（物理化学专业论文）吐温20（tween20）与牛血清白蛋白（bsa）相互作用的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文选择了环境友好、无毒无味的非离子型表面活性剂聚氧乙烯山梨醇单 月桂酸单酯，即吐温- - 2 0 ( t w e e n - 2 0 ) 为主要研究对象，以牛血清白蛋白( b s a ) 为蛋白质模型分子，以t r i s h c l 缓冲溶液为介质，采用p r o c e s s o r t e n s i o m e t e r k 1 2 张力仪测定混合体系表面张力等温线，研究了混合体系的界面 活性。并通过l k b 2 2 7 7 型生物活性检测仪附带的滴定组件测定了混合体系相互作 用过程中热效应，研究了混合体系胶柬化过程中的热力学函数的变化。利用 t w e e n 一2 0 能猝灭b s a 的内源荧光的特性，通过h i t a c h if - 4 5 0 0 ( 日本) 荧光光 谱仪测量b s a 荧光强度的降低，采用三维荧光、同步荧光和紫外吸收等光谱手 段，探讨了t w e e n - 2 0 与b s a 相互作用的机理。同时采用n i m a6 0 1m l b 膜天平 利用单分子膜技术研究了t w e e n 一2 0 与b s a 在气液表面的成膜能力，以及两者 在表面膜中的相互作用。在理论研究的基础上，考察了混合体系的性能对体系泡 沫性能的影响。以期对非离子型表面活性剂与蛋白质混合体系的应用提供理论依 据或对化妆品、医药和食品等产品的生产起到某些指导作用。 一、 表面张力法研究表面活性剂与b s a 的相互作用 由b s a t w e e n - 2 0 混合体系的表面张力等温线没有出现双拐点可以推断， b s a 与t w e e n 一2 0 之间没有形成复合物。尽管混合体系的表面张力随t w e e n 2 0 在体系中所占比例的不同而改变，但混合体系的最低表面张力基本与单纯的 t w e e n 一2 0 水溶液者相同，说明达到饱和吸附时表面上主要为t w e e n 一2 0 分子所占 有，并且t w e e n 一2 0 与b s a 的混合热效应与b s a 的浓度无关。从而证明b s a 与 t w e e n 一2 0 之间的相互作用极弱，b s a 与t w e e n 2 0 在表面层存在竞争吸附现象。 然而，b s a s d s 和b s a c t a b 混合溶液的表面张力等温线均出现两个明显的 转折点，c 、 c l n c ，说明b s a 与s d s 和b s a 与c t a b 之间均形成了复合 物a 随着b s a 浓度的增大，c ：值均增大，由此求得s d s 和c t a 8 在b s a 上的结合 量分别为9 6 和5 9 。体系的温度升高有利于s d s 与b s a 的缔合反应，却对c t a b 与b s a 的结合反应无明显影响。c t a b 与b s a 相互作用的摩尔结合焓较s d s 与b s a 相互作用的摩尔结合焓高， b s a 与s d s 主要通过疏水力相互作用，而b s a 与 c t a b 主要是通过静电力发生相互作用。 山东丈学项士学位论文 摘要 二、光谱法研究t w e e n 一2 0 与b s a 的相互作用 通过测定b s a 荧光强度的变化考察t w e e n 一2 0 与b s a 的相互作用。t w e e n 一2 0 的存在导致b s a 内源荧光的降低表明，t w e e n - 2 0 在b s a 上的结合位置位于b s a 分子内部的疏水空腔内，其结合常数是3 2 5m o l - 1 l ，平均结合位数为0 3 2 。紫 外吸收光谱和同步荧光光谱结果显示t w e e n 一2 0 主要与色氨酸残基相结合，这种 结合导致色氨酸残基的疏水性增加以及构象的改变。通过对结合过程的分析可 知，在t w e e n 一2 0 与b s a 的结合过程中没有明显的协同效应存在，t w e e n - 2 0 分子 不能在b s a 分子上形成胶束状聚集体。 三、t w e e n 一2 0 b s a 混合体系的铺展行为 探讨了用膜天平研究表面活性剂在非空白表面吸附扩散过程的测定技术。 结果表明，t w e e n 一2 0 和b s a 分子在缓冲溶液的表面均能铺展成膜。t w e e n 一2 0 在 b s a 溶液的表面可以形成t w e e n - 2 0 与b s a 分子的复合膜。复合膜的性质与b s a 的含量有关。t w e e n 一2 0 b s a 混合膜的，卜a 等温线的差异主要是由于b s a 分子 在压缩过程中的形变产生的。t w e e n - 2 0 分子与b s a 分子在表面上是相对独立的， 无论含有与不含b s a ，随着t w c e n 2 0 浓度的升高，有效扩散系数均显著下降。 但b s a 对t w e e n - 2 0 的扩散影响很小。t w e e n - 2 0 与b s a 相比，前者具有较大的 表面吸附优势。 四、t w e e n 一2 0 b s a 混合体系的泡沫性能 b s a 溶液盼起泡性和稳泡能力均好于t w e e n 一2 0 溶液。当b s a 溶液中含有 t w e e n 一2 0 时，体系存在一个泡沫高度和泡沫稳定性最低区域。该区域位于 t w e e n 一2 0 的c m c 附近。该区域的存在是由于b s a 与t w e e n 一2 0 不同的稳泡机理所 致。在经过最低区域后，泡沫高度和泡沫半衰期明显提高，并且随着b s a 浓度的 增大，泡沫大小分布的均匀性增强，泡沫的致密性提高。 本论文的新颖之处： 1 ) 通过荧光光谱测定，分析了t w e e n 一2 0 与b s a 的结合反应，确定了t w e e n 一2 0 在b s a 分子上的结合位和两者之间韵相互作用机理。 山末大学硕士学位论文 摘要 2 ) 探讨了用膜天平研究表面活性剂在非空白表面吸附扩散过程的测定技术，为 模拟表面活性剂在实际体系的气一液界面的吸附行为研究探讨了一种新的 方法。 3 ) 发现在b s a 与t w e e n 一2 0 混合体系中，无论b s a 的浓度大小，在t w e e n - 2 0 的 c m c 附近混和体系均存在起泡性和稳泡能力的最低区域。 关键词： 牛血清白蛋白( b s a ) 、吐温一2 0 ( t w e e n - - 2 0 ) 、相互作用、竞争吸附、泡沫体系 山东大学硕士学位论文第五章 a b s t r a c t t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nn o n i o n i c s u r f a c t a n ta n d p r o t e i n a r es t u d i e d p o l y o x y e t h y l e n e ( 2 0 ) s o r b i t a nm o n o l a u r a t a ( t w e e n - 2 0 ) i sc h o s e na st h em a i no b j e c t f o rt h i s s t u d y , a n d b o v i n es e r u ma l b u m ( b s a ) a s t h em o d e l p r o t e i n t r i s ( h y d r o x y m e t h y l ) a m i n o m e t h a n e ( t r i s h c l 、i su s e di no r d e r t oa d j u s tt h ep h 2 7o f s y s t e m t h eg o a lo f t h i sw o r ki st op r o b et h ec o r r e l a t i v em e c h a n i s m sa n dl a wo ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nn o n i o n i cs u r f a c t a n ta n dp r o t e i n i ti se x p e c t e dt h a tt h i sw o r kc a n p r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h em i x t u r es y s t e mo fn o n i o n i c s u r f a c t a n ta n dp r o t e i n ，o rc a nd i r e c tt h ea p p l i c a t i o ni nf o o de m u l s i o n ，c o s m e t i c sa n d d e t e r g e n t ，a n ds oo n t h es u r f a c et e n s i o ni s o t h e r m a l so fa q u e o u ss o l u t i o n so ft w e e n 一2 0w i t ha n d w i t h o u tb s aa r ed e t e r m i n e d b y k 1 2p r o c e s s o r t e n s i o m e t e r ( k r f i s sc o ) b y d e t e r m i n i n gt h ee n t h a l p yi nt h ep r o c e s so fi n t e r a c t i o nu s i n gl k b 2 2 7 7b i o a c t i v i t y m o n i t o r , t h ep a r a m e t e r so ft h e r m o d y n a m i cf u n c t i o n si nt h ep r o c e s so fm i c e l l i z a t i o n w e r e o b t a i n e d b ya n a l y z i n gt h e d e c r e a s eo ff l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yo fb s ai n d i f f e r e n c ec o n c e n 订a t i o n so ft w e e n 2 0 s o l u t i o n ，t h ef r e ec o n c e n 仃a t i o no ft w e e n 一2 0i s o b t a i n e d f r o mt h ee q u a t i o no f a s s o c i a t i o n ，t h ec o n s t a n ta n dt h ea v e r a g en u m b e ro f b i n d i n g w e r ec a l c u l a t e d t h ee f f e c to ft w e e n 2 0 0 1 1t h ec o n f o r m a t i o no fb s a m a c r o m o l e c u i ei se v a l u a t e du s i n gt h eu v - v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r a ，t h es y n c h r o n o u s f l u o r e s c e n c es p e c t r aa n dt h ee x p e r i m e n to f l q u e n c h i n gt h ef l u o r e s c e n c eo fb s a t h e a b i l i t yo ft w e e n 一2 0a n db s a t of o r mf i l mo ni n t e r f a c ea n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t w e e n 2 0a n db s ao nt h ef i l ma r er e s e a r c h b yu s i n gm o l e c u l ef i l mt e c h n i q u e 1 t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n s u r f a e t a n ta n db s a b ys u r f a c et e n s i o nm e t h o d t w ob r e a k p o i n t sd o n ta p p e a ri nt h es u r f a c et e n s i o nc u r v eo f t h em i x t u r es v s t e m o f y w e e n 2 0 b s a w i t ht h ep r o p o r t i o no f t w e e n 一2 0i nm i x t u r e s y s t e mc h a n g i n g ，t h e s u r f a c et e n s i o n s c h a n g e ，i n d i c a t i n gt h ec o m p o s i t i o n so ns u r f a c ea r ed i f f e r e n t t h e l o w e s t8 “r f a 。et e n s i o ni se q u a lt ot h a to f p u t et w e e n 一2 0a q u e o u s s o l u t i o n ，s u g g e s t i n g t h es u r f a c eo fm i x t u r e s y s t e mi sm a i n l yc o v e r e dw i t ht w e e n - 2 0m o l e c u l e s t h e 些查查兰堡主兰竺堡苎兰鉴翌些l e n n l a l p yi nt h ep r o c e s so f i n t e r a c t i o ni si n d e p e n d e n tw i t ht h eb s a c o n c e n t r a t i o n t h e i m e r a c t i o nb e t w e e nb s a a n dt w e e n 2 0i sw e a k ，a n dn oc o m p l e xo f t w e e n 2 0 b s a i sf o r m e d h o w e v e r , t h e r ea l et w oo b v i o u sb r e a kp o i n t sa tt h es u r f a c et e n s i o ni s o t h e r m a lo f t h em i x t u r es y s t e m so fb s a s d sa n db s a c t a b ，a n dc l c m c ，s u g g e s t i n g t h es u r f a c t a n v m a c r o m o l e c u l ec o m p l e x e sf o r m e d a n dw i t h b s ac o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s i n g ，t h ev a l u e so f c 2 a l li n c r e a s e s t h er a i s eo f t e m p e r a t u r ei ns y s t e mi si nf a v o r o ft h eb i n d i n gb e t w e e ns d sa n db s a 、b u tt h eb i n d i n gb e t w e e nc t a ba n db s a i s i n d e p e n d e n to f t e m p e r a t u r e t h ee n t h a l p yi nt h ep r o c e s s o fi n t e r a c t i o nb e t w e e nc t a b a n db s ai s l a r g e rt h a nt h a t o fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns d sa n db s a t h ea f f i n i t y b e t w e e nb s aa n ds d sm a i n l yi s h y d r o p h o b i cf o r c e ，a n dt h a t b e t w e e nb s aa n d c t a b m a i n l y i se l e c t r o s t a t i cf o r c e 2 s p e c t r o s c o p i c s t u d i e so nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt w e e n 一2 0a n db s a t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt w e e n 2 0a n db s ai c a d st ot h ed e c r e a s eo ft h e f l u o r e s c e n c eo fb s a t h ea s s o c i a t i o no ft w e e n 一2 0a n db s ac a nb ee v a l u a t e db y m e a s u r i n gt h ec h a n g eo f f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y t h eb i n d i n gl o c a t i o no ft w e e n - 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2 0a n db s ac o e x i s t t h ep r o p e r t yo ft h ec o m p l e xf i l mi s d e p e n d e n to ft h e c o n t e n to fb s ai nt h ef i l m t h ed i f f e r e n c ei nt h e 兀ai s o t h e r m a i sb e t w e e nt h ef i l mo f 山东大学硕士学位论文第五章 p u r et w e e n - 2 0a n d t h ec o m p l e xf i l mi st h er e s u l t so f t h ed e f o r m a t i o no fb s a i nt h e c o m p r e s s i o np r o c e s s w i t ht h e t w e e n 2 0c o n c e n t r a t i o n si n c r e a s i n g ，t h e e f f e c t i v e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so f t w e e n - 2 0p r o m i n e n t l y d e c r e a s er e g a r d l e s so f w i t ho rw i t h o u t b s a t h em o l e c u l e so ft w e e n 2 0a r em o r ep r e d o m i n a n tt oa d s o r bo ns u r f a c et h a n t h a to f b s a 4 t h ef o a m p r o p e r t yo f t w e e n - 2 0 b s am i x t u r es y s t e m t h ef o a m a b i l i t ya n df o a ma b i l i t yo fb s as o l u t i o nb o t ha r es t r o n g e rt h a nt h o s eo f t w e e n - 2 0s o l u t i o n t h e r ei sam o s tr e g i o no ff o a m a b i l i t ya n df o a ma b i l i t yo fb s a s o l u t i o ni nt h ep r e s e n c eo fb s a t h i sr e g i o ni sn e a rt h ec r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n o ft w e e n 一2 0 t h ee x i s t e n c eo ft h er e g i o ni st h er e s u l t so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s mo f b s at of o a ma n dt h a to f t w e e n - 2 0 ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fi n t e r a c t i o nb e t w e e nb s aa n dt w e e n 一2 0a l s oa f f e c t st h es t a b i l i t yo ff o a m a f t e rt h e i n s t a b i l i t yr e g i o n ，t h eh e i g h ta n dt h eh a l f - l i f eo ff o a mb o t ha r ed i s t i n c t l yi n c r e a s e m e a n w h i l e ，w i t ht h ec o n c e n t r a t i o n so fb s ai n c r e a s i n g ，t h ee v e a n e s so f f o a ma n dt h e d e n s i f i c a t i o no f f o a mb o t hi m p r o v e t h en o v e l t i e so ft h i sp a p e r ： 1 t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb s aa n dt w e e n 一2 0a r es t u d i e d b yq u e n c h i n go f b s a i n t r i n s i cf l u o r e s c e n c e t h eb i n d i n gl o c a t i o no ft w e e n - 2 0o nb s ai sc o n f i r m e d ，a n d t h ea s s o c i a t i o no f t w e e n - 2 0t ob s a i se v a l u a t e d 2 a t t e m p t t ou s en e wm e t h o dt os t u d yt h ea d s o r p t i o na n d d i f f u s i o no ft w e e n 2 0 i ns u r f a c eb yu s i n gm o l e c u l ef i l m t e c h n i q u e i ti se x p e c t e dt h a tt h i sm e t h o dc a n s i m u l a t et h eb e h a v i o ro f s u r f a c t a n to n g a s - l i q u i di n t e r f a c ei n a c t u a ls y s t e m 2 t h em o s tr e g i o no ff o a m a b i l i t ya n df o a ma b i l i t yi nt h em i x t u r es o l u t i o no f b s aa n dt w e e n 一2 0i s d i s c o v e r e d n om a r e rw h a ti sb s ac o n c e n t r a t i o n 恤e i n s t a b i l i t yr e g i o na l w a y sl o c a t en e a rt h ec r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o no f t w e e n - 2 0 k e y w o r d s ：b o v i n es e r u m a l b u m ( b s a ) ，t w e e n - 2 0 ，i n t e r a c t i o n ，c o m p e t i t i v e a d s o r p t i o n ，f o a ms y s t e m 山东大学硕士学位论文第二章 第一章前言 1 1 引言 表面活性剂分子中同时具有亲水基和亲油基，这种独特的结构导致了它 的许多特殊的性能。如：极少量的表面活性剂存在，就能显著降低水溶液的 表面张力和油，水之间的界面张力：能在溶液中形成聚集体，从而具有将有机 物增溶于水相或将水增溶于有机相以及乳化、润湿、起泡和消泡等能力。表 面活性剂的这些特殊功能，不仅使其在洗涤剂、化妆品、食品、生物、医药、 纺织和采油等行业得到非常广泛的应用 1 】，享有“工业味精”的美称，而且， 表面活性剂形成的分子有序组合体( 如，胶束、囊泡、单层膜和双层膜等) 也是模拟生物膜的最佳体系。 蛋白质是细胞的重要成分，是生命的基本物质，广泛分布于各种生物组 织中。蛋白质在生物体内的形成和作用是多样化的，构成生物体的结构物质 ( 如肌肉的蛋白质) 、调节生理功能的肽类激素、运输氧和二氧化碳以及传递 铁离子的载体( 如血红蛋白和铁载体蛋白) 、促进体内化学反应的生物催化剂 ( 称酶) 、抵抗病菌的抗体等，其本质都是蛋白质。此外，谷类、豆类和其它 植物种子也都含有或多或少的蛋白质。总的来说，人类的生存离不开蛋白质。 生命是蛋白质的存在形式，没有蛋白质就没有生命现象【2 。 对于生物过程和工业过程而言，大分子与小分子在溶液中的相互作用极 为重要，它是蛋白质的些重要功能的核心问题。这些功能包括；生物体系 中物质的迁移、食物的性质及生物膜的结构等。因此，表面活性剂与蛋白质 的相互作用有着极其重要的理论意义和应用价值。表面活性剂对皮肤的刺激 作用就是表面活性剂与皮肤角质层中角质蛋白发生作用的结果：人的头发和 羊毛也是经常暴露于表面活性剂中的两种蛋白质底物e 3 1 。食品和照相业中常 用的明胶经常与表面活性剂共存，明胶与表面活性剂的相互作用早已引起人 们的关注 4 ，5 ，6 。利用蛋白质与十二烷基硫酸钠( s d s ) 所形成的复合物的 性质，通过凝胶电泳技术测定蛋白质的分子量是蛋白质研究中的传统方法。 近年来蛋白质与表面活性剂相互作用的应用又有了新的发展，例如，利用两 者的相互作用设计用于测定环境水体中活性剂残余量的生物传感器 7 ：防 山东大学硕士学位论文第二章 疫疫苗是由抗原蛋白和含铝辅剂组成，为了进行疫苗离体实验和含铝辅剂的 筛选，利用表面活性剂和蛋白质的相互作用，进行抗原的洗脱，以确定抗原 与辅剂的结合状况 8 】。利用表面活性剂形成的反胶束体系进行蛋白质的提取 和纯化，是一种传统的蛋白质提纯方法。近年来，研究者们又提出利用表面 活性剂与高分子共组双水相体系提纯蛋白质的新设想 9 ，1 0 。从仿生的角度 考虑，蛋白质与表面活性剂相互作用的研究为了解蛋白质与类脂化合物或荷 尔蒙之类的小分子的结合提供了有价值的模型 1 1 ；从实际应用的角度考虑， 蛋白质在表面活性剂溶液中可保持其活性 1 2 ，蛋白质与表面活性剂相互作 用的研究为蛋白质的应用提供新的途径。因此，这方面的研究多少年来始终 非常活跃 1 3 1 。随着生物技术的广泛应用，蛋白质在工业中所显现出来的地 位越来越重要，人们对表面活性剂与蛋白质的相互作用的研究兴趣亦愈来愈 大。 1 2 蛋白质的结构概述 根据蛋白质分子的形状，蛋白质可以分为球蛋白和纤维蛋白。根据蛋白 质分子组成的繁简，蛋白质又可分为简单蛋白和结合蛋白。 q 一氨基酸是构成一切蛋白质结构的基本单元。蛋白质分子中存在的二 十种左右的氨基酸可以分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸三大 类。旺一氨基酸是有关有机酸的c 碳位的氢原子被氨基( n h 。) 取代而成，其 结构可表示如下： c o o h l h 9 n h 2 r 此结构式具有两个特点：第一，具有酸性的羧基( 一c o o h ) 及碱性的氨 基( 一n h z ) ，因而是两性物质。第二，r 基团如不是氢( h ) ，则具有不对称碳， 因而是光活性物质，具有旋光性。 氨基酸分子之间通过肽键结合成肽链，再由一个或一个以上的肽链按各自 特殊的方式组合成蛋白质分子。氨基酸分子数目、排列次序以及肽链数目和 空问结构的不同，形成的蛋白质的性质不同。 蛋白质的结构可以分为一级、二级、三级和四级结构，如图1 所示。 坐奎查堂堡主兰垡丝苎! e 望l 一 一级结构( 又称初级结构) 一是指氨基酸如何连接成肽链以及氨基酸在 脓链中的排列顺序( a ) 。在一级结构中，肽结合( 一c o n h 2 一) 为主要连接 键，而多肽链( 即由多个氨基酸以肽键结合形成的长链) 是一级结构的主体。 组成肽链的氨基酸称为氨基酸残基。 二级结构一是指蛋白质分子中多肽链骨架的折迭方式( b ) 。主要是d 一 螺旋结构。 三级结构一是指螺旋肽链( 即已折迭的肽链) 在分子中的空间构型，即 在分子中的三度空间排列或组合的方式( c ) 。 四级结构一是指具有三级结构的蛋白质分子单体按一定方式聚合而成 的大分子蛋白质( d ) 。 ( a )( b )( c )( d ) 图l 蛋白质的一级、二级、三级和四级结构示意图 1 3 表面活性剂蛋白质相互作用的研究进展及现状 蛋白质与表面活性剂混合体系在食品、化工、制药及化妆品和洗涤剂等 领域具有广泛而重要的应用。蛋白质与表面活性剂之间相互作用的研究长期 以来一直是一个研究的热点。一方面，蛋臼质与表面活性剂在气液界面、液 液界面通过竞争吸附相互作用 1 4 ，1 5 。蛋白质和表面活性荆的表面活性和 浓度决定界面的组成。乳状液和泡沫体系的长期稳定性依赖于体系中质点之 间或气泡之间作用力的强弱，而这种作用力与界面的组成有极大的关系。蛋 白质和表面活性剂在界面的竞争对于探讨蛋白质在食品乳状液和泡沫中的功 能方面扮演着重要的角色 1 6 。另一方面，蛋白质与表面活性剂直接结合而 发生相互作用。这种相互作用可以导致蛋白质结构的根本变化 1 7 ，1 8 。研究 表明，离子型表面活性剂通过各种不同的物理化学机理与蛋白质发生结合。 山东大学硕士学位论文 第一章 由于相互作用的本质不同，表面活性剂既可以单体的形式与蛋白质相结合， 又可在蛋白质链上形成胶束状团簇。一旦表面活性剂与蛋白质结合，依赖于 表面活性剂的类型、表面活性剂的浓度和环境的不同，可以起到稳定或破坏 蛋白质结构的功效。所有这些作用都将改变蛋白质的功能。因此，了解蛋白质 与表面活性剂相互作用的来源和性质对蛋白质与表面活性剂混合体系所形成 的乳状液和泡沫体系的性能的研究和应用具有重要的意义e 1 9 。 表面活性剂和蛋白质的相互作用与表面活性剂和聚合物相互作用有许多 相似之处。从分子结构考虑，蛋白质是一类具有特殊结构的两性聚电解质， 存在等电点，随溶液p h 值的不同，分子的带电性质发生很大的交化。但是， 与聚电解质不同的是，蛋白质具有二级和三级结构。因此，蛋白质与表面活 性剂的相互作用具有许多独特之处，而且更为复杂。 历史上。对蛋白质一表面活性剂相互作用的研究始于上一世纪三十年代。 1 9 3 7 年， b u l l 和n e u r a t h 2 0 研究了十二烷基硫酸钠与蛋青白蛋白的相互 作用。至五十年代，蛋白质一表面活性剂的相互作用的研究一直是较为活跃 的研究领域。第一篇关于表面活性剂与蛋白质相互作用的综述性文章是由 p u t n a m 于1 9 4 5 年发表的 2 1 。r e y n o l d s 于1 9 6 9 年全面地总结了前一阶段 有关蛋白质与表面活性剂相互作用的研究成果 2 2 。g o d d a r d 2 3 在其综述中 指出，蛋白质与合成离子型表面活性剂的相互作用方式为荷电表面活性剂“结 合”到蛋白质上。1 9 7 4 年，s h i r a h a m ae ta l 2 4 在其研究的基础上，提出 了蛋白质一表面活性剂的“项链模型”，即复合物是带有胶束状团簇的柔性链。 从那时起，蛋白质一表面活性剂相互作用得到了广泛深入的研究，而且，至 今仍十分活跃。 表面活性剂与蛋白质相互作用的理论模型主要有两种。一是表面活性剂 在溶液中首先形成类胶束，类胶束再与蛋白质链相互作用形成团簇结构 1 9 ， 2 6 ( 见图2a ) 。 n a ；昔m m + p ；高c 式中：a 一表面活性剂、m 一类胶束、p 一蛋白质、c 一复合物 二是表面活性剂单体首先与大分子链的特性结合位结合，特性结合位饱和后 4 吐f 东大学硕士学位论文第一章 再通过疏水力发生非特性结合，在蛋白质链上形成团簇结构 2 7 ( 见图2b ) 。 p + a ：；喜p a d p a l - i - a p a 2 p a 十a = ；= 三：p an n - 1 a v 举代个影、影、 b 图2 不同结合机理所形成的表面活性剂大分子复合物( 项链状) 结构示意图 a 以预胶束的形式结合；b 以单体的形式结合 表面活性剂和蛋白质相互作用研究的早期工作主要集中于结合量及结合 等温线的测定等方面 2 8 ，2 9 ，3 0 。常用的体系为牛血清白蛋白( b s a ) 、溶菌 素酶( 1 y s o z y m e ) 和十二烷基硫酸钠( s d s ) 或烷基三甲基卤化铵。多采用平 衡渗析和表面活性剂选择性膜电极等方法。典型的表面活性剂与蛋白质的结 合等温线如图3 所示。 图3s d s 一溶菌素酶结合等温线p h = 3 2 i = o 0 5 9 3 1 在初始阶段，$ d s 浓度较低，表面活性剂与蛋白质的高能结合位发生作 用，这一区域主要是表面活性剂亲水基与蛋白质分子链上氨基酸残基的静电 山东大学硕士学位论文 第一章 作用，随着s d s 浓度的增大，结合曲线变化减缓的区域就是这些氨基酸残基 饱和的结果，此时会造成蛋白质的沉淀，称这一区域为高能结合区 ( h i g h - a f f i n i t yr e g i o n ) 。随着s d s 浓度的增加，蛋白质重新溶解，结合量 迅速增大，这是由于s d s 与蛋白质相互作用，使蛋白质链发生伸展，从而暴露 更多的结合位与表面活性剂相互作用，称这一区域为协同结合区域 ( c o o p e r a t i v eb i n d i n gr e g i o n ) 。表面活性剂与蛋白质的结合量，受表面活性 剂亲水基的种类、亲油基碳链长度、离子强度、p h 值、温度、有机添加剂等 因素的影响。 自1 9 9 5 年以来，这一领域的研究主要集中于三个方面，表面活性剂一蛋 白质复合物结构的研究及蛋白质结构的变化 3 2 ，3 3 ，表面活性剂一蛋白质混 合溶液的相行为 3 4 ，3 5 ，3 6 3 和表面活性剂一蛋白质混合溶液的界面吸附 3 7 ，3 s 。其中表面活性剂蛋白质相互作用对流体界面活性物质吸附性能及 体系性质的影响是这一领域最活跃的部分。 蛋白质一表面活性剂相互作用的研究多集中于蛋白质与离子型表面活性 剂。早期的理论认为非离子型表面活性剂与蛋白质间由于缺乏静电引力而不 能发生相互作用。但近来的研究表明，非离子型表面活性剂与蛋白质也存在 相互作用，这种作用极大地影响吸附层的性质，对乳液及泡沫的稳定性尤为 重要。因此，蛋白质与表面活性剂在界面吸附的研究逐渐引起了人们的重视 3 9 ，4 0 ，4 1 。 蛋白质一非离子表面活性剂混合体系的界面行为与蛋自质一离子型表面 活性剂显著不同。吸附层的动态界面张力测定结果表明 4 2 ，4 3 ，4 4 ，蛋白质 与非离子表面活性剂之间存在竞争吸附。一方面，蛋白质与非离子型表面活 性剂通过疏水力发生相互作用，从而使蛋自质亲水性增加，活性降低；另一 方面，由于蛋白质分子复合结构的体积增大，使界面膜的紧密性下降，界面 膜的强度降低。当表面活性剂的浓度进步增大时，表面活性剂可将复合物 置换下来，最后界面上主要由表面活性剂所组成。 d i c k i n s o n 4 5 ，4 6 在总结大量实验事实的基础上提出了蛋白质一表面活 性剂混合体系界面吸附的两种机理： ( 1 ) 增溶机理( t h es o l u b i l i z a t i o n m e c h a n i s m ) ：吸附在表面上的蛋 6 坐壅盔堂鲤主堂堡堕塞 一釜二主一 自质分子与水溶性的表面活性剂形成蛋白质一表面活性剂复合物，从而使蛋 白质分予以复合物的形式进入水相。此时，表面活性剂与被吸附的蛋白质有 强烈的相互作用。 ( 2 ) 置换机理( t h er e p l a c e m e n tm e c h a n i s m ) 由于表面活性剂的表面 活性大于蛋白质的表面活性，更易于在表面吸附，吸附于表面上的蛋白质被 表面活性剂取代下来。 一般离子型表面活性剂与蛋白质的相互作用是增溶机理，而非离子型表 面活性剂与蛋白质的相互作用主要是置换机理。 l4 表面活性剂蛋白质相互作用的主要研究方法 蛋白质一表面活性剂相互作用研究的经典方法主要有表面张力法、渗析 平衡法、电导法、粘度法和增溶法等，随着现代测试技术的发展，许多新的 研究手段也被应用于这一领域，使研究更加深入。 1 4 1 荧光技术 荧光技术是一种研究两亲分子体系的传统方法 4 7 ，4 8 。由于蛋白质分 子本身的结构特点，荧光技术在表面活性剂与蛋白质相互作用的研究中发挥 了许多独到的作用。n i c h o l a s 等 4 9 以芘为探针，运用稳态荧光技术分别测 定了含有与不含b s a ( w 。= 1 ) 时s d s 溶液的荧光发射光谱，由不同条件下 第三峰与第一峰强度的比值( i 。i 。) 随s