蛋白质和变性蛋白质二级结构的FTIR分析进展
2022-07-27
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第24卷第8期 2012年8月 化学研究与应用 Chemical Research and Application Vo1.24,No.8 Aug.,2012 文章编号:1004—1656(2012)08-1176-08 蛋白质和变性蛋白质二级结构的FTIR分析进展 何建川h,邵 阳2,张 波 (1.ill:It医学院基础医学院,四川南充637000; 2.Jll ̄It医学院医学影像研究所,四川南充637000) 摘要:蛋白质结构的研究一直是人们研究的一个热点,蛋白质在发生变性后,二级结构会改变,从而导致生物 活性丧失,这些与医药学及食品科学等领域密切相关。傅里叶变换红外光谱(rata)作为一种无损、快速的分 析方法在蛋白质二级结构的研究中发挥重要的作用,本文就FTIR对于蛋白质二级结构的研究作一初步概 述,主要介绍FrIR研究蛋白质结构的主要方法、红外光谱的谱学特点。 关键词:蛋白质;二级结构;FTIR;进展 中图分类号:0657.33 文献标识码:A Progress in study of protein secondary structure and denaturized protein by FTIR HE Jian.ehuanhSHAO Yang ,ZHANG Bo ,(1.School of Basic Mecical Sciences of North Sichuan Medicla College,Nanchong 637000,China; 2.Medicla Imaging Research Institute of Noah Sichuan Medical College,Nanchong 637000,China) Abstract:Study of structure of protein is one of research hotspots.Protein secondary structure will make change with protein denat— uration,which leads to losing of bioactivity of protein.Fourier transform infrared spectoscopy(rrm)hasr important position in re— search of structure of protein due to its superiotity.The paper reviews the analytical methods and the spectroscopic features of Study in protein secondary structure and denaturized protein by n1R Key words:protein;secondary structure;FT[R;progress 蛋自质是由不同氨基酸以肽键相连所组成的 级结构和四级结构等几个层次。蛋白质的二级结 具有一定空间结构的生物大分子物质。蛋白质约 占人体重量的16.3%,是生命的物质基础,没有蛋 白质就没有生命。因此,蛋白质是与生命及与各 种形式的生命活动紧密联系在一起的物质,机体 中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质 的参与。蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生 物大分子,其结构可分为一级结构、二级结构、三 构指的是蛋白质分子局部区域内,多肽链沿一定 方向盘绕和折叠的方式,主要是由分子内的氢键 维系的局部空间排列,包括 螺旋、 折叠、转角、 无规卷曲等。 蛋白质变性是指蛋白质在某些物理和化学因 素作用下其特定的空间构象被改变,从而导致其 理化性质的改变和生物活性的丧失的现象,其实 收稿日期:201l-09-06;修回日期:2011-12-23 基金项目:中央财政支持地方高校发展专项资金资助 联系人简介:何建川(1979・),男,讲师,主要从事光谱分析研究。E-mail:atphjc7912@163.com 第8期 何建川等:蛋白质和变性蛋白质二级结构的 R分析进展 l177 质是蛋白质结构中的次级键被外界因素所破坏, 变性后蛋白质的二级结构会发生变化。使蛋白质 变性的因素主要可分为两大类,化学因素和物理 因素。能使蛋白质变性的化学方法有加强酸、强 碱、重金属盐等;能使蛋白质变性的物理方法有加 热(高温)、紫外线及x射线照射、超声波、剧烈振 荡或搅拌等。常见的用于蛋白质二级结构及变性 蛋白质二级结构分析的方法有x射线衍射法、圆 二色谱法(CD法)、荧光光谱法及傅里叶变换红外 附近有3个吸收峰,转角结构的红外吸收位于 1665cm 附近和1685em 附近,而1612cm 附近 的吸收峰则应归属于蛋白质和多肽侧链的吸收。 张超 等则是将冻干的冬小麦麸皮抗冻蛋白的样 品经P:O 干燥后与KBr混合压片然后测定其红 外光谱,得到的谱图经过平滑处理,然后采用 Gauss峰形拟合,最后再根据各子峰与各个二级结 构的积分面积来计算各种二级结构的百分含量。 综合分析后的结果表明抗冻蛋白的二级结构组成 光谱法(rriR)等,其中,FHR法具有宏观整体鉴 定复杂体系的优点及元损快速的特点,因而,在蛋 白质二级结构的分析中具有越来越广泛的应用。 傅里叶变换红外光谱法应用于蛋白质结构的 分析已有六十多年的历史,早在1950年,Elliott和 Ambrose等人就根据模型多肽的结果提出了红外 酰胺I带1650~1660em 的峰归属于Ot.螺旋结 构,1630~1640cm 的峰归属于p一折叠的假设,这 一阶段的研究属于对蛋白质结构的定性分析;到 了1983年,Susi和Byler等人将二阶导数理论应 用于蛋白质二级结构的研究当中,1986年,他们又 将卷积方法应用于二级结构分析。二阶导数和去 卷积技术能够把原来蛋白质红外光谱的酰胺I带 中未能分辨的峰进一步分解为若干子峰,并能够 指出各个子峰的峰位,再结合曲线拟合的方法,从 而可以实现对蛋白质各二级结构的定量化分析。 在接下来的二十多年里,随着傅里叶红外光谱仪 及其联用技术的发展特别是计算机辅助解析技术 的重大突破,应用傅里叶变换红外光谱仪研究蛋 白质的二级结构取得了很大的发展。 1 F11R应用于蛋白质二级结构的分析 FHR用于蛋白质二级结构的分析通常是采用 蛋白质直接与KBr压片或是溶解于水或重水形成 溶液,或是再经冰冻干燥后与KBr压片的方法来 扫描图谱 。]。在谱图解析的过程中,二阶导数 法、去卷积及最小二乘法等技术起到了重要的作 用。如王箐舟等¨ 将注射用人免疫球蛋白先冻 干,然后溶于重水中,然后再冻干,冻千后的样品 用重水配制成一定质量分数的溶液装人CaF 池 中进行红外分析,结果显示人免疫球蛋白的 -甥; 旋结构的红外光谱吸收峰位位于1650~1660cm 范围,B.折叠在1623~1639 cm’。范围和1675em 为:仅一helix为15.05%一l5.87%,B-sheet为 36.00%~36.92%,13-turn为17.31%一17.75%, 而random coil为30.3l%一30.82%。 2 FTIR应用于变性蛋白质二级结构 的分析 2.1热变性蛋白质的FHR研究进展 温度升高是导致蛋白质变性的最为常见的因 素之一,有关这方面的研究也是进行得较为广泛 和深入 引,因而将其单独讨论。如卞为东等 利 用FTIR研究了天花粉蛋白的热去折叠过程,结果 表明天花粉蛋白的二级结构在25~55c【=范围基本 保持不变;而在55—60℃,几乎所有的二级结构都 发生了较大的变化;温度达到65 ̄C或以上时,总的 13折叠含量达到56%,且不再随温度而变化,达到 了热去折叠的终态。而袁波等人【5 更是采用精度 可达到0.2℃的循环水控制温度,每隔2 ̄C为一测 定单元分析了加热导致的牛血清白蛋白(BSA)的 二级结构的变化,结果显示,加热到70 ̄C前,BSA 的二级结构以仅一螺旋为主;加热到70 ̄C之后,由 于加热导致了Ot.螺旋减少和B一片层增加的协同变 化,这种协同变化发生在68~82℃这样一个温度 范围;同时1645 cm 的新的吸收峰的形成表明 BSA在高温下形成了无规卷曲。钟朝辉等 在 20、35、60、90、110oC等几个温度点用b33R扫描了 与KBr混合压片的鱼鳞胶原蛋白冻千品,结果表 明位于1658cm 的鱼鳞胶原蛋白的酰胺1带在温 度升至60℃时,峰形发生明显改变,主峰裂分为多 个吸收峰,1651till一处对应的Ot-螺旋结构减少, 1643cm 处对应的无规结构出现,1668、1662、 1689cm 。 处对应的转角和1657、1680和1672cm 处对应的折叠结构增加,表明温度升高使维系胶 原蛋白螺旋结构的氢键被破坏,发生解螺旋化,螺 1178 化学研究与应用 第24卷 旋结构向无规、转角和折叠等其他的二级结构转 变。 2.2化学变性蛋白质的FTIR研究进展 化学因素是导致蛋白质变性的重要因素之 一,在强酸、强碱、重金属盐、醇、尿素等化学试剂 的作用下,维系蛋白质二级结构的主要作用力氢 键会遭到不同程度的破坏,从而导致蛋白质变 性¨们。在考察药物体内作用、环境科学的研究等 方面经常需要考虑到人体内蛋白质的化学变性。 如马萍等¨¨利用丌1R对骨螺紫及其铜配合物与 人血清白蛋白的相互作用进行了研究,先将得到 的红外谱图进行差减,再在1600—1700cm 范围 进行两点基线校正,进行平滑处理后,再进行二阶 导数和去卷积,从而可估算出各子峰的峰位和半 峰宽,手动选定峰位和峰宽,再采用Gausse函数拟 合,最后可将重叠的谱带分辨开来,从而可根据其 积分面积计算各种二级结构的相对百分含量。结 果显示,骨螺紫是破坏人血清白蛋白二级结构的 主要因素,通过与人血清白蛋白的结合能使蛋白 质分子中的肽链部分展开,二级结构从仅一螺旋和 p 折叠向B 转角和无规卷曲结构转变,且分子结 构的松散程度增加。而张丽等¨ 则考虑到铅作为 全球范围内最具危害性的重金属元素之一,从而 开展了Pbn与牛血清白蛋白复合体系的蛋白质二 级结构的研究,利用二阶导数、去卷积和谱线拟合 技术对蛋白质红外光谱图的酰胺I带进行处理以 推测蛋白质二级结构的变化,结果表明,与Pb 发 生相互作用后,牛血清白蛋白中的 一螺旋结构减 少了约8个百分点,B一折叠结构减少了约3个百 分点,B-转角则增加了约十一个百分点,无规卷曲 基本保持不变。且随着体系中Pb 浓度增大,仅. 螺旋和B-折叠结构向13一转角结构发生转化的这种 趋势有所增强。 2.3物理变性蛋白质的FTIR研究进展 物理方法使蛋白质变性的种类很多,包括高 压、紫外线或x光照射、超声波、剧烈的机械振荡 等,有关物理因素导致蛋白质变性也是目前光谱 研究的热点之一『】 。如唐传核等¨ 就分别在 压力200、400及600MPa时研究了冻干大豆分离 蛋白构象的变化,结果显示,压力为200MPa的HP 处理致使大豆分离蛋白的酰胺l带的峰发生显著 红移,峰的强度也显著增加,这表明经200MPa处 理的蛋白的构象变得舒展;而压力为400MPa的 HP处理未导致酰胺I带的峰发生明显的变化;而 经600MPaHP处理后,位于1692、1668和 1660cm 的峰强度明显增加,这在一定程度上证 实了在HP处理下结构展开的蛋白质经历了二级 结构的“重构过程”。而刘斌等¨副则是研究了超 声对BSA二级结构的影响,分别在功率0,200, 500,600,800,900,1000和1500W下处理样品,研 究超声功率对结构的影响,同时,在600W的功率 下分别处理样品0,10,15,20和30min,研究超声 时间对BSA结构的影响,结果表明,经过超声处理 后, -螺旋、无规卷曲含量在所采用的超声功率下 普遍降低,p一转角及p一折叠含量明显增加,初步可 以认为超声具有使得 一螺旋和无规卷曲向B一转角 及B.折叠结构转化的趋势;同时,根据超声时间对 BSA二级结构影响的研究发现,超声10min后,各 二级结构的含量趋于稳定,达到一定的值,即超声 对于BSA二级结构的影响主要是在前10min的时 间。 2.4病变组织蛋白质二级结构的FTIR研究进展 人体组织发生病变后,体内的蛋白质结构和 水平也会发生一定的变化,尤其是癌变组织中,蛋 白质的二级结构会发生明显的变化(18-24]。如赵瑾 等¨副利用阳R研究了良性和恶性乳腺组织,使 用ATR探头对手术离体乳腺组织接触并扫描,从 而获取癌变组织的红外谱图,根据谱图中代表蛋 白质酰胺I带的1640cm 的峰和代表蛋白质酰胺 II带的1550cm 的峰发生了红移以及乳腺癌组织 的半高宽值增大的谱图解析结果表明,癌组织中 仪一螺旋的含量大大增加,而B一折叠的含量则大大 降低,无规卷曲和转角结构的含量变化不大。姚 宏伟等¨ 同样采用 IR.ATR探头扫描了手术切 除的大肠癌样本,结果显示,代表蛋白质的峰的吸 收强度显著升高,表明癌组织中蛋白质的含量相 对升高,猜测可能是恶性肿瘤组织中合成代谢更 加活跃而致。除癌症外,其他病变组织中,蛋白质 二级结构也有较为明显的改变,如彭立新等 应 用mR-HATR研究了正常人与t3一重型地中海贫 血症患者的血红蛋白及红细胞内含物,通过对相 对强度方法的改进,可以从整体上观察到蛋白质 在地中海贫血中的组成及结构差异:与正常组相 比,地中海贫血组在表征蛋白质二级结构的1652、 1638cm 附近的吸收峰明显下降。 第8期 何建川等:蛋白质和变性蛋白质二级结构的b-3"IR分析进展 1179 3 研究展望 综上所述,b ̄'IR用于蛋白质二级结构研究的 分析方法通常是对蛋白质的溶液或对冻干的蛋白 质直接进行扫描,以取得相应的红外光谱谱图,在 此过程中,蛋白质可以根据研究的需要进行物理 或化学变性处理。对蛋白质溶液的红外扫描可较 好的保持蛋白质的二级结构,但是有一定的干扰 吸收;若采用KBr压片法制备红外标本,则可能会 破坏蛋白质的二级结构,目前对蛋白质二级结构 的研究大多还是利用KBr压片法来进行。 利用FrIR研究变性蛋白质的二级结构取得 了一些共识,各类蛋白质在发生变性后,二级结构 中的仅-螺旋有向B结构(p一转角及p.折叠)转化 的趋势,而无规卷曲也会发生一定的变化。这些 研究表明,FTIR作为一种快速、无损的检测方法能 参考文献: [1]王箐舟,程雅琴,沈世杰,等.静脉注射用人免疫球蛋白 二级结构分析与生物学活性间的关系[J].中国生化药 物杂志,2006,27(2):99-101. 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