ZnO纳米颗粒调控肌红蛋白结构特征与热力学稳定性的分子机制研究

本研究针对纳米颗粒(ZnO NPs)与蛋白质(h-MB)相互作用的分子机制，通过多光谱技术(UV-Vis/CD/荧光/1H NMR)和热力学分析，揭示ZnO NPs在尿素介质中通过削弱血红素-球蛋白相互作用降低蛋白质稳定性，为纳米材料生物安全性评估提供重要理论依据。

　　

在生物医学领域，纳米颗粒(NPs)因其独特的物理化学性质被广泛应用于药物递送和疾病诊断。然而，这些人工纳米材料进入生物体后可能改变蛋白质构象，进而影响其生理功能。氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)作为典型代表，虽具有抗菌、抗癌等应用潜力，但其与血液中氧载体蛋白——马心肌红蛋白(h-MB)的相互作用机制尚不明确。这直接关系到纳米材料的生物相容性评价和临床应用安全性。

印度理工学院的研究团队在《Biophysical Chemistry》发表论文，通过综合运用透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)对ZnO NPs进行表征，结合紫外可见光谱(UV-Vis)、圆二色谱(CD)、荧光光谱和核磁共振(¹H NMR)技术，系统分析了pH 7.4条件下ZnO NPs对h-MB在溶液和变性介质(4.5 M尿素)中结构稳定性的影响。研究特别关注了血红素(heme)与球蛋白(globin)相互作用这一关键指标。

主要研究结果

ZnO NPs的表征
TEM显示ZnO NPs呈柱状晶体结构(直径≤50 nm)，FE-SEM观察到明显团聚现象。XRD图谱证实其六方纤锌矿晶体结构，紫外吸收峰位于370 nm处。

光谱学分析
在尿素介质中，ZnO NPs协同增强尿素效应：Soret带红移(409→412 nm)提示血红素环境改变；CD谱显示α-螺旋含量从75%降至60%；荧光猝灭表明色氨酸残基暴露；¹H NMR证实血红素铁自旋态改变。这些证据共同表明ZnO NPs削弱了血红素-球蛋白相互作用。

热力学研究
差示扫描量热(DSC)显示：在水溶液中，ZnO NPs仅降低局部(血红素结合)热稳定性(T_m从80°C→75°C)；但在尿素介质中，全局结构稳定性(ΔG_D)从25降至18 kJ/mol。熵-焓补偿分析揭示静电相互作用是稳定性降低的主因。

结论与意义
该研究首次阐明：1) ZnO NPs通过形成"蛋白质冠"(protein corona)改变h-MB构象动力学；2) 在生理pH下，带正电的ZnO NPs(pI 9.5)与带负电的h-MB(pI 6.8-7.2)产生静电吸引，这种 enthalpic相互作用抵消了蛋白质固有的稳定性贡献；3) 纳米颗粒增强化学变性剂效应的现象，为理解纳米材料在病理环境中的生物效应提供新视角。

这项工作由Rajesh Kumar教授团队完成，获得印度DST-ANRF基金(CRG/2022/007517)支持。研究结果对评估纳米药物载体设计、优化蛋白质-纳米颗粒复合物稳定性具有重要指导价值，特别是在涉及尿素累积的肾功能障碍等病理条件下。