生物膜界面蛋白质振动能量传递的时间分辨和频光谱研究
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摘要
膜蛋白作为细胞中的分子机器,其在行使特定生理功能时,往往包含多种特异性生物大分子(蛋白-蛋白、蛋白-配体)间的相互作用,氢键的断裂和重新形成,电子与能量转移,构象变化传输,细胞信号传导等。这些过程通常在皮秒或更短时间内完成,使得人们能在极短时间内感应到各个生理功能的响应。从分子水平上深入研究界面蛋白质的超快构象变化和能量转移过程是揭示生物大分子相互作用网络及其重要生理功能物理化学机制的关键。本研究中我们发展了振动态选择激发-和频光谱探测的飞秒时间分辨测量技术,即利用一束具有特定能量的飞秒红外脉冲选择激发分子振动态,然后用飞秒宽带和频光谱监控界面分子的实时瞬态结构变化。我们系统研究了a-螺旋多肽分子WALP23在不同氢键条件下的酰胺键中N-H振动的超快能量转移过程。WALP23分子部分插入到生物膜时候,存在酰胺键与H_2O之间、酰胺键与酰胺键之间的氢键结构,此时N-H驰豫时间为1.1(±0.1)皮秒;当多肽分子全部插入到膜时候,酰胺键与H2O之间的氢键结构减少、酰胺键与酰胺键之间的氢键结构增加,驰豫时间变为1.4(±0.1)皮秒。但当我们用D2O把暴露在磷脂头部的N-H氘代成N-D后,只存在酰胺键与酰胺键之间的氢键结构,留在疏水区域的N-H的驰豫时间变成2.0(±0.1)皮秒,随后激发N-H(酰胺A谱带),分别探测C=O(酰胺I谱带)和C-N振动(酰胺III谱带),清楚看到能量通过酰胺键之间的氢键转移到C=O键上,而不是通过酰胺键内的偶合作用传递。该研究不仅区分了不同环境下的氢键作用,还揭示了氢键作用在膜蛋白能量传递途径和速率中的作用。
引文