蛋白质二级结构片段结构和软X射线谱学表征的理论研究

Determination of structures and their relationship to the functions of proteins is of great significance for understanding the fundamentals of biological systems and curing genetic diseases. However, due to the complicated protein molecular structures, it is very difficult to extract the necessary information directly from the experiments. As an effective technique to identify the chemical and electronic structure of large biological molecules, the theoretical modeling of soft X-ray spectroscopy holds the key to overcome such a difficulty. The basic building blocks of protein, such as amino acids and short-peptides have been studied over the years, but an extension to larger systems to include the secondary structure of protein is yet to be fully explored. In this project we intend to study a series of multi-scale protein secondary structure fragments in gas and liquid phases by modeling their soft X-ray spectroscopy. We aim to find the effective conformers, the corresponding spectral fingerprints and structural variations, as well as the formation mechanism of the secondary structures (including supersecondary structures). These studies will allow us to build up a big data base for the fragments and find useful sum rule to construct the spectra of simple proteins. This project will promote the development of the conformation searching method and spectroscopic modeling technique of large biological molecules and will be expected to provide theoretical guidance for the research on the biological function of large proteins.

确定蛋白质分子的结构并探究其相应生物学功能，对理解生物系统的原理和治疗遗传疾病等具有重要意义，然而蛋白质分子结构极其复杂，很难直接从实验获得有价值的信息。软X射线谱学表征是一种有效地确定生物大分子化学结构和电子结构的技术，有望成为克服这一困难的关键。近年来，氨基酸和短肽等小体系的软X射线谱已被广泛研究，而对包括蛋白质二级结构片段在内的大尺寸体系研究还非常少。本项目拟以一系列不同尺寸下具有蛋白质二级结构特征的多肽片段为研究对象，对其气相和液相稳定构型进行结构筛选和软X射线谱学表征，系统研究在二级结构（包括超二级结构）形成过程中有效构型与相应光谱特征的变化规律及形成机制，试图建立一个汇聚不同多肽片段对应特征光谱的数据库，寻找有效的求和规则来确定简单蛋白质分子的光谱。本项目有助于推进生物大分子的结构搜索方法和光谱表征手段的深入发展，最终期待为大分子蛋白质生物功能的研究提供理论指导。

本项目主要采用软X射线光谱表征方法对典型氨基酸、短肽等分子体系及其形成蛋白质二级结构片段过程中的有效构型和相应谱学特征的变化规律和形成机制进行研究，为进一步探究蛋白质的三级结构及其功能奠定基础。项目实施以来，我们以一系列氨基酸、短肽、氨基酸水合物和部分二级结构片段等体系为研究对象，深入探讨了诸如中性/双电性结构转变，质子化位点、顺势/反式肽键、分子内弱相互作用、气相/液相转变和不同二级结构特征等多重因素对分子稳定结构和相应光谱变化规律的影响，得到了很多有价值的结果，比如对第21和22种氨基酸的结构搜索和光谱表征，填补了对这两种重要分子光谱领域的研究空白；从理论上首次提出精氨酰氨丝氨酸分子是目前文献已报导的在气相中以双电性构型为势能面最小值的尺寸最小的寡肽分子；证实对于质子化甘氨酸三肽，质子化位点仍然优先选择在传统的氨基氮原子上，更首次报导了包含一个顺式肽键的结构为其势能面全局最小值，也是目前为止文献中给出的第一个以不含脯氨酸的多肽分子作为势能面最小值的寡肽分子；发现并证实对于含苯环的长链分子，传统的分子内氢键在弱相互作用中仍然占据主导地位；发现一个水分子足以使精氨酸水合物的双电性结构比中性结构更加稳定，且从中性到双电性结构转变中的质子转移过程是通过氨基基团作为桥梁；初步建立了一个储存分子结构和光谱信息的数据库等。这些研究成果，充分验证了软X射线技术在表征生物分子电子结构方面的优势，有力地推动了大分子体系的结构搜索方法和光谱表征手段的深入发展，期待未来为大分子蛋白质功能的研究和调控提供理论指导。