基于电化学的血清蛋白-铅络合物的络合及其解离

梁 莹 ,潘 锐 ,魏学锋 ,周 鸣 ,董铁有

(河南科技大学a.化工与制药学院;b.第三附属医院;c.环境工程研究所,河南洛阳 471003)

0 前言

近年来,国内外关于铅污染及铅危害人体(特别是儿童)的报道越来越多[1]。铅是属于持久性污染物,在自然环境中不能为生物代谢所分解。铅对于人体内的大多数系统均有危害,特别是损伤骨髓造血系统、神经系统和肾脏。铅进入人体后,除部分通过粪便、汗液排泄外,其余在数小时后溶入血液中,阻碍血液的合成[2]。

血清蛋白是血浆里最丰富的蛋白质,具有储存和载运功能[3]。血清蛋白普遍存在于血液中并且容易被提纯,所以它成为科学家最早研究的蛋白质之一。今天,当需要一种蛋白质时,一种来源于牛体内的类似的蛋白在研究中被广泛地使用,这种蛋白就是牛血清蛋白。

研究金属离子与蛋白质的结合作用是生命科学的重要内容,也是化学和生命科学研究的前沿领域。通常人们研究的焦点集中在生命金属元素在模拟生理条件(pH=7.43)附近或等电点(pH=5.3)附近与血清蛋白的结合反应,对Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Co3+、Mn2+、Cd2+等研究的较多[4-9]。到目前为止的相关研究所涉及的都是重金属与血清蛋白键的作用和结合状态问题[10],而实际所要解决的是如何将血清蛋白重金属络合物中的重金属除去。文献[11]曾对这方面做过研究。

本文在不同 pH条件下,研究铅与牛血清蛋白作为中毒模拟血液的透析性能,并与硝酸铅溶液的透析性能进行对比,以进一步了解铅与牛血清蛋白的络合情况。在生理 pH值条件下,研究了中毒模拟血液在外加电场作用前后的透析性能,以找到有效的除铅方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

仪器:AA240火焰原子吸收光谱仪,雷磁DDSL-308A型电导率仪,BT00-300型蠕动泵,BS 124S型电子天平,U型压差计,钛基复合材料电极板,WY-30-1A～3A晶体管稳压电源,F60S空心纤维血液透析滤过器以及实验室自行设计的透析装置(见图1)和电解槽等。

试剂:浓度为0.05mol/L,pH为7.40的Tris-HCl缓冲溶液;牛血清白蛋白(BSA)(北京博奥星生物技术有限公司,生化纯,用前未进行纯化);硝酸铅储备液含铅0.24 g/L,冰箱内4℃保存;硝酸为分析纯;配制原液用水为一次蒸馏水;透析液为一次蒸馏水。为了进行对比试验,3种原液的配制见表1。

表1 原液的配制方法

1.2 实验方法

利用图1所示的试验装置,将硝酸铅溶液和含铅模拟血液(常温下搅拌 3天)分别放置在原液 1所示位置,通过蠕动泵的抽滤作用,使它们从透析柱的内侧由下至上流出,透析液在透析柱的外路通过,流动方向由上到下,原液和透析液采取逆流的方式。在一定的压力和动力下(见表2试验参数),进行透析试验,在不同的透析时间下取样,检验样品的电导率和铅浓度。

图1 原液不进行循环的透析装置

表2 试验条件参数表

将 pH为 7.40的含铅模拟血液先利用图1所示试验装置,进行透析,除去其中的小分子物质,再利用电解实验装置,在一定的电流密度下,进行电解实验,之后再利用图1所示试验装置,进行透析试验,在不同的时间下分别取样,检验样品的铅浓度。

2 试验结果与讨论

2.1 硝酸铅溶液和不同pH条件下含铅模拟血液的透析性能

本试验采用图1所示的试验装置,对3种原液进行透析,每隔 5min采样,利用 AA 240型火焰原子吸收光谱仪和电导率仪对原液和透析液中的铅浓度和电导率进行检测。

图2 不同条件下的原液和透析液中的铅浓度变化曲线

(1)原液中铅浓度变化的比较与分析。根据图2a可知:硝酸铅溶液的铅浓度在透析很短时间内,就达到很低值,这是由于硝酸铅溶液中含有大量的铅离子,铅离子是小分子,硝酸铅溶液和透析液逆流通过透析柱时,透析液带走了硝酸铅溶液中的部分铅离子,使硝酸铅溶液中的铅浓度降低。根据图2b可知:酸性条件下的含铅模拟血液,铅离子和牛血清白蛋白并没有发生络合,铅以小分子形态存在,在透析作用下,含铅模拟血液中的铅浓度降到很低。根据图2c可知:中性条件下的含铅模拟血液,铅离子与牛血清白蛋白生成了大量的络合物,见公式(1)、公式(2),在透析作用下,络合物大分子不能通过中空纤维膜与透析液进行交换,故通过透析之后,铅浓度维持较高的值。

络合物的生成与解离平衡为

络合平衡常数为

在本次试验中,

Kw的数值较小,一方面表明铅离子的确与牛血清白蛋白发生了反应,另一方面表明发生的络合反应不彻底,在本次试验中,导致反应不彻底的原因可能是参加反应的铅离子浓度过低。

关于铅与牛血清蛋白的络合问题,前人曾做过很多研究。文献[12]曾借助紫外、红外和荧光光谱等手段,在生理pH值条件下,测定了铅与牛血清蛋白的相互作用,指出肽链的C=O基团和蛋白质上的羟基都可能是Pb2+的作用位置。

(2)原液和透析液中电导率变化的比较与分析。根据图3a可知:硝酸铅溶液中含有大量的自由离子,其电导率的原始值比较高。根据图3b可知:在中性含铅模拟血液中,由于缓冲溶液中存在大量的自由离子,其电导率的原始值比较高。根据图3c可知:在酸性含铅模拟血液中,由于牛血清白蛋白的大量存在,其电导率的原始值比较低。随着透析的进行,原液中的自由离子转移到透析液中,从而原液的电导率降低,透析液的电导率升高,最后双方达到平衡。

图3 不同条件下的原液和透析液中的电导率变化曲线

2.2 基于电化学的铅-血清蛋白络合物解离试验

采用中性条件下的含铅模拟血液作为原液,采用试验装置 1透析 7次,每次分别采样。然后进行电解。再采用试验装置 1,透析 5次,采样并测其铅浓度。电解过程中每 2 h采样,电解 12 h,自电解开始到电解结束,一共采样 7次,其铅浓度变化如图4所示,其多项式拟合曲线的表达式为y=0.167 6x4-5.078 3x3+55.653x2-271.95x+996.32。

根据图4可知:对中性条件下的含铅模拟血液进行透析后,其中的铅-血清蛋白络合物是大分子,不能透过中空纤维膜,模拟血液中的铅浓度达到稳定并保持在 998μg/L(即电解开始时的原始浓度)。电解后取样并测定,模拟血液中的铅浓度达到 441μg/L。对电解后的模拟血液进行透析,其中的铅浓度基本保持不变,表明电解后的溶液中存在少部分铅-血清蛋白络合物大分子,而电解过程中析出的铅沉积在电极板上。

在电解试验中,原液中存在的主要离子为Cl-、OH-、H+、Pb2+等,为了不对原液造成污染,电极板选择钛基复合材料。由能斯特方程,可知:

阳极的析出电势为

其中Cl-优先发生反应。

其中H+优先发生反应。

由槽电压U=Uc-Ua以及超电势的可能值、离子浓度的可能值可知[13]:

外加电压U=0.059 lg(a(H+))+η3+1.358-0.059 lg(a(Cl-))+η1≈3 V,外加电场在3 V以上,就能发生电解反应。

根据图5可知:电解 2 h内,铅的析出最为剧烈,此后铅的析出逐渐减弱,到 4 h时,基本达到稳定值。电解过程中,模拟血液中铅浓度的降低更表明了析出的铅沉积在电极板上。

3 结论

(1)中性条件下,铅与牛血清白蛋白发生了络合反应,而酸性条件下,铅与牛血清白蛋白没有发生络合反应。(2)对铅-牛血清白蛋白络合物进行电解从而降低其中的铅浓度是可行的,电解出的铅沉积在电极板上,其去除效果有待于进一步的研究。

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