苦丁冬青苦丁茶中咖啡酰奎尼酸类物质与牛血清白蛋白的相互作用

徐冬兰，周 莉，胡 冰，孙 怡，曾晓雄

苦丁冬青苦丁茶中咖啡酰奎尼酸类物质与牛血清白蛋白的相互作用

徐冬兰，周 莉，胡 冰，孙 怡*，曾晓雄

（南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095）

从苦丁冬青苦丁茶中分离纯化得到了4种咖啡酰奎尼酸（caffeoylquinic acids，CQA）：5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA，并在模拟人体生理条件（pH 7.4，310 K）下，利用荧光光谱法分析4种CQA与牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）的相互作用，使用修正后的Stern-Volmer方程与van’t Hoff方程探讨CQA-BSA之间的结合常数、结合位点数及热力学参数。结果表明：4种CQA均能与BSA结合，从而导致BSA分子内部荧光发生猝灭，结合能力的大小顺序为3,4-diCQA＞3,5-diCQA＞4,5-diCQA＞5-CQA，说明咖啡酰基的增多提高了结合能力。热力学参数ΔH＞0、ΔS＞0和ΔG＜0，表明CQA与BSA主要靠疏水作用力结合，反应自发进行。此外，CQA的结合引起BSA 3D荧光光谱和同步荧光光谱的变化，表明两者之间的结合主要是通过与BSA中色氨酸和酪氨酸的作用而实现的。

苦丁茶；咖啡酰奎尼酸；牛血清白蛋白；荧光光谱；相互作用

血清白蛋白是血浆中最丰富的蛋白质，具有贮运内源代谢产物和外源性小分子等重要生理功能。当药物进入人体后，首先通过血浆的贮存与运输达到受体部位，进而发挥药理作用。因此，研究药物小分子和血清白蛋白的结合对于确定药物的药代动力学和药效方面的性质有着非常重要的作用[1]。近年来，茶多酚的多种药理作用已被广泛证明，探讨茶多酚与蛋白质之间的相互结合机理也成为了一个热点[2]。例如，张海蓉等[3]利用光谱学方法研究了儿茶素与牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）之间的相互作用，确定了两者结合的结合常数、结合位置和结合类型等参数。柳全文等[4]的研究表明咖啡酸能与BSA发生结合，从而导致其内部的荧光发生猝灭。Nozaki等[5]采用圆二色谱法研究了表没食子儿茶素没食子酸酯（（-）-epigallocatechin gallate，EGCG）对BSA构象的影响，探讨了EGCG在BSA分子中的具体结合位点。

苦丁茶是由冬青科或木犀科等植物的叶加工而成的一种代用茶，在我国有着2 000多年的饮用历史[6-8]。苦丁茶主要分为两大类：冬青科苦丁茶和木犀科苦丁茶。目前用于加工苦丁茶的主要原料为冬青科的苦丁茶冬青、大叶冬青和枸骨[9-10]。苦丁茶富含三萜、酚酸类、黄酮以及氨基酸等多种活性物质，具有抗氧化、抗炎症、抗肿瘤以及降脂减肥等功效[11-12]。在前期的研究中，Liu Lixiang等[13]发现苦丁冬青苦丁茶中的主要多酚类物质为咖啡酰奎尼酸（caffeoylquinic acids，CQA）类物质，并表明其具有较强的体外抗氧化活性。王晴川等[14]以苦丁冬青苦丁茶为材料，通过柱层析和半制备色谱分离纯化得到了6种CQA类物质，包括3-CQA、4-CQA、5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA、4,5-diCQA，其结构式见图1。CQA被证明具有多种药理功能，如抗氧化活性、抑制消化酶作用、降低血糖以及抑制肿瘤发生等[15-18]。然而，关于CQA与血清白蛋白的相互作用却鲜有报道。因此，在前期的研究基础上，本实验采用荧光光谱法研究并比较4种CQA（5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA）与BSA的结合作用，为阐明CQA在体内的运输、吸收和代谢提供重要信息。

图1 苦丁茶中CQA类物质结构Fig.1 General structures of caffeoylquinic acid derivatives (CQAs) from Kudingcha

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦丁冬青苦丁茶海南椰仙生物科技有限公司；大孔树脂HP-20日本三菱公司。

四种咖啡酰奎尼酸：5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA、4,5-diCQA实验室自制，纯度均＞95%；牛血清白蛋白（相对分子质量为66 210）、Tris-HCl缓冲溶液（pH 7.4，0.05 mol/L，含0.1 mol/L NaCl）、甲醇（色谱纯）美国Sigma公司；其他试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2仪器与设备

F-7000型荧光分光光度计日本Hitachi公司；BL-220H分析天平日本Shimadzu公司；HH-4数显恒温水浴锅江苏国华电器有限公司；Heidolph Laborota 4000真空旋转蒸发仪德国Heidolph公司；LyoQuest-55真空冷冻干燥机西班牙Telstar公司；Agilent 1100高效液相色谱仪美国Agilent公司；ÄKTA Purifier蛋白纯化系统美国通用电气公司。

1.3方法

1.3.1 5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA的制备

采用本实验室建立的方法[14,19]并稍作修改。称取适量粉碎过筛的苦丁冬青苦丁茶粉末，以1∶10（m/V）的料液比加入沸水并于95℃水浴中浸提45 min，5 000×g离心15 min，取上清液，将剩余残渣重复抽提两次，合并上清液，浓缩、冷冻干燥得到苦丁茶多酚粗提物。将粗提物用去离子水配制成溶液，上样于HP-20大孔树脂层析柱（5 cm×30 cm），之后分别用3个柱床体积的纯水与体积分数70%的乙醇洗脱，高效液相色谱法（high performance liquid chromatography，HPLC）在线检测，收集相应的洗脱液，并浓缩、冷冻干燥，经Folin-Ciocalteu法测定初步纯化产物总多酚含量为78.4%。以初步纯化产物为原料，采用ÄKTA纯化系统制备4种CQA单体，纯化流程使用YMC-PACK ODS-A色谱柱（10 cm×250 mm，5μm），检测波长为280 nm，每次进样500μL，流速为2 mL/min，先后用体积分数为20%和40%的甲醇洗脱。根据HPLC检测结果将出峰时间相同的物质富集起来，对照各CQA的标准品，合并相同的组分，经浓缩、冻干，得到5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA。经过HPLC分析，4种CQA峰形清晰、单一，纯度均在95%以上。

1.3.2 CQA与BSA相互作用的荧光光谱分析

荧光光谱测定：BSA和CQA均用Tris-HCl缓冲溶液（pH 7.4）溶解。在5 mL离心管中准确移入3.0 mL 1.0×10-6mol/L的BSA溶液，用移液枪分别加入不同浓度（2.5×10-6、5.0×10-6、7.5×10-6、1.0×10-5、1.25×10-5、1.5×10-5、1.75×10-5mol/L）的4种CQA（5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA或4,5-diCQA）溶液。使用1.0 cm的石英比色皿，设定激发光栅和发射光栅的狭缝宽度为5.0 nm，激发波长（λex）为280 nm，恒温扫描BSA及反应混合物在290～450 nm波长范围内的荧光发射光谱。并以280 nm/340 nm为激发波长/发射波长（λex/λem），测定不同温度（293、310 K）条件下体系的荧光强度，所得实验数据用于猝灭常数和结合常数等的计算。

3D荧光光谱分析：设定激发波长与发射波长的扫描范围均为200～600 nm，狭缝宽度为5 nm，得到BSA及CQA-BSA反应混合物的3D图谱。

同步荧光光谱测定：在310 K的温度条件下，采用同步扫描模式，将激发和发射波长之间的差值分别固定在15 nm和60 nm（Δλ=15、60 nm），狭缝宽度为5.0 nm，扫描速率为1 200 nm/min，同时扫描激发光谱和发射光谱，记录BSA及反应混合溶液的同步荧光光谱。

2 结果与分析

2.1 CQA对BSA荧光光谱的猝灭效应

荧光光谱通常用来研究药物及其他小分子与蛋白质之间的相互作用[20]。小分子的结合可能导致蛋白质内部荧光发生猝灭。BSA分子中含有色氨酸、酪氨酸等氨基酸残基使其具有内源性荧光，并在激发波长和发射波长分别为280 nm和340 nm处有最大荧光峰[21]。由图2可知，保持BSA的浓度不变，当加入不同浓度的CQA后，BSA的荧光光谱发生了猝灭。随着CQA浓度的不断增大，BSA的荧光强度明显降低。3种二取代咖啡酰奎尼酸（3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA）的猝灭效果大于单取代咖啡酰奎尼酸（5-CQA），表明CQA和BSA之间发生了结合作用，并且分子中咖啡酰基的增多提高了CQA的结合能力。此外，BSA的最大发射波长发生微弱红移（5-CQA从340 nm移至344 nm；3,4-diCQA从340 nm移至348 nm；3,5-diCQA从340 nm移至345 nm；4,5-diCQA从340 nm移至344 nm），表明CQA的结合导致了BSA发色团疏水环境的改变。

图2 310 K温度条件下5-CQA（A）、3,4-diCQA（B）、3,5-diCQA（C）和4,5-diCQA（D）对BSA荧光图谱的猝灭效应Fig.2 Fluorescence quenching effects of 5-CQA (A), 3,4-diCQA (B), 3,5-diCQA (C) and 4,5-diCQA (D) on fluorescence spectra of BSA at 310 K

2.2 CQA对BSA的荧光猝灭机理及猝灭常数分析

荧光猝灭的机理主要分为动态猝灭和静态猝灭。动态猝灭是由处于激发态的荧光分子与猝灭剂发生碰撞接触而产生的，而静态猝灭则是由处于基态的荧光分子与猝灭剂生成了不发荧光的复合物引起的[22]。为了确定CQA对BSA的猝灭机理，采用Stern-Volmer方程[23]分析荧光猝灭数据：

式中：F0、F分别表示猝灭剂不存在和存在时蛋白质的荧光强度；[Q]为猝灭剂浓度；Kq为双分子表观猝灭速率常数；τ0为无猝灭剂存在时荧光分子的平均寿命，大部分生物大分子的荧光寿命为10-8s；Ksv为猝灭常数。

根据式（1），以F0/F对CQA浓度[Q]作图，得到Stern-Volmer猝灭曲线，结果如图3所示。根据曲线斜率计算得到CQA和BSA之间相互作用的表观猝灭速率常数Kq及猝灭常数Ksv，结果见表1。对于动态猝灭，各类猝灭剂对生物大分子的最大Kq约为2×1010L/（mol·s）[24]。此外，动态和静态猝灭可根据猝灭常数Ksv随温度的变化关系加以判断。对于动态猝灭，由于其依赖于扩散，因此温度的升高将增加有效碰撞和加剧电子转移过程，使Ksv随温度升高而增大，而静态猝灭则正好相反[22]。根据表1数据可知，随着温度的升高，4种CQA类物质对BSA的荧光猝灭常数Ksv均呈减小趋势，并且反应的Kq远大于各类猝灭剂对生物大分子的最大猝灭常数2×1010L/（mol·s），表明反应形成了BSA-CQA基态复合体，猝灭机理为静态猝灭。另外，3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA的猝灭常数均大于5-CQA，说明diCQA与BSA更易形成稳定的复合物，与猝灭效应分析的结果一致。

图3 不同温度条件下5-CQA（A）、3,4-diCQA（B）、3,5-diCCQQAA（C）和4,5-diCQA（D）猝灭BSA的Stern-Volmer图Fig.3 Stern-Volmer plots of BSA quenched by 5-CQA (A), 3,4-diCQA (B), 3,5-diCQA (C) and 4,5-diCQA (D) at different temperatures

表1 不同温度条件下CQA对BSA的猝灭常数Table 1 Stern-Volmer quenching constants for the interactions of CQAs with BSA at different temperatures

2.3 结合常数及结合位点数的确定

对于静态猝灭过程，当小分子与大分子结合时，荧光猝灭强度与猝灭剂浓度之间的关系可用修正后的Stern-Volmer方程描述：

式中：Ka为CQA与BSA的结合常数；n为结合位点数。

以lg[（F0-F）/F]对lg[Q]作图可得一组直线（图4），由直线的斜率和截距可以求出不同CQA与BSA 相互作用的结合常数Ka和结合位点数n（表2）。

图4 不同温度条件下5-CQA（A）、3,4-diCQA（B）、3,5-diCQA（CC）和4,5-diCQA（D）对BSA荧光猝灭的双对数图Fig.4 Double logarithmic curves for the quenching of BSA fluorescence by 5-CQA (A), 3,4-diCQA (B), 3,5-diCQA (C) and 4,5-diCQA (D) at different temperatures

小分子与大分子之间的相互作用力包括氢键、范德华力、静电作用及疏水作用力[25]。在温度变化不大时，反应的焓变ΔH可以看作一个常量，根据van’t Hoff方程，可计算出ΔH和ΔS。

式中：K为相应温度下（293、310 K）反应体系的结合常数；R为气体常数。

根据公式（3）、（4）计算得到ΔH和ΔS，再由式（5）计算得到ΔG，结果列于表2。

表2 不同温度条件下CQA与BSA的结合常数及相关热力学参数Table 2 Binding parameters and relative thermodynamic variables forCQAs binding to BSA at different temperatures

图4和表2的结果表明，CQA和BSA之间存在强大的结合力，并且diCQA的结合能力强于5-CQA。所有CQA的结合常数均随着温度升高而增大，这表明温度升高后，CQA与BSA的结合能力略有增强，从而导致BSA-CQA复合体的稳定性增加。n值约为1，表明CQA与BSA具有一个结合位点。

2.4 CQA与BSA相互作用的热力学参数及结合类型的确定

由表2可知，4种CQA与BSA反应的ΔG＜0，表明反应是自发进行。Ross等[26]根据大量实验总结了水相中小分子与生物大分子结合的热力学参数与主要作用力之间的关系，1）若ΔH＞0、ΔS＞0，则为疏水作用力；2）若ΔH＜0、ΔS＜0，则为氢键和范德华力；3）若ΔH≈0，ΔS＞0，则为静电引力。根据表2计算结果，CQA与BSA结合反应的ΔH和ΔS均＞0，表明反应的主要作用力为疏水相互作用。

2.5 CQA对BSA的3D荧光猝灭效应

图5 BSA及CQA-BSA复合体的3D荧光光谱Fig.5 Three dimensional spectral contour maps of BSA and BSA-CQA system

近年来，蛋白质的3D荧光图谱经常被用来研究小分子对蛋白分子结构的影响[27]。如图5所示，4种CQA与BSA结合后，对BSA的荧光特征吸收峰产生了影响。CQA在检测波长内无荧光峰，BSA在激发波长为230 nm和280 nm，发射波长为340 nm处分别有一个最大吸收峰。其中230 nm/340 nm（λex/λem）处的特征光谱峰是由于蛋白质肽链结构中π-π*和n-π*电子转移引起的，而280 nm/340 nm（λex/λem）处的吸收峰表现的是蛋白结构中酪氨酸和色氨酸残基的光谱特性[22]。当加入CQA后，BSA的两个特征峰均被不同程度地猝灭，表明CQA与BSA发生了结合，从而导致蛋白肽链的伸展，分子内部的荧光发色基团所处的微环境发生变化。

2.6 CQA对BSA构象的影响

蛋白质的同步荧光光谱常被用来判断蛋白质的构象变化，得到关于生色团分子周围环境的信息[28]。当固定激发波长和发射波长的扫描差值为15 nm（Δλ=15 nm）时，只显示酪氨酸残基的荧光特征光谱，当固定Δλ=60 nm时，只显示色氨酸残基的特征荧光，因此由荧光波长的改变可判断蛋白质中酪氨酸和色氨酸残基所处微环境的变化[29]。牛血清白蛋白含有色氨酸和酪氨酸残基，当加入不同CQA后，其在Δλ为15 nm和60 nm处的同步荧光光谱均发生了改变（图6）。当蛋白质浓度固定时，随着CQA浓度的增加，BSA中色氨酸残基和酪氨酸残基的荧光强度都不断降低，表明CQA可以猝灭BSA内部荧光，并且3种diCQA的猝灭效果大于5-CQA。从图中还可以看出，CQA使BSA中色氨酸残基的最大激发波长发生了红移，而酪氨酸残基的最大激发波长则发生了微弱的蓝移，表明两者的结合影响了BSA的构象，改变了两个残基所处微环境的疏水性。由此可以判断CQA与BSA的相互作用可能是通过CQA与色氨酸和酪氨酸的结合而实现的。

图6 CQA与BSA相互作用的同步荧光光谱Fig.6 Synchronous fluorescence spectra of CQA-BSA interaction

3 结 论

采用荧光光谱的方法研究与比较了苦丁冬青苦丁茶中5-CQA、3,4-diCQA、3,5-diCQA和4,5-diCQA在不同温度条件下与BSA的相互作用。研究发现4种CQA均能与BSA发生结合，形成稳定复合物，导致BSA的荧光发生猝灭，并且diCQA的猝灭效果大于5-CQA，表明结构中的咖啡酰基对结合过程贡献很大。Stern-Volmer方程分析得到两个温度下（293、310 K）的猝灭常数，表明猝灭机理为静态猝灭。采用修正后的Stern-Volmer方程计算了反应的结合常数和结合位点数，说明CQA和BSA之间存在强大的结合力，具有一个结合位点。热力学参数计算结果表明CQA与BSA之间主要依靠疏水作用力结合，反应自发进行。CQA的结合引起BSA 3D光谱和同步荧光光谱的变化，推测CQA与BSA的作用可能是通过与BSA中色氨酸和酪氨酸残基的结合而实现的。本实验为探讨咖啡酰基奎尼酸类化合物在生物体内的作用及其机制提供了重要信息。

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Interaction of Caffeoylquinic Acid Derivatives from Ilex kudingcha C. J. Tseng with Bovine Serum Albumin

XU Donglan, ZHOU Li, HU Bing, SUN Yi*, ZENG Xiaoxiong
(College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In the present study, the interactions between bovine serum albumin (BSA) and four caffeoylquinic acid (CQA) derivatives (5-CQA, 3,4-diCQA, 3,5-diCQA and 4,5-diCQA) isolated from the leaves ofIlex kudingchaC. J. Tseng were investigated by fluorescence spectroscopy under simulated physiological condition (pH 7.4 and 310 K). The binding parameters were calculated according to modified Stern-Volmer equation, and the thermodynamic parameters were determined by the van’t Hoff equation. The results showed that CQA derivatives interacted with BSA, and the binding constants were ranked in the following order: 3,4-diCQA ＞ 3,5-diCQA ＞ 4,5-diCQA ＞ 5-CQA, suggesting that the addition of caffeoyl moiety significantly increased the binding capacity. Thermodynamic analysis showed that the ΔHand ΔSvalues were both positive and the ΔGwas negative, indicating that the interaction process was spontaneous, and hydrophobic force might be primarily responsible for the interaction. In addition, the conformational change of BSA was observed by 3D fluorescence and synchr onous fluorescence spectra, indicating that the interaction between CQA and BSA was achieved through the binding of CQA to the tryptophan and tyrosine residues of BSA.

Kudingcha; caffeoylquinic acid; bovine serum albumin; fluorescence spectroscopy; interaction

TS272；TS201.3

1002-6630（2015）11-0006-07

10.7506/spkx1002-6630-201511002

2015-01-26

国家自然科学基金面上项目（31171666）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

徐冬兰（1990—），女，硕士研究生，研究方向为食品生物技术。E-mail：2013108031@njau.edu.cn

*通信作者：孙怡（1966—），女，高级实验师，博士，研究方向为食品营养与化学。E-mail：sunyi01@njau.edu.cn