分子對(duì)接結(jié)合熒光光譜法探究楊梅苷與胰蛋白酶相互作用機(jī)理

于 湛, 孫 璐,2, 谷笑雨, 劉珂帆, 劉麗艷, 王曉丹

(1. 沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 沈陽 110034;2. 北京師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 3. 朝陽市第一中學(xué), 遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

胰蛋白酶(trypsin,Tryp)作為一種重要的蛋白酶,位于人及動(dòng)物的腸道中[1]。Tryp除了具有消化與分解蛋白質(zhì)的作用外,還可調(diào)控腫瘤細(xì)胞生長、分化與增殖[2],在生物、食品工業(yè)以及腫瘤研究等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[3]。

楊梅苷(myricitrin,MYT)是楊梅素的一種重要糖苷化衍生物[4],其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。MYT的天然來源豐富,主要分布在楊梅的果實(shí)、樹葉、藤茶以及龍眼葉等物質(zhì)中,MYT具有較強(qiáng)的抗氧化作用,在人體內(nèi)可有效清除自由基,因此作為藥物與保健食品具有良好的應(yīng)用前景[5]。

圖1 楊梅苷的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of MYT

本文研究了Tryp和MYT間的相互作用情況,旨在為了解MYT在體內(nèi)的吸收、分布以及代謝等提供幫助,并為設(shè)計(jì)、開發(fā)基于MYT的新藥提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

主要儀器:熒光光譜儀(Cary Eclipse,Varian,USA)、紫外-可見光譜儀(UH5300,Hitachi,Japan)、pH計(jì)(FE20K,Mettler Toledo,USA)、高精度磁力水浴裝置(自制)。

主要試劑:MYT(上海阿拉丁公司)、牛胰蛋白酶(Tryp)(美國Amresco公司)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)(美國Sigma-Aldrich公司)、NaCl, HCl, NaOH與無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、實(shí)驗(yàn)用水(超純水,18.2 MΩ·cm)。

1.2 溶液配制

配制質(zhì)量濃度為5.0×10-4mol·L-1的MYT乙醇溶液和質(zhì)量濃度為0.1 mol·L-1, pH值為8.4的Tris-HCl緩沖溶液備用(其中NaCl質(zhì)量濃度為0.1 mol·L-1),配制1.0×10-3mol·L-1的Tryp儲(chǔ)液備用。

在7只5 mL的一次性離心管中分別準(zhǔn)確移取200 μL的Tryp溶液以及適量的MYT儲(chǔ)液,并加入1 100 μL的Tris-HCl緩沖溶液,隨后加水定容至4.0 mL,使得每只離心管中MYT的質(zhì)量濃度分別為0.0, 2.5×10-6, 5.0×10-6, 7.5×10-6, 1.0×10-5, 1.25×10-5及1.50×10-5mol·L-1。將這些離心管經(jīng)過渦旋混合20 s后恒溫水浴15 min,之后進(jìn)行熒光測試。

1.3 熒光光譜儀參數(shù)

設(shè)置熒光光譜儀的λem=280 nm,λ(emslit)=λ(ex slit)=5 nm,掃描范圍為280～500 nm;設(shè)置同步熒光光譜波長差(Δλ)分別為15與60 nm,掃描范圍為200～500 nm。

1.4 分子模擬參數(shù)

在RCSB PDB數(shù)據(jù)庫得到Tryp的晶體結(jié)構(gòu)(ID:2PTN),在PubChem網(wǎng)站獲得MYT的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。通過AutoDockFR 1.2程序包[6]模擬Tryp與MYT的分子對(duì)接過程。將Tryp與MYT分子導(dǎo)入AutoGridFR后,docking box設(shè)置為box entire receptor,padding space設(shè)置為8.0 ?,grid point space設(shè)置為0.375 ?,隨后使用內(nèi)置AutoSite 1.1程序進(jìn)行主體對(duì)接口袋計(jì)算,nbRuns與maxEvals采用AutoDockFR的默認(rèn)值,分別為50與2 500 000。

本文使用Desmond程序[7]進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。首先在一個(gè)10 ?×10 ?×10 ?的立方體箱子中導(dǎo)入得分最高的分子對(duì)接結(jié)果,再將立方體箱子中充滿TIP3P模型水,選擇NPT系綜,體系經(jīng)過2 ns的預(yù)平衡后弛豫到指定的壓力與溫度,最后進(jìn)行30 ns的分子動(dòng)力學(xué)模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光猝滅

采用式(1)對(duì)熒光發(fā)射的強(qiáng)度進(jìn)行校正[8]。

Fcorr=Fobs×e(Aex+Aem)/2

(1)

其中:Fobs與Fcorr為校正前后的熒光強(qiáng)度;Aex為激發(fā)波長下Tryp與MYT混合溶液的紫外-可見吸收強(qiáng)度;Aem為發(fā)射波長下Tryp與MYT混合溶液的紫外-可見吸收強(qiáng)度。

經(jīng)過校正,在水浴溫度為17 ℃,pH值為8.4的條件下,含有不同質(zhì)量濃度MYT的5×10-5mol·L-1Tryp溶液的熒光發(fā)射光譜如圖2(a)所示。由圖2(a)可見,Tryp在300～450 nm存在較為明顯的熒光發(fā)射,最大發(fā)射波長位于335 nm處,隨著MYT質(zhì)量濃度的升高,Tryp熒光發(fā)射曲線的形狀并未改變,但發(fā)射強(qiáng)度有所下降,表明MYT對(duì)Tryp產(chǎn)生明顯的猝滅現(xiàn)象。

圖2 (a) MYT在不同質(zhì)量濃度時(shí)Tryp的熒光發(fā)射曲線(Tryp質(zhì)量濃度為5×10-5mol·L-1,MYT質(zhì)量濃度從1→7分別為0, 2.5×10-6, 5.0×10-6, 7.5×10-6, 1.0×10-5, 1.25×10-5, 1.5×10-5mol·L-1); (b) MYT與Tryp相互作用的Stern-Volmer圖Fig.2 (a) Fluorescence curves of Tryp with the existence of various concentrations of MYT(the concentration of Tryp is 5×10-5mol·L-1, the concentration of MYT is 0, 2.5×10-6, 5.0×10-6, 7.5×10-6, 1.0×10-5, 1.25×10-5, 1.50×10-5mol·L-1 from 1 to 7, respective-ly); (b) Stern-Volmer plots for MYT and Tryp

熒光猝滅包括靜態(tài)猝滅與動(dòng)態(tài)猝滅[9],上述2種類型的猝滅效率均遵循Stern-Volmer方程,為了探究MYT猝滅Tryp的方式,可以通過式(2)對(duì)熒光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。

(2)

其中:F0與F分別為MYT加入前后Tryp的熒光強(qiáng)度,為猝滅劑MYT的質(zhì)量濃度;Ksv為Stern-Volmer方程猝滅常數(shù)。如果Stern-Volmer方程猝滅常數(shù)Ksv≥2.0×102L·mol-1·s-1,則可認(rèn)為熒光猝滅為靜態(tài)猝滅[10]。

圖2(b)為溫度在17, 27, 37 ℃時(shí)Tryp:MYT的F0/F與[Q]的關(guān)系圖,F0/F對(duì)[Q]的線性擬合結(jié)果見表1。結(jié)果表明,在17, 27, 37 ℃時(shí),Ksv≥2.0×102L·mol-1·s-1,由此可以判斷出兩者間相互作用機(jī)理屬于靜態(tài)猝滅,且Tryp:MYT復(fù)合物較為穩(wěn)定。

Tryp和MYT的結(jié)合常數(shù)KA與結(jié)合位點(diǎn)數(shù)n可通過雙對(duì)數(shù)方程(3)[11]獲得,所得結(jié)果見表1。

(3)

通過表1中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著溫度的不斷上升,Tryp:MYT復(fù)合物的KA呈現(xiàn)出升高的趨勢。3個(gè)溫度下的n都約為1,因此,Tryp與MYT以接近1∶1的比例形成復(fù)合物,且復(fù)合物的組成相對(duì)穩(wěn)定,沒有因溫度的改變而發(fā)生較大的改變。

表1 3種溫度下Tryp和MYT相互作用的結(jié)合常數(shù)Table 1 Binding parameters of the interaction between Tryp and MYT at three temperatures

為了判斷Tryp同MYT之間的相互作用力,使用Van’t Hoff方程(4)繪制lnKA與1/T的關(guān)系圖,熱力學(xué)常數(shù)ΔH,ΔS與ΔG均通過直線的截距和斜率得到[12],計(jì)算結(jié)果見表2。

(4)

根據(jù)已報(bào)道的結(jié)果[13],熱力學(xué)常數(shù)的符號(hào)和大小與結(jié)合過程中各種單獨(dú)的相互作用有著密切的關(guān)系。Tryp同MYT之間相互作用的熱力學(xué)常數(shù)ΔH>0,ΔS>0,ΔG<0,因此可見Tryp:MYT復(fù)合物為自發(fā)形成,且疏水作用在Tryp與MYT結(jié)合過程中起到了重要的驅(qū)動(dòng)作用。由于MYT結(jié)構(gòu)中存在很多活潑羥基,所以Tryp同MYT的結(jié)合過程也可能受氫鍵影響。

表2 3種溫度下Tryp:MYT復(fù)合物的熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of Tryp: MYT complex at three temperatures

2.2 同步熒光光譜分析

同步熒光光譜法可用于研究客體對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,波長差Δλ為15 nm的譜圖能夠反映出客體對(duì)蛋白質(zhì)Tyr, His, Phe等殘基的影響,而Δλ為60 nm的譜圖可提供客體單獨(dú)對(duì)蛋白質(zhì)Trp殘基的影響情況[14]。圖3是波長差Δλ為15和60 nm的Tryp:MYT復(fù)合物的同步熒光光譜。隨著MYT的質(zhì)量濃度從0增加到1.5×10-5mol·L-1,圖4(a)與(b)圖中Tryp的熒光強(qiáng)度發(fā)生較大程度的下降,分別下降了41.86%和42.81%,說明在MYT與Tryp復(fù)合后,對(duì)Tyr, Phe, His以及Trp殘基的影響程度基本相同。

圖3 Tryp與不同質(zhì)量濃度MYT的同步熒光光譜(溫度為37℃;pH為8.4;Tryp濃度為5.0×10-5mol·L-1;MYT濃度分別為0, 2.5×10-6, 5.0×10-6, 7.5×10-6, 1.0×10-5, 1.25×10-5及1.5×10-5mol·L-1) (a) Δλ=15nm; (b)Δλ=60nmFig.3 The synchronous fluorescence spectra of Tryp with different concentrations of MYT tem-perature is 37℃; pH is 8.4; tryp concentration is 5.0×10-5mol·L-1; MYT concentration is 0, 2.5×10-6, 5.0×10-6, 7.5×10-6, 1.0×10-5, 1.25×10-5 and 1.50×10-5mol·L-1, respectively) (a) Δλ=15nm; (b) Δλ=60nm

2.3 分子模擬

2.3.1 分子對(duì)接

為了進(jìn)一步了解Tryp對(duì)MYT的識(shí)別,認(rèn)識(shí)主客體之間的相互作用情況,本文通過Autodock FR程序[6]模擬了主客體之間的分子對(duì)接[15],圖4給出了得分最高的分子對(duì)接結(jié)果。由圖4可見,MYT結(jié)合在Tryp表面,主客體之間存在多個(gè)氫鍵及疏水作用,MYT與Tryp的Tyr39,His40及Ile73等殘基之間存在顯著的疏水作用,同時(shí),MYT還與Asn34, Asn74, Trp141, Pro152等氨基酸殘基存在氫鍵作用。

圖4 MYT與Tryp相關(guān)殘基的氫鍵(實(shí)線)和疏水作用(虛線)Fig.4 Hydrogen bonds (solid lines) and hydrophobic (dashed lines) interactions of MYT with pertinent residues of Tryp

圖5 MYT與Tryp的均方根差 (RMSD)Fig.5 Root mean square deviation (RMSD) of MYT and Tryp

2.3.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬

將分子對(duì)接得分最高的結(jié)果導(dǎo)入到一個(gè)立方體水箱中,在30 ns內(nèi)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,并研究對(duì)接結(jié)果的分子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中Tryp與MYT的均方根差(root mean square deviation, RSMD)隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見,Tryp與MYT在1.5 ns左右達(dá)到平衡,在隨后的模擬時(shí)間內(nèi)主客體的RMSD整體上波動(dòng)相對(duì)較小,表明主客體構(gòu)象變化不大,在30 ns時(shí)間內(nèi)主客體的平均RMSD分別為1.672與1.255 ?。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明,Tryp:MYT復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,與分子對(duì)接結(jié)果相吻合。

圖6 Tryp與MYT的相互作用柱狀圖Fig.6 Histogram graph of interactions between Tryp and MYT

圖6給出30 ns分子動(dòng)力學(xué)軌跡中Tryp與MYT的相互作用情況,可以觀察到在整個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中,Tyr39, His40, Phe41, Trp141, Tyr151, Pro152, Gly193等殘基與MYT之間在較長時(shí)間(大于總時(shí)間50%)保持相互作用,主客體間相互作用包括疏水、氫鍵及水橋作用,此結(jié)果與分子對(duì)接結(jié)果相符,表明30 ns分子動(dòng)力學(xué)模擬并未改變主客體之間的相互作用類型。由此可見,Tryp:MYT復(fù)合物具有較好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在pH=8.4的條件下,溫度分別為17, 27, 37 ℃時(shí),MYT可以有效地猝滅Tryp的熒光發(fā)射。根據(jù)Stern-Volmer方程以及雙對(duì)數(shù)方程求得MYT猝滅Tryp的機(jī)制為靜態(tài)猝滅。使用Van’t Hoff方程求得主客體結(jié)合的熱力學(xué)常數(shù) ΔH>0,ΔS>0,ΔG<0,表明復(fù)合物的形成是一個(gè)熵增加且吸熱的自發(fā)過程,疏水與氫鍵作用對(duì)于復(fù)合物的形成具有促進(jìn)作用。隨后本文利用同步熒光法研究Tryp與MYT的結(jié)合位點(diǎn),結(jié)果表明MYT與Tryp的結(jié)合對(duì)Tyr, Phe, His以及Trp殘基的影響基本相同。分子對(duì)接表明,MYT結(jié)合在Tryp表面,通過疏水作用以及氫鍵作用與Tryp結(jié)合。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明,Tryp:MYT復(fù)合物的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在30 ns時(shí)間內(nèi)主客體的平均RMSD分別為1.672 ?與1.255 ?。本研究有助于深入了解MYT與Tryp的相互作用機(jī)制,為藥物小分子與大分子結(jié)合研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及依據(jù)。