao H W, Jiao K. Li [75] 13: T, Li B L, Acta, Dong 2010, S J, 56(1): Wang E 222—226
K. Chem. Eur. J. , 2007, Wu 8516—8521
[76]
Electrophoresis, X P, Wei W P, Su Q M, Xu L J, Chen G N. Li 2008, 29(11): 2356—2362
2010, J, Han 674(2): H F, Wang 243—248
Q, Liu X, Jiang S X. Anal. Chim. Acta,