基本信息
- 项目名称：
- 卟啉光谱探针与蛋白质相互作用的机理研究及应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 1. 为了解决青霉素产品中残余蛋白含量检验手段存在的测定时间长、结果重现性差、预处理手段繁琐、灵敏度低等问题。我们选择具有灵敏度高、稳定性好、抗干扰、操作简单等优点的金属卟啉配合物作为光谱探针用于残余蛋白含量的检测，为药物生产提供了质量保障，从而节省了能源。 2. 采用分光光度法、荧光光度法相结合研究了自行设计合成的金属锌卟啉配合物作为光谱探针与牛血清白蛋白的作用机理，将化学理论计算与实验相结合，确定了两者结合机理类型和能量转移过程参数，这对进一步研究该金属卟啉在生物体内的作用提供了重要信息。 3. 在已有的机理研究基础上，我们将该类锌金属卟啉作为光谱探针用于青霉素生产过程及产品中残余蛋白含量的检测及监控，，获得了令人满意的效果。该体系的稳定性、选择性和准确度、灵敏度相对于已有的检测青霉素残余蛋白含量的同类技术显示出其优越性，并且该法操作简便、成本较低。发表SCI相关论文3篇。
- 详细介绍：
- 1. 青霉素产品中残余蛋白的存在会造成人体过敏现象。目前，生产厂家采用的检验手段存在如测定时间长、结果重现性差、预处理手段复杂、灵敏度低等诸多问题。因此迫切希望建立一种简便、快速且灵敏的测定痕量蛋白质的探针技术。 2. 基于上述研究背景，利用金属卟啉配合物具有灵敏度高、稳定性好、抗干扰、操作简单等优点，将其作为光谱探针。这是本课题选题的创新之处，但将该类卟啉用于痕量蛋白质测定的光谱探针之前，需要深入了解其与蛋白质的相互作用机理，因此研究二者之间的作用模式及机制具有重要意义。 3. 基于卟啉的取代基团所具有的性质，从理论上设计易于蛋白质结合的金属卟啉配合物，从而自行设计并合成出四苯基-锌卟啉及对称性对羟基苯基-锌卟啉两种金属卟啉，并完成了表征和纯度分析。 4. 从金属配合物光谱探针标记蛋白质的研究目的出发，采用分光光度法、荧光光度法相结合研究金属锌卟啉配合物作为光谱探针与牛血清白蛋白的作用机理，实验了不同温度下的结合常数，计算并确定了猝灭过程类型，将化学理论计算与实验相结合，计算了两者能量转移效率和结合距离等参数，最后结合热力学函数获得了两者作用力类型。这对进一步研究该金属卟啉在生物体内的作用提供了重要信息。 5. 在系统研究了金属锌卟啉与蛋白质结合机理后，我们将该类锌金属卟啉作为光谱探针用于测定痕量蛋白质，建立该卟啉与痕量牛血清白蛋白定量分析体系所需的最佳实验条件，评估该体系的稳定性、选择性和准确度、灵敏度相对于已有的检测青霉素残余蛋白含量的同类技术显示出其优越性，并且该法操作简便、成本较低。将该方法应用于实际青霉素生产中残余蛋白含量的检测及监控，获得了令人满意的效果。该检测体系用于实际生产厂家的在线检测，为药物生产提供了质量保障，从而节省了能源，为企业获得了一定的经济效益。发表SCI相关论文3篇。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为避免青霉素生产中残余蛋白过高造成的生产控制困难和产品使用危险，利用金属卟啉光谱探针灵敏度高、操作简单、稳定性好、抗干扰等优点克服现有检测手段的弊端，自行设计合成金属锌卟啉用于青霉素产品残余蛋白含量的检测。本课题基于金属卟啉光谱探针标记蛋白质的作用机理研究，建立一种高灵敏、易操作、稳定性好、选择性高的用于青霉素生产中残余蛋白含量检测的新方法。
科学性、先进性及独特之处
- 采用荧光光谱法在分子水平上研究了金属锌卟啉与蛋白质相互作用机理及作用力类型，并计算出能量转移效率及分子结合距离。首次采用分光光度法将金属锌卟啉作为光谱探针应用于痕量蛋白质测定，通过条件优化证实了该法可行性和优越性。 该方法应用于青霉素中残余蛋白含量的测定比同类技术，具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、操作简单等优点,实现了及时指导监控生产质量，降低产品不合格率，带来了可观的经济效益。
应用价值和现实意义
- 采用荧光光度法从分子水平研究了金属卟啉与蛋白质间相互作用机理，为卟啉作为光谱探针开发应用及生命科学和医学研究提供有用的数据和信息。以金属卟啉为光谱探针，建立的痕量蛋白质检测方法可用于食品检验、生命科学、临床医学等领域。用于青霉素生产中残余蛋白测定，克服了原有方法时间长、预处理手续繁琐，灵敏度低等缺陷，获得满意的结果，从而控制产品质量，避免了产品造成的人体过敏现象，为生产企业带来直接经济效益。
学术论文摘要
- 基于meso-四苯基-锌金属卟啉对牛血清白蛋白有内源荧光猝灭作用，测定了两者在不同温度下的结合常数，依据热力学参数，推断两者间作用力类型，从分子水平上研究了相互作用机理。 此外，研究了对称性对羟基苯基-锌卟啉作为分光光谱探针测定牛血清白蛋白的最佳显色条件。在有机极性小分子乙醇存在下，蛋白质的加入可增强THPP-Zn的吸光度。在最佳显色条件下测得BSA对THPP-Zn的线性范围为1.0 × 10-5 ~ 3.0 × 10-6 gmL-1，检出限为9.2 × 10-8 gmL-1。此方法抗干扰能力强，有较好的选择性和灵敏度，线性范围宽，在青霉素G钾工业盐实际样品的测定中取得了令人满意的结果。从而实现了青霉素的生产控制和产品质量检验，提高了青霉素生产质量。该法还可用于临床检验分析，其数据为生命医学研究提供有利的参考。
获奖情况
- 1. 荧光光谱法研究四苯基-锌金属卟啉与蛋白质的相互作用机理. 光谱学与光谱分析, 2009, 29(3): 773-776. (第一作者，SCI&EI收录) 2. Meso-四(3,5-二溴-4-羟基苯基)卟啉褪色光度法测定蛋白质的研究与应用. 光谱学与光谱分析, 2008, 28(5): 1149-1152. (SCI&EI收录) 3. 四-(二甲氨基苯基)卟啉及其金属配合物的合成及光谱性能研究. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(12): 25566-2569. (SCI&EI收录)
鉴定结果
- 山东师范大学唐波、清华大学张新荣、山东大学徐桂英、江南大学李在均、中国石油化工研究院徐广通等教授的鉴定结论：从选题、方案设计、结果等可看出，该作品设计思路新颖，分析手段先进，处于国内领先水平。
参考文献
- [1] Investigation of interaction of cationic surfactant with HSA in the presence of alcohols using PFG-NMR and potentiometric technique[J]. Colloids and Surfaces A, 2004, 232(1). [2] Study on the formation and depolymerization of acridine orange dimer in acridine orange-sodium dodecyl benzene sulfonate-protein system[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2006, 298(2) [3] Advances in the study of luminescence probes for proteins[J]. Journal of Chromatography B, 2004, 803[4] Application of the dibromohydroxyphenylfluorone–molybdenum(VI) complex to the sensitive spectrophotometric determination of protein[J]. Analytical Chimica Acta, 2000, 403(1-2) [5] A novel method for the determination of protein utilizing 4-azochromotropic acid phenylfluorone–molybdenum(VI) complex[J]. Analytical Chimica Acta, 1999, 396(1) [6] Pattern recognition of proteins based on an array of functionalized porphyrins[J]. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(7)
同类课题研究水平概述
- 蛋白质是人体中必不可少的重要组成成分，它与生命活动有着密切的联系，并且与遗传密码的翻译、信息的转录、DNA的复制都有密切联系。蛋白质与有机小分子探针的反应机理探讨，不仅对改进和发展检测蛋白质的方法有促进作用，而且对阐明药物在体内的传输及药理作用也非常重要，是生命科学、临床医学和化学研究的重要内容。目前，它已引起了科学界极大关注和兴趣，其中部分研究已经应用于临床医学检验和生命科学中，这对于深入推动生命科学研究具有重要的现实意义。 卟啉广泛存在于自然界和生命体中，对生物的新陈代谢起着至关重要的作用。它是一类有共轭骨架的大环化合物，其中心的四个氮原子都含有孤电子对，可与金属离子结合生成大环共轭体系结构的金属卟啉，其环内电子流动性非常好，因此，大多数金属卟啉都有较好的光学性质。卟啉化合物已在生物化学、医学、材料化学、光电化学、催化化学等领域中被广泛研究和应用。近年来，人们又发现了卟啉化合物的一些新的应用领域，诸如LB膜、电化学传感器、分子自组装等。除此之外卟啉还可以用于肿瘤光治疗中的光敏剂、催化温和反应的催化剂、环境治理中使用的脱硝催化剂以及汽车尾气处理中用的催化剂、非线型光学材料，并可以用于酶的模拟等。 分光光度法是一种光谱分析手段，作为一种重要的分析方法，它目前已广泛应用于医药、食品、生命科学及环境监测等诸多领域。而现行迅速发展的荧光分光光度法，因其包含着诸多的信息，如发射峰特征、能量转移及荧光寿命等指标可对蛋白质分子中荧光生色基团的结构及其所处的微环境提供有效的信息。它在研究小分子与蛋白质的结合反应可以综合利用蛋白质和小分子的荧光猝灭、能量转移等各方面的信息，因而是机理研究的主要手段之一。 光谱探针是一种目前备受关注的检测蛋白质的有效手段，而稳定的染料-金属探针由于其高选择性和稳定性而受到广泛关注。卟啉由于其特殊结构，具有较强的荧光和高量子产率，可用于生物分子的识别，是较好的光谱探针，但其作用机理及平衡规律目前仍未研究透彻。因此开展蛋白质与金属卟啉光谱探针相互作用的理论研究与应用有着深远意义。通过对蛋白质与染料小分子的结合反应的机理研究，主要包括结合常数、结合位置、能量转移类型及作用力类型等，由分子水平认识蛋白质分子与小分子相互作用机理，为生命科学研究提供有用信息和数据。发表SCI论文3篇，该成果经专家组鉴定其水平达到了国内领先水平（见附件5）。
