溶液环境扰动诱导蛋白质二级结构或性质变化的原位光谱及二维相关分析研究

Proteins are among the basic macromolecules from which the living organisms are made. Studying on the structure and property changes of proteins induced by variation of protein solution conditions is a fundamental issue in protein science. In the past ten years or so, the application of generalized two-dimensional correlation spectroscopy in this field reveals a commen finding: the secondary structure change of proteins is not a complete cooperative process, but one with sequential orders. Our recent research results, however, show that the "sequential order" rules of generalized two-dimensional correlation spectroscopy are not universally applicable, because the physical significance of "correlation" concept is not clear in general spectral changes. So, in this project, we will reexamine the sequential order conclusions regarding the secondary structure changes of proteins in solutions, combining two-dimensional correlation and in-situ spectroscopic analyses. In the meantime, we are going to explore the "correlation" nature of this analytical technique through theoretical analysis, simulation studies and experimental design. The significance of this study lies in the following two aspects: one is to explore one fundamental scientific question; are the secondary structure changes of proteins induced by solution condition variation a cooperative process or a process with sequential order? The other is to reveal the nature of "correlation" concept in generalized two-dimensional correlation spectroscopy, and thereby promote its healthy application.

蛋白质是组成生物有机体的基本大分子之一。研究溶液环境扰动诱导的蛋白质结构及性质的变化，是蛋白质科学中的一个基本问题。近十几年来，广义二维相关光谱技术在该领域的应用共同揭示的一个科学问题是：蛋白质二级结构的变化并不是一个完全协同的过程，而是存在序列顺序。而我们近几年的研究发现，由于广义二维相关光谱中的"相关性"的科学意义不明确，导致其判定"序列顺序"的规则不具普适性。有鉴于此，本项目拟结合二维相关分析及原位光谱分析表征方法，重新审视该光谱分析技术在表征溶液中蛋白质二级结构变化方面获得的有关序列顺序的结论。同时，我们还将通过理论分析、模拟及实验设计的方法探讨该光谱分析技术的"相关性"本质。该研究的价值在于:一、探究一个基本的科学问题，即溶液环境扰动诱导的蛋白质二级结构变化究竟是一个协同的过程，还是存在序列顺序；二、完善广义二维相关光谱分析技术的"相关"概念，推动其合理使用。

蛋白质是组成生物有机体的基本大分子之一。 研究溶液环境扰动诱导的蛋白质结构及性质的变化，是蛋白质科学中的一个基本问题。近十几年来，广义二维相关光谱技术在该领域的应用共同揭示的一个科学问题是：蛋白质二级结构的变化并不是一个协同的过程，而是都存在序列顺序。而我们近几年的研究发现，由于广义二维相关光谱中的“相关性”的科学意义不明确，导致其判定“序列顺序”的规则不具普适性。有鉴于此，本项目拟结合二维相关分析及原位光谱分析表征方法，重新审视该光谱分析技术在表征溶液中蛋白质二级结构变化方面获得的有关序列顺序的结论。我们系统探究了温度、药物分子猝灭剂（丹皮酚和普卢利沙星）和氢-氘转换对牛血清白蛋白二级结构的影响，以及温度、浓度、有机溶剂、不同pH值、不同金属离子及其含量， 以及压力对丝素蛋白二级结构转变的影响。结果表明，牛血清白蛋白及丝素蛋白在各种物理及化学外扰下各二级结构的转变并非广泛存在所谓的序列顺序，而大体上是一个协同的过程。在此基础上，我们还尝试了利用乙醇溶液和酸性溶液来改变丝素蛋白构象，达到调控丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜的力学性能的目的，从而实现了通过调控丝素蛋白二级结构来增强丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜的力学性能的目标。该研究的价值在于:一、回答了一个基本的科学问题，即溶液环境扰动诱导的蛋白质二级结构变化基本上是一个协同的过程，并不广泛存在所谓的序列顺序；二、进一步证实了我们之前的结论：广义二维相关广谱的两大优势（增强峰分辨及可判别事件发生先后顺序的能力）不具有普适性。因此，直接将广义二维相关广谱当做工具来使用的相关研究需慎之又慎。