金属离子诱导的蛋白质聚集及药物小分子对其抑制调控动态过程的二维中红外光谱学研究

Only properly folded into a specific three-dimensional dynamic structure, the proteins cannot perform their respective biological functions. Pathological aggregation of proteins being induced by heavy metal cations is prion to protein Amyloid diseases, but the molecular mechanism is not currently clear yet. .With the time-resolved ultrafast two-dimensional(2D) mid-IR infrared spectroscopy in high resolution and sensitivity, conformation dynamics of the aggregation being induced by heat and heavy metal ions in toxic would be conducted with a variety of wild-type and mutated insulin proteins. By comparing the aggregation dynamics of different sites of mutations, the aggregation pathway would be explored for understanding of mechanisms of Amyloid diseases. Meanwhile, the inhibition dynamics of Oligomeric procyanidines(OPC) for insulin fibrillation in indifferent stages would also be investigated for checking the steric hindrance and conformations changes. With the clearer inhibitory mechanisms, it would be more helpful for protein drugs design, production, transportation, storage and prescription.

蛋白质只有正确地折叠成特定的三维动态结构，才能执行其相应的生物功能。重金属离子引起的蛋白质聚集和淀粉纤维化易导致蛋白质淀粉样疾病，但目前其分子作用机制尚不清晰。. 本项目拟利用具有高时空分辨率和高灵敏性而自主搭建的上转换测量技术上的脉冲整形二维红外光谱仪，以野生型和多种基因突变型胰岛素为模型蛋白，时间分辨地探测由温度、重金属离子和药物小分子引起的蛋白质构象变化的超快动态过程。期望通过研究胰岛素聚集过程的构象变化动力学和不同突变体对动力学的影响，解析出毒性重金属离子与蛋白质作用的位点和蛋白质聚集的具体路径，加深对蛋白质淀粉样疾病机理的理解。同时，通过分子间相互作用动力学，解析出原花青素（OPC）药物小分子在抑制蛋白质聚集过程中造成的蛋白构象改变或空间位阻的方式，从而明晰抑制调控机制，进而提高蛋白类药物生产、运输、储存以及给药的安全性。

重金属离子和盐可诱导蛋白质结构改变，甚至发生不可逆的聚集导致蛋白质结构病变。而这种蛋白结构病变的研究与阿兹海莫氏症、帕金森综合症、Ⅱ型糖尿病和人血液透析病等至少二十多种疾病有关。对金属离子和盐诱导蛋白质相变、聚集和相应抑制调控的研究，特别是由此引起的蛋白淀粉样纤维化和寡聚体结构及其组装动态过程的探索，将有助于加强蛋白结构动力学的理解和相关疾病发病机理以及相关治疗药物的研发。同时，金属离子在生物酶催化和药物中也起着重要作用。.在本项目中，我们自主搭建了具有高时空分辨性的二维中红外光谱仪系统， 此实验系统具有高时空分辨率、高灵敏度、高稳定性、高信噪比、低杂散光干扰的优点。利用此系统，我们研究了重金属离子诱导的蛋白变性和相变，以及金属离子在生物酶催化和药物研发方面应用。这些实验结果在分子水平提供了金属离子在生物和医药方面微观机制的理解。