蛋白质动态结构及其生物学功能的时间分辨中红外光谱研究

The protein dynamical structure at the physiological condition is one of the key factors in understanding its biological functions. Mid IR spectroscopy has the capability of protein-secondary structural resolution, identification of proton once transferred, and a high temporal resolution. To a certain extent, it overcomes the limits encountered with some other techniques such as X-ray diffraction and NMR commonly used in the protein structural resolution. With the advantages of high temporal resolution and capability of tracing proton-transfer of time-resolved IR spectroscopy, and in combination with the IR tag labeling techniques, we propose to investigate the salt effect on the IR spectra of proteins, one of the unsolved problems of the IR　spectroscopic study of protein structure under physiological condition both experimentally and theoretically, providing a solid and reliable basis for the IR assignment for the further study. With the special features of IR as well as 2D IR spectroscopy, i.e., being very sensitive to the environment of the proteins and to the proton transfer process, we would tackle some issues of great scientific importance, or relevance to the human health such as the electron–transfer coupled to proton-transfer in the photo-driven water oxidation in photosynthetic system II, and the mechanism of photo-damage of human eye crystalline. Through all these effort, we hope to promote the significance of the time-resolved IR spectroscopy as a biophysico-chemical tool for investigating the protein secondary structures under physiological condition in the life science research. The innovation of the proposal can be summarized as follows: (1) Tracing the protein dynamical structure at multi-time scale from fs to ms; (2) illustrating the dynamical coupling process between the electron transfer and proton transfer; (3) combination of theory and experiment, accounting for the protein-protein interaction revealed by 2D IR spectroscopy.

生理条件下蛋白质动态结构信息是理解其生物学功能的关键因素之一。红外光谱具有对蛋白质二级结构及质子转移过程的分辨能力，并且具有飞秒量级的高时间分辨率。本项目拟应用时间分辨率红外光谱及二维红外光谱结合多种蛋白质红外特征频率标记技术,从实验和理论两方面深入开展目前困扰蛋白质动态结构研究的一些基本问题如盐效应问题的研究，为提高红外光谱指认提供可靠性的依据。同时利用时间分辨红外光谱对蛋白质局域结构环境的敏感性以及能够跟踪质子转移过程的特点，对光系统II光解水过程电子转移和质子转移偶联，人眼晶状体蛋白光损伤机理开展深入研究，提升时间分辨红外光谱作为一种能够在复杂条件下研究蛋白质动态结构的生物物理化学方法在生命科学研究中的地位。 创新之处有(1)采用多时间尺度(飞秒到毫秒)追踪蛋白质动态结构的变化;(2)能够研究电子转移和质子偶联的动力学过程;(3)理论和实验结合,诠释二维光谱揭示的蛋白质相互作用过程.

项目实验部分围绕蛋白质静态/动态结构红外光谱表征与生物功能的关系，主要开展了几个方面的研究并取得了相关进展：（1）在分子结构尺度上阐释了高等植物捕光天线蛋白LHCII三聚体在高效传能与光保护之间微秒时间范围实现切换的分子机制，应用脉冲升温-时间分辨红外光谱和分子动力学模拟相结合，系统地揭示LHCII对环境因素热和酸度变化做出响应，通过蛋白质二级结构变化形成的别构效应，将相应的剪切力传导至一对剪叉式排列的跨膜螺旋，从而调节关键色素对叶黄素-叶绿素间的距离，实现从高效能量传递到能量耗散功能间的切换。国外同行在打压我们的过程中已经将我们的主要观点抢发了系列工作。（2）发现热休克蛋白α-晶状体蛋白对紫外辐照损伤γ-晶状体分子伴侣保护作用的热激发增强效应，揭示了两种蛋白的亲水局域结构是如何经热激活形成界面结合的亲水β结构，表明α-晶状体亲水结构在维持其伴侣功能中的重要性；（3）通过对植物光系统II放氧中心锰合物的人工合成拟合物氧化-还原过程结构变化的电化学红外光谱研究，从而避开了天然放氧中心骨架蛋白的对低频红外光谱的干扰，获得更为可靠的锰核在变价过程中的结构变化指认。（4）在利用SiO2纳米球模拟细菌捕光天线LH2在囊泡表面曲率诱导的变构效应的研究过程中，为定量解决静电吸附作用的大小，在4-500纳米尺度范围内定量测定了SiO2粒径依赖的表面电荷密度，解决了该领域悬而未决的难题。另外还开展了光合捕光天线膜蛋白能量转移的二维电子相干光谱实验及理论模拟研究。理论方面系统地发展了基于准粒子图像的溶液动力学振动光谱理论与计算方法。能够快速精确地模拟与分析多种对传统方法过于昂贵的生物溶液大体系动力学振动光谱。基于此模拟并分析了离子、小分子以及蛋白质大分子水溶液中的多种动力学光谱。由此揭示了水分子转动动力学、溶液微观非均一性等重要现象的分子细节及其与生物化学反应、蛋白质折叠等过程的关联，显著推进了对复杂多元生物大分子溶液中动力学现象的认识。