贵金属纳米粒子与蛋白质相互作用的热力学和谱学研究

贵金属纳米粒子在生物、医药等领域得到许多应用。但纳米粒子与典型的细胞组分及蛋白质具有相似的大小，有可能绕过通常的反应障碍导致有害的组织反应。但人们对纳米级物体对生命体系的影响还知之甚少，对把贵金属纳米粒子用于生物、医药领域所冒的生物学风险也不甚了解。这已经引起警惕并开始纳米毒理学的研究。蛋白质作为生物体的基础物质在生命科学中占重要位置，人们对纳米粒子与蛋白质相互作用在生物学中暗含的意义越来越感到重要。该相互作用会改变蛋白质的结构、干扰其正常功能，甚至可能导致目前还不能预期的生物反应。因此纳米粒子与蛋白质相互作用在纳米毒理学中已成为一个关键参数。但文献中还没有纳米粒子浓度的准确测定，因此定量的研究还没有开展。本项目拟利用热力学手段进行纳米粒子浓度的准确测定，系统地、定量地研究贵金属纳米粒子与蛋白质间的结合数、相互作用热力学参数、对蛋白质结构造成的破坏等，详细考察它们随纳米粒子粒径的变化关系。

贵金属纳米粒子在生物、医药等领域得到广泛应用。纳米粒子与蛋白质相互作用的研究对于深入理解纳米粒子的生物效应以及在纳米粒子在生物体系的安全应用都具有十分重要的意义。本项目综合运用光谱和微量热技术，系统、定量地研究不同粒径的纳米粒子与蛋白质相互作用的结合参数、结合力性质、热力学函数、蛋白质构象的变化及其影响因素。我们利用实验室自主设计的整套渗透压测定装置，得到了金溶胶的浓度和每个金颗粒表面的平均净电荷数以及一定尺寸的金颗粒所含的平均金原子数。该方法解决了小粒径纳米粒子摩尔浓度的直接精确测定的问题。利用紫外、荧光光谱法研究了金溶胶与胰蛋白酶、卵清蛋白分子的相互作用，探讨了它们之间的结合方式以及主要作用力类型，研究结果表明蛋白分子吸附到金溶胶表面，对蛋白分子的结构影响很大。利用荧光光谱研究了木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、胃蛋白酶和牛血清白蛋白这四种蛋白质分子与金纳米粒子的相互作用，得出了研究体系的猝灭常数、结合常数以及结合位点数。运用同步荧光光谱和紫外可见吸收光谱，分析了金纳米粒子对这几种蛋白质构象的影响。利用光谱法研究了三种球蛋白（牛血清白蛋白、溶菌酶和人血清白蛋白）与纳米银之间的相互作用以及相关效应。光谱结果表明，三种球蛋白都能吸附在纳米银粒子的表面，纳米银粒子能够静态猝灭三种球蛋白的内源荧光，与其可能形成比较稳定的蛋白-银纳米粒子复合物。结合同步荧光和紫外光谱研究发现，蛋白质分子对纳米银粒子的包覆以及本身构象的变化具有双重滞后效应。同时，运用紫外可见光谱对此过程的吸附类型以及反应级数进行研究，结果表明三种球蛋白对纳米银粒子的作用是多层吸附的二级反应。此外，运用等温滴定量热（ITC）和差示扫描量热（DSC）技术测定了纳米银与三种蛋白质分子作用的热力学函数，表明它们之间的主要作用力为疏水作用和范德华力。