紅外光譜技術(shù)對牛胰島素纖維化的研究

姜杉 李運良

【摘 要】以胰島素為模型蛋白，利用傅立葉變換紅外光譜儀，在線監(jiān)測胰島素分子體系的動態(tài)變化，研究金屬離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。通過加入金屬離子測量不同條件下蛋白質(zhì)分子的重疊，獲得其對沉積的速率和沉積產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征的影響。共分如下兩個側(cè)面進(jìn)行了測量和分析：不同金屬離子對胰島素蛋白聚集動力學(xué)的影響；不同離子強度對胰島素蛋白聚集動力學(xué)的影響。

【關(guān)鍵詞】二維紅外光譜；蛋白質(zhì)纖維化；超快激光光譜與成像；胰島素蛋白聚集動力學(xué)

中圖分類號： O657.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.008

【Abstract】Using the insulin as the model protein，the Fu Liye transform infrared spectrometer was used to monitor the dynamic changes of insulin molecular system on line，and the influence of metal ions on the structure of protein was studied.By adding metal ions to measure the overlap of protein molecules under different conditions，we can get the effect on the deposition rate and the structure characteristics of the product.The effects of different metal ions on the aggregation kinetics of Insulin protein and the effect of different ionic strength on the aggregation kinetics of Insulin protein were measured and analyzed in two aspects.

【Key words】Two-dimensional infrared spectroscopy；Protein fibrosis；Ultrafast laser spectroscopy and imaging；Insulin protein aggregation kinetics

1 課題來源

蛋白質(zhì)是生命中絕大多數(shù)功能的執(zhí)行者，但初生的蛋白質(zhì)鏈只有折疊成正確的三維動態(tài)結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮其功能。在特定條件下，蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生不規(guī)則變化，錯誤折疊導(dǎo)致蛋白質(zhì)淀粉樣纖維化。目前已發(fā)現(xiàn)有幾十種人類疾病與天然蛋白質(zhì)或多肽的淀粉樣纖維化有關(guān)。

我在中科院物理所初步了解到多種時間分辨性多維非線性超快激光光譜與成像技術(shù)，以及利用這種技術(shù)研究蛋白質(zhì)疾病的微觀機理的知識，產(chǎn)生了濃厚的興趣，經(jīng)過與導(dǎo)師協(xié)商，選取二維紅外光譜技術(shù)，對牛胰島素蛋白質(zhì)的纖維化開展研究。

本項目以胰島素為模型蛋白，研究金屬離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。

2 本研究的原理方法與具體研究背景

1.原理與方法

利用傅立葉變換紅外光譜儀，通過獲得在不同時間間隔的一系列二維紅外光譜，在線監(jiān)測胰島素分子體系的動態(tài)變化，研究金屬離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。

2.具體研究背景

牛胰島素分子是由21個氨基酸組成的A鏈和30個氨基酸組成的B鏈，通過兩對二硫鍵鏈接而成的雙鏈分子。

牛胰島素分子在溶液中的存在方式，受其濃度、pH值、金屬離子及強度、所處溶劑環(huán)境影響，活性牛胰島素在HCl（pH=2附近）溶液中，主要以單體形式存在，在加熱條件下易于發(fā)生熱聚集及淀粉樣纖維化。

已有研究發(fā)現(xiàn)，胰島素蛋白聚集和淀粉纖維化過程可分為成核階段的滯后期、生長階段的伸長期和生成淀粉纖維的成熟期。

分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，活性胰島素在從初始狀態(tài)到聚集成淀粉纖維的動態(tài)過程中，經(jīng)歷了多個中間聚集體的轉(zhuǎn)變。在目前實驗手段下，對部分折疊蛋白聚集中間體的動態(tài)信息的測量存在缺失和不確定性，阻礙了對胰島素?zé)峋奂瘎討B(tài)路徑的真實理解。

3 課題研究目的、目標(biāo)

本課題旨在利用一維穩(wěn)態(tài)、二維光譜技術(shù)以及原子力顯微鏡等手段，對蛋白質(zhì)纖維化及其抑制的動力學(xué)過程進(jìn)行觀察，分析纖維化過程中各種成分在光譜學(xué)上的相關(guān)信息，以及他們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示其中的變化過程，了解抑制劑在纖維化過程中發(fā)揮的作用，以及其抑制纖維化過程的機理。

利用二維紅外光譜技術(shù)測量蛋白質(zhì)分子重疊過程。通過加入金屬離子測量不同條件下蛋白質(zhì)分子的重疊，獲得其對沉積的速率和沉積產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征的影響。

4 課題的意義

在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)象相關(guān)領(lǐng)域的研究中，二維紅外光譜技術(shù)對蛋白質(zhì)紅外吸收相對較弱且某些寬峰及重疊子峰很難分辨的棘手問題突顯出獨特的優(yōu)勢。

蛋白質(zhì)生物大分子與金屬離子、抑制劑等的相互作用的研究是近十幾年來化學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。牛胰島素作為一種與人胰島素十分相近的蛋白質(zhì)，分子量相對較小，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中重要的模型之一。近幾十年來人們用各種研究手段和分析方法研究金屬離子、抑制劑與蛋白的相互作用，但目前利用二維紅外光譜技術(shù)研究金屬離子、抑制劑與蛋白相互作用的文獻(xiàn)甚少。

5 研究特色與創(chuàng)新之處

本實驗通過一維穩(wěn)態(tài)傅里葉變換紅外光譜以及二維中紅外光譜對胰島素在纖維化及其抑制過程中的動力學(xué)研究，在分子、化學(xué)鍵的角度更加深入的研究了纖維化的過程，由其中二維紅外光譜技術(shù)相較于其他光譜、光學(xué)成像類技術(shù)能提供更豐富的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)以及相互之間的關(guān)聯(lián)的信息，更有助于理解其中機理。