谷胱甘肽对Cd的解毒机理研究

彭 敏

（东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东东莞 523808）

谷胱甘肽对Cd的解毒机理研究

彭 敏

（东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东东莞 523808）

用原子力显微镜研究还原型谷胱甘肽（GSH）对重金属离子Cd的解毒过程，谷胱甘肽和Cd能迅速形成络合物，此络合物有多个活性点，在汞表面能够迅速生长，在开始的1 min的时间内，谷胱甘肽和Cd的络合物是以平均高度为0.574 nm的单分子层吸附在汞的表面，少量形成底面直径达160 nm，高度达46 nm的组装团。随后2 min，端基是活性组装点，整体以向空间垂直方向组装的模式生长。随后侧基的活性显现，侧基的组装和端基的组装同时进行，GSH-Cd不但向垂直方向长高，还向平面方向铺展，形成厚度达18 nm的铺展层和在铺展层上直径为527 nm，高度为80 nm的大分子组装峰。时间达8 min时，各种分子的作用趋于稳定。重金属离子与谷胱甘肽的多个活性基团作用，轻松实现解毒作用。

谷胱甘肽；Cd；解毒；原子力显微镜

谷胱甘肽（GSH）在生物体内的许多代谢过程中起着重要作用，如参与氨基酸的转运与吸收、解毒、多种酶的辅酶或辅基［1-2］，是生命体活性物质。具有抗氧化、清除自由基、解毒、增强免疫力、延缓衰老、抗癌、抗放射线危害等功能，是重要的功能因子，在食品、医药中应用非常广泛［3-5］。谷胱甘肽在生物体内的生化过程主要是在非均相介质中进行的氧化还原和质子传递过程，而谷胱甘肽在细胞膜及线粒体等异相界面上的集聚状态是其生化过程的物质基础。因此，研究谷胱甘肽集聚状态（异相行为）对认识谷胱甘肽在生物体内的生化过程具有重要意义。有许多研究谷胱甘肽能够解毒的报道［6-8］，但少见有谷胱甘肽解毒机理的研究。我们用原子力显微镜（AFM）研究还原型谷胱甘肽与金属离子的作用，发现谷胱甘肽能与Cd迅速络合，并且该络合物具有多个活性基（活性端基和活性侧基），能够高效的络合金属离子Cd，降低Cd对人体的伤害。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

DIDimension 3000 Atomic Force Microscope（Digital Instrument），还原型谷胱甘肽（上海生化试剂公司，进口分装）；Cd（NO3）2·4H2O（AR，天津市福晨化学试剂厂）；其他试剂均为分析纯；二次石英蒸馏水。

平面汞膜的制备：取1 cm×2 cm高纯铜片，经细金相砂纸打磨去氧化层，蒸馏水冲洗后电解镀以薄汞膜，再滴一滴高纯汞得光亮汞膜并储存于-4℃的蒸馏水中。

谷胱甘肽溶液的制备：准确称取15.4 mg谷胱甘肽，蒸馏水溶解后定容成50.00 mL，得1.00× 10-3谷胱甘肽储备溶液并储存于-4℃冰箱中。移液管取5.00 mL此储备液稀释于50.00 mL 0.05 mol/L NaH2RO4-Na2HRO4缓冲溶液中，制成1.00×10-4mol/L谷胱甘肽样品溶液。

Cd离子溶液的制备：规范配制1.00×10-3mol/L的Cd（NO3）2溶液备用。

AFM测定：从蒸馏水中取出汞片，用滤纸擦干擦亮后侵入相应的谷胱甘肽样品溶液中，计时吸附后取出，蒸馏水轻缓漂洗5 s，立即用滤纸从两侧吸干溶液，用双面胶将其固定在样品板并置于AFM样品台上，调节探针位置和仪器参数，进行tapping-mode扫描。

2 结果与讨论

2.1 GSH-Cd在汞表面生长形貌图

图1a是汞在1.0×10-5mol/L GSH-Cd溶液中浸泡1 min的1μm2范围内的AFM三维扫描图。由图1a可见，GSH-Cd在汞表面首先形成较均匀吸附层，在汞分子的作用下在汞表面均匀地铺展了一层。图1b是浸泡3 min的GSH-Cd在较大范围内（25μm2）的AFM立体图，GSH-Cd吸附物貌似一片生长茂盛的树林，长得快的树木较均匀地分布在小灌木丛中。图1c是浸泡5 min 25μm2范围内GSH -Cd的AFM立体图。从图中可以清晰地看到高大的树木在树林中进一步长大，矮灌木丛也有所生长。图1d是浸泡8 min 25μm2范围内GSH-Cd的AFM立体图，可以清晰地发现大树的生长趋于缓和，小灌木丛迅速生长，逐渐淹没了稍小一些的大树，整个树林的生长达到一种饱和状态。整个的生长态势很明显，1min、3min和5min向垂直于汞表面的方向迅速生长，垂直方向的端基占优势；5min以后侧基的活性迅速显现，侧基向四周铺展，形成铺展层，紧挨汞表面的组装分子层逐渐增厚，在垂直于汞表面方向的生长放缓，8 min时整个吸附组装面趋于稳定。

2.2 GSH-Cd生长的AFM剖面分析

图2是随着时间变化的GSH-Cd溶液的络合吸附自组装的AFM剖面分析图（a、b、c、d分别对应的是处理1 min、3 min、5 min、8 min的分析图）。在刚开始吸附的1 min的时间内，GSH-Cd的吸附是以单分子吸附，少量大分子吸附峰出现的模式生长。达到3 min后，大分子吸附逐渐长大，形成大的吸附峰，小分子吸附点也逐渐生长，填充在大分子吸附峰的周围，形成一层铺展层。大分子峰继续长大，小分子层继续铺展，达到5 min时，大分子峰的生长达到一个最大值，随后趋缓，而周边的小分子层继续快速增厚，小分子层表面变得平缓，达到8 min基本稳定，形成了在平整的小分子吸附自组装层上少量的大分子组装峰。

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测量剖面分析图上的最大组装峰的底面直径，最大组装峰最大峰高，小分子吸附最大峰高，测得数据如表1所示。从表中，我们可以估算出，在1 min的时间内，可以形成少量底面直径达160 nm，高度达46 nm的组装团。3～5 min组装团不断长大，最后形成直径527 nm，高度80 nm的大分子组装峰；3 min时，在大分子组装峰的周围分子不断吸附组装在大分子的周围，逐渐增厚，形成厚度约为10 nm的平铺层。5～8min大分子组装峰变化很小，大分子组装峰周围的小的吸附峰变小，说明有分子进一步吸附，增厚了铺展层，平铺层的厚度约为18 nm。

对扫描图进行粗糙度分析，在1 min的时间内组装的平均粗糙度为0.574 nm，这与文献报道的较大的单分子微观尺度相符（0.5 nm）［9］，可以推测在前1 min GSH-Cd的组装为单分子组装；这点也可以从立体图（图1a）上形象的反映出。随后是在单分子层上的活性点组装，活性生长点最大高度可达80 nm，基本上由160个GSH-Cd的分子组装而成。

2.3 讨论

1）Cd与GSH是先吸附还是先络合?先络合。比较谷胱甘肽的1 min原子力显微镜图（图3）与GSH-Cd的1 min原子力显微镜图（图1a），它们形貌有着非常大的区别，所以它们的吸附组装的主体有着明显区别，在实验系统内，吸附组装的主体只能是GSH和GSH-Cd。因此，Cd与GSH溶液是先络合，然后在汞表面进行吸附组装。GSH与Cd络合键强［9］。

2）GSH-Cd是单个活性点，还是多个活性点?多个活性点。从原子力显微镜观察的结果我们可以看出，GSH-Cd在汞表面的生长过程是先是朝垂直于汞表面的方向生长，然后再沿平面铺展。由此推测，GSH-Cd的络合物起码有四个活性点，其中端基的活性较强（这点可以从空间位阻小，键合能力强来解释。），侧基活性较弱。

3 结语

1）谷胱甘肽作为解毒物质，能够迅速与Cd络合，形成峰宽160 nm，峰高46 nm的稳定络合物。

2）谷胱甘肽与Cd络合物具有多个活性点，在汞表面能够迅速生长，在开始的1 min的时间内，络合物是以平均高度为0.574 nm的单分子层吸附。随后2 min，端基是活性组装点，整体以向空间垂直方向组装的模式生长。随后侧基的活性显现，侧基的组装和端基的组装同时进行，GSH-Cd不但向垂直方向长高，还向平面方向铺展，形成厚度达18 nm的铺展层和在铺展层上直径为527 nm，高度为80 nm的大分子组装峰（竖直方向大约由160个络合物纵向组装而成）。时间达8 min时，络合物的聚集趋于稳定。

谷胱甘肽能够迅速与金属离子络合形成稳定的络合物，络合物间相互聚集，形成一定的聚集体，实现快速有效的解毒过程。

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［3］ 徐俊杰，王诗雯，赵虹，等.量子点与人源抗谷胱甘肽单链抗体的连接与表征［J］.高等学校学报，2009，30（3）：506-509.

［4］ 金春英，崔京兰，崔胜云.氧化型谷胱甘肽对还原型谷胱甘肽清除自由基的协同作用［J］.分析化学，2009，37（9）：1349-1353.

［5］ 郑克岩.谷胱甘肽过氧化物酶的人工模拟及其抗肿瘤活性研究［D］.吉林：吉林大学，2007.

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Detox ification Mechanism of GSH on Cd

PENG Min
（College of Chemistry and Environmental Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China）

Using Atomic force microscopy，the experiment studies detoxification process of glutathione（GSH）on heavy metal ions Cd.Cd complex with Glutathione（GSH）adsorbed atmercury surface as single molecule in one minute，at which the mean roughnesswas0.574 nm and little part could form mount peak whose diameter could reach 160 nm，and rise 46 nm above the surface.In the following twominutes the end group of glutathione（GSH）complex with Cd active to form moremounts.Then side group of GSH became active in 5minutes.Themountbecame bigger and higherwhose diameter could reach 527 nm，and rise 80nm above the surface，and there was a compacted layer whose thicknesswas about18 nm at the foot of themounts in 8 minutes.Then the system reached a balance，and the biggestmountwas formed by about160molecule of GSH-Cd.The results show that the stable compound of Cd and GSH will be helpful to the body detoxification.

glutathione；Cd；detoxification；atomic forcemicroscope

O656.9

：A

：1009-0312（2014）05-0069-05

2014-06-03

彭敏（1979—），女，湖南双峰人，副教授，硕士，主要从事表面分析、水处理研究。