Schiff堿及其金屬配合物與牛血清白蛋白相互作用的研究進(jìn)展

申 磊，楊玉娟，孫 琳，張麗瑩，龐艷玲

(菏澤學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，山東 菏澤 274015)

血清白蛋白(SA)是人和動物體內(nèi)血漿中含量最豐富的蛋白,體內(nèi)生物活性物質(zhì)如藥物或者其他有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)移和分配與SA的親和力有關(guān)[1]。在分子水平上研究藥物小分子與生物大分子SA的相互作用，是當(dāng)前生命科學(xué)和藥物化學(xué)的重要課題之一。由于人血清白蛋白(HSA)與BSA相似的結(jié)構(gòu)和生理功能，研究者常常以BSA代替HSA來進(jìn)行相關(guān)研究[2]。

研究小分子藥物與BSA相互作用常用的方法有：熒光光譜法[3]、紅外光譜法[4]、紫外可見吸收光譜法[5]、圓二色譜法[6]等。熒光光譜法因其高靈敏度、高選擇性、低取樣量、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。

1 Schiff堿及其配合物的結(jié)構(gòu)與熒光的關(guān)系

Schiff堿是指含C=N的有機(jī)物，一般由含氨基的化合物與活潑的醛(酮)羰基化合物反應(yīng)制備。改變原料醛、酮或胺，可以設(shè)計具有特定結(jié)構(gòu)和功能的Schiff堿。由于Schiff 堿C=N中N原子上有孤對電子，使得Schiff 堿配位能力良好，可以與多種金屬離子形成配合物。

許多Schiff堿類化合物及其金屬配合物都具有抑菌、抗癌、抗病毒等生物和藥理活性，得到國內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注。由于C=N具有立體構(gòu)型，Schiff堿化合物本身往往熒光較弱或沒有熒光，但是和金屬離子絡(luò)合后平面剛性增強(qiáng)能發(fā)射較強(qiáng)熒光。在模擬生物環(huán)境下，Schiff堿化合物或其金屬配合物與BSA相互作用，可以猝滅BSA的內(nèi)源熒光，改變BSA的構(gòu)型。相關(guān)研究的成果，可以為小分子藥物設(shè)計與藥物機(jī)理提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

2 Schiff堿及其金屬配合物與生物大分子BSA的相互作用

小分子藥物進(jìn)入人體后優(yōu)先與SA結(jié)合，而SA與藥物之間若結(jié)合能力過強(qiáng)的話會導(dǎo)致游離的藥物濃度下降，藥效降低；反之，它們之間結(jié)合能力過弱則會令藥物代謝加速。藥物的藥效決定于SA與藥物結(jié)合能力的強(qiáng)弱。用熒光光譜法研究Schiff堿及其配合物與BSA之間的相互作用，一般圍繞以下問題展開：探討作用機(jī)理和猝滅類型；計算結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)和結(jié)合距離；計算熱力學(xué)常數(shù)判斷作用力類型；同步熒光法研究作用部位。

相對于Schiff堿本身，Schiff堿金屬離子配合物結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，發(fā)射波長更長；若配合具有抑菌活性的過渡金屬離子，產(chǎn)生協(xié)同作用，將大幅度提升其抑菌活性。

2.1 Schiff堿與BSA的相互作用

2.1.1 二氫嘧啶酮類Schiff堿與BSA的相互作用

二氫嘧啶酮及其衍生物是一類重要的雜環(huán)化合物，具有抑菌、抗癌、消炎、抗病毒等藥理活性。彭化南等[7]合成了系列二氫嘧啶酮Schiff堿衍生物，用熒光光譜法和同步熒光光譜法研究了產(chǎn)物Ⅲg與BSA的相互作用。結(jié)果表明，Ⅲg與BSA形成復(fù)合物，對BSA具有熒光猝滅作用，猝滅過程中同時存在靜態(tài)和動態(tài)猝滅。計算得到了298K下它們相互作用的結(jié)合常數(shù)(2.04×104L/mol)、結(jié)合位點(diǎn)(0.95)、結(jié)合距離(2.59 nm)以及作用力類型(疏水作用力)。同步熒光測試結(jié)果表明:Ⅲg使BSA分子構(gòu)象發(fā)生了改變。實(shí)驗(yàn)為探究雜環(huán)類Schiff堿在生物體內(nèi)的存儲、運(yùn)輸和藥理作用提供了重要信息。

2.1.2 香草醛類Schiff堿與BSA的相互作用

香草醛類Schiff堿作為一類重要的有機(jī)配體，具有獨(dú)特的生物活性。馬同森等[8]制備了Schiff堿化合物4-氨基安替吡啉縮嗎啉香草醛(Q-2)，研究了Q-2與BSA的相互作用。結(jié)果表明：Q-2可以顯著猝滅BSA的熒光，猝滅類型為靜態(tài)猝滅；結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為1；二者之間主要作用力是氫鍵和范德華力；結(jié)合距離為0.6nm(290K)，二者之間發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移使BSA熒光猝滅。Q-2的加入并未引起B(yǎng)SA構(gòu)象的改變。

2.1.3 低聚殼聚糖類Schiff堿與BSA的相互作用

作為自然界唯一堿性多糖，殼聚糖主鏈上含有很多活潑的氨基，易于修飾和改性。特別是窄分子量低聚殼聚糖水溶性高，可直接用作藥物。基于低聚殼聚糖的Schiff堿化合物可作為一種潛在的抗菌，抗腫瘤，抗病毒藥物。曹娟等[9]合成了新型的基于低聚殼聚糖類Schiff堿化合物DMABA-CSn，探究了DMABA-CSn與BSA之間的相互作用。結(jié)果表明，DMABA-CSn(n=6,8,11)均能猝滅BSA的內(nèi)源熒光，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行且放熱，氫鍵和疏水作用力是主要作用力，Schiff堿的加入使BSA的構(gòu)象發(fā)生了變化。研究還發(fā)現(xiàn)在一定的分子量范圍內(nèi)，隨著CSn聚合度的增加，DMABA-CSn更易與BSA結(jié)合。低聚殼聚糖Schiff堿克服了芳香醛類Schiff堿水溶性較差的缺點(diǎn)，為Schiff堿類藥物設(shè)計提供了新的思路。

2.1.4 含硒Schiff堿與BSA的相互作用

研究證實(shí)有機(jī)硒化合物具有良好的生物活性，具有良好發(fā)展前景。劉文舉[10]設(shè)計合成了4種新型含硒Schiff堿，希望獲得有機(jī)硒化合物和Schiff堿化合物生物活性的協(xié)同效應(yīng)。熒光光譜法實(shí)驗(yàn)證明：4種含硒Schiff堿均可以猝滅BSA的內(nèi)源熒光，猝滅過程為動態(tài)猝滅。分子間主要作用力為疏水力，結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為1，結(jié)合距離r=2.5nm，二者發(fā)生了非輻射能量轉(zhuǎn)移，引起了BSA內(nèi)源熒光的猝滅，同步熒光實(shí)驗(yàn)證明BSA腔內(nèi)的疏水環(huán)境可能有所變化，肽鏈的伸展程度可能有所增加。這一研究將有助于對生物大分子與有機(jī)小分子相互作用一般規(guī)律的認(rèn)識。

2.2 Schiff堿金屬配合物與BSA的相互作用

2.2.1 Schiff堿有機(jī)錫配合物與BSA的相互作用

具有良好的生物活性的有機(jī)錫(Ⅳ)配合物，因其潛在的抗腫瘤活性引起了人們的廣泛興趣，有望成為傳統(tǒng)抗腫瘤藥物順鉑的替代品。腙因其出眾的螯合能力和結(jié)構(gòu)的靈活性而受到研究者的特別關(guān)注。它能為所制備的金屬配合物的骨架提供剛性。腙的生物活性如抗瘧，抗增殖， 細(xì)菌和抗腫瘤也受到醫(yī)學(xué)和藥物領(lǐng)域研究人員的青睞。Yang等[11]合成了5個有機(jī)錫(IV)腙化合物并確定了其配合物的固相結(jié)構(gòu)。熒光光譜的研究表明：錫(IV)配合物與BSA間作用較強(qiáng)，BSA產(chǎn)生靜態(tài)熒光猝滅，結(jié)合常數(shù)的計算結(jié)果表明配合物可以容易地存儲于蛋白質(zhì)中，并可以在目標(biāo)區(qū)域釋放，二者結(jié)合位點(diǎn)數(shù)n=1，同步熒光實(shí)驗(yàn)表明配合物對BSA中酪基酸殘基的影響大于色氨酸。

2.2.2 Schiff堿金屬鋅配合物與BSA的相互作用

萘具有優(yōu)良發(fā)光性能，含有萘基團(tuán)Schiff堿的激發(fā)和發(fā)射波長可以有效避免蛋白質(zhì)內(nèi)源熒光的背景干擾，提高測定準(zhǔn)確度。向艷玲等[12]合成了含萘Schiff化合物N'-(2-羥基萘次甲基)-4-(2-羥基萘次甲基氨基)苯甲酰肼(HHBH,1)，并進(jìn)一步合成了1-Zn，對1-Zn與BSA的相互作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：1-Zn的λex=370nm,λem=460nm，有效避免了蛋白質(zhì)內(nèi)源熒光的干擾；結(jié)合距離r=3.632nm；1-Zn影響了BSA中氨基酸殘基微環(huán)境的極性和BSA的構(gòu)象。該實(shí)驗(yàn)對研究Schiff堿類藥物的代謝和藥物的設(shè)計提供了新的思路。

2.2.3 Schiff堿金屬鎳配合物與BSA的相互作用

對氨基水楊酸(PAS)具有抗菌消炎、抗結(jié)核等藥理活性，將PAS與苯甲醛合成Schiff堿，藥效有望增強(qiáng)。而過渡金屬鎳也具有抑菌活性， Schiff堿金屬鎳配合物的藥理活性值得期待。丁偉等[13]利用2,4-二羥基苯甲醛和PAS制備了新型席夫堿鎳配合物,熒光光譜實(shí)驗(yàn)證明：鎳配合物可以顯著猝滅BSA的內(nèi)源熒光，猝滅類型為靜態(tài)猝滅，結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為1，氫鍵和范德華力為主要作用力。魏強(qiáng)[14]制備了10種氨基酸Schiff堿鎳配合物，以熒光光譜法研究了配合物與BSA的相互作用。結(jié)果表明：配合物在特定點(diǎn)位以1∶1的形式與 BSA形成復(fù)合物，導(dǎo)致BSA的熒光猝滅；同步熒光光譜研究表明：配合物影響 BSA氨基酸殘基微環(huán)境，改變了BSA構(gòu)象。

2.2.4 Schiff堿金屬錳配合物與BSA的相互作用

手性席夫堿金屬配合物由于其重要的生物學(xué)和藥學(xué)作用而受到越來越多的關(guān)注。錳，尤其是高價錳是最主要的生物金屬之一，手性錳配合物比其他過渡金屬配合物對環(huán)境的破壞小，對生物活性物質(zhì)的選擇性高，相互作用強(qiáng)于非手性配合物。Li等[15]合成了4種手性希夫堿錳(IV)配合物，光譜實(shí)驗(yàn)表明：手性希夫堿錳(IV)配合物可以顯著猝滅BAS的內(nèi)源熒光，猝滅類型是生成基態(tài)復(fù)合物的靜態(tài)猝滅，結(jié)合位點(diǎn)為1；配合物與BSA有效結(jié)合，引起B(yǎng)SA分子構(gòu)象的改變。韋藝[16]等合成了基于不對稱手性 Schiff堿配體的錳(Ⅲ)配合物，光譜法實(shí)驗(yàn)表明：模擬生理?xiàng)l件下，錳(Ⅲ)金屬配合物與BSA結(jié)合良好，且改變了BSA的分子構(gòu)象。何江龍等[17]合成了水楊醛類席夫堿配體并與錳離子進(jìn)行配位反應(yīng)，制備了兩種配合物。熒光光譜法實(shí)驗(yàn)表明：錳配合物與BSA形成了基態(tài)復(fù)合物，令BSA內(nèi)源熒光產(chǎn)生靜態(tài)猝滅。

2.2.5 Schiff堿金屬銅配合物與BSA的相互作用

?；撬崾且环N含有硫的氨基酸，在人體生理功能中起著重要的作用。?；撬嵯驂A配合物已被報道具有抗病毒、抗癌和抗菌作用，銅為人體必需的重要微量元素之一，參與體內(nèi)多種金屬酶的組成。Li等[18]合成了?；撬嵯驂A銅(Ⅱ)配合物，熒光光譜實(shí)驗(yàn)表明,BSA對配合物有中等親和力；二者生成基態(tài)復(fù)合物使BSA的內(nèi)在熒光發(fā)生靜態(tài)猝滅；結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為1,改變了BSA的構(gòu)象。張燕等[19]合成了一個含有席夫堿配體的四配位的銅配合物，熒光光譜法實(shí)驗(yàn)表明：配合物與BSA有效結(jié)合發(fā)生了靜態(tài)猝滅，二者之間的作用力主要是是靜電引力。唐杰[20]合成了雙核Cu(Ⅱ)配合物Cu2L，探究了其和BSA之間的作用方式。證明配合物與BSA的結(jié)合引起了蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化；配合物與BSA之間主要靠氫鍵和范德華力作用力結(jié)合。

3 結(jié)論與展望

Schiff堿類化合物及其金屬配合物一般具有可設(shè)計性強(qiáng)、生物活性高的特點(diǎn)，受到國內(nèi)外研究者的持續(xù)關(guān)注。由于BAS與HSA具有同源性，研究Schiff堿類化合物及其金屬配合物與BAS相互作用機(jī)理，可以為小分子藥物的設(shè)計和藥理活性作用的研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

結(jié)合近幾年來國內(nèi)外學(xué)者對Schiff堿及其配合物與BSA相互作用的研究，本文提出了幾點(diǎn)后續(xù)研究思路：(1)作為小分子藥物模型，設(shè)計Schiff堿時要充分考慮其生物活性。實(shí)驗(yàn)證明，Schiff堿金屬配合物的生物活性(抗菌，抗腫瘤等)高于其配體，所以選擇金屬離子時也要充分考慮其生物活性，以期二者發(fā)揮協(xié)同作用，提高藥效。(2)可以選擇發(fā)光性能優(yōu)良的基團(tuán)(特別是平面剛性基團(tuán))合成Schiff堿，以有效避開蛋白質(zhì)內(nèi)源熒光的干擾，獲得更高的準(zhǔn)確度。(3)為了獲得更高的藥效，我們期望制備水溶性更高的Schiff堿，低聚殼聚糖優(yōu)良的水溶性和環(huán)境友好性使其展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。(4)手性金屬配合物環(huán)境破壞小，生物選擇性高，與蛋白質(zhì)相互作用強(qiáng)，是藥物設(shè)計的發(fā)展方向。