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。     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

微腔中单分子对荧光共振能量转移光谱学的理论研究

生物大分子动态的结构变化能够使用单分子对荧光共振能量转移谱技术来研究.主要研究了微腔在单分子对共振能量转移实验中有效提高相应单分子对的荧光发射信号的作用,从而提高该技术的时间分辨率.研究发现.由于受体一微腔的强耦合相互作用,光学微腔使得受体分子变成了一个类似于单原子激光的激光体.此外,随着距离的增加.受体的光子数会很快下降.微腔使受体的发射光对单分子对间的距离有更大的依赖性,在腔体中进行单分子对共振能量转移实验町以得到更高的时间分辨率.研究结果为单分子对荧光共振能量转移技术提供了实验方法和理论指导.     

光谱及等温滴定量热法探究盐酸阿霉素与DNA作用机理

利用荧光光谱法,紫外可见光谱法,红外光谱法,圆二色谱法和等温滴定量热法等手段,对抗癌药物盐酸阿霉素 (DOX) 与DNA的作用过程进行研究,测得了它们的结合常数K_a、结合位点数n、反应焓变ΔH、熵变ΔS及ΔG,且在结合过程中,B型DNA的螺旋结构在一定程度发生改变。荧光光谱的数据显示出显著的猝灭效应, 表明DNA是一个DOX荧光的很好的猝灭剂。红外光谱表明阳离子DOX+通过静电吸引与 DNA 的磷酸基团相互作用,且DOX的碳氢链通过疏水缔合与DNA作用。ITC测定了DOX和DNA相互作用的焓变和熵变,表明DOX的烃链和DNA的碱基之间的疏水性相互作用提供了结合的驱动力。     

多光谱法与分子对接法研究盐酸四环素与牛血清白蛋白的相互作用

盐酸四环素属于抗生素类, 目前有关盐酸四环素和牛血清白蛋白二级结构的影响及作用机理报道较少。在模拟生理条件下,采用荧光光谱法、三维荧光光谱法、紫外-可见光谱法、圆二色谱法和傅里叶红外光谱法以及分子对接模拟法,研究了盐酸四环素与牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用。荧光光谱表明,盐酸四环素能有效猝灭BSA的内源荧光,猝灭机制属静态猝灭,通过Stern-Volmer方程计算结合常数Ka为2.813×105 L·mol-1(298 K)。根据Vant’s Hoff方程确定结合过程中的热力学参数ΔS=-151.1 J·mol-1·K-1、ΔH=-76.09 kJ·mol-1_, 两者之间作用为氢键和范德华力。同步荧光光谱、紫外光谱、三维荧光光谱、红外光谱、圆二色谱结果证明盐酸四环素能够改变BSA的二级结构和微环境。根据Föster’s非辐射能量转移理论,盐酸四环素与BSA结合距离为0.49 nm。希尔系数(n_H)值小于1,表明盐酸四环素与BSA结合后存在药物间协同作用。圆二色谱(CD)定量测定了盐酸四环素与BSA作用前后的二级结构含量：α-螺旋含量增加了9.16%(1:1)。分子对接模拟表明盐酸四环素通过氢键、疏水作用和范德华力等多种作用力结合在BSA的site Ⅰ(亚域ⅡA)。本研究有助于了解盐酸四环素与BSA的作用机制,也有助于理解盐酸四环素对蛋白质在储运过程中功能的影响。     

共振拉曼光谱学在化学中的应用

引言大功率激光器,特别是可见及紫外区可调谐染料激光器的商品化,高分辨的分光系统和灵敏的检测系统的发展,以及振动和电子振动偶合理论的进展,使人们能得到很多有关分子、离子的拉曼谱带强度与激发频率依赖关系的信息,这就是在正常拉曼效应基础上发展起来的共振拉曼光谱学。当激发频率接近或重合于分子的一个电子吸收峰时,某一个或几个特定的拉曼带强度会急剧增加,甚至达到正常拉曼带强度的百万倍,并出现正常拉曼效应中所观察不到的、强度可与基频相比拟的泛音及组合振动,这就是共振拉曼效应(简称RRE)。现在共振拉曼光谱学已成为研究和检测有机和无机分子、离子、生物大分子,甚至活体组成的有力工具。     

荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像(FRET-FLIM)技术在生命科学研究中的应用进展

细胞是动植物结构和生命活动的基本单位。细胞过程的一个重要特点就是其生化组分在时空调控上的相互作用关系。然而,利用传统的生化方法（如酵母双杂交系统、pull-down系统等）很难在空间上评估活细胞内分子间的相互作用。光学技术的快速发展,为研究活细胞中生物分子的时空动态提供了新的遗传研究工具,其中荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像（FRET-FLIM）技术在实时探测分析活细胞中生物大分子构象变化和分子间动态相互作用过程具有独特的优势,如：实现对活细胞的实时“可视化”研究,同时具有高时空分辨率;检测更加灵敏、结果可信度高;且基于简易的数学运算完成简单快捷的分析程序。介绍FRET-FLIM技术的理论背景知识,对比了该技术与传统蛋白相互作用技术研究的利弊,同时归纳了其在蛋白相互作用、细胞生物学和疾病诊断等方面的最新应用研究进展,最后总结和讨论了FRET-FLIM技术的未来发展趋势,以期能够为揭示活细胞的结构和细胞过程相关研究提供新的见解。     

毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术在金属形态与生物分子相互作用研究中的应用SCIEI北大核心CSCD

金属形态与生物分子相互作用研究对于揭示金属元素在正常生命过程、重大疾病的发生、诊断和治疗过程中的作用机理具有重要意义,发展研究金属元素形态与生物活性分子相互作用的新技术和新方法非常重要。简要总结了十余年来,在发展毛细管电泳与电热原子吸收光谱和毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联用新技术,及其在不同形态金属与生物分子相互作用机理研究方面的工作。这些工作利用毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术不仅能够直接证明镉、锌、不同形态的汞、不同形态的锑与谷胱甘肽、DNA、人血清白蛋白、牛血清白蛋白间的相互作用,以及这些金属及其不同形态与生物分子加合物的生成,而且还能够测定相互作用的热力学参数、反应级数和动力学参数。另外,结合圆二色光谱、红外光谱光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱等实验手段,进一步研究了金属及其不同形态与生物分子作用对生物分子二级结构的影响及在生物分子上可能的结合位点等。     

毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术在金属形态与生物分子相互作用研究中的应用

金属形态与生物分子相互作用研究对于揭示金属元素在正常生命过程、重大疾病的发生、诊断和治疗过程中的作用机理具有重要意义,发展研究金属元素形态与生物活性分子相互作用的新技术和新方法非常重要。简要总结了十余年来,在发展毛细管电泳与电热原子吸收光谱和毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联用新技术,及其在不同形态金属与生物分子相互作用机理研究方面的工作。这些工作利用毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术不仅能够直接证明镉、锌、不同形态的汞、不同形态的锑与谷胱甘肽、DNA、人血清白蛋白、牛血清白蛋白间的相互作用,以及这些金属及其不同形态与生物分子加合物的生成,而且还能够测定相互作用的热力学参数、反应级数和动力学参数。另外,结合圆二色光谱、红外光谱光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱等实验手段,进一步研究了金属及其不同形态与生物分子作用对生物分子二级结构的影响及在生物分子上可能的结合位点等。     

光谱及电化学方法研究大黄酸与牛血清白蛋白的相互作用

采用荧光光谱、紫外光谱和圆二色光谱法并结合电化学方法,研究了大黄酸与牛血清白蛋白之间的相互作用。结果表明:大黄酸对牛血清白蛋白有较强的荧光猝灭作用且为静态猝灭,并计算得出不同温度下其结合常数(KA)与结合位点数(n)分别为:3.67×105,0.95(298 K);2.60×104,0.83(309 K)。由热力学参数确定它们间的作用力主要是静电引力,并依据F rster能量转移理论求得其结合距离为3.28 nm,同步荧光光谱及圆二色谱表明大黄酸对牛血清白蛋白的构象产生影响。     

Analytical Techniques Used to Detect DNA Binding Modes of Ruthenium(II) Complexes with Extended Phenanthroline Ring

This review describes the analytical techniques used to detect DNA-probes such as Ru(II) complexes with hetero cyclic imidazo phenanthroline (IP) ligands. Studies on drug-DNA interactions are useful biochemical techniques for visualization of DNA both in vitro and in vivo. The interactions of small molecules that binds to DNA are mainly classified into two major classes, one involving covalent binding and another non-covalent binding. Covalent binding in DNA can be irreversible and may leads to inhibition of all DNA processes which subsequently leads to cell death. Usually, covalent interactions leads to permanent changes in the structure of nucleic acids. The non-covalent interaction of molecules with DNA can be due to electrostatic interaction, intercalation and groove binding. These interactions of DNA probes can be explored by various spectroscopic techniques viz. UV–visible, emission, emission quenching spectroscopy, viscosity and thermal denaturation measurements.     

Recognition of biological systems by mass-resolved laser spectroscopy

Molecular clusters are non-covalent aggregates widely recognized as a new state of matter, whose properties are neither those of the individual constituents nor those of their condensed phases. Tailor made molecular clusters have proved to be ideal systems for modelling molecular recognition phenomena and their applications in many scientific fields interlocking the physical and life sciences are now well assessed. In the last few years, it has become possible, through the use of advanced laser techniques, to study the interactions between individual components of a cluster, produced by laser desorption. The studies were carried out developing laser spectroscopic methodologies, capable of characterizing molecular clusters and probing the chemical bond breaking and forming on an extremely short time scale.This paper deals with chiral recognition in gas phase clusters of biological interest through the application of the mass-resolved Resonant Two Photon Ionization (1 and 2 color R2PI) laser technique.The measurement of the spectroscopic shifts and of the fragmentation thresholds of diasteromeric clusters allows the determination of the nature of the interactions which control the formation of biological material and affect their stability and reactivity.     

Buckling Behavior of Carbon Nanotubes Functionalized with Carbene under Physical Adsorption of Polymer Chains: a Molecular Dynamics Study

The buckling analysis of functionalized carbon nanotubes (CNTs) is of great importance for the better understanding of mechanical behavior of nanocomposites. The buckling behavior of carbene-functionalized CNTs (cfCNTs) under physical adsorption of polymer chains (cfCNTs/polymers) is studied in this paper by the classical molecular dynamics (MD) simulations. In this regard, to investigate the interactions between non-covalent polymer chains and cfCNTs, two different non-covalent functional groups, i.e. polycarbonate (PC) and polypropylene (PP), are selected. The findings are compared with those of pure CNTs under the physical adsorption of polymer chains (pCNTs/polymers). The obtained results show that at a given weight percentage of non-covalent functional groups, the gyration radius of cfCNTs/polymers is higher than that of pCNTs/polymers. Furthermore, an increase in the critical buckling force of cfCNTs/polymers is dependent on the type of non-covalent polymer chains. For cfCNTs/PC and cfCNTs/PP, the critical buckling force is respectively lower and higher than that of pCNTs/polymers for the similar weight percentage of non-covalent functional groups. In addition, it is found that the critical buckling strain of cfCNTs/polymers is smaller than that of pCNTs/polymers for the same weight percentage of non-covalent polymer chains.     

Hierarchical processes in β-sheet peptide self-assembly from the microscopic to the mesoscopic level

Under appropriate physicochemical conditions, short peptide fragments and their synthetic mimics have been shown to form elongated cross-β nanostructures through self-assembly. The self-assembly process and the resultant peptide nanostructures are not only related to neurodegenerative diseases but also provide inspiration for the development of novel bionanomaterials. Both experimental and theoretical studies on peptide self-assembly have shown that the self-assembly process spans multiple time and length scales and is hierarchical. β-sheet self-assembly consists of three sub-processes from the microscopic to the mesoscopic level: β-sheet locking, lateral stacking, and morphological transformation. Detailed atomistic simulation studies have provided insight into the early stages of peptide nanostructure formation and the interplay between different non-covalent interactions at the microscopic level. This review gives a brief introduction of the hierarchical peptide self-assembly process and focuses on the roles of various non-covalent interactions in the sub-processes based on recent simulation, experimental, and theoretical studies.     

白蛋白对单取代酞菁锌光谱性质和存在状态的影响

研究了单取代酞菁锌(1-[4-(2-羧基乙基)苯氧基]酞菁锌,即ZnPcC1)与白蛋白(人血清白蛋白HSA和牛血清白蛋白BSA)的共价和非共价结合作用,进而研究了结合方式对ZnPcC1的光谱性质和存住状态的影响.结果表明,ZnPcC1可以通过成酰胺键的方式与白蛋白构成共价结合物(摩尔组成比大约为7:1);ZnPc1与白...     

DITFB/4-OH-TEMPO体系中卤键作用的19F DNP研究

卤键与氢键相似,是实现分子与分子非共价键连接的作用之一,其广泛地应用于工程材料和生命化学等领域．有关卤键相互作用的动态核极化（DNP）研究还未见报道．本文利用连续波-电子顺磁共振（CW-EPR）谱仪及自主研制的DNP实验平台对存在卤键相互作用的体系——1,4-二碘四氟苯（DITFB）/4-羟基-2,2,6,6-四甲基吡啶-1-氧自由基（4-OH-TEMPO）进行¹⁹F DNP研究,并与无卤键作用对照组——六氟苯（PFB）/4-OH-TEMPO的¹⁹F DNP增强效果进行了比较．结果发现,DITFB/4-OH-TEMPO较PFB/4-OH-TEMPO具有更窄的EPR线宽和更大的¹⁹F DNP增强．这表明自由基与DITFB卤键作用削弱了自由基之间的电子自旋-自旋相互作用,从而使自由基横向弛豫时间（T_2e）增加、线宽变窄,导致DNP饱和因子和增强倍数变大．因此,可以通过卤键调控自由基电子自旋相互作用,以改善核的DNP增强效果．     

Weak interactions and cooperativity effects on disiloxane: a look at the building block of silicones

The behaviour of disiloxane 1 towards a set of Lewis acids (LA) and Lewis bases (LB) forming complexes through its oxygen and silicon atoms, respectively, was studied at the MP2/aug′-cc-pVTZ level of theory, exploring a wide variety of non-covalent interactions. Disiloxane is a moderate electron acceptor and a good electron donor, exhibiting in the latter case binding energies up to almost ?100 kJ/mol with BeCl₂. Cooperativity effects were also analysed by looking at ternary 1:LA:LB complexes. Shorter intermolecular distances than in the corresponding binary complexes and a negative contribution of the three-body term to the binding energy indicate that the non-covalent interactions allowed by disiloxane through its acid and basic centres cooperate between them to reinforce both donor–acceptor pairs. These effects are particularly strong in complexes involving beryllium and triel bonds, but are also relevant for complexes containing hydrogen bonds.     

人参皂苷Rh2与血清白蛋白相互作用立体选择性的光谱及分子对接研究

立体化学是影响外源性药物与生物功能大分子相互作用的关键结构因素。人参皂苷Rh2具有抗肿瘤等生理活性,已发现其中的C-20立体化学与多种生物学效应有关,但其与体内重要药物载体血清白蛋白(SA)相互作用的立体选择性研究鲜见报道。为此,采用紫外吸收光谱、荧光光谱、同步荧光光谱和分子对接技术,研究人参皂苷Rh2的C-20差向异构体在模拟生理条件下与SA相互作用的立体选择性特点及其机制。20S-和20R-Rh2均能与SA按摩尔比1∶1自发形成稳定的复合物,主要通过氢键和疏水相互作用,使SA的相关发光基团疏水性增强,同时改变Trp,Tyr等氨基酸残基周围微环境,从而影响紫外光谱特征吸收峰的位置和强度,并引起内源荧光的静态猝灭。二者与SA的相互作用特征及结合模式均存在显著差异,突出表现为结合区域以及参与氢键和疏水相互作用的基团和氨基酸残基数目及类别明显不同,20S-Rh2具有相对更高的结合常数和结合自由能。人参皂苷Rh2与血清白蛋白的相互作用具有立体选择性,C-20立体化学差异是其中的重要机制。     

同步荧光光谱法结合分子对接研究金雀花碱与牛血清白蛋白间相互作用

金雀花碱(Cy)是一种生物碱,主要存在于豆科毒豆属植物种子中。Cy具有较强的生物活性,特别是作为戒烟药物已得到广泛应用。在模拟生理条件下,应用荧光光谱法研究了Cy同牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用以及Cy猝灭BSA荧光发射的机理。详细考查了水浴温度、水浴时间以及溶液pH等因素对荧光猝灭的影响,并且通过Stem-Volmer方程计算了Cy与BSA间的结合类型、结合位点数目以及结合常数。结果表明,Cy与BSA可形成摩尔比为1∶1的非共价复合物,其结合常数为5.6×103,其猝灭类型为静态猝灭。同步荧光光谱研究结果表明,Cy的结合主要影响BSA 的Trp残基的荧光发射。进一步应用分子对接研究表明,氢键与疏水作用是Cy与BSA形成复合物的主要推动力。Cy与BSA中Trp213及其周围的氨基酸残基间存在氢键与疏水作用,这种作用将改变Trp213所处微环境的疏水情况,从而导致BSA的荧光发生猝灭。     

轴向核苷修饰硅酞菁与白蛋白非共价复合物的制备与光动力活性

通过荧光光谱法研究了5种轴向核苷(胞苷、氮杂胞苷、甲基胞苷、尿苷和甲基尿苷)衍生物修饰硅酞菁与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,结果表明,它们与BSA存在较强的相互作用,结合常数在(4.90~83.18)×105 mol-1·L之间。因此,进一步制备了二[5’-(2’,3’-O-异丙基)-胞苷氧基]硅酞菁(SiPc1)与BSA的非共价复合物(SiPc1-BSA),复合物中两者的摩尔比为1∶1。SiPc1-BSA与SiPc1在可见区的吸收光谱没有明显区别,两者的Q带最大吸收带均位于686nm附近,且吸收强度没有明显区别,这说明SiPc1结合到白蛋白后,其光谱性质没有受到明显改变。光动力抗癌活性测试表明,SiPc1-BSA具有较高的光动力抗癌活性,对人肝癌细胞HepG2的IC₅₀值为3.0×10-7 mol·L-1,且SiPc1-BSA的光动力活性高于SiPc1(PBS药剂形式,IC₅₀值为7.0×10-7 mol·L-1),这主要可归因于SiPc1-BSA具有更高癌细胞摄取率。