离子注入模式蛋白酶引起构象和功能改变的机理研究

自从发现离子注入生物效应以来，低能离子与生物体相互作用研究已成为一个新的方向，研究结果的应用产生了重要的社会影响。离子注入生物体原初损伤和生物学效应的'因－果'关系一直是该方向研究的重点。作为研究原初损伤的简化模型，离子注入有机小分子研究取得进展，并形成新的分支。本项目旨在建立研究低能离子辐照生物大分子原初损伤过程的新方法，以模式蛋白辣根过氧化物酶为对象，应用生物光谱学方法,探测离子辐照后蛋白酶构象的改变，特别是二级和三级结构的变化；集成多学科分析技术，探测离子辐照后蛋白功能的变化，计算吉布斯自由能ΔG和表观变性焓ΔH，建立离子辐射对HRP变性的数值模型，解析离子辐射对HRP作用的数值关系；运用偏振拉曼色散光谱和荧光光谱，区分离子辐照对蛋白基质和辅基的各自影响及催化功能的改变。这项研究可以为离子注入蛋白质的原初损伤提供基本数据，对进一步理解更复杂的离子辐射对生物体的作用机理奠定基础。

自从发现低能离子注入生物效应以来，离子束生物工程和技术得到重视和发展，并取得一定的经济效益和社会影响，关于荷能粒子对生物作用机理的研究也成为一个新的研究方向。特别是近年来，随着人们对辐射生物学效应进一步深入研究，认识到在生物辐射损伤和防护方面蛋白质起了至关重要的作用，这使蛋白质辐射损伤的机理研究成为辐射生物学研究的一个热点。荷能粒子辐射对蛋白质损伤的机理很复杂，涉及蛋白质及基本单元氨基酸的损伤、主链和支链的损伤等，此外，还有蛋白质中非朊基的损伤。所以，本项目的目的和任务就是对模式蛋白质及其组分分子的辐射损伤机理进行比较深入和系统的研究，一方面探索荷能离子辐射对蛋白质损伤作用的机理及一般规律，另一方面建立合适的定性和定量分析的方法。具体说来，我们从研究蛋白质氨基酸、肽链和非朊基的损伤入手，层层深入，既研究了荷能粒子与其生物分子的直接作用，也研究了辐射通过一些活性氧化物质（ROS）如羟基自由基、过氧化氢等所导致的间接作用，比较蛋白质及氨基酸的辐射敏感性，解析辐射分解反应通道和产物，得到一些定性和定量关系。在方法上，我们主要利用和发展一些光谱手段，包括荧光、拉曼、红外等方法，定性和定量研究了荷能粒子引起蛋白质及组成分子的损伤。例如，我们在研究中提出可以利用血红素损伤发出的荧光信号对蛋白质损伤进行定量和实时观测，提出了应用红外光谱及显微成像、表面增强拉曼光谱、三维荧光光谱等分析方法研究辐射生物学效应。经过三年不懈的努力和探索，并得益于国家自然科学基金的资助和支持，我们无论在辐射损伤机理还是和光谱定量分析方法上都取得了持续和重要的进展，研究成果相继发表在相关专业的重要国际期刊上，如：Nucl. Instrum. Meth. B、Plasma Processes & Polymers、Radiat Phys. Chem.、Water Res、Environ. Sci. Technol.、J. Hazard. Mater.、Chem Commun、Analyst、Adv. Mater.、J. Mol. Struct. 等，已经发表SCI收录文章30余篇。同时，我们在研究中还发现和提出了新的问题，这为下一步拓展和深入关于蛋白质离子辐射作用机理研究起了一个良好的开端，打下了较坚实的基础。