水溶液中结合水的定义与量化

水溶液中溶质的结合水具有不同于远离溶质的自由水的结构和性质.结合水的存在对水和溶质结构和动力学性质均具有显著甚至决定性的影响.然而,对结合水动力学和热力学性质的定量理解在诸多方面一直存在争议甚至严重分歧,其中重点包括如何定义和量化结合水,如何表征结合水和自由水的动力学差别,结合水如何参与生物大分子各种生物功能过程,以及溶质或界面影响结合水结构与性质的途径等.给出结合水定义的物理学依据和量化方法,是深入理解上述问题的第一步.本文简述了各种不同谱学方法定义结合水的基本原理及量化的困难,强调具有不同时间和空间响应尺度的测试方法所得结合水数不必完全可比.此外,系列水溶液物性随浓度升高会明显改变其浓度依赖关系,相应拐点浓度常被用于量化稀溶液中的溶质结合水数.我们近期研究的水溶液玻璃化转变温度-浓度关系,为结合水的定义、量化和水溶液的三区划分提供了物理依据,同时揭示了上述利用性质-浓度关系拐点浓度量化结合水方法的不足.     

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。     

用异核多维NMR技术研究蛋白质动力学

蛋白质在溶液中的三维空间结构、动力学与蛋白质生物功能的关系是在分子水平上理解生命现象的重要基础. NMR技术在研究蛋白质动力学方面具有独特的优势,所能表征的运动过程相关时间尺度很广. 文章综述了异核多维NMR技术研究蛋白质动力学的实验技术和理论方法,介绍了描述蛋白质动力学的内运动参量的意义和Model-Free 方法,并举例说明¹⁵N弛豫测量实验被用于研究蛋白质及其与配体复合物的动力学.      

基于中子散射、氘化技术和分子模拟探究蛋白质及及其表面水分子的动力学行为（英文）

生物体内绝大多数的生物功能均由蛋白质这一生命引擎来实现,而这些功能的实现依赖于蛋白质结构在空间和时间上的涨落。因此,探究蛋白质分子内部的动力学及其和蛋白质功能之间的关系是生物物理中的一个核心话题。本文主要综述了我们课题组近年来的一些成果,通过将中子散射、氘化技术以及分子动力学模拟相结合的方法研究蛋白质及其表面水分子的动力学行为。     

生物物理讲座 第六讲 生物大分子中的相互作用

核酸、蛋白质等生物大分子是构成生命的主要物质基础.研究它们的结构与功能是现阶段认识生命现象的中心环节.生物大分子的一个重要特点,就是其三维结构对其功能有极大的影响.所谓三维结构,是指分子在三度空间中的立体结构,亦即组成分子的所有原子的特征空间排布.三维结构也常称为空间结构.现在,越来越多的研究结果使人们认识到,没有特征的三维结构就没有复杂的核酸和蛋白质的功能.蛋白质是生命现象的功能分子.为了适应各种各样的生物功能,不同的蛋白质需要有不同的立体结构.在一定意义上,可以说是一个蛋白质分子对应一种立体结构.核酸是信息…     

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…     

用X射线自由电子激光拍摄分子电影

作为生命活动的基本单元,蛋白质等生物大分子的功能与分子结构和动力学密切相关。X射线衍射和电子显微技术能够确定原子分辨率的分子结构,但是分子在"工作"期间的结构演化还需要大量的方法研究。X射线自由电子激光(XFEL)因其特有的超高亮度飞秒脉冲,成为捕捉动力学过程中分子结构变化的利器。文章介绍了基于XFEL的"泵浦—探测"时间分辨实验方法,通过捕捉蛋白质分子被激发之后特定时刻的结构,拍摄高分辨的分子电影,展现分子在实现功能过程中的精细动力学,为准确理解分子机理奠定了基础。     

软物质实验方法前沿:单分子操控技术

传统的分子生物学实验方法基本都是系综的方法,测量的信号来自大量的生物分子的平均响应,这不利于得到生物分子的构象转变与功能的动力学细节.另外,很多生物大分子如细胞骨架蛋白、分子马达等在行使功能的时候都会受到或者产生力的作用,传统的实验方法也难于研究生物分子的力学响应.最近20年左右发展起来的单分子操控技术可以实现对单个分子的操控,同时测量单个分子在拉力作用下的力学响应.最为常用的单分子操控技术主要包括光镊、磁镊和原子力显微镜,不同的技术有不同的特点和适用范围.本文对几种常用的单分子操纵技术的特点,包括物理原理、可以施加的力的范围与精度、可以测量的分子长度范围与精度等做一个系统的介绍.另外,单分子操控技术在生物大分子如核糖核酸(DNA),脱氧核糖核酸(RNA)和蛋白质的构象转变,相互作用,以及分子马达的功能机理等方面已经取得的丰富成果也给出概括性的介绍.本文对生物学家系统的了解单分子操控技术和如何应用该技术解决自己的生物问题提供一个有益的参考.     

生物物理讲座 第二讲 光谱学在生物物理学研究中的应用

X射线晶体衍射技术提供了有关生物大分子的空间结构信息,几乎可以确定每个原子的位置,对分子生物学的发展做出了重大贡献.不过,绝大多数生物大分子在体内是处于溶液中或与细胞膜结合的,研究生物大分子结构与功能时需保持它与体内环境条件基本一致,才不会改变其构象,丧失其功能.光谱技术适于研究生物大分子在溶液中的构象,而且灵敏度高、准确性好、操作简便、仪器简单,故很受重视,应用极广.在此仅简略介绍采用光谱学方法研究生物大分子结构与功能某些方面的基本原理. 蛋白质是一种重要的生物大分子,由20多种氨基酸组成.某氨基酸的氨基与相邻…     

二维核磁共振——研究蛋白质溶液构象的一种新方法

 生命科学的研究已经进入了分子时代,人们希望能应用分子结构及其变化的观点来说明生命的基本过程,包括遗传及其变异;药物、毒物对细胞的作用机理;免疫过程及其缺陷的分子过程;衰老、癌症以及多种疾病的预防与治疗等等.所有这些现象的研究都建立在对生物大分子(特别是蛋白质和核酸)结构的了解的基础之上,而当前遗传工程、蛋白质工程等高科技的发展无疑也必须首先知道生物分子原来的结构和起主要作用的部位,然后才有可能加以修饰以满足实践需要.因此,分子结构的研究是分子生物学的核心课题,而在分子结构的研究中,在它发展的各个不同阶段上,近代物理学的理论与实验技术都是起决定性作用的因素.     

Long-range hydration effect of lipid membrane studied by terahertz time-domain spectroscopy

The hydration state of biomolecules is believed to affect their self-assembly. The hydration state of phospholipid bilayers is studied precisely by terahertz spectroscopy, by which water perturbed by a lipid membrane is detected sensitively from the observation of the relaxation dynamics of water molecules in the subpicosecond time scale. Combined with x-ray observation of the lamellar structure of the lipid, a long-range hydration effect on up to 4-5 layers of water is confirmed. Most water molecules in the lamellae fall into the hydration water, and condensation of them is also indicated.     

Glass transition in biomolecules and the liquid-liquid critical point of water

Using molecular dynamics simulations, we investigate the relation between the dynamic transitions of biomolecules (lysozyme and DNA) and the dynamic and thermodynamic properties of hydration water. We find that the dynamic transition of the macromolecules, sometimes called a "protein glass transition," occurs at the temperature of dynamic crossover in the diffusivity of hydration water and also coincides with the maxima of the isobaric specific heat C_{P} and the temperature derivative of the orientational order parameter. We relate these findings to the hypothesis of a liquid-liquid critical point in water. Our simulations are consistent with the possibility that the protein glass transition results from crossing the Widom line, which is defined as the locus of correlation length maxima emanating from the hypothesized second critical point of water.     

Spectroscopic measurements and terahertz imaging of the cornea using a rapid scanning terahertz time domain spectrometer

Spectroscopic measurements and terahertz imaging of the cornea are carried out by using a rapid scanning terahertz time domain spectroscopy(THz-TDS) system.A voice coil motor stage based optical delay line(VCM-ODL) is developed to provide a rather simple and robust structure with both the high scanning speed and the large delay length.The developed system is used for THz spectroscopic measurements and imaging of the corneal tissue with different amounts of water content,and the measurement results show the consistence with the reported results,in which the measurement time using VCM-ODL is a factor of 360 shorter than the traditional motorized optical delay line(MDL).With reducing the water content a monotonic decrease of the complex permittivity of the cornea is observed.The two-term Debye relaxation model is employed to explain our experimental results,revealing that the fast relaxation time of a dehydrated cornea is much larger than that of a hydrated cornea and its dielectric behavior can be affected by the presence of the biological macromolecules.These results demonstrate that our THz spectrometer may be a promising candidate for tissue hydration sensing and practical application of THz technology.     

Ultrafast α-like relaxation of a fragile glass-forming liquid measured using two-dimensional infrared spectroscopy

Ultrafast two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is used to study the picosecond dynamics of a vibrational probe molecule dissolved in a fragile glass former. The spectral dynamics are observed as the system is cooled to within a few degrees of the glass transition temperature (T(g)). We observe nonexponential relaxation of the frequency-frequency correlation function, similar to what has been reported for other dynamical correlation functions. In addition, we see evidence for α-like relaxation, typically associated with long-time, cooperative molecular motion, on the ultrafast time scale. The data suggests that the spectral dynamics are sensitive to cooperative motion occurring on time scales that are necessarily longer than the observation time.     

Structure and dynamics of water confined in silica hydrogels: X-ray scattering and dielectric spectroscopy studies

We have used a sol-gel technique to obtain optically transparent hydrogels in which water is confined within a 3D silica matrix. In this work we report X-ray scattering and dielectric spectroscopy measurements on samples having different aging times and compare them with previously obtained results with near-infrared (NIR) absorption spectroscopy. X-ray scattering at room temperature enables to characterize the structure and size of the matrix pores and the non-uniform distribution of water inside the hydrogel. Broad band dielectric spectroscopy in the temperature range 130-280 K enables to study water dynamics. In aged hydrogels two relaxations are clearly evident and show characteristic temperature dependence. The faster relaxation has an Arrhenius behavior in the whole temperature range investigated with an activation enthalpy of approximately 50 kJ/mol; it is attributed to water molecules strongly interacting with the silica matrix. The slower relaxation has a markedly non-Arrhenius behavior which can be fitted with a Vogel-Fulcher-Tamman (VFT) relation with critical temperature of approximately 100 K and activation enthalpies of 35 and 95 kJ/mol at 300 and 170 K respectively; it is attributed to water molecules within the pores that do not interact strongly with the matrix and behave collectively. The VFT temperature dependence of the dielectric relaxation time suggests that this water does not crystallize, in agreement with previous results from NIR spectroscopy.     

核磁共振波谱在药物研发中的应用进展

在现代药物的研发过程中,能够检测药物分子化学组成、结构及其与生物分子相互作用的新方法、新技术始终是人们最关注的科学问题之一。而光谱分析(包括红外、紫外和核磁共振)是最常用的分析手段。其中,核磁共振波谱技术通过检测组成有机化合物分子的原子核在周围化学环境影响下的跃迁规律,来获得反映核相关性质的参数,而这些参数包含了详尽的有机化合物分子结构和分子间相互作用的信息。核磁共振波谱能在液态、固态、气态,甚至在生物原位环境等多种复杂条件下,提供体系中分子组成、原子水平分辨率的三维结构、相互作用和动态过程等丰富信息,特别是药物研发中极其重要的药物分子与生物大分子的相互作用信息。因此核磁共振波谱在药物研发中发挥了越来越重要的作用,近年来在药物研发领域的应用是越来越广泛。而有关核磁共振波谱专门应用于药物研发方面的综述并不多见。由此,在简单阐述核磁共振波谱基本原理的基础上,从药物靶标生物大分子受体的结构与动力学、药物设计与筛选,以及药物代谢三方面综述了近年来核磁共振波谱在药物研发中的最新应用进展,以期系统的为分析工作者们提供核磁共振波谱在该领域目前的研究概貌。     

时间分辨的X射线衍射

详细论述了时间分辨X射线衍射探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的各种方法。介绍了多种超快X射线脉冲光源及其在材料和生化领域中的研究进展状况。材料方面:在皮秒时间尺度探测到了晶格间距毫埃的微小变化;在亚皮秒的时间尺度直接观测到晶体的超快熔化过程和晶体内的相干声子散射;生物化学方面:采用时间分辨X射线劳厄衍射方法探测了蛋白质大分子结构的变化和功能之间的关系;精确描述了有机分子在光作用下形态发生改变时分子键角的扭转角度,从结构上揭示了其动态机理。     

Effect of unfolding on the thickness of the hydration layer of a protein

Properties of water in the hydration layer around a protein is intimately correlated with its function. A knowledge of the thickness of the hydration layer is important to understand its role in guiding the folding-unfolding of the protein. We have performed atomistic molecular dynamics simulations of the folded native and a partially unfolded molten globule structure of the villin headpiece subdomain or HP-36 in aqueous solution to estimate the effect of unfolding on the thickness of hydration layer around different segments of the protein. In particular, several dynamic properties of water around different segments of the folded native and the unfolded structure have been calculated by varying the thickness of the hydration layers. It is found that unfolding of a segment of the protein is correlated with the dynamics of water around it, i.e., within the first hydration layer. The effect of unfolding on water properties has been found to diminish when water molecules present beyond the first hydration layer were included in the calculations.