离子通道蛋白质与细胞仿生膜相互作用机理的非线性光谱研究

蛋白质与细胞膜相互作用的机理问题是生物交叉学科中的重要前沿科学问题。本项目以离子通道蛋白质模型物质丙甲甘肽为研究对象，利用最先进的非线性光谱技术(单共振与双共振和频光谱技术)，具体地研究离子通道蛋白质与细胞仿生膜(磷脂双层膜)相互作用的分子机理。通过外加电场、添加偶极修饰试剂、改变pH值等方法改变细胞仿生膜的电位差，观测膜电位差对离子通道蛋白质在离子通道开放和关闭过程中的结构与取向变化、以及对蛋白质电子状态的影响。通过这些研究，从分子水平上获得如何控制蛋白质离子通道开关状态的分子机理的新知识，从而为治疗与离子通道蛋白质相关的疾病提供理论依据，为设计和制备具有新型生理功能的多肽、蛋白质、生物药物等提供理论指导。同时，通过该研究，发展双共振和频光谱表征表面生物分子结构、取向以及电子状态的方法。

本项目利用非线性和频光谱技术研究了离子通道蛋白质与细胞仿生膜相互作用的分子机理。三年来，各项工作按原定计划顺利完成，取得了一些原创性的研究成果。以丙甲甘肽为离子通道蛋白质的模型物质，我们通过改变生物膜电位测量了丙甲甘肽在生物膜上形成离子通道前后的分子结构变化，理解了离子通道开放与关闭机理。在没有外加电场条件下，丙甲甘肽以较大倾斜角度插入到生物膜中，通道处于关闭状态。加入离子改变膜电位后，丙甲甘肽在生物膜上的取向角度变小，同时两段螺旋结构间的夹角变小，从而实现通道的开放。在此基础上，我们发展新方法，提高检测灵敏度，在国际上首次利用和频光谱技术成功测出界面蛋白质的酰胺III谱带，解决了如何区分界面蛋白质a-螺旋与无规卷曲结构这一界面蛋白质多年的表征难题。此外，我们在双共振和频光谱系统上发展了兼容多阶非线性光谱测量技术，首次在皮秒激光系统上获得红外光-红外光-可见光三光和频的四波混频振动谱，为表征生物膜上复杂的蛋白质多元结构方面提供了强有力的工具。目前已在国际著名SCI期刊上发表研究论文8篇，其中包括两篇J.Am.Chem.Soc.文章，期刊影响因子均大于3.5，全部标注课题号。同时，项目负责人还被邀请参加了2012年8月在费城召开的第244届美国化学会秋季年会，并做30分钟的大会邀请报告。项目执行期间，培养博士、硕士各一名，完满实现项目的既定目标和任务。