蛋白质跨膜传输的飞秒和频振动光谱快速实时监测（英文）

精确表征界面蛋白质结构与动力学行为是理解生物大分子功能及其与界面相互作用机制的核心.而其关键在于发展同时具有足够结构与时间分辨度的技术来捕捉界面蛋白质的动态结构变化.本文利用本小组最近发展的飞秒和频振动光谱系统来实时研究蛋白质跨膜传输过程.该系统实现目前文献报导中最快的和频光谱采谱速度.通过实时监控WALP23与DMPG双层膜作用过程中酰胺I和酰胺A的和频信号,发现WALP23最初以无规则卷曲结构吸附在凝胶相的DPMG双层膜表面.DMPG膜表面上WALP23的吸附,会导致膜表面电荷发生反转,从而改变膜界面水分子的取向.通过加热使DMPG由凝胶相转变为流动相后,WALP23以N端插入的方式实现跨膜过程.在跨膜过程中,WALP23结构由无规则卷曲转变为α-螺旋/回环混合结构,最后形成纯α-螺旋结构,同时引起DMPG膜的去水合作用.此系统可直接应用到其他界面快过程的表征工作,将有助于深入理解各种界面现象的本质.     

生物软物质研究的新进展

文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等.     

超快多维红外光谱学:分子结构的时空分辨

利用时间分辨的超快二维红外(2DIR)光谱、稳态一维红外光谱等手段,本文探讨了从溶液中的小分子体系到生物大分子体系的超快振动特性及所反映的分子结构动力学过程。研究了五羰基溴化锰在四氯化碳中的时间分辨2DIR光谱,发现了分子对称性增强的13 CO配体的红外吸收信号,并利用2DIR对角峰和非对角峰表征了其与12 CO配体振动态的相互作用和分子内能量传递过程;实现了钌羰基配合物在光敏黄色蛋白突变体M100A上的定点标记,并研究了该外源标记物的羰基配体的结构动力学,发现了探针分子的振动光谱指纹对其所处的空间位置的敏感性,还发现该探针分子的振动扩散过程对水相中的蛋白质结构涨落具有灵敏性。     

时间分辨偏振红外光谱及其应用

时间分辨偏振红外光谱已被广泛应用于研究光化学过程中的分子结构动力学. 通过测定瞬态物质跃迁偶极矩之间的角度等结构信息,可以提供光化学过程中伴随的电荷分布、分子结构和构象变化等动态信息. 包括简要介绍时间分辨偏振红外光谱技术的原理和应用：(i) 时间分辨偏振红外光谱概述;(ii) 时间分辨偏振红外光谱的原理及其优势;(iii) 利用时间分辨偏振红外光谱探测多种化学动力学过程,例如蛋白质构象动力学、激发态的电子局域化和光致异构化等;(iv) 时间分辨偏振红外光谱的局限和发展前景.     

相干振动动力学和高分辨非线性光谱学：空气/二甲亚砜液体界面的比较

研究了空气/二甲亚砜界面C?H伸缩振动的自由诱导衰减的相干振动动力学和亚波数高分辨宽带和频振动光谱．对于特定分子体系,频率域光谱测量和时间域动力学测量原则上应获得相同的信息．但对具有耦合或者重叠在一起的若干振动模式的分子体系,通过时域或者频域测量以获取光谱和动力学信息细节均非易事．对于振动光谱并非过于复杂的空气/二甲亚砜界面,基于亚波数高分辨宽带和频振动光谱的频域测量较超快时域测量更有益于获取界面结构和相干动力学定量信     

分子吸收光谱在生物大分子研究中的应用

综述了近年来分子吸收光谱法在生物大分子结构研究中的应用,重点介绍了利用分子吸收光谱法研究蛋白质、核酸结构及其与小分子的相互作用。分子吸收光谱法因其简便、快速的特点而广泛应用于生物大分子结构的测定。紫外光谱法常用于从分子水平上研究小分子如抗癌药物与核酸作用的机理,并应用于小分子作为光谱探针测定蛋白质、核酸构象的变化。傅里叶变换红外光谱法主要应用于蛋白质二级结构的测定,运用傅里叶自卷积将重叠的酰胺带进行处理,获取蛋白质二级结构的含量信息,从而使傅里叶变换红外光谱法成为揭示蛋白质构象变化的重要工具。     

溶液中石墨烯界面上Aβ(37-42)振动光谱研究

开展分子动力学模拟,探究溶液中石墨烯界面上Aβ(37-42)片段的动态结构及其表现的振动光谱特征。借助Aβ骨架上酰胺-A带吸收光谱表征其结构变化,为探究石墨烯对Aβ折叠机制的影响提供有力的理论支持。     

拉曼除谱原位测量水溶液中蛋白质的酰胺A谱带

蛋白质的酰胺A谱带对蛋白质的酰胺氢键结构很敏感. 然而由于该谱带和水的OH伸缩振动谱带严重重叠,导致在蛋白质水溶液中原位测量酰胺A谱带依旧很困难. 我们提出了一种新的分析方法用于原位测量水溶液中的酰胺A谱带. 这个方法称为拉曼除谱法. 将蛋白质水溶液光谱除以纯水光谱即可获得拉曼除谱. 利用数值模拟从数学上肯定了使用拉曼除谱可以直接获得酰胺A谱带. 我们还通过测量溶菌酶和α-糜蛋白酶的固体和水溶液的拉曼光谱,这些光谱也证实了可以通过拉曼除谱法直接获取酰胺A谱带. 利用拉曼除谱还分析了溶菌酶的热变性过程. 这些研究表明拉曼除谱可以原位地表征水溶液中的蛋白质酰胺A谱带.     

小球状蛋白质的低频振动模式

蛋白质分子中原子振动的研究(包括理论计算和实验测量),对进一步弄清蛋白质功能的机制具有重要的意义.蛋白质的特征结构及其动力学性质是其执行生物功能所必须的.在一定温度下,蛋白质分子中的原子在其平衡位置发生振动.因此,研究蛋白质分子的空间结构及其活动性(尤其是蛋白质分子活性部分的活动性),对进一步了解蛋白质分子的结构、功能与动力学过程之间的联系具有重要的意义.大家知道.对于分子晶体,由于原子之间的键合情况和相互作用情况的不同,相应的振动光谱可分为内振动部分和外振动部分.内振动频率与相应的自由分子振动频率较接近,故振…     

蛋白质动力学理论研究中的计算机模拟方法

蛋白质是生物体中一种十分重要的高分子物质。蛋白质分子有着自身所特有的化学、物理结构;在溶液中蛋白质分子不仅自身不同部分间存在着相互作用,而且还与溶剂分子间发生着复杂的相互作用,这些都很大程度上影响到分子的结构和演变过程。为了对蛋白质分子进行模拟,很有必要建立适当的描述蛋白质分子结构的模型,引入合理的模型基元间的相互作用,并采用有效的方法进行模拟,本着贴近现实和方便模拟的原则,在本文中我们系统地总结了近年来蛋白质动力学及其物理特性,特别对其模型、势能及模拟方法进行了着重介绍。为了增加一些感性认识,文中还就实验分析、折叠的协作性、搜寻保守残基和动力学过程的熵效应和阻挫效应等几个专题进行了应用介绍。     

表面增强拉曼光谱对于蛋白质二级结构的酰胺III谱带表征

本文利用斜角沉积法制备银纳米棒阵列基底用于蛋白质二级结构的检测,结合酰胺Ⅲ谱带光谱分析,建立了一种基于表面增强拉曼光谱(SERS)蛋白质二级结构的表征方法.用这种方法获得了两种典型蛋白质(溶菌酶和细胞色素C)的SERS信号.通过分析蛋白质骨架酰胺Ⅲ的光谱,研究了浓度对蛋白质折叠状态的影响.结果表明在一定范围内随着浓度的增加,溶菌酶的α-螺旋结构和β-折叠结构成分增加,而细胞色素C的二级结构基本保持不变.     

表面增强拉曼光谱对于蛋白质二级结构的酰胺Ⅲ谱带表征（英文）

本文利用斜角沉积法制备银纳米棒阵列基底用于蛋白质二级结构的检测,结合酰胺Ⅲ谱带光谱分析,建立了一种基于表面增强拉曼光谱(SERS)蛋白质二级结构的表征方法.用这种方法获得了两种典型蛋白质(溶菌酶和细胞色素C)的SERS信号.通过分析蛋白质骨架酰胺Ⅲ的光谱,研究了浓度对蛋白质折叠状态的影响.结果表明在一定范围内随着浓度的增加,溶菌酶的α-螺旋结构和β-折叠结构成分增加,而细胞色素C的二级结构基本保持不变.     

高等植物外周捕光天线LHCⅡ中的超快光动力学过程

利用飞秒抽运探测技术及时间分辨荧光(TRPL)等光谱技术对高等植物LHCⅡ中的超快光动力学过程进行了研究。在其时间分辨荧光光谱中表现出了明显的各向异性特性。实验上观察了LHCⅡ中色素间的能量传递过程,由飞秒动力学发现,单体内Chlb到邻近的Chla之间的能量传递在200～300fs的时间尺度,Chla激子带间的能量弛豫发生在几百飞秒,不同单体Chla分子间能量分布过程在几个皮秒。而时间分辨荧光和飞秒动力学过程中上百皮秒的慢过程归属于不同聚集体间的能量平衡过程或分子构象变化。     

多模态近场耦合光场激励SERS——表面分析的新方法

原位探测表/界面上的分子水平信息是认识表/界面上各种物理化学过程的关键。表/界面具有复杂性、多样性、高活性和各向异性。因此,对发生于表/界面二维高能态空间的原子/分子水平动态过程研究面临着巨大挑战。研究将探索一类用于表/界面拉曼光谱分析的多共振模式耦合的新型拉曼光谱激励和探测技术。针对表面/界面体系表征的苛刻要求,建立多模态近场耦合的新概念增强模式。从SERS电磁机理出发实现入射光场/散射光场的高效调控,用于表/界面拉曼光谱高品质激励和探测,满足表/界面研究的灵敏度、空间分辨率、能量分辨率、时间分辨率、无损等要求。     

飞秒时间分辨实验中泵浦-探测交叉相关函数的测量和时间零点的确定

飞秒激光技术的出现使得实时探测与跟踪激发态超快弛豫动力学过程成为可能,并能够给出激发态动力学过程清晰的物理图像。而在飞秒时间分辨实验中,泵浦-探测相关函数和时间零点直接影响实验结果的可靠性和准确性。本文结合飞秒激光在分子激发态超快动力学过程中的应用进展,介绍了根据实验条件和要求,在具体实验过程中泵浦-探测相关函数测量和时间零点确定的几种方法。实验中选择可见光作为泵浦光和探测光时,可以通过测定随泵浦-探测时间延迟变化的泵浦激光与探测激光的和频/差频光强来确定泵浦探测交叉相关函数和时间零点;而选择中心波长在紫外甚至真空紫外的激光脉冲作为泵浦光或探测光时,泵浦-探测交叉相关函数通常采用校正的方法测量。     

固/液界面原位红外显微镜和步进扫描时间分辨FTIR反射光谱及其在纳米材料科学中的应用

结合红外显微镜和步进扫描FTIR光谱仪 ,发展了固 /液界面电化学原位显微镜红外反射光谱和步进扫描快速时间分辨FTIR反射光谱 ,并应用于纳米材料特殊性能和电化学反应动力学的研究。研制纳米结构Pt微电极 ,获得CO吸附的红外特征随纳米结构和纳米尺度变化的原位显微镜红外谱图。利用纳米结构Pt微电极的异常红外效应 ,显著提高电化学原位红外反射光谱的灵敏度 ,获得分辨率达 5 0 μs的步进扫描时间分辨光谱。不仅发展了固 /液界面显微镜原位红外反射光谱新方法 ,并且拓展了电化学原位红外反射光谱在纳米材料科学研究中的应用。     

淀粉样蛋白片段结构动力学与酰胺-Ⅰ带振动光谱示踪

借助分子对接方法,获取了β淀粉样蛋白(Amyloidβprotein,Aβ)的核心片段Aβ25-35与乙酰胆碱受体相互作用的最优结合构象,并在此基础上开展结合后的复合物的分子动力学模拟,探索其结构动力学特征。将构建的氨基酸多肽通用型振动频率图应用于复合物的全原子运动轨迹,预测与受体结合后的Aβ多肽骨架酰胺-Ⅰ带光谱。其特征吸收峰表明该多肽片段与受体结合后主要呈现无规则卷曲构象,与分子对接和分子动力学轨迹聚类分析所呈现的特征构象一致。借助分子模拟与光谱建模相结合的方法能够帮助我们快速解析实验光谱中所蕴含的多肽构象信息,在分子水平上更好地认识蛋白质的空间结构动力学特征。     

大豆硒蛋白构象的光谱法研究

采用荧光光谱、紫外光谱并结合红外光谱对比研究了大豆硒蛋白和大豆蛋白的结构区别,并用荧光相图法分析了脲诱导下两种蛋白的去折叠过程。考察了温度、pH值对大豆硒蛋白质构象的影响,同时对其乳化稳定性能进行了测定。结果表明,与大豆分离蛋白相比,大豆硒蛋白分子中的共价二硫键受到破坏,分子内氢键作用减弱,疏水相互作用增强,蛋白质分子发生伸展。大豆硒蛋白在溶液中只呈现“折叠”和“松散”两种状态,与大豆蛋白相比更容易被水解变性。升高温度,大豆硒蛋白溶液存在明显荧光热猝灭效应,疏水性逐渐增强,蛋白质分子趋于折叠。在pH值2.8～8.0的范围内,大豆硒蛋白的Trp残基主要分布于其分子外部的极性环境中,并随pH值变化在等电点两侧呈现不同的构象变化。在酸性环境中大豆硒蛋白较易发生从松散到折叠的构象转变,碱性条件则较有利于大豆硒蛋白以松散的结构存在。此外,基于紫外光谱数据分析了大豆硒蛋白乳化特性,结果表明降低温度有利于增强大豆硒蛋白的乳化性能,但使其稳定性能下降。     

银纳米颗粒对溶菌酶纤维化影响的浓度效应（英文）

纳米颗粒对蛋白质淀粉纤维化过程的影响机制对扩大其在生物学诊断和纳米药物应用中起到至关重要的作用.在本研究中,通过拉曼光谱结合原子力显微镜和硫磺素T荧光光谱实验研究不同浓度银纳米颗粒条件下的溶菌酶淀粉纤维化过程.利用四个具有代表性的拉曼光谱指标在分子水平上监测蛋白质的三级结构和二级结构的转化过程,如:Trp费米共振双峰(1340 cm~(-1)和1360 cm~(-1)),二硫键伸缩振动峰(507 cm~(-1)),N-Cα-C伸缩振动峰(933 cm~(-1)),以及酰胺Ⅰ谱带.结果证实银纳米颗粒对溶菌酶淀粉样纤维化动力学的浓度依赖性影响.在存在低浓度(17μg/mL)银纳米颗粒的情况下,纳米颗粒的静电相互作用可以稳定蛋白质的二硫键,并保护疏水残基(如:Trp残基)不易暴露于亲水环境中,从而导致形成无规则聚集体而不是原纤维.然而,在高浓度(1700μg/mL)银纳米颗粒的情况下,大量银纳米颗粒之间静电相互作用的竞争将导致溶菌酶自然二硫键的断裂,并形成Ag-S键.银纳米颗粒为蛋白质提供了相互作用的功能表面,在蛋白质α螺旋结构直接转变为有组织的β折叠结构中起到了桥梁的作用.本研究揭示了银纳米颗粒对鸡蛋清溶菌酶淀粉纤维化过程动力学的争议作用.     

肺癌患者及正常人指甲的红外光谱比较研究

用傅立叶变换红外光谱研究了6例肺癌患者和16例正常人手指甲的红外光谱.结果表明,它们在峰形,峰频率,峰强等方面均有差异:在3315cm-1处蛋白质酰胺A带N-H峰向低波数频移,而在3061cm-1处蛋白质酰胺B带N-H峰向高波数频移;在1539cm-1处蛋白质酰胺I带和1396cm-1处角蛋白脂质CH3弯曲振动向低波数频移;CH2和CH3的相对吸收强度比值A2848/A2872和A2918/A2956在肺癌患者指甲中要小于正常人指甲;在1072cm-1处核酸分子磷酸二酯基团PO-2的对称伸缩振动的相对吸收强度明显高于正常人指甲;在1041cm-1处糖原C-O的伸缩和弯曲振动峰向高波数频移了约6cm-1.