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1 2009 年第 67 卷化学学报 Vol. 67, 2009 第 17 期, 1967~1972 ACTA CHIMICA SINICA No. 17, 1967~1972 研究论文 盐酸环丙沙星与胰蛋白酶相互作用的光谱和分子模拟研究 王公轲闫长领卢秀敏陈得军卢雁 * ( 河南师范大学化学与环境科学学院新乡 ) 摘要运用荧光光谱和紫外光谱, 结合分子模拟法研究了盐酸环丙沙星 (CPFX) 与胰蛋白酶 (Trypsin) 在不同温度条件下 (288, 298 和 308 K) 的相互作用. 研究发现 CPFX 对 Trypsin 有较强的荧光猝灭作用, 且为静态猝灭类型. 根据双对数方程处理荧光猝灭数据得到了 CPFX 与 Trypsin 在不同温度下的结合常数 K 和结合位点数 n. 利用紫外光谱定性讨论了 CPFX 对 Trypsin 构象的影响. 通过热力学方程求得了不同温度下 CPFX 与 Trypsin 作用的热力学参数, 表明它们之间的作用力主要是疏水作用和氢键, 这与分子模拟方法所得的结果是一致的. 关键词盐酸环丙沙星 ; 胰蛋白酶 ; 荧光猝灭 ; 紫外光谱 ; 分子模拟 Study on the Interaction of Ciprofloxacin Hydrochloride with Trypsin by Spectroscopic and Molecular Modeling Methods Wang, Gongke Yan, Changling Lu, Xiumin Chen, Dejun Lu, Yan* (College of Chemistry and Environmental Science, Henan Normal University, Xinxiang ) Abstract The interaction between ciprofloxacin hydrochloride (CPFX) and trypsin was investigated by fluorescence and UV absorption spectroscopy and molecular modeling methods at different temperatures (288, 298 and 308 K). Results obtained in the study indicate that CPFX has a strong ability to quench the intrinsic fluorescence of trypsin through a static quenching procedure. The fluorescence data were treated by using the double logarithmic equation, and the binding constants K of the interaction of CPFX with trypsin and the number of binding sites n were obtained. With the UV absorption spectrum, the changes of the conformation of trypsin caused by CPFX were analyzed. The thermodynamic parameters of the interaction between CPFX and trypsin at different temperatures were calculated with thermodynamic equations, which show that the binding forces between CPFX and trypsin are mainly hydrophobic interaction and hydrogen bonding. The result of molecular modeling is in good agreement with that of the thermodynamic study. Keywords ciprofloxacin hydrochloride; trypsin; fluorescence quenching; UV absorption spectrum; molecular modeling 蛋白质是生物体中必不可少的生命物质, 关于蛋白质的研究一直是科研工作者感兴趣的课题 [1~4]. 蛋白质与内源性化合物及许多药物分子之间可以发生相互作用而结合为复合物. 从不同角度考察不同蛋白质与药物之间的相互作用对于更全面地了解药物的转运和代谢过程以及阐明蛋白质与药物小分子相互作用的化学本 质都具有非常重要的意义. 胰蛋白酶 (Trypsin) 是人和动物肠道中一种重要的消化酶, 属于丝氨酸蛋白酶家族, 是所有胰脏蛋白酶原的共同激活剂, 含有 229 个氨基酸残基, 有 5 个二硫键, 分子量约为 24000, 空间结构呈 口袋型, 活性中心存在保守的组氨酸 His 天冬酰胺 Asp 和丝氨酸 Ser 活性三联体 [5,6]. 盐酸环丙沙星 (CPFX) * yanlu2001@sohu.com Received January 16, 2009; revised May 18, 2009; accepted May 22, 国家自然科学基金 (No ) 教育部高等学校博士学科点专项科研基金(No ) 资助项目.

2 1968 化学学报 Vol. 67, 2009 ( 结构如图 1 所示 ) 是喹诺酮类抗菌药, 它具有抗菌谱广 口服吸收好 游离碱或盐形式可制成各种剂型 能迅速传输到各组织 半衰期长等特点, 使得它在生物化学和医药化学领域受到了广泛的关注, 具有很好的临床应用价值. 280 nm, 激发与发射狭缝均为 5 nm, 扫描 300~500 nm 范围的荧光发射光谱. 1.3 紫外吸收光谱的测定运用 TU-1800 型紫外 - 可见分光光度计, 在 25 ml 容量瓶中固定 Trypsin 的浓度为 10-5 mol L -1, 依次加入不同体积的 CPFX 溶液, 以 ph=7.4 的 Tris-HCl 缓冲溶液稀释至刻度, 混匀, 以空白试剂为参比, 在 298 K 测定紫外吸收光谱. 扫描范围为 200~400 nm. 1.4 分子模拟研究 图 1 盐酸环丙沙星的结构式 Figure 1 The chemical structure of CPFX 本文应用荧光光谱法和分子模拟法研究了不同温度条件下盐酸环丙沙星与胰蛋白酶的相互作用. 利用 CPFX 对 Trypsin 荧光的猝灭求出了 CPFX 与 Trypsin 的结合常数和结合位点数, 并计算了它们之间相互作用的热力学参数. 同时还利用紫外吸收光谱法考察了 CPFX 对 Trypsin 构象的影响. 另外, 本文结合分子模拟的方法研究了 CPFX 与 Trypsin 的相互作用, 并测得了它们之间氢键的距离, 所得结果与荧光及热力学分析所得结果很好的符合. 通过本文的研究, 将对阐明药物在生物体内的分配 运输 代谢以及药物的筛选和临床应用具有一定的指导意义. 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 CARY Eclipse 型荧光光度计 ( 美国 Varian 公司 ); TU-1800 型紫外 - 可见分光光度计 ( 北京普析分析仪器有限公司 ); PHS-3C 型精密酸度计 ( 上海大普仪器有限公司 ); 电子天平 ( 德国 Sartorius 公司, 精度为 10-5 g); DC-2006 型低温恒温槽 ( 上海衡平仪器厂 ); 81-2 型恒温磁力搅拌器 ( 上海司乐仪器有限公司 ); 微量注射器. 胰蛋白酶 ( 德国 Roche 公司, 分子量为 24000), 在缓冲溶液中配制成 mol L -1 储备液, 置于冰箱中 1~4 保存 ; 盐酸环丙沙星 ( 河南天方药业股份有限公司 ) 溶于水配制成 10-2 mol L -1 的储备液 ; ph 值为 7.4 的 Tris-HCl 缓冲溶液. 所有溶液都通过 NaCl 调节离子强度为 0.1 mol L -1. 所有试剂均为分析纯, 实验用水为二次蒸馏水. 1.2 荧光光谱的测定在一系列 25 ml 的容量瓶中, 加入 2.5 ml 的 Trypsin 溶液, 然后通过微量注射器依次加入不同体积的 CPFX 溶液, 以 ph=7.4 的 Tris-HCl 缓冲溶液稀释至刻度, 混合均匀, 于恒温水浴中恒温 1 h. 设定激发波长 Trypsin 的晶体结构来自 Brookhaven 蛋白质数据库 ( 蛋白编号 : 2J9N). 根据 Amber 4.0 力场, 用 Kollan-allatom 电荷计算出 Trypsin 的三维结构的势能, 所有分子的初步结构都由分子模拟软件 Sybyl6.9.1 得到. 运用 Tripos 力场和 Gasteiger-Hückel 电荷优化分子结构. Trypsin 与 CPFX 分子之间的相互作用的分子模拟用 FlexX 程序来计算. 应用拉马克 (LGA) 遗传算法来计算与蛋白质结合的药物分子的可能构象 [7,8]. 在对接过程中, 最多考虑了化合物的 10 个构象, 结合自由能最低的构象用来做进一步的分析. 所有计算都在 SGI FUEL workstations 工作站上完成的. 2 结果与讨论 2.1 CPFX 与 Trypsin 作用的紫外吸收光谱对于研究药物分子与蛋白质的相互作用, 紫外吸收光谱法是一种简单有效的方法. 蛋白质之所以能产生紫外吸收光谱, 其主要原因是色氨酸 (Trp) 酪氨酸(Try) 苯丙氨酸 (Phe) 等氨基酸残基对光的吸收引起的, 此外还有肽键对光的强烈吸收. 在 250~280 nm 之间的吸收峰是由 Trp, Try 和 Phe 三种芳香族氨基酸引起的. 为了证明加入 CPFX 后 Trypsin 的结构变化, 实验测定了紫外吸收光谱 ( 图 2). 由图可以看出, 加入 CPFX 后, Trypsin 在约 275 nm 左右的吸收峰的峰强增强, 并且峰位发生蓝移, 表明 CPFX 与 CPFX 发生了强烈的相互作用, 引起了芳香族氨基酸残基微环境的亲水性增强. 同时, 峰位蓝移表明 CPFX 与 CPFX 之间可能形成了新的复合物 [9~11]. 2.2 Trypsin 对 CPFX 的荧光猝灭光谱蛋白质中因含有色氨酸 (Trp) 酪氨酸(Try) 苯丙氨酸 (Phe) 等氨基酸残基而产生较强的内源荧光, 强度比为, Trp Try Phe= 蛋白质是荧光体, 能使荧光量子产率降低或与荧光物质发生相互作用而导致荧光强度下降的物质称为荧光猝灭剂. 荧光猝灭剂降低荧光体荧光强度的现象称为荧光猝灭作用. 图 3 为

3 No. 17 王公轲等 : 盐酸环丙沙星与胰蛋白酶相互作用的光谱和分子模拟研究 1969 不断增加. 同时在约 375 nm 出现了一个等强度发射点, 这可能是由于药物与蛋白之间形成了不发射荧光的复合物所造成的 [11,15]. 2.3 荧光猝灭机理 一般情况下, 荧光猝灭过程通常可以分为动态猝灭 [16] 和静态猝灭. 荧光猝灭数据通过 Stern-Volmer 方程来进行分析 : F 0 /F=1+k q τ 0 [Q]=1+K SV [Q] (1) 图 2 盐酸环丙沙星对胰蛋白酶紫外吸收光谱的影响 Figure 2 UV absorption spectrum of trypsin in the absence and presence of CPFX 1: c(trypsin)= mol L - 1 ; 2: c(trypsin)= mol L -1, c(cpfx)= mol L -1 ; 3: c(trypsin)= mol L -1, c(cpfx)= mol L -1 ; T=298 K 图 3 盐酸环丙沙星对胰蛋白酶的荧光猝灭光谱 Figure 3 The effect of CPFX on fluorescence spectra of trypsin c(trypsin)= mol L -1 ; from 1 to 9: c(cpfx)=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6( 10-5 mol L -1 ), respectively. (ph=7.4, T=298 K, λ ex= 280 nm) CPFX 猝灭 Trypsin 的荧光发射光谱. 由图可以看出, 随着溶液中 CPFX 浓度的增大, Trypsin 在 349 nm 处的荧光发射峰出现了明显的猝灭现象, 说明 CPFX 能与 Trypsin 发生强烈的相互作用. CPFX 与 Trypsin 的结合使 Trypsin 的 Trp 残基周围微环境发生了改变, Trypsin 分子的空间构象也发生了变化. 从图中还可看出, 随着 CPFX 浓度的增加, 在蛋白质荧光猝灭的同时, 荧光发射峰也出现了明显的红移现象, 说明色氨酸残基微环境的疏水性减弱, 亲水性增强, 肽链的伸展程度有所增加 [12~14]. 对于 CPFX, 激发波长为 280 nm 时, 在约 415 nm 处有荧光发射峰, 当不断增加 CPFX 浓度时, 发射峰强度 该式中 F 0 和 F 分别是不存在和存在猝灭剂时的荧光强度, k q 为双分子猝灭过程速率常数, τ 0 为无猝灭剂存在时荧光体的荧光寿命. 对于生物大分子, τ 0 =10-8 s [17]. [Q] 是猝灭剂的浓度, K SV 称为 Stern-Volmer 猝灭常数. 由于各类猝灭剂对生物大分子的最大扩散控制的碰撞猝灭速率常数为 (mol L -1 ) -1 s -1 [18], 通过计算 CPFX 对 Trypsin 的猝灭速率常数 k q 就可以判断这一过程是属于动态猝灭还是静态猝灭. 如果计算出的 k q 的值小于 (mol L -1 ) -1 s -1, 表明该猝灭过程是由于分子扩散和碰撞而引起的动态猝灭. 如果计算出的 k q 的值远大于 (mol L -1 ) -1 s -1, 则表明该猝灭过程是由于分子之间形成了复合物而引起的静态猝灭 [19]. 此外, 判断一个荧光猝灭过程是动态猝灭还是静态猝灭, 还可以根据猝灭常数 K SV 随温度的变化关系加以判断. 对于动态猝灭作用, 温度升高有利于荧光体和荧光猝灭剂之间的有效碰撞, K SV 随温度的升高而增大 ; 若是静态猝灭, 温度升高, 复合物的稳定性降低, 猝灭常数减小 [20,21]. 为了确定 CPFX 对 Trypsin 的荧光猝灭机理, 分别测定了 288, 298 与 308 K, ph 为 7.4 时 CPFX 对 Trypsin 的荧光猝灭光谱. 根据 Stern-Volmer 方程, 以 F 0 /F 对 [Q] 作图 ( 见图 4), 所得的猝灭常数及相关系数 (R) 列于表 1. 从表 1 可以看出不同温度下 k q 的值远大于 (mol L -1 ) -1 s -1, 这说明 CPFX 对 Trypsin 的猝灭应该是静态猝灭. 并且, 随着温度升高, Stern-Volmer 曲线的斜率逐渐减小. 这表明随着温度升高, 复合物的稳定性降 表 1 288, 298 和 308 K 时, CPFX 和 Trypsin 体系的 Stern- Volmer 猝灭常数及相关系数 Table 1 Stern-Volmer quenching constants and the correlation coefficients for the system of CPFX-Trypsin at 288, 298 and 308 K T/K K SV /( 10 4 L mol -1 ) k q /( L mol -1 s -1 ) R

4 1970 化学学报 Vol. 67, CPFX 与 Trypsin 的结合模式 热力学研究药物与蛋白质之间的作用力主要包括氢键 疏水作用力 范德华力和静电相互作用. 由反应前后热力学焓变和熵变的相对大小, 可以判断药物与蛋白质之间的主要作用力类型. 药物与蛋白质之间作用的热力学参数 ΔH Ө, ΔG Ө, ΔS Ө 可以根据以下热力学公式求出 [23,24], ln K=-ΔH Ө /RT+ΔS Ө /R (3) ΔG Ө =ΔH Ө -TΔS Ө (4) 图 4 不同温度下 CPFX 与 Trypsin 相互作用的 Stern-Volmer 曲线 Figure 4 Stern-Volmer plots for the binding of CPFX to trypsin at different temperatures 低, CPFX 对 Trypsin 的猝灭程度减小, 该猝灭过程属于生成复合物的静态猝灭. 2.4 结合常数和结合位点数的确定 对于静态猝灭过程而言, 假设蛋白质上存在 n 个等同的独立结合位点, 可以用以下方程来计算结合常数 K 和结合位点数 n [22]. log[(f 0 -F)/F]=log K+nlog[Q] (2) 该式中, F 0 和 F 分别是不存在和存在猝灭剂时的荧光强度, K 为蛋白质与猝灭剂的结合常数, n 为结合位点数, [Q] 是猝灭剂的浓度. 根据此方程, 把所得到的数据以 log[(f 0 -F)/F] 对 log[q] 作图 ( 图 5), 由直线的截距和斜率可求得药物与蛋白质分子的结合常数 K 和结合位点数 n. 对于 CPFX 与 Trypsin 相互作用的体系, 不同温度下所得结果列于表 2. 图 5 不同温度下 log[(f 0 -F)/F] 对 log[q] 的关系曲线 Figure 5 Plots of log[(f 0 -F)/F] vs. log[q] at different temperatures 假定在所研究的温度范围内 ΔH Ө 和 ΔS Ө 的变化可以忽略不计, 通过方程 (3) 以 ln K 对 1/T 作图, 由直线的斜率和截距可以求得 ΔH Ө 和 ΔS Ө, 再通过方程 (4) 计算出不同温度下的 ΔG Ө. 所得不同温度下 CPFX 与 Trypsin 相互作用的热力学参数也列于表 2. 根据生物大分子与小分子结合力性质与体系热力学参数的关系 [1,25~28], ΔS Ө >0 可能是疏水和静电作用力 ; ΔS Ө <0 可能为氢键和范德华力 ; ΔH Ө >0, ΔS Ө >0 为典型的疏水作用力 ; ΔH Ө <0, ΔS Ө <0 为氢键和范德华力 ; ΔH Ө 0 或较小, ΔS Ө >0 为静电作用力. 从水结构的角度来考虑, 正 ΔS Ө 通常认为是疏水相互作用, 而且, 水溶液中离子间的静电作用一般是以正 ΔS Ө 与负 ΔH Ө 为标志的. 相反, 对于范德华力, ΔH Ө 和 ΔS Ө 却均为负值. 负焓在静电作用中可能起一定作用, 但在真正的静电作用中焓变非常小, 几乎等于零. 表 2 中结果表明, ΔG Ө 和 ΔH Ө 为负值, ΔS Ө 为正值, 这说明 CPFX 与 Trypsin 的相互作用是熵 - 焓协同驱动的自发过程. 正的 ΔS Ө 表明疏水作用是主要作用力, 同时负的 ΔH Ө 说明很可能存在氢键作用 分子模拟研究利用计算机分子对接方法可以详细且形象地表示出药物与蛋白质的结合情况, 这有助于从理论上首先确定药物与蛋白相互作用的机理和模式, 为进行药物的设计和筛选提供可靠而准确的信息 [29]. 计算机模拟的具体过程见实验部分, 按最佳能量原理所得的对接图如图 6 所示, 该图仅显示了试剂周围 0.8 nm 范围内的氨基酸残基. 从图 6 中可以看出, CPFX 的环己二胺结构嵌于结合区内, 同时 Trypsin 分子也有足够的空间容纳 CPFX 分子, 使 CPFX-Trypsin 体系达到最稳定状态. 从 CPFX 分子的结构来看, 苯环结构与环己二胺以及环丙烷结构不是共平面的. 环丙烷结构与 Trypsin 分子的色氨酸残基 Trp 208 很接近, 说明 CPFX 与 Trypsin 之间存在疏水作用, 并且 CPFX 能有效地猝灭 Trypsin 的内源荧光, 这与荧光光谱结果是一致的. 另一方面, 图 6 中还显示出 CPFX 与 Trypsin 分子的甘氨酸 Gly 190, 谷氨酰胺 Gln 189 以及天冬酰胺 Asp 186 之间形成了氢键, 键长分别

5 No. 17 王公轲等 : 盐酸环丙沙星与胰蛋白酶相互作用的光谱和分子模拟研究 1971 Table 2 表 2 288, 298 和 308 K 时, CPFX 和 Trypsin 体系的结合常数 结合位点数及热力学参数 Binding constants, binding sites and thermodynamic parameters for the system of CPFX-trypsin at 288, 298 and 308 K T/K K/( 10 4 L mol -1 ) n R ΔG Ө /(kj mol -1 ) ΔH Ө /(kj mol -1 ) ΔS Ө /(J mol -1 K -1 ) 图 6 CPFX 与 Trypsin 相互作用的分子对接图 Figure 6 The interaction mode between CPFX and trypsin Only residues around the ligand are displayed. The residues of Trypsin are represented in line and the ligand structure is represented in stick model. The hydrogen bond between the ligand and the protein is represented in yellow dashed line 为 2.94, 3.51 和 2.06 Å, 这表明氢键作用还是比较强的. 因此, 分子模拟的研究结果说明 CPFX 与 Trypsin 的结合模式主要是疏水作用, 同时存在氢键作用, 这与热力学研究结果基本一致. 3 结论本文利用荧光光谱 紫外吸收光谱结合分子模拟技术系统地研究了模拟生理条件下 CPFX 与 Trypsin 的相互作用. 通过紫外吸收光谱得出 CPFX 对 Trypsin 构象有明显影响, 由荧光光谱得出 CPFX 对 Trypsin 有荧光猝灭作用. 根据有关方程分别求得不同温度下药物与蛋白相互作用的结合常数及结合位点数, 探讨了 CPFX 与 Trypsin 的猝灭机理属于静态猝灭类型. 通过热力学方程计算出不同温度下的热力学参数, 表明疏水作用力为其主要作用力, 同时也存在氢键相互作用. 此外, 分子模拟研究揭示了 CPFX 在 Trypsin 上的结合部位. 致谢感谢兰州大学化学化工学院提供的分子模拟软件 Sybyl6.9.1 和 SGI FUEL workstations 工作站. References 1 Kamat, B. P. J. Pharm. Biomed. Anal. 2005, 39, Kandagal, P. B.; Ashoka, S.; Seetharamappa, J.; Shaikh, S. M. T.; Jadegoud, Y.; Ijare, O. B. J. Pharm. Biomed. Anal. 2006, 41, Wang, Y.-Q.; Zhang, H.-M.; Zhang, G.-C.; Tao, W.-H.; Tang, S.-H. J. Lumin. 2007, 126, Yi, P.-G.; Yu, Q.-S.; Shang, Z.-C.; Guo, M. Chin. J. Chem. Phys. 2003, 16, 420 (in Chinese). ( 易平贵, 俞庆森, 商志才, 郭明, 化学物理学报, 2003, 16, 420.) 5 Kelley, D.; McClements, D. J. Food Hydrocolloids 2003, 17, Tu, A. T. Raman Spectroscopy in Biology: Principles and Applications, John wiley & Sons, New York, 1982, Chapter 3. 7 Liu, J.-Q.; Tian, J.-N.; Li, Y.; Yao, X.-J.; Hu, Z.-D.; Chen, X. G. Macromol. Biosci. 2004, 4, Tian, J.-N.; Liu, J.-Q.; Zhang, J.-Y.; Hu, Z.-D.; Chen, X. G. Chem. Pharm. Bull. 2003, 21, Cui, F.-L.; Wang, J.-L.; Cui, Y.-R.; Li, J.-P. Anal. Chim. Acta 2006, 571, Cui, F.-L.; Qin, L.-X.; Zhang, G.-S.; Liu, Q.-F.; Yao, X.-J.; Lei, B.-L. J. Pharm. Biomed. Anal. 2008, 48, Yue, Y.-Y.; Chen, X.-G.; Qin, J.; Yao, X.-J. Dyes Pigm. 2008, 79, Naseem, R. H.; Khan, S. K.; Had, A. N. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1649, Hu, Y.-J.; Liu, Y.; Pi, Z.-B.; Qu, S.-S. Bioorg. Med. Chem. 2005, 13, Kragh, H. U.; Hellec, F.; Foresta, B. D.; Maire, M. L.; Mller, J. V. Biophys. J. 2001, 80, Yue, Y.-Y.; Zhang, Y.-H.; Li, Y.; Zhu, J.-H.; Qin, J.; Chen, X.-G. J. Lumin. 2008, 128, Lakowicz, J. R. Principles of Fluorescence Spectroscopy, Springer-Verlag, New York, Lakowica, J. R.; Weber, G. Biochemistry 1973, 12, Ware, W. R. J. Phys. Chem. 1962, 66, Zhang, Y.; Yan, X.-L.; Lei, Y.-C.; Shen, X.-F.; Pan, J.-H.; Liu, D.-S. Spectrosc. Spect. Anal. 2005, 25, 1274 (in Chinese). ( 张勇, 燕新梁, 雷亚春, 沈晓芳, 潘景浩, 刘滇生, 光谱学与光谱分析, 2005, 25, 1274.) 20 Zhou, Q.-J.; Xiang, J.-F.; Tang, Y.-L.; Liao, J.-P.; Yu, C.-Y.; Zhang, H.; Li, L.; Yang, Y.-Y.; Xu, G.-Z. Colloids Surf., B 2008, 61, Gerbanowski, A.; Malabat, C.; Rabiller, C.; Gueguen, J. J. Agric. Food Chem. 1999, 47, 5218.

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