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细胞是生命体的基本单位,而存在于一切细胞中的蛋白质是生物体的重要组成物质。生物体内合成的新生肽链变成具有生物活性的蛋白质必须经历一个折叠过程,由此提出了“蛋白质折叠问题”。虽然蛋白质折叠对所有的生物来说是最基本的和最明确的事实,但它的折叠过程仍然是个未解之谜。
我们以一台一氧化碳中红外气体激光器为探测光源,Nd:YAG激光器泵浦高压氢气产生受激拉曼散射获得1.9μm的加热脉冲,建立了一套脉冲温升——时间分辨瞬态红外吸收光谱探测系统,借助D2O吸光度的变化标定对蛋白质进行脉冲升温的幅度,能够在不引入辅助物质的前提下,研究蛋白质快速折叠开折叠过程。整套系统中,加热脉冲最大输出功率为25mJ,探测光平均输出能量为8mW,仪器响应时间约为80ns,通过水浴控温,可实现对蛋白愿样品在4℃~80℃之间的初始温度调节,以及最高26±1℃的温跳变化,为研究蛋白质折叠/开折叠过程提供了很宽的平台。
在此基础上,我们以细胞色素C为典型蛋白质,首先通过在25~93℃范围内采集其稳态红外光谱对其热变性过程进行了研究。借助变温红外差谱,二阶导数谱以及二维相关谱等分析方法,对细胞色素C的二级结构进行了指认,并对其二级结构随温度的变化过程进行了分析研究,从不同角度充分证明细胞色素C红外吸收光谱中α-螺旋和loop结构在1650-1660cm-1区间发生光谱部分重叠,吸收强度比例约为2:1。这一重要发现揭示了1650-1660cm-1光谱范围内的吸收峰并不一定来自于单纯的α-螺旋酰胺Ⅰ带的吸收,为确认细胞色素C蛋白质折叠动力学过程的时间分辨红外光谱奠定了基础。
最后利用脉冲升温法,对初始温度分别在10℃,25℃和40℃,温跳幅度10~20℃的D2O中细胞色素C的瞬态升温诱导开折叠过程进行了研究,得到了不同初始温度下的瞬态变温红外吸收差谱,结合对某些特征峰位的快速动力学拟合分析,得出细胞色素C在初始温度较低时(10℃),脉冲升温主要引发组氨酸残基His26和His33的去质子化和loop结构的复性过程,以及β-turn结构的部分开折叠导致的进一步H-D交换的发生。当初始温度为室温(25℃)时,其二级结构的变化主要体现在内埋态α-螺旋的打开和无规结构的增加,初始温度升高后,在40℃左右时,加热脉冲对蛋白质的瞬间扰动主要发生在β-turn结构的解离和large-loop结构的生成。