Please wait a minute...
物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (12): 2377-2387    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201706096
综述     
量子点与蛋白质相互作用热力学
颜稔1, 赖璐2, 许子强3, 蒋风雷1, 刘义1
1 武汉大学化学与分子科学学院, 武汉 430072;
2 长江大学化学与环境工程学院, 湖北 荆州 434023;
3 湖北大学材料科学与工程学院, 武汉 430062
Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins
YAN Ren1, LAI Lu2, XU Zi-Qiang3, JIANG Feng-Lei1, LIU Yi1
1 College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China;
2 College of Chemistry and Environmental Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei Province, P. R. China;
3 Faculty of Materials Science & Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, P. R. China
 全文: PDF(2121 KB)   输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

量子点(QDs)具有宽激发窄发射、量子产率高、发射波长可调和抗光漂白等优异的光学性质,因而在生物医学成像与示踪、生物传感等方面有着广泛的应用前景。量子点进入生命体系后,首先会遇到蛋白质,量子点与蛋白质之间发生相互作用后,蛋白质的结构和功能会因此发生变化,量子点的性能及应用也会发生改变。研究量子点与蛋白质的相互作用规律,可以为量子点的精细设计、高效应用以及生物安全性评价提供理论依据。本文在总结国内外相关文献和本课题组工作的基础上,介绍了量子点与蛋白质相互作用的热力学方法;重点从热力学角度揭示量子点与蛋白质相互作用的机制。

关键词: 量子点蛋白质相互作用热力学荧光猝灭    
Abstract:

Quantum dots (QDs) exhibit excellent properties, such as broad absorption, narrow emission, high photoluminescence quantum yields, tunable emission wavelength, and anti-photobleaching. As a result, QDs have important applications in biological imaging, tracking, and sensing. When QDs enter living systems, they first encounter proteins. The interactions between proteins and QDs significantly influence the structures and functions of the proteins, as well as the performance of the QDs in applications. Studies on the interactions between QDs and proteins can provide a theoretical basis for the design, efficient application, and safety evaluation of QDs. Herein we have summarized methods for characterizing the thermodynamics of QD-protein interactions, on the basis of previous work by both our group and others. We also highlight the thermodynamic mechanisms of the QD-protein interactions.

Key words: QDs    Protein    Interaction    Thermodynamics    Fluorescence quenching
收稿日期: 2017-04-07 出版日期: 2017-06-09
中图分类号:  O642  
基金资助:

国家自然科学基金(21573168,21303126,21473125,21403017,21603067)和国家杰出青年科学基金(21225313)资助项目

通讯作者: 蒋风雷,Email:fljiang@whu.edu.cn;刘义,,Email:yiliuchem@whu.edu.cn     E-mail: fljiang@whu.edu.cn;yiliuchem@whu.edu.cn
服务  
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章  
颜稔
赖璐
许子强
蒋风雷
刘义

引用本文:

颜稔, 赖璐, 许子强, 蒋风雷, 刘义. 量子点与蛋白质相互作用热力学[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2377-2387.

YAN Ren, LAI Lu, XU Zi-Qiang, JIANG Feng-Lei, LIU Yi. Thermodynamics of the Interactions between Quantum Dots and Proteins. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(12): 2377-2387.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201706096        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I12/2377

(1) Wang, F.; Tan, W. B.; Zhang, Y.; Fan, X. P.; Wang, M. Q. Nanotechnology 2005, 17, R1. doi: 10.1088/0957-4484/17/1/R01
(2) Ruan, G.; Agrawal, A.; Marcus, A. I.; Nie. S. M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14759. doi: 10.1021/ja074936k
(3) Gao, X.; Cui, Y.; Levenson. R. M.; Chung. L. W.; Nie, S. M. Nat. Biotech. 2004, 22, 969. doi: 10.1038/nbt994
(4) Michalet, X.; Pinaud. F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li, J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; Gambhir, S. S.; Weiss, S. Science 2005, 307, 538. doi: 10.1126/science.1104274
(5) Yong, K. T.; Law, W. C.; Hu, R.; Ye, L.; Liu, L.W.; Swihart, M. T.; Prasad, P. N. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1236. doi: 10.1039/c2cs35392j
(6) Dumas, E. M.; Ozenne, V.; Mielke, R. E.; Nadeau, L.J. IEEE. T. Nanobiosci. 2009, 8, 58. doi: 10.1109/TNB.2009.2017313
(7) Bottrill, M.; Green, M. Chem. Commun. 2011, 47, 7039. doi: 10.1039/C1CC10692A
(8) Vannoy, C. H.; Leblanc, R. M. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 10881. doi: 10.1021/jp1045904
(9) Atay, Z.; Biver, T.; Corti, A.; Eltugral, N.; Lorenzini, E.; Masini, M.; Paolicchi, A.; Pucci, A.; Ruggeri, G.; Secco, F.; Venturini, M. J. Nanopart. Res. 2009, 12, 2241. doi: 10.1007/s11051-009-9791-y
(10) Li, J. H.; Zhang, Y.; Xiao, Q.; Tian, F. F.; Liu, X. R.; Li, R.; Zhao, G. Y.; Jiang. F. L.; Liu, Y. J. Hazard. Mater. 2011, 194, 440. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.07.113
(11) Lu, Z.; Li, C. M.; Bao, H. F.; Qiao, Y.; Toh, Y.; Yang, X. Langmuir 2008, 24, 5445. doi: 10.1021/la704075r
(12) Derfus, A. M.; Chan, W. C. W.; Bhatia, S. N. Nano Lett. 2004, 4, 11. doi: 10.1021/nl0347334
(13) Hoshino, A.; Fujioka, K.; Oku, T.; Suga, M.; Sasaki, Y. F.; Ohta, T.; Yasuhara, M.; Suzuki K.; Yamamoto, K. Nano Lett. 2004, 4, 2163. doi: 10.1021/nl048715d
(14) Chibli, H.; Carlini, L.; Park, S.; Dimitrijevic, N. M.; Nadeau, J. L. Nanoscale 2011, 3, 2552. doi:10.1039/c1nr10131e
(15) Werlin, R.; Priester, J. H.; Mielke, R. E.; Krämer, S.; Jackson, S.; Stoimenov, P. K.; Stucky, G. D.; Cherr, G. N.; Orias, E.; Holden, P. A. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 65. doi: 10.1038/nnano.2010.251
(16) Donaldson, K..; Brown, D.; Clouter, A.; Duffin, R.; MacNee, W.; Renwick, L.; Tran, L.; Stone, V. J. Aerosol. Med. 2002, 15, 213. doi: 10.1089/089426802320282338
(17) Safi, J.; Courtois, J.; Seigneuret, M.; Conjeaud, H.; Berret, J. F. Biomaterials 2011, 32, 9353. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.08.048
(18) Wu, X. Y.; Liu, H. J.; Liu, J. Q.; Haley, K. N.; Treadway, J. A.; Larson, J. P.; Ge, N. F.; Peale, F.; Bruchez, M. P. Nat. Biotechnol. 2003, 21, 41. doi: 10.1038/nbt764
(19) Chen, L. N.; Wang, J.; Li, W. T.; Han, H. Y. Chem. Commun. 2012, 48, 4971. doi: 10.1039/C2CC31259J
(20) Voura, E. B.; Jaiswal, J. K.; Mattoussi, H.; Simon, S. M. Nat. Med. 2004, 10, 993. doi:10.1038/nm1096
(21) Hadjipanayis, C. G.; Machaidze, R.; Kaluzova, M.; Wang, L.; Schuette, A. J.; Chen, H.; Wu, X.; Mao, H. Cancer Res. 2010, 70, 6303. doi:10.1158/0008-5472.CAN-10-1022
(22) Huang, B. X.; Kim, H. Y.; Dass, C. J. Am. Soc. Mass. Spectrum 2004, 15, 1237. doi: 10.1016/j.jasms.2004.05.004
(23) Robertson, A.; Brodersen, R. Dev. Pharmacol. Ther. 1991, 17, 95.
(24) Vorum, H.; Honoré, B. J. Pharm. Pharmacol. 1996, 48, 870. doi:10.1111/j.2042-7158.1996.tb03990.x
(25) Freeman, R.; Gill, R.; Shweky, I.; Kotler, M.; Banin. U.; Willner, I. Angew. Chem. 2009, 121, 315. doi: 10.1002/anie.200803421
(26) He, X. M.; Carter, D. C. Nature 1992, 358, 209. doi: 10.1038/358209a0
(27) Xiao, J. B.; Chen, L. C.; Yang, F.; Liu, C. X.; Bai, Y. L. J. Hazard. Mater. 2010, 182, 696. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.06.088
(28) Xu, Z. Q.; Yang, Q. Q.; Lan, J. Y.; Zhang, J. Q.; Wu, P.; Jin, J. C.; Jiang, F. L.; Liu, Y. J. Hazard. Mater. 2016, 301, 242. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.062
(29) Wei, X. L.; Zhang, X. G.; Jiang, H. Y.; Wei, S. C.; Sun, N. N.; Chen, X. Clinical Focus 2011, 26
(18), 1623 [魏新亮, 张秀刚, 姜红玉, 魏思忱, 孙宁宁, 陈 霞. 临床荟萃, 2011, 26
(18), 1623.] doi: 1004-583X
(2011)18-1623-02]

(30) Huang, R. X.; Lau, B. L. Biochim. Biophys. Acta 2016, 1860, 945. doi: 10.1016/j.bbagen.2016.01.027
(31) Cedervall, T.; Lynch, I.; Lindman, S.; Berggard, T.; Thulin, E.; Nilsson, H.; Dawson, K. A.; Linse, S. P. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 2050. doi:10.1073/pnas.0608582104
(32) Nel, A. E.; Madler, L.; Velegol, D.; Xia, T.; Hoek, E. M.; Somasundaran, P.; Klaessig, F.; Castranova, V.; Thompson, M. Nat. Mater. 2009, 8, 543. doi:10.1038/nmat2442

(33) Goy-Lopez, S.; Juarez, J.; Alatorre-Meda, M.; Casals, E.; Puntes, V. F.; Taboada, P.; Mosquera, V. Langmuir 2012, 28, 9113. doi:10.1021/la300402w
(34) Pelaz, B.; Charron, G.; Pfeiffer, C.; Zhao, Y; de la Fuente, J. M.; Liang, X. J.; Parak, W. J.; Del Pino, P. Small 2013, 9, 1573. doi:10.1002/smll.201201229
(35) Ross, P. D.; Subramanian, S. Biochemistry 1981, 20, 3096. doi: 10.1021/bi00517a022
(36) Sun, H. Y.; Cui, E. Q.; Tan. Z. G.; Liu, R. T. J. Biochem. Mol. Toxic. 2014, 28, 549. doi: 10.1002/jbt
(37) Yang, B. J.; Liu, R. T.; Hao, X. P.; Wu. Y. Z.; Du, J. Biol. Trace. Elem. Res. 2013, 155, 150. doi: 10.1007/s12011-013-9771-z
(38) Ding, L.; Zhou, P. J.; Zhan, H, J.; Zhao, X. H.; Chen, C.; He, Z. Y. Chemosphere 2013, 92, 892. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.02.045
(39) Sun, H. Y.; Cui. E. Q.; Liu, R. T. Environ. Sci. Pollut. R 2015, 22, 18267. doi:10.1007/s11356-015-5035-0
(40) Xue, F. F.; Liu, L. Z.; Mi, Y. Y.; Han. H. Y.; Liang, J. G. RSC Adv. 2016, 6, 10215. doi: 10.1039/c5ra16586e
(41) AbouZied, O. K.; Al-Shihi, O. I. K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10793. doi10.1021/ja8031289
(42) Lynch, I.; Dawson, K. A. Nano Today 2008, 3, 40. doi:10.1016/S1748-0132
(08)70014-8

(43) Gelamo, E. L.; Silva, C. H.; Imasato, T. P. H.; Tabak, M. BBA-Biomembranes 2002, 1594, 84. doi: 10.1016/S0167-4838
(01)00287-4

(44) Joshi, P.; Shewale, V.; Pandey, R.; Shanker, V.; Hussain, S.; Karna, S. P. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 22818. doi: 10.1021/jp2070437
(45) Wang, R.Y.; Chai, Y. H.; Wang, R. Q.; Zhang, L.; Wu, J.; Chang, J. B. Spectrochim. Acta A 2012, 96, 324. doi: 10.1016/j.saa.2012.05.030
(46) Weert, M. V. D.; Stella, L. J. Mol. Struct. 2011, 998, 144. doi: 10.1016/j.molstruc.2011.05.023
(47) Gauthier, T. D.; Shane, E.C.; Guerin, W. F.; Seitz, W. R.; Grant, C. L. Environ. Sci. Technol. 1986, 20, 1162. doi: 10.1021/es00153a012
(48) Zhang, M. F.; Xu, Z. Q.; Ge, Y. S.; Jiang. F. L.; Liu, Y. J. Photoch. Photobio. B 2012, 108, 34. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2011.12.006
(49) Lehrer, S. Biochemistry 1971, 10, 3254.
(50) Xiao, Q.; Huang, S.; Su, W.; Li, P. Y.; Ma, J. Q.; Luo, F. P.; Chen, J.; Liu, Y. Colloid. Surface B 2013, 102, 76. doi: 10.1016/j.colsurfb.2012.08.028
(51) Lai, L.; Lin, C.; Xu, Z. Q.; Han, X. L.; Tian, F. F.; Mei, P.; Li, D. W.; Ge, Y. S.; Jiang, F. L.; Zhang, Y. Z.; Liu, Y. Spectrochim. Acta A 2012, 97, 366. doi: 10.1016/j.saa.2012.06.025
(52) Tian, J. N.; Wei, S. Z.; Zhao, Y. C.; Liu. R. J.; Zhao, S. L. J. Chem. Sci. 2010, 122, 391. doi: 10.1007/s12039-010-0044-5
(53) Sun, H. Y.; Yang, B. J.; Cui, E. Q.; Liu, R. T. Spectrochim. Acta A 2014, 132, 692. doi: 10.1016/j.saa.2014.04.157
(54) Huang, S.; Qiu, H. N.; Liu, Y.; Huang, C. S.; Sheng, J. R.; Cui, J. G.; Su, W.; Xiao, Q. Colloid. Surface. B 2016, 148, 165. doi: 10.1016/j.colsurfb.2016.08.060
(55) Huang, S.; Qiu, H. N.; Liu, Y.; Huang, C. S.; Sheng, J. R.; Su, W.; Xiao, Q. Colloid. Surface B 2015, 136, 955. doi: 10.1016/j.colsurfb.2015.10.028
(56) Xiao, Q.; Huang, S.; Ma, J. Q.; Su, W.; Li, P. Y.; Cui, J. G.; Liu, Y. J. Photochem. Photobio. 2012, 249, 53. doi: 10.1016/j.jphotochem.2012.08.019
(57) Ge, B. Y.; Li, Z. G.; Yang, L. L.; Wang, R. Y.; Chang, J. B. Spectrochim. Acta A 2015, 149, 667. doi: 10.1016/j.saa.2015.04.106
(58) Wang, Q. S.; Zhang, X. L.; Zhou, X. L.; Fang, T. T.; Liu, P. F.; Liu, P.; Min, X. M.; Li, X. J. Lumin. 2012, 132, 1695. doi: 10.1016/j.jlumin.2012.02.016
(59) Khani, O.; Rajabi, H. R.; Yousefi, M. H.; Khosravi, A. A.; Jannesari, M.; Shamsipur, M. Spectrochimi. Acta A 2011, 79, 361. doi: 10.1016/j.saa.2011.03.025
(60) Das, K.; Rawat, K.; Patel. R.; Bohidar, H. B. RSC Adv. 2016, 6, 46744. doi: 10.1039/C6RA07368A
(61) Shen, X.C.; Liou, X. Y.; Ye, L.P.; Liang, H.; Wang, Z. Y. J. Colloid Interface Sci. 2007, 311, 400. doi: 10.1016/j.jcis.2007.03.006
(62) Xu, Z. Q.; Lai, L.; Li, D. W.; Li, R.; Xiang, C.; Jiang, F. L.; Sun, S. F.; Liu, Y. Mol. Biol. Rep. 2013, 40, 1009. doi: 10.1007/s11033-0 12-2142-6
(63) Liu, R. T.; Zong, W. S.; Jin, K. K.; Lu, X. T.; Zhu, J. H.; Zhang, L. J.; Gao, C. Z. Spectrochim. Acta A 2008, 70, 198. doi: 10.1016/j.saa.2007.07.037
(64) Liu, R. T.; Sun, F.; Zhang, L. J.; Zong, W. S.; Zhao, X. C.; Wang, L.; Wu, R. L.; Hao, X. P. Sci. Total. Environ. 2009, 407, 4184. doi: 10.1016/j.scitotenv.2009.01.042
(65) Delfino. I.; Cannistraro, S. Biophys. Chem. 2009, 139, 1. doi: 10.1016/j.bpc.2008.09.016
(66) Kathiravan, A.; Renganathan, R.; Anandan, S. Polyhedron. 2009, 28, 157. doi: 10.1016/j.poly.2008.09.023
(67) Kotresh, M. G.; Inamdar, L. S.; Shivkumar, M. A.; Adarsh, K. S.; Jagatap, B. N.; Mulimani, B. G.; Advirao. G. M.; Inamdar, S. R. Luminescence 2016, 31, 760. doi: 10.1002/bio.3231.

(68) Jiang, X. E.; Jiang, J. G.; Jin, Y. D.; Wang. E. K.; Dong, S. J. Biomacromolecules 2005, 6, 46. doi: 10.1021/bm049744l
(69) AubinTam, M. E.; HamadSchifferli, K. Langmuir 2005, 21, 12080. doi: 10.1021/la052102e
(70) Vertegel, A. A.; Siegel, R. W.; Dordick, J. S. Langmuir 2004, 20, 6800. doi: 10.1021/la0497200
(71) Hu, Y. J.; Liu, Y.; Shen, X. S.; Fang, X. Y.; Qu, S. S. J. Mol. Struc. 2005, 738, 143. doi: 10.1016/j.molstruc.2004.11.062
(72) Pan, X. R.; Liu, R.T.; Qin, P.F.; Wang. L.; Zhao, X. C. J. Lumin. 2010, 130, 611. doi: 10.1016/j.jlumin.2009.11.004
(73) Bai, J.; Wang, T, T.; Wang, Y. C.; Jiang, X. E. Biomater. Sci. 2014, 2, 493. doi:10.1039/c3bm60224a
(74) Rahmelow, K.; Hübner, W. Anal. Biochem. 1996, 241, 5. doi:10.1006/abio.1996.0369
(75) Huang, S.; Qiu, H. N.; Xie, J. N.; Huang, C. S.; Su, W.; Hu, B. Q.; Xiao, Q. RSC Adv. 2016, 6, 44531. doi: 10.1039/c6ra01386d
(76) Xiao, Q.; Huang, S.; Qi, Z. D.; Zhou, B.; He, Z. K.; Liu, Y. BBA-Proteins Proteomics 2008, 1784, 1020. doi: 10.1016/j.bbapap.2008.03.018
(77) Ashraf, S.; Park, J.; Bichelberger, M.A.; Kantner, K.; Hartmann, R.; Maffre, P.; Said, A. H.; Feliu, N.; Lee, J.; Lee, D.; Nienhaus, G. U.; Kim, S.; Parak, W. J. Nanoscale 2016, 8, 17794. doi:10.1039/C6NR05805A
(78) Xiao, J. B.; Bai, Y. L.; Wang, Y. F.; Chen. J. W.; Wei, X. L. Spectrochim. Acta A 2010, 76, 93. doi: 10.1016/j.saa.2010.02.028

[1] 刘昶江, 马鸿文, 张盼. 富钾正长岩水热分解生成沸石反应热力学[J]. 物理化学学报, 2018, 34(2): 168-176.
[2] 刘夫锋, 范玉波, 刘珍, 白姝. ZAβ3和Aβ16-40亲和作用的分子机理解析[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1905-1914.
[3] 宁红岩, 杨其磊, 杨晓, 李鹰霞, 宋兆钰, 鲁逸人, 张立红, 刘源. 碳纤维负载Rh-Mn紧密接触的催化剂及其合成气制乙醇催化性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1865-1874.
[4] 吴广新, 彭望君, 张捷宇. 金属粉末的吸氢统计热力学模型[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1108-1113.
[5] 何禹, 王一波. B972-PFD:一种高精度的色散校正密度泛函方法[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1149-1159.
[6] 黄于芬, 张海龙, 杨铮铮, 赵明, 黄木兰, 梁艳丽, 王健礼, 陈耀强. CeO2的添加对柴油车氧化催化剂Pt/SiO2-Al2O3的NO氧化性能提高的影响[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1242-1252.
[7] 张婷, 沈杰. 含酯基Gemini表面活性剂在有机醇-水体系中的胶束热力学及聚集行为[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 795-802.
[8] 王晓雯, 李蕾, 王长生. 卤素阴离子和取代苯间Anion-π作用强度的快速计算[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 755-762.
[9] 夏锐, 王时茂, 董伟伟, 方晓东. 量子点敏化太阳能电池对电极研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(4): 670-690.
[10] 于海洋, 王昉, 刘其春, 马青玉, 顾正桂. 新型丝素蛋白膜的结构和热分解动力学机理[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 344-355.
[11] 李申慧, 李静, 郑安民, 邓风. 固体酸催化剂结构与催化反应机理的核磁共振研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 270-282.
[12] 肖明, 黄在银, 汤焕丰, 陆桑婷, 刘超. Ag3PO4表面热力学性质及光催化原位过程热动力学的晶面效应[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 399-406.
[13] 程昉, 王汉奇, 许旷, 何炜. 基于二硫代氨基甲酸盐自组装的糖芯片制备与表征[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 426-434.
[14] 陈军军, 史成武, 张正国, 肖冠南, 邵章朋, 李楠楠. 4.81%光电转换效率的全固态致密PbS量子点薄膜敏化TiO2纳米棒阵列太阳电池[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 2029-2034.
[15] 侯静菲, 杨延莲, 王琛. 纳米材料-蛋白质界面相互作用的分子机制[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 63-79.