蛋白质变性机理与变性时的热力学参数研究进展

生物大分子是近年来生命科学的研究热点和难点之一,而对蛋白质变性的研究有助于深刻揭示生命现象的机理.利用光谱学和热力学可以分别从微观和宏观角度对蛋白质变性进行研究,并由此得到表征蛋白质变性的热力学参数.这对深入了解蛋白质的折叠与伸展、变性机理、结构稳定性及生命体的新陈代谢等问题具有很大意义.近年来,国内外学者在此方面做了大量的工作,主要涉及蛋白质在水溶液中的变性机理、在有变性剂存在下水溶液中的变性机理及在含有其它物质水溶液中的变性机理.用来表征蛋白质变性的热力学参数有热容、变性自由能、变性焓和变性熵等.本文对这些研究进行了概述.     

VirB7去折叠的全原子分析

采用分子动力学模拟的方法,对VirB7蛋白的球状结构域在550 K高温下的去折叠行为进行了统计分析.结果表明,VirB7蛋白球状结构域的去折叠过程以一条路径为主,多条路径并存,其去折叠过程的发生顺序依赖于其内部疏水残基的分布及其独特的三明治结构.该研究揭示了VirB7蛋白球状结构域在去折叠过程中动力学特征,对于揭示其生物学分子机制具有一定价值.     

人类朊蛋白的动力学稳定性研究（英文）

朊蛋白病是一种能在人类或者动物之间传播的致命的神经退行性疾病.尤其是人类朊蛋白疾病在近几年蔓延迅速,已经威胁到人类的健康.在本文中,我们使用分子动力学(MD)和流体分子动力学(FMD)模拟相结合的方法研究了人类朊蛋白(hPrPc)的动力学稳定性.我们通过FMD模拟产生了两个典型的hPrPc的变性结构,并进一步研究了在自然状态下这两个变性结构重折叠的过程,从关键残基、二级结构、残基-残基相互作用图等方面详细讨论了hPrPc的解折叠和重折叠路径.研究发现hPrPc的三个α-螺旋结构组成了一个疏水核心,在蛋白质的解折叠和重折叠过程中发挥了重要的作用.刚性的疏水核心就像是脚手架一般为hPrPc的重折叠提供便利.在重折叠过程中,π-螺旋和310螺旋出现几率较高,并且β-折叠的延长也更多地出现在完全解折叠的hPrPc体系中.     

盐酸胍诱导的变性卵清溶菌酶分子重折叠过程及其各稳定构象态的分布和过渡

采用变性和非变性电泳、 高效凝胶排阻色谱、 内源荧光发射光谱和荧光相图以及生物活性测定等方法, 研究了盐酸胍诱导的变性卵清溶菌酶分子的重折叠过程及此过程中卵清溶菌酶分子各稳定构象态的分布和过渡. 结果表明, 当复性液中盐酸胍浓度分别约为5.0和2.4 mol/L时, 变性卵清溶菌酶分子的重折叠过程各存在1个稳定折叠中间态, 重折叠过程符合"四态模型". 在卵清溶菌酶分子四态重折叠过程基础上, 结合盐酸胍与卵清溶菌酶分子之间的缔合-解离平衡, 给出了一个定量描述变性剂诱导的蛋白质分子复性过程中蛋白质分子复性率随溶液中变性剂浓度变化的方程. 该方程包含2个特征折叠参数, 一个是蛋白质分子从一个稳定构象态过渡到另一个稳定构象态的热力学过渡平衡常数k; 另一个是在此过程中平均每个蛋白质分子所结合的变性剂分子数目m. 通过这2个特征折叠参数能够定量描述盐酸胍诱导的变性卵清溶菌酶完全去折叠态、 折叠中间态和天然态分子随复性液中盐酸胍浓度变化的分布和过渡情况.     

用差示扫描量热计对低水含量蛋白质热变性的研究——“热变性前新峰”的证实

本文继发现水合牛血清白蛋白存在低温区吸热峰之后,迸一步测定了11个厂家生产的7种高纯低水含量蛋白质的DSC加热扫描曲线.证实在热变性峰之前的低温区无一例外都有一个明显可辨的小吸热峰,我们将它命名为“热变性前新峰”(Pre-thermodenaturation new peak).结果表明“热变性前新峰”的出现是低水含量蛋白质的共性.对新峰规律和机制的研究将有助于人们深入理解蛋白质的变性过程、肽链折叠途径、分子的缔合、解缔合及其溶剂效应。     

牛血清IgG热化学变性和热变性的研究

使用差示扫描量热仪(DSC)和荧光光谱法研究了在pH 7.4时牛血清IgG (bIgG)热变性, 热化学变性和等温化学变性过程(变性剂为尿素和盐酸胍), 首次报道了bIgG在热化学变性和等温化学变性过程中的相关热力学参数. DSC和荧光光谱实验结果表明, bIgG的热变性和热化学变性过程都是较复杂的不可逆过程, 这个过程可被看作一个三态变构过程. DSC实验表明在热化学变性过程中bIgG的变性温度和焓变值会随着环境中的变性剂浓度的升高而降低. 使用荧光光谱法对bIgG在尿素或盐酸胍存在下的等温化学变性过程进行了研究, 结果显示bIgG的化学变性过程也是一个较复杂的非二态过程. 实验数据分析表明, 变性剂尿素和盐酸胍与bIgG之间主要是依靠氢键相互作用的, 而热变性过程中bIgG的凝集是由于bIgG热变性时结构改变后暴露出的疏水结构互相作用造成的. 实验结果还表明单纯的热变性只能导致bIgG的不完全变性, 而即使是在高浓度变性剂存在时的bIgG热化学变性, 尿素和盐酸胍分别导致的bIgG热化学变性的去折叠态也是不同的.     

荧光相图法研究脲诱导牛血清白蛋白的去折叠过程

作为从分子水平上阐明生命奥秘的中心课题之一,蛋白质的折叠问题一直受到生物化学、生物物理学和结构生物学等领域研究工作者的高度关注。在蛋白质的变性过程中,它们往往达不到完全去折叠,而是会形成不同的部分折叠中间态[1-3],这些部分折叠中间态在蛋白质折叠过程中起着重要作     

甘氨酸从水到有机物水溶液的迁移焓研究

蛋白质是各种生物形态结构和生命活动所依赖的物质基础,在水溶液中蛋白质天然结构的稳定性归结于氨基酸残基之间以及与溶液中其它组分的相互作用．天然环境中存在的众多物质对蛋白质的溶解度、变性行为和解缔等都有很大的影响．为深入了解蛋白质折叠与解折叠过程中的物理化学现象,以氨基酸、肽、酰胺及其衍生物作为蛋白质模型分子的热力学研究引起了广泛重视．     

用疏水色谱对还原型胍变性牛胰岛素的折叠特性研究

用疏水相互色谱(HPHIC)对还原胍变性牛胰岛素在疏水界面上的折叠与复性进行了研究.结果表明,采用普通流动相时,对还原胍变胰岛素的复性效果较差,而采用氧化型流动相可使其复性效率提高到66%,并用反相色谱(RPLC)、紫外吸收光谱、荧光光谱及MALDI-TOF对其复性效果进行了验证.同时与体积排阻色谱(SEC)和稀释法对还原胍变胰岛素的复性结果进行了比较.结果表明,SEC根本无法使还原胍变胰岛素复性,而稀释法的复性效率仅有2%.这进一步表明HPHIC是变性蛋白复性的有效工具,变性蛋白在疏水界面折叠过程中,蛋白质与固定相之间的疏水相互作用对蛋白折叠起着关键性的作用,是蛋白折叠的主要驱动力.     

模型多肽Trp-Cage折叠形成机制的研究进展

蛋白质折叠是目前结构生物学领域的核心问题之一, 理解蛋白质结构折叠机制及其与生物功能之间的相互关系一直是生命科学家非常重要的研究内容, 并且该研究受到越来越多不同学科领域研究工作者的高度重视. 蛋白质大多数在数十毫秒、微秒或几秒内完成自我折叠过程, 但其折叠过程中所发生的分子结构精细转变却在纳秒甚至更短时间尺度内完成. 由于其折叠时间分辨率的限制, 目前无论是从常规实验还是理论计算角度对其研究都存在一定的难度. 本文首先概述了蛋白质折叠研究在实验和理论模拟方面存在的一些问题,然后以结构典型且可快速折叠的人工设计多肽Trp-cage为例,主要对其折叠过渡温度、折叠形成模型及其肽链上关键氨基酸残基在折叠过程中的作用三个方面进行了详细讨论, 综述了模型多肽Trp-cage的折叠动力学行为分别在实验和理论模拟方面的研究进展. 最后就如何有效化解蛋白质残基间相互作用网络进而降低其折叠机制的复杂性提出了一些新的建议, 不仅有助于阐明该迷你蛋白Trp-cage快速折叠、稳定形成的驱动力成因, 而且也能为蛋白质折叠机制研究和多肽设计提供有益参考.     

298.15 K下氨基酸在D-木糖水溶液中的体积性质

报道了甘氨酸、L-丙氨酸和L-丝氨酸3种典型氨基酸在D-木糖水溶液中的体积性质.     

甘氨酸在尿素、甲脲及二甲脲水溶液中的体积性质

用精密数字密度计测定了甘氨酸在不同质量分数的尿素、甲脲和二甲脲水溶液中的密度,计算了甘氨酸的极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积、理论水化数和体积作用系数,讨论了溶剂组成变化对甘氨酸迁移偏摩尔体积和理论水化数的影响.结果表明,甘氨酸与尿素及烷脲分子间的相互作用主要以1:1的形式为主.尿素、甲脲、二甲脲分子与氨基酸荷电中心的直接相互作用,削弱了两性离子带电中心对周围水分子的电致收缩效应,造成了理论水化数随溶液浓度的增加而减小.     

氨基酸在水或氯化钾水溶液中体积性质的研究

在298.15K和常压下利用密度法测定了十几种α-氨基酸在水或氯化钾水溶液中的表观摩尔体积, 由此得到了各氨基酸的偏摩尔体积和其相应的转移偏摩尔体积,以及氨基酸中侧链对其偏摩尔体积的贡献值。从理论上计算了各氨基酸在上述溶液浓度的增加而增大; 氨基酸共溶质间的相互作用以1:1形式为主; 氨基酸的水化数随盐浓度的增加而减小。对所得结果进行了定性讨论。     

氨基酸在木糖醇水溶液中的体积性质

应用精密数字密度计测定了298.15 K时甘氨酸、L-丙氨酸或L-缬氨酸与不同组成的木糖醇-水混合溶剂构成的三元系溶液的密度, 计算了氨基酸的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积和水化数. 根据结构水合作用模型讨论了迁移偏摩尔体积和水化数的变化规律. 结果表明, 氨基酸两性离子部分与木糖醇羟基间的相互作用占主导地位, 且随木糖醇浓度的增大而增大. 氨基酸在木糖醇水溶液中的迁移偏摩尔体积为正值, 甘氨酸的迁移偏摩尔体积大于L-丙氨酸和L-缬氨酸的. 氨基酸在木糖醇水溶液中的水化数随溶液中木糖醇浓度的增加而减小.     

三种氨基酸在尿素水溶液中的体积性质

精密密度法详细测定甘氨酸、L-丙氨酸、L-丝氨酸在尿素水溶液中的表观摩尔体积,计算了三种氨基酸从水到尿素水溶液的迁移偏摩尔体积,结合前期的氨基酸从水到尿素水溶液的迁移焓,探讨尿素水溶液的结构特点及其对氨基酸与尿素在水溶液中相互作用的影响。结果表明,尿素分子在水溶液中自缔合,引起溶剂结构的变化并削弱其与氨基酸分子的结构相互作用,造成氨基酸从水到尿素水溶液的迁移偏摩尔体积和迁移焓随尿素浓度的增加而出现多个变化点,这一效应随着氨基酸疏水性的增强而增大,表明氨基酸的疏水性越强,其与尿素相互作用引起的去水化作用越明显。     

甘氨酸和L-丝氨酸在LiNO3, NaNO3和KNO3水溶液中的体积性质

用Anton Paar DMA 55精密数字密度计测定了甘氨酸和L-丝氨酸在LiNO3, NaNO3和KNO3水溶液中的密度, 计算了氨基酸的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积、理论水化数和体积作用系数. 根据静电相互作用和结构水合作用模型讨论了氨基酸的侧链和阳离子的性质对迁移偏摩尔体积的影响. 结果表明, 甘氨酸和L-丝氨酸在3种硝酸盐水溶液中的迁移体积均为正值, 并且随着盐溶液浓度的增大而增大. 氨基酸两性离子端基和阴阳离子间的静电作用对迁移体积的贡献是主要的, 静电作用削弱了两性离子带电中心对周围水分子的电致收缩效应, 造成氨基酸的理论水化数随盐溶液浓度的增加而减小. L-丝氨酸的侧链与离子之间的亲水-亲水相互作用对迁移体积有小的正贡献, 使得在同一种盐溶液中L-丝氨酸的迁移体积较甘氨酸的大. 同一种氨基酸在NaNO3和KNO3水溶液中的迁移体积较在LiNO3水溶液中的大, 主要是由于Li＋难以去水化. 在低浓度的盐溶液中氨基酸与盐之间的相互作用以1∶1形式为主, 随着溶液浓度的增大, 1∶2形式的相互作用逐渐增大     

Volume properties of a ternary system: Water-urea-amino acid. Dilute and concentrated solutions

Partial molar volumes $ \bar V_U^0 $ \bar V_U^0 of amino acids in an aqueous urea solution are studied. For a saturated urea solution $ \bar V_U^0 $ \bar V_U^0 equals the molar volume of the amino acid, therefore, in the saturated solution, the amino acid dissolves without changing the system volume. Hydrophobic effects are manifested in the volumetric characteristics only in dilute (<1 mol/kg) urea solutions. Within a three-layer hydration model, the numbers of amino acid hydration are found. By the example of alanine and leucine, it is shown that their decrease with increasing urea concentration is determined by a zwitterionic moiety and does not depend on the size of the hydrocarbon radical of the amino acid.     

α-氨基酸在丁酸钠水溶液中的体积性质(308.15K)

盐溶液对蛋白质的结构和性质（例如蛋白质的溶解度、变性、解离为次级结构以及酶的活性’‘’等）有很大的影响．由于蛋白质是一个结构复杂的大分子,直接研究它与电解质的相互作用比较困难．因而,对蛋白质的模型化合物氨基酸和肽的研究具有重要的意义．关于氨基酸在氯化钙、碱金属卤化物（LICI,NaCI,KCI,CsCI,KBr,KI）、硫氨酸钾和氯化控水溶液中的体积性质已有文献报导’‘－”．丁酸钠是一种有机盐,丁酸根离子具有疏水的丙基和亲水的核基,因而它对氨基酸的作用与简单阴离子的作用可能会有所不同．另外,丁酸钠在水溶液中…     

L-丙氨酸在LiNO3, NaNO3, KNO3和NaClO4水溶液中的体积性质

利用Anton Paar DMA 55精密数字密度计测定了L-丙氨酸在LiNO₃, NaNO₃, KNO₃和NaClO₄水溶液中的密度, 计算了L-丙氨酸的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积、理论水化数和体积作用系数. 根据静电相互作用和结构水合作用模型讨论了阴离子和阳离子对迁移偏摩尔体积的影响. 结果表明, L-丙氨酸在四种含氧酸盐水溶液中的迁移体积均为正值, 并且随着盐浓度的增大而增大. L-丙氨酸两性离子端基和阴阳离子间的静电作用对迁移体积的贡献是主要的. 静电作用削弱了两性离子带电中心对周围水分子的电致收缩效应, 造成了理论水化数随溶液浓度的增加而减小. L-丙氨酸在NaNO₃, KNO₃和NaClO₄水溶液中迁移体积的不同主要是由于静电作用的不同引起的, 在LiNO₃水溶液中迁移体积的“反常”是由于结构相互作用的影响较大所致.     

甘氨酸在N,N-二甲基甲酰胺水溶液中的体积性质

用Anton Paar型55精密数字密度计测定了甘氨酸在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)水溶液中的密度,计算了甘氨酸的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积、迁移偏摩尔体积和理论水化数,讨论了DMF的结构对甘氨酸迁移偏摩尔体积和理论水化数的影响。结果表明,甘氨酸在DMF水溶液中的迁移偏摩尔体积为正值,并且随着溶液浓度增大而增大。在DMF水溶液中的理论水化数比在纯水中的小,并且随着DMF浓度的增大而减小。把上述计算结果与在N,N-二甲基乙酰胺(DMA)水溶液中的实验结果进行了比较。