离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究

第23卷第10期2011年10月化　学　进　展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.23No.10　Oct.2011 收稿:2011年1月,收修改稿:2011年3月　†共同第一作者　∗国家重点基础研究发展计划(973)项目(No.2007CB914101)和国家自然科学基金项目(No.20875009)资助∗∗Corresponding author　e⁃mail:qufengqu@离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究∗张　涛†1　陈　凡†1　盖青青1　屈　锋1∗∗　张玉奎2(1.北京理工大学生命学院　北京100081;2.中国科学院大连化学物理研究所　大连116023)摘　要　离子液因其具有良好的生物兼容性和独特的理化性质,近年来在生物催化和生物大分子蛋白质与核酸的分离分析领域得到广泛应用。

离子液与生物大分子相互作用的研究是离子液相关理论与应用研究的基础,有关离子液与蛋白质和核酸相互作用的机理研究受到关注。

本文简要介绍了常用离子液的分类,离子液与蛋白质分子作用的机理,离子液与核酸分子作用的机理,以及离子液在酶催化反应、生物分子分离、生物分子电化学分析和毛细管电泳分析中的应用,并主要综述了近年的相关研究和应用进展。

关键词　离子液　蛋白质　核酸　相互作用中图分类号:O657.1;O629.7　文献标识码:A　文章编号:1005⁃281X(2011)10⁃2132⁃08Ionic Liquids and Protein /Nucleic Acid InteractionZhang Tao †1　Chen Fan †1　Gai Qingqing 1　Qu Feng 1∗∗　Zhang Yukui 2(1.School of Life Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,China)Abstract Room⁃temperature ionic liquids(ILs)have aroused considerable interest recent years.They havebeen widely applied in biological catalysis and proteins and nucleic acids separation due to their good compatibilityand unique properties.The interaction of ionic liquids and biological macromolecules is the foundation of theirtheory and application study.In this paper,the types of common used ILs,the principle of interaction between ionic liquids and protein,and ionic liquids and nucleic acid are introduced respectively.Furthermore,the recent application of ILs in biological catalysis,biological molecules separation electrochemical analysis as well ascapillary electrophoresis analysis is reviewed.Key words ionic liquids;protein;nucleic acids;interactionContents1　Introduction 2　Type of ILs3　Interaction between ILs and protein 3.1　Electrostatic interaction 3.2　Hydrophobic interaction 3.3　Hydrogen bond interaction3.4　Coordination interaction 4　Interaction between ILs and nucleic acid4.1　Electrostatic interaction4.2　Hydrophobic interaction4.3　Hydrogen bond interaction 5　Application of ILs based on the interaction betweenprotein and nucleic acid 5.1　Enzyme⁃catalyzed reaction第10期张　涛等　离子液与蛋白质和核酸相互作用的研究·2133　·5.2　Extraction separation5.3　Electrochemical analysis5.4　Separation and analysis in CE6　Outlook1　前言20世纪80—90年代以来,离子液(ionic liquids,ILs)的研究日益广泛。

离子液(又称室温离子液或室温熔融盐)是指在室温或接近室温下呈现液态的融盐,通常由特定的有机阳离子和无机阴离子构成[1,2]。

它不仅具有传统有机溶剂的优势,而且相比有机溶剂表现出很多独特的理化性质[3,4],如室温下稳定性好、蒸气压低、不可燃、溶解能力强和导电性好等。

更重要的是,可通过改变阳离子和阴离子种类而改变离子液的理化性质。

因此,离子液成为一种可人为设计的“绿色溶剂”[5,6]。

离子液作为有机溶剂的替代品一直应用于有机合成、电化学等领域。

自从Erbeidinger[7]首先报道离子液作为酶促反应介质可提高酶的稳定性和活性以来,研究发现许多酶都能在ILs及其形成的两相体系或单相体系中保持催化活性,因此ILs作为生物催化反应的溶剂或共溶剂的研究备受关注,ILs以其独特的优势成为生物催化反应研究的热点[8—10]。

此外,离子液在生物分子分离分析方面也取得新的应用进展,如其在酶催化、蛋白质和核酸的萃取分离[11—14]、及在色谱、电泳和电化学分析等生物分子分析检测中的应用[15—24]。

离子液在生物催化和分离分析领域的应用,涉及离子液与生物大分子相互作用的机理研究。

由于离子液的结构多样性和可设计性,它可承载多种功能基团,而生物大分子种类繁多、结构复杂,因此二者之间的相互作用机理比较复杂。

目前离子液与蛋白质、核酸等生物大分子相互作用机理的研究还相对较少,这可能与离子液几乎没有活性,很难直接产生光学、电学以及热力学信号,因此很难直接检测到其与生物大分子相互作用的物理化学信息有关[25,26]。

本文将对离子液与蛋白质和核酸的相互作用的机理研究,以及近年来离子液在生物大分子酶催化和分离分析中的应用进行综述。

2　离子液的分类离子液种类繁多,通过改变阴离子和阳离子的组合可产生成千上万种离子液,因而可设计和满足各种不同需求的离子液。

中国科学院张锁江课题组在2005年建立了离子液体数据库,当年已收集包含了276种阳离子、55种阴离子和588种离子液的物理化学性质,并且不断的更新和丰富[27]。

目前,用于蛋白质和核酸相关领域的离子液种类相对较少,根据阳离子组成的不同,主要分为4类[28,29]:(1)咪唑类离子液;(2)吡啶类离子液;(3)烷基季铵盐类离子液;(4)烷基季　盐类离子液。

其中,以烷基取代的咪唑基离子液和晕⁃烷基取代的吡啶类离子液的研究和应用较常见。

上述组成的离子液中,常见无机阴离子主要有Cl-、AlCl-4、BF-4、PF-6、NO-3、CF3SO-3、NTf-2、HSO-4和CF3CO-2等。

3　离子液与蛋白质的相互作用离子液与蛋白质相互作用时可以改变生物大分子理化性质,并通过离子液的功能基团直接或间接作用于生物大分子。

离子液种类繁多,其阳离子、阴离子和功能基团,都可与蛋白质产生作用,改变蛋白质的结晶行为[30—33]、变性温度[34]和溶解性能[35],以及改变酶的活性和稳定性等[36,37]。

例如离子液作为蛋白质结晶的添加剂,可改变蛋白质的晶体结构,提高结晶的均一性,促进蛋白质的结晶行为[30,32]。

某些特殊的离子液,如溴化1⁃丁基⁃3⁃甲基咪唑[33]或1⁃丁基⁃3⁃甲基咪唑四氟硼酸盐[31]能够控制蛋白质结晶的生长速度,形成均一稳定的结晶形态。

离子液作为酶催化的介质或者酶催化反应的助溶剂或添加剂,具有重大的应用前景。

某些离子液可以增强蛋白质的溶解性能,选择性地提高酶的催化活性,提高酶催化的效率[35—37]。

相反,某些离子液却使蛋白质的变性温度降低,破坏蛋白质的热稳定性,而且疏水作用越强,这种破坏作用越强[34]。

此外,离子液还可特异性地吸附或萃取蛋白质[38],甚至可通过形成离子液双水相体系对蛋白质进行选择性分配[39—41]。

蛋白质在某些离子液中通常不溶解[8],说明蛋白质与离子液之间没有明显的化学键合。

可溶解于离子液中的蛋白质,其在离子液中的紫外光谱最大吸收峰和红外光谱红外特征吸收峰没有发生明显位移和强度的变化,也说明离子液与蛋白质之间没有发生化学键合[39,42]。

然而离子液中的阴、阳离子通常以静电作用、疏水作用、氢键作用、范德华力、盐析效应和空间位阻作用等与蛋白质的一些特定功能基团相互作用。

因此离子液与蛋白质作用通常是由多种作用力共同导致,较难明确其主要作用力。

3.1　离子液阳离子与蛋白质的静电作用·2134　·化　学　进　展第23卷离子液与蛋白质作用时,主要是离子液中阳离子起主要作用。

蛋白质作为两性分子其带电性质受介质pH影响,调节介质pH值可使蛋白质带负电荷,便于与离子液的阳离子部分发生静电作用。

溴化1⁃丁基⁃3⁃甲基咪唑/磷酸氢二甲离子液双水相体系([Bmim]Br/K2HPO4)中,蛋白质的分配随着体系pH的变化而改变,说明蛋白质的分配主要由静电作用决定,并可利用静电作用选择性地分离蛋白质[39]。

当蛋白质带正电时其在离子液相中的含量相对较低,而随着pH值减小,蛋白质带正电荷增加,与离子液正离子产生排斥作用增强,使萃取率降低;当溶液的pH值大于蛋白质的等电点时,因蛋白质带负电荷,其在离子液相中的含量增加。

Dreyer等[11]考察了4种模板蛋白在不同离子液/盐双水相体系中的分配主要是受静电作用和蛋白质分子量的影响。