糖蛋白质相互作用.pdf

第2 0 卷第6 期2 0 0 8 年6 月化学进展P R O G R E S SI NC H E M I S T R YV 0 1 2 0N o 6J u n e，2 0 0 8糖蛋白质相互作用*黄毅黄金花谢青季一姚守拙一(湖南师范大学化学化工学院化学生物学及中药分析教育部重点实验室长沙4 1 0 0 8 1)摘要糖生物学被认为是生物化学领域“最后的前沿”。糖蛋白质相互作用是信号传导、细胞黏附、病菌感染、受精、增殖、分化和免疫应答等很多细胞识别过程的基础，在生命科学中意义重大。本文综述了糖一凝集素特异性结合、细胞细菌相关的糖一蛋白质相互作用、基因表达的相关调节和基于凝集素媒介的药物导向治疗，以及糖蛋白质相互作用研究的电化学、压电传感、光谱学、纳米技术、微阵列技术和生物传感器等方法和器件与相关的生物医学应用进展。关键词糖一蛋白质相互作用生物医学应用糖化学中图分类号：0 6 2 9 1；0 6 2 9 7；0 6 5 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 5 2 8 1 X(2 0 0 8)0 6 0 9 4 2 0 9C a r b o h y d r a t e-P r o t e i nI n t e r a c t i o n sH u a n gY iH u a n gJ i n h u aX i eQ i n g d i Y a oS h o u z h u o。(K e yl a b o r a t o r yo fC h e m i c a lB i o l o g ya n dT r a d i t i o n a lC h i n e s eM e d i c i n eR e s e a r c h，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n，C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g，H u n a nN o r m a lU n i v e r s i t y，C h a n g s h a4 1 0 0 8 1，C h i n a)A b s t r a c tG l y c o b i o l o g yh a sb e e nr e c o g n i z e da s“t h el a s tf r o n t i e r”i nb i o c h e m i s t r y C a r b o h y d r a t e p r o t e i ni n t e r a c t i o n sa l et h ef u n d a m e n t a l so fm a n yc e l l u l a rp r o c e s s e s，s u c ha ss i g n a lt r a n s d u c t i o n，c e l la d h e s i o n，v i r a l b a c t e r i a li n f e c t i o n，f e r t i l i z a t i o n，p r o l i f e r a t i o n，d i f f e r e n t i a t i o na n di m m u n er e s p o n s e，w h i c ha r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nl i f es c i e n c e s I nt h i sr e v i e ww eb r i e f l yS U n L r n 商z et h er e c e n tp r o g r e s so fc a r b o h y d r a t e-l e c t i ni n t e r a c t i o n s，c e l l-b a c t e r i a-r e l a t e dc a r b o h y d r a t e p r o t e i ni n t e r a c t i o n s，r e l e v a n tm o d u l a t i o no fg e n ee x p r e s s i o n sa n dl e c t i n-m e d i a t e dt a r g e t e dd r u gt h e r a p y，a sw e l la sm e t h o d o l o g i c a ls t u d i e so fe l e c t r o c h e m i s t r y，p i e z o e l e c t r i cs e n s i n g，s p e c t r o s c o p y，n a n o t e c h n o l o g y，m i e r o a r r a ya n db i o s e n s o r so nc a r b o h y d r a t e-p r o t e i ni n t e r a c t i o n sf o rr e l e v a n tb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s K e yw o r d sc a l b o h y d r a t e-p r o t e i ni n t e r a c t i o n s；b i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s；g l y c o c h e m i s t r y2 0 世纪上半叶，大部分科学家认为糖类是一类惰性化合物，它们只是充当结构保护材料(如植物体上的纤维素、昆虫的外壳)和作为能量来源(如动物体内的糖原)，而缺乏生物特异性。近2 0 年来，随着分子生物学的发展，越来越多的证据表明，糖类物质是很多生理和病理过程分子识别的决定因素，糖的生物学功能可通过与蛋白质的识别作用来实现。糖蛋白质相互作用研究对了解糖的生物功能显然具有重要意义。近年来该领域的分析表征方法学和生物医学应用研究均取得了令人振奋的进展，本文就此进行了综述和展望。l 糖蛋白质相互作用1 1概述分子间的特异性识别是生命过程的核心。糖蛋白质相互作用被认为是很多细胞识别过程的基础。细胞表面的糖基和蛋白质是细胞识别外来分子的主要途径，这种相互作用在很多生理和病理过程收稿：2 0 0 7 年6 月，收修改稿：2 0 0 7 年9 月*国家自然科学基金项目(N o 2 0 6 7 5 0 2 9，2 0 3 3 5 0 2 0)、教育部基金(教人司 2 0 0 0 2 6，教技司 2 0 0 0 1 6 5)及湖南省教育厅项目(N o 0 4 C 3 8 3，0 5 A 0 3 6)资助*通讯联系人e-m a i l：x i e q j h u n n u e d u c n 万方数据第6 期黄毅等糖蛋白质相互作用9 4 3 中扮演重要角色，比如细胞黏附、病原体感染、植物与病原菌相互作用、豆科植物与根瘤菌共生过程、细胞凋亡、受精过程、癌细胞异常增生及转移和免疫反应等1-引。糖类物质与蛋白质之间的相互作用涉及到种类繁多的、可特异性识别糖链的蛋白质，主要包括单克隆抗糖抗体、酶、糖转运蛋白和凝集素等 8|。其中凡能够与糖类特异性结合但不具备针对糖类的酶活性且不属于抗体的分子，均可称为凝集素(1 e c t i n)。作为糖类物质的探针分子，糖凝集素作用研究越来越受到人们关注旧“。动植物体内均含有凝集素。植物凝集素在保护植物防止动物、真菌和细菌的掠食方面发挥着重要作用。一些植物凝集素还可通过非特异激活T 细胞而刺激免疫系统，如伴刀豆球蛋白A(c o n c a n a v a l i nA，C o nA)可结合不同细胞膜受体而引发细胞增殖。新近报道的糖结合蛋白g a l e c t i n 1可促进成年人大脑神经干细胞增殖，产生新的神经元 12|。因凝集素可导致细胞凝聚，故很早就用于检验血型。此外，凝集索还可用于鉴别不同的细胞3|，或作为细胞标志物用于诊断。另外，糖一蛋白质相互作用在亲合色谱中也有重要应用，如凝集素可用于糖蛋白、糖磷脂、多糖和酶等的分离纯化引。糖凝集素特异性结合的分子机理引起了生物学和化学等领域学者的广泛兴趣5。高分辨N M R、x 射线结晶学和分子模拟技术可有效获取分子构象等信息，已用于研究分子间相互作用的机理引。凝集素与糖结合专一性是与凝集素的糖识别结构域(c a r b o h y d r a t er e c o g n i t i o nd o m a i n s，C R D)的构象相关的。1 9 9 6 年，P e r 6 z 等7 1 首次报道了与细胞黏附有关的组织血型抗原L e w i sX(L e x)三糖的分子结构，查明k 1 k 1 之间存在氢键。由于寡糖兼具亲疏水特性，它与凝集素的结合会涉及多种作用力，如氢键、范德华力和疏水作用等。氢键是识别过程中重要作用力引，寡糖上的羟基与蛋白质上的极性氨基酸残基有很强的氢键作用。S w a m i n a t h a n 等钊证实了水分子在糖凝集素结合过程中的媒介作用，并为阐述糖凝集素相互作用过程中熵焓变行为提供了合理依据。糖一芳环相互作用(c a r b o h y d r a t e a r o m a t i ci n t e r a c t i o n s)也被认为是糖一蛋白质相互作用的重要作用力J，糖分子中的低t P 极性结构可与蛋白质分子中带芳环结构的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸残基发生作用。1 2 细胞细菌相关的糖蛋白质相互作用细胞表面的糖基在很多基本的细胞过程中有着重要的作用。不同的细胞类型常常表现在其表面糖基表达的不同，细胞表面糖基的表达也会随其生长和分化过程不同而发生变化。肿瘤细胞能够躲避免疫系统的监控就与其表面糖基表达的改变有关，藉此发展了基于糖的抗癌疫苗【2“。对生命体内糖蛋白质间相互作用的理解将极大地帮助人们阐明细胞间的信号转导途径，有助于发现新的疾病诊断途径和开发新的治疗试剂。O h y a m a 等忸1 研究了前列腺癌和良性前列腺增生细胞所表达的前列腺特异性抗原(p r o s t a t es p e c i f i ca n t i g e n，P S A)上糖基的差异，采用凝集素M a a c k i aa m u r e n s i sl e c t i n s 可准确地检测P S A来诊断前列腺癌，从而有效地避免在常规血清分析中常出现的假阳性结果。C h e n 等引用糖包裹的纳米金作为探针实现了从混合液中同时富集和分离飞摩尔级的蛋白质，并进行了蛋白质的鉴别。C h e n等o 在碳纳米管上包裹一种模拟细胞表面黏液素糖蛋白的生物模拟聚合物，这种功能化的碳纳米管(C 1 8 口M M C N T s)可与细胞表面的糖受体发生特异性结合，为监测生物过程提供了新方法。S u n 研究组1 制备了半乳糖功能化的单壁碳纳米管(G a l S W N T s)，这种准一维纳米复合物可与大肠杆菌E s c h e r i c h i ac o l i 细胞表面的半乳糖结合蛋白进行特异性结合，从而可用于在溶液中高效地捕捉致病菌。2 0 0 6 年他们mo 再次利用半乳糖甘露糖功能化的碳纳米管使炭疽热孢子a n t h r a x(B a c i l l u sa m h r a c i s)发生团聚。炭疽热孢子表面存在有大量D 半乳糖和乙酰氨基葡萄糖，在加入C a 2+离子后，9 7 7 的炭疽热孢子发生团聚，这对反生化武器研制具有重要意义。C h u 等旧1 的研究发现，流行性感冒病毒需要通过_ 连接糖蛋白来感染宿主细胞，而同样作为细胞表面受体的唾液酸则在感染过程中没有发挥作用。凝集素也同样可以作为探针研究细胞表面糖蛋白的糖基类型。Z h e n g 等o 在3 0n n l 厚的金薄膜上制作了6 种凝集素C o nA、W G A、R C A、S N A、U E A、G S L I I 的阵列，通过荧光检测细胞与凝集素的结合情况，得到了细胞表面所表达的糖基类型，如纤维原细胞B H K 2 1 在其表面表达有甘露糖基、半乳糖基和乙酰葡萄糖胺基，腺癌细胞C a c o 一2 表面则表达有甘露糖基、半乳糖基、唾液酸和海藻糖基等。这项工作提出了一种通过简单的光谱观察确定细胞表面糖基类型的分析方法。1 3 基因表达的相关调节生物体可通过控制蛋白质与D N A 的结合来调节特定基因的表达。如真核细胞，D N A 与组蛋白结 万方数据化学进展第2 0 卷合以染色质的形式存在于细胞核中，此时基因表达受到抑制。基因表达的人工调节是后基因组研究的重要课题，在生物医学领域(如基因治疗)中有广泛的应用前景。有研究表明糖基化的D N A 与基因的表达是相关的协3 0 。M a t s u u r a 等b h3 2 利用糖凝集素的相互作用实现了D N A 转录的人工调节。他们制备了质粒D N A 与乳糖的复合物(p l a s m i dD N Al a c t o s e)作为糖基化D N A 的类似物，该类似物通过乳糖基与凝集素R C A。的识别作用发生交联加入的R N A 聚合酶不能与D N A 有效结合，于是D N A 的转录受到抑制。加入过量的乳糖以竞争结合凝集素，R N A 聚合酶与释放出的D N A 类似物结合，D N A 转录得以进行，从而实现基因表达的人工调节(如图1)。图1 利用糖凝集素相互作用调节基因表达的示意副”1F i g 1S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fm o d e ls y s t e mf o rr e g u l a t i o no fg e n ee x p r e s s i o nu t i l i z i n gc a r b o h y d r a t e 1 e e t i ni n t e r a c t i o n 3 2 1 4 基于凝集素媒介的药物导向治疗导向治疗属于靶向给药系统，是指应用一定的生物医学技术让治疗药物与靶向载体相结合，在载体的导向下把药物运送到需要发挥作用的特定部位，从而减少药物对健康机体可能的副作用和毒性。导向药物的设计是导向治疗的重要研究方向D 引。1 9 8 7 年，B a g s h a w e m l 首次提出了抗体导向酶前药治疗(a n t i b o d y d i r e c t e de n z y m ep r o d r u gt h e r a p y，A D E P T)这一新概念，即利用抗体作为载体携带前药的专一性活化酶，活化酶通过肿瘤细胞表面抗原选择性地结合到肿瘤部位，当前药进入体内，前药就与结合到细胞表面的活化酶发生特异性反应，释放药物作用于肿瘤细胞。这种方法利用抗原与抗体、酶与底物的双重选择特异性提高药物的靶向性，同时也降低了药物毒性。凝集素与糖类的识别作用就可以起到这样的导向作用5|。随之，凝集素导向酶前药治疗(1 e c t i n-d i r e c t e de n z y m e-a c t i v a t e dp m d m gt h e r a p y，L E A P T)也发展了起来引。其3 个基本步骤如图2所示：(1)糖基化的鼠李糖苷酶通过受体媒介胞吞作用(r e c e p t o r-m e d i a t e de n d o c y t o s i s，R M E)进入细胞；(2)鼠李糖包裹的前药进入到细胞；(3)前药在酶的作用下释放药物。结果显示，这种方法操作简单，只需要对酶进行糖基化改性，同时药物的靶向选择性也提高了6 0 倍。B e n i t o 等引设计了一类连接有多糖的树枝状p 环糊精衍生物，合成了一系列这种具有不同单糖单元和空问结构的衍生物，考察了它们与C o nA 及一种巨噬细胞表面甘露糖海藻糖特异性受体的结合能力。抗癌药物d o c e t a x e l 借助口一环糊精圆筒状的分子结构特征与之结合。这种新型的糖导向药物就可以像“生物导弹”一样发挥针对性的靶向治疗作用。图2L E A P T 双向导向系统示意图蚓F 睡2L E A P T 船ab i p a r t i t ed e l i v e r ys y s t e m”12 糖凝集素相互作用研究方法学与器件生命体系中涉及大分子与大分子或大分子与小分子之间的相互作用，作用的形式包括化学键的断裂、组合或重排，还包括氢键、疏水作用、偶极作用和范德华力等弱相互作用。分子间相互作用会引起复杂的结构变化，伴随能量转移。人们对分子间相互作用进行了一系列研究，相关的研究方法也逐渐成熟起来。本文主要综述了电化学、压电传感、光谱、纳米技术、微阵列技术和生物传感器等方法和器件在糖蛋白质(凝集素)相互作用研究中的应用。2 1 电化学方法电化学方法检测灵敏度高，易于实现自动化和连续分析，可用于氧化还原过程及其机理、催化过程与机理、新材料表征、表面分析和电池反应跟踪等研 万方数据第6 期黄毅等糖一蛋白质相互作用9 4 5 究领域。生命现象的很多过程伴随着电子转移反应，应用电化学方法研究生物体系的电子传递过程是揭示生命本质的重要途径。电化学方法用于分子间相互作用研究，可以了解相互作用过程中的电子转移机理，指示分子间作用力的大小。S u g a w a r a 等在甘露糖引和-乙酰氨基葡萄糖旧钊上连接电活性分子道诺霉素及硫堇【加】，当与凝集素结合后，标记的电活性分子嵌入到凝集素的结合位点，峰电流减小。伏安法研究通常需引入电活性基团，但电化学交流阻抗研究亦可对非电活性修饰层进行跟踪和表征。阻抗方法已广泛用于电极表面生物大分子的吸附和生物识别过程n 23 的研究。L i u 等H 3 1 用电化学交流阻抗等方法研究了聚苯胺硼酸薄膜与糖蛋白间的相互作用，发现糖蛋白与聚苯胺硼酸薄膜的相互作用包括特异性和非特异性结合。其中特异性结合是硼酸与糖蛋白糖基的结合，硼酸可与糖的邻二醇结构结合形成环状复合物。D i n i z 等1 用电化学阻抗法和伏安法研究了凝集素C o nA 在氧化的铂电极表面的吸附行为。氧化过程使铂电极表面产生大量的羟基，从而表现出类似于碳水化合物的性质，对蛋白质产生亲和力。电化学方法应用于小分子与生物大分子相互作用的研究还不多，但其进一步的应用必将成为研究的热点。2 2 石英晶体微天平石英晶体微天平(q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e，Q C M)是一种基于压电效应的能够动态称量电极表面纳克(1 0。9g)级质量变化的传感器装置【4 引。1 9 5 9年，S a u e r b r e y 1 首次报道了压电石英晶体频移与电极表面沉积物的质量间的线性关系，即S a u e r b r e y方程：=一2 A m A(p,u)“2 式中厶是晶体基频(H z)，厂为晶体频移(H z)，A 为电极表面积(c m 2)，1 0 和p 分别是石英晶体的密度(2 6 4 8g c m 3)和晶体剪切模量(2 9 4 7 1 0 1 1g c m s。)，A m 为刚性薄膜质量变化(g)，负号表示质量增加导致频率下降。Q C M 在生物化学研究领域得到了广泛的应用，如生物物质的定量测定、生物过程监测、免疫及酶动力学分析和药物与生物大分子相互作用研究等。Q C M 应用于生物分析的优点在于其可监测到很小的质量变化，且无需对物质进行标记。研究液相压电石英晶体谐振的方法有振荡器法(主动法)和阻抗分析法(被动法)两种：主动法主要提供晶体的振荡频率；被动法可得到晶体谐振行为的多维压电信息H 7“引。压电阻抗分析法可提供电极表面修饰膜黏弹性和机械力学的实时信息，我们认为利用该技术实时评估细胞在电极和各种修饰材料表面的贴壁应力是可能的，并可望开发出针对包括糖蛋白在内的细胞黏附因子的新型分析技术。电化学技术与压电阻抗分析法的联用技术有望成为研究分子间相互作用动力学的有效工具，5 0J。T a n 等b 采用该法研究了C o nA 与糖原的相互作用，通过分别固定糖原和C o nA，测得两者结合常数分别为1 4 8x1 0 6 和1 2 6 1 0 6m o l L。E b a r a 等b 2 1 研究了糖脂单层膜与C o nA 的结合动力学，通过频率的变化值得到了结合常数和或解离常数以及结合量等参数。L e b e d等b 纠应用Q C M 技术研究了固定的C o nA 与溶液中羧肽酶Y 之间的相互作用。P e i 等旧1 则在石英晶体上固定酵母甘露聚糖，得到其与C o nA 的表观解离常数约为0 4g m o l L。S a u e r b r e y 方程适用于所沉积的薄层物质是刚性且在电极表面均匀分布的情形。事实上，石英晶体谐振对修饰膜的黏弹性也是敏感的，这样就使真实质量和据S a u e r b r e y 方程的计算结果存在偏差。W a n g 研究组分别采用自组装单分子层技术5o 和H u i s g e n1，3 偶联环加成反应o 在Q C M 电极表面固定糖，研究了其与凝集素的结合特性。这种自组装生物膜刚性大，实验中也没有观察到非特异性吸附。近年来，一种具有监测石英晶振能量耗散功能的石英晶体微天平技术(q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c ew i t hd i s s i p a t i o nm o n i t o r i n g，Q C M D)发展迅速。与传统Q C M 相比，Q C M D 除了可提供频率的变化信息外，还可同时监测石英晶振能量的耗散情况b 川，从而以简单的装置实现了压电石英晶体阻抗分析的部分功能。对于刚性薄膜，可据S a u e r b r e y 方程和频移计算薄膜质量；当沉积的薄膜疏松或具黏性时，能量通过薄膜上的摩擦效应而消耗，石英晶振体声波的振幅发生衰减，故能量耗散可反映薄膜的机械力学和结构信息。通过频率和耗散因子数据可望同时得到膜质量、厚度和膜黏弹性等信息。Q C M D 可对多种不同类型表面的分子相互作用和分子吸附进行研究，涉及蛋白质、脂质、聚电解质、高分子和细胞细菌等与表面或与已吸附分子层之间的相互作用b 引。R u d d 等 刮采用Q C M D 技术研究了几种生长因子与固定于石英晶体电极表面的肝磷脂寡聚糖的结合过程。结果表明，不同生长因子的结合量是不同的，这说明不同种类生长因子与寡聚糖结合形成的复合物结构是不同的。万方数据9 4 6 化学进展第2 0 卷Q C M 技术由于其特有的优势，已用于糖、糖蛋白、凝集素以及微生物的检测。C a n n o n 等1 发展了一种基于糖受体的压电传感器用来检测单糖。他们采用基因工程手段在糖受体分子的氨基酸序列中插入半胱氨酸，糖受体通过金硫键固定到石英晶体表面。从质量效应的角度，单糖是小分子，不足以引起大的频移，但糖受体组装膜在结合单糖之前是一层黏性膜，结合单糖后，膜变得更致密而更具刚性，从而产生较大的频率响应。S t i n e 等川比较了鞘糖脂和抗体作为识别分子用来检测毒素蓖麻蛋白的Q c M 传感器，发现与抗体相比，鞘糖脂检测蓖麻蛋白更灵敏，检测下限降低了5 倍，达5 弘g I I l l。2 3 光谱方法2 3 1 表面等离子体波共振表面等离子体波共振(s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e，S P R)适于研究生物分子间的相互作用，其优点是响应快、免标记、可实时检测和获取相关动力学和热力学参数，如平衡常数K。和解离常数蚝。其原理是当光波从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，入射光发生全反射。全反射时光波将透入到光疏介质很薄的一层，形成消失波。消失波引发金属膜自由电子产生表面等离子体，当消失波的频率与等离子体的振荡频率相当时，就引起表面等离子体共振波。此时入射光被金属表面电子所吸收，使反射光能量下降。下降到最小时的入射角度称为共振角。共振角会随金属薄膜表面通过液相的折射角的变化而变化，折射率的变化与金属表面结合的分子质量成正比。通过分析共振角的变化就可得到分子间相互作用的信息。M a t s u u m 等1 用S P R 技术定量估算了s i a l o s y l l a c t o s y l c e r a m i d e(G M 3)单层膜与包含g a n g l i o t r i a o s y l c e r a m i d e(G 9 3)的聚合物之间的相互作用，结果表明鲰3 可选择性地结合到G M 3 单层膜中，结合常数约为1 0 6t o o l L。此外，他们旧1 还研究了G 9 3 与多种神经节苷脂单层膜的相互作用，发现G M 3 与G S 3 的结合力最强，表观结合常数为2 51 0 6m o l L，随着G M 3 结构的改变，结合力逐渐减小。这说明G M 3 和G 9 3 两种鞘糖脂间相互作用是基于很精确的分子识别。W h e l a n 等旧1 用一种微型表面等离子体共振传感器研究了C o nA 与抗生物素蛋白(a v i d i n)的相互作用，得到解离常数虬为6 00 9“t o o l L。S m i t h 等1 也用S P R 研究了糖蛋白质的相互作用。他们利用聚二甲基硅氧烷微通道技术在金膜表面组装了甘露糖和半乳糖阵列，随后用S P R 成像技术监测到溶液中两种凝集素，木菠萝凝集素(J a c a l i n，选择性识别半乳糖)和C o nA(选择性识别甘露糖)，与糖阵列的结合，得出两种相互作用的吸附常数K 一。分别为(2 24-0 8)1 0 7 和(5 64-1 7)1 0 6t o o l L。M i s l o v i 6 0 v 6 等1 用S P R 技术研究了两种天然糖蛋白酶(转化酶和葡萄糖淀粉酶)和两种合成的甘露糖基化酶与C o nA 的结合特性，得到两种合成酶与C o nA 的解离常数配分别为1 6 5和2 0 0 士5 0 且t o o l L。C r i t c h l e y 等帕7 1 比较了两种合成糖脂与凝集素R C A 加的结合差异。V o m h o l t 等旧1采用S P R 系统表征了凝集素的糖识别结合域，以筛选天然凝集素。2 3 2 荧光光谱法荧光光谱法(f l u o r e s c e n ts p e c t r u m)是研究生物大分子与小分子和离子相互作用的重要手段。人们常常利用蛋白质自身的内源荧光作为探针，借助荧光猝灭法可测定分子相互作用的结合常数及结合位点数，也可引入外源性荧光指示探针。X u e 等旧合成了连接有糖基的聚对亚苯聚合物，这种聚合物在磷酸缓冲溶液中有很强的荧光，当与C o nA 作用时，聚合物的荧光强度减小，荧光猝灭常数为4 5 1 0 7。R u s i n 等 叫合成了糖基取代的o l i g o p y r r o l i c 大环化合物，这种大环化合物在水相中会发生团聚而使荧光减弱，当加人凝集素C o nA，糖与凝集素发生识别作用，大环化合物得以分散，荧光强度增大，再加入与C o nA 有强亲和作用的D-甘露糖，大环化合物从位点被释放，重聚使荧光猝灭(如图3)。图3C o nA 与标记物相互作用及被单糖取代过程”1F i g 3I n t e r a c t i o no fC o nAw i t hal a b e lf o l l o w e db yd i s p l a c e m e n tw i t han a t u r a ls u b s t r a t e【”】2 3 3 其他光谱方法主要有紫外-可见吸收光谱(u V-v i sa b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y)，红外光谱(i n f r a r e ds p e c t r o m e t r y，I R)和 万方数据第6 期黄毅等糖蛋白质相互作用9 4 7 圆二色谱(c i r c u l a rd i c h r o i s m，C D)等。G u o 等 发展了一种免标记的光化学传感器用于C o nA 检测。他们把金纳米颗粒沉积到玻璃表面，再在金纳米颗粒表面自组装十二烷基硫醇单分子层，探针糖脂则通过物理作用插入到十二烷基硫醇组装层中，采用紫外可见光谱监测了糖和C o nA 的结合。两者结合后，吸收光谱发生移动，其他非特异性的蛋白质则不会出现光谱的变化。该法很灵敏，对C o nA 的检测下限低至0 1n m o l L 一。R e v e l l 等 2。采用反射吸收红外光谱法和S P R 研究了糖自组装单层与凝集素的结合特性。S c r e e n 等 纠采用红外光谱探究了糖一蛋白质相互作用过程中分子间的作用力，这表明红外光谱是研究分子间相互作用机理的有效手段。圆二色谱可得到手性分子内部结构的信息，是测定生物大分子构象及其变化的有效手段，也已用于糖蛋白相互作用的研究“。2 4 纳米技术放大凝集素的糖结合位点比较浅，在溶液中，糖凝集素的单个位点结合力是很弱的(K。=1 0 3 1 0 4m o l L)，生物识别过程往往是多价糖蛋白质的作用 引。l e e 等乜，7 63 发现多价的结合力比单价结合力的总和还要强，这就是糖簇效应(c l u s t e rg l y c o s i d ee f f e c t)的结果m 。为了放大这种相互作用，可以让凝集素参与到多价的结合。纳米技术是实现这种多价作用的重要途径 引，包括纳米颗粒、纳米管、树枝状聚合物和脂质体等纳米材料的使用。近年来，金属纳米颗粒的制备研究引起了人们的广泛兴趣。与相应的块体材料相比，金属纳米颗粒具有独特的化学和物理性质，已应用于电学、催化、磁性材料、生物染色剂和药物输送等许多领域。金属纳米颗粒已广泛用于糖凝集素相互作用研究。P e n a d 6 s 研究组n 9 酬开展了一系列的工作。他们最早把糖基连接到纳米金表面用于生物研究，并提出了一种简便的方法合成水溶性的多价糖修饰纳米颗粒，并成功用于生物识别。L i n 等“制备了分别用甘露糖、葡萄糖和半乳糖包裹的金纳米颗粒，研究了这种糖纳米金复合物与C o nA 的相互作用。他们发现通过改变纳米金的粒径以及糖探针的类型可以调节与凝集素的亲和特性，表明纳米颗粒是用于研究糖蛋白质相互作用的优良载体。T s a i 等m 1 利用纳米金的光学性质，通过比色法研究了蛋白质问相互作用。该法无需复杂的蛋白质标记，肉眼即能观察发生相互作用前后的颜色变化。C o nA 与甘露糖修饰的纳米金结合发生团聚，颜色由酒红色变成蓝色，再加入可与C o nA 有更强结合力的甲状腺球蛋白(t h y r o g l o b u l i n)，团聚的纳米金得以重新分散，溶液的颜色又恢复到原来的酒红色。同时，通过记录作用前后的u v v i s 吸收光谱来定量评估这种相互作用，得出C o nA 与蛋白质B S I 的结合常数为1 5 1 0 bm o l L。O t s u k a 等3o 制备了乳糖修饰的纳米金，凝集素R C A。可选择性地使纳米复合物凝聚，溶液的颜色也由桃红色变为紫色，当加入过量的半乳糖，颜色恢复到桃红色。纳米复合物的团聚程度与凝集素的浓度有线性关系，故可用于凝集素的定量分析。R u s s e l l 研究组旧1 也做了类似的工作，他们制备了甘露糖功能化的银纳米颗粒和乳糖功能化的金纳米颗粒，用比色法分别选择性地检测了C o nA 和R C A l 2 0。量子点(q u a n t u md o t s，Q D s)又称半导体纳米微晶体。量子点粒径很小，可发射荧光。量子点的体积大小控制它的光吸收和发射特征。与有机荧光分子相比，量子点具有明显优势，其发光强度高、光化学稳定性好、激发光波长范围宽、不同粒径的量子点可由同一波长的光激发，这给生物学研究带来了很大方便m 1。自N i e 等1 首次将量子点应用于生物标记后，量子点在生物体系中的应用研究受到广泛关注。H u a n g 等埔7 J 用量子点作为荧光探针标记蛋白质，用来检测C o nA，检测限为普通荧光素标记的1 1 0 0。B a b u 等旧1 把乳糖、蜜二糖和麦芽三糖修饰到3种不同粒径的C d S e Z n S 量子点上，并研究了它们与相应凝集素的选择性结合，研究结果表明量子点可以很灵敏地检测到分子的凝聚行为。D el aF u e n t e等旧1 把三糖抗原l e w i sX 修饰到C d S 量子点上用于标记细胞表面的糖受体。W e n g 等旧1 把植物凝集素(U E A 1)和抗体a n t i v W F 共价结合到C d T e 量子点上作为荧光探针。这两种探针可以特异性地结合相应的细胞膜受体和细胞质免疫原而用于细胞成像。碳纳米管(c a r b o nn a n o t u b e)是一种一维纳米材料，从1 9 9 1 年I i j i m a 首次报道该纳米材料以来，人们就努力将其用于生物体系。碳纳米管极差的水溶性限制了它的生物学应用，因此碳纳米管的生物功能化成了重要的研究课题旧o。生物功能化的碳纳米管具有很好的生物亲和性。糖碳纳米管复合物的研究就引起了很多研究者的兴趣，直链淀粉阳引、支链淀粉旧1 和糖缀合物协1 与碳纳米管的复合物均已成功制备。H a s e g a w a 等哺1 利用裂褶多糖(s c h i z o p h y l l a n)在D M S O 和水溶液中分别呈现单链形式和螺旋态的性质，把裂褶多糖的D M S O 溶液与碳纳 万方数据化学进展第2 0 卷米管的水溶液混合就制得了超分子包裹的碳纳米管复合物。这种复合物具有更好的特性，可与凝集素高效结合。糖一碳纳米管复合物也已成为生物功能材料研究中新的热点，有着广阔的应用前景一蚓。树枝状聚合物(d e n d r i m e r s)是具有稠密的支链结构并含有大量活性端基的超支链聚合物。与普通高分子聚合物不同，树枝状聚合物具有低黏度、高溶解性、可混合性以及高反应性等特点，其体积和形态可在合成过程中专一性地控制。由于它独特的分子结构和物理化学性质，树枝状聚合物在众多领域，如超分子化学、生物医药、光化学和电化学等众多领域有着广泛的用途旧1。糖树枝状聚合物(g l y c o d e n d r i m e r s)是糖与树枝状聚合物组合的糖质结合体。细胞间的识别过程常常是糖蛋白质问多价的相互作用，这使糖树枝状聚合物可以更好地研究和模拟其生物识别过程。W o l l e r 等旧1 系统地研究了6 种不同糖负载量的树枝状聚合物与凝集素的结合特性。通过控制聚合物表面糖含量就可以控制其与凝集素的结合活性及结合的凝集素的数量。W o l f e n d e n 等旧1则在树枝状聚合物修饰上甘露糖、葡萄糖和半乳糖，研究了通过改变糖种类和含量来调节聚合物与蛋白质的亲和力。S c h l i c k 等驯研究了甘露糖功能化的树枝状聚合物与豌豆凝集素的结合特性。2 5 糖微阵列技术微阵列技术(m i c r o a r r a yt e c h n o l o g y)具有高通量和高灵敏的优点，发展迅速，应用前景广阔。糖微阵列技术一般包括3 种类型：单糖或二糖微阵列0 1J、寡聚糖微阵列叫和多糖微阵列叫。P a r k 等0 把平行合成的3 种二糖和3 种糖基化酶组成微阵列，用荧光标记的植物凝集素对糖与蛋白质之间的相互作用进行了研究。结果表明，不同结构的糖类选择性地结合相应的凝集素，其相对亲和能力的大小与溶液中评估所获得的结果一致。B l i x t a 等叫用标准自动微阵列印刷技术构建了有2 0 0 种合成及天然多糖组成的微阵列，能可靠高效地测定多糖结合蛋白(g l y c a nb i n d i n gp r o t e i n s，G B P s)的特异性。A d a m s等叫利用糖微阵列技术和