界面多肽的结构和能量转移超快二维和频振动光谱研究

Polypeptides in the living organism have very important physiological functions, a great amount of which occur at biological interfaces. As a result, understanding the structural information and ultrafast vibrational energy transfer dynamics of polypeptides on the artificial biointerface from the molecular level is one of the central aims of modern scientific research. Ultrafast two-dimensional vibrational sum frequency generation (2D-SFG) is a powerful non-destructive tool for elucidating biomacromolecules structure at various interfaces. Well known for its intrinsic surface-selectivity and sub-monolayer sensitivity, 2D-SFG can be employed to reveal the rapid structure fluctuations, conformation changes, interactions and the intra-/intermolecular energy transfer at aqueous interfaces. This technique provides a unique insight into the structure and functions of biological molecules. Here, we propose to use 2D-SFG to explore the change in structure of the (LKKL)4 and (LK)8 polypeptides, and the vibrational coupling among the secondary structures (α-helix or β-sheet at amide I vibrational modes), C-H and N-H vibrational modes of the polypeptides and water at the aqueous interface. The effect of subphase pH and ionic strength will also be systematically explored. The results are expected to understand the vibrational coupling and energy transfer between polypeptides and water molecules. Such work on model polypeptides lays the groundwork for future studies of molecules of biological relevance.

多肽在生物体内具有重要的生理功能，界面是这些功能赖以发生的场所。多肽的分子结构及其相互作用深刻地影响多肽的生理功能。因此从分子水平研究多肽在电解质溶液界面上的结构和能量转移是一个重要的科学问题。最近新发展的二维和频振动光谱（2D-SFG）为研究此类问题提供了契机。2D-SFG不但具有一维和频振动光谱对界面的选择性和敏感性，还具有分辨分子微观局域结构、解析分子振动模式之间耦合、获得快速分子动态变化、理解分子间相互作用、直接测量分子间振动能量传递等诸多优势，是研究界面生物大分子结构动力学和相互作用的理想手段。本课题用2D-SFG研究多肽(LK)8、(LKKL)4在不同亚相pH及不同离子强度的界面形成的α-螺旋和β-折叠酰胺I带、C-H、N-H振动与水分子之间的耦合及能量转移动力学，以期得到界面多肽分子和水分子之间相互作用和能量转移的完整物理图像。本研究对理解生物分子的结构和功能具有重要意义。

多肽在生物体内具有重要的生理功能，界面是这些功能赖以发生的场所。多肽的分子结构及其相互作用深刻地影响多肽的生理功能。因此从分子水平研究多肽在电解质溶液界面上的结构和能量转移是一个重要的科学问题。最近新发展的二维和频振动光谱（2D-SFG）为研究此类问题提供了契机。2D-SFG不但具有对界面的选择性和敏感性，还具有分辨分子微观局域结构、解析分子振动模式之间耦合、获得快速分子动态变化、理解分子间相互作用、直接测量分子间振动能量传递等诸多优势，是研究界面多肽分子结构和相互作用的理想手段。本课题结合了表面压与和频振动光谱方法对多肽分子、磷脂分子界面结构进行了研究，研究发现多肽(LKKL)4、(LK)8在pH条件下所形成的二级结构不同，对界面氢键结构的影响也不同。用2D-SFG研究多肽(LKKL)4与水分子之间的耦合及能量转移动力学，进一步的研究还在进行中。在此基础上，本课题还对磷脂分子与亚相金属离子之间的耦合方式及相互作用进行了研究，该研究加深了对生物界面微观分子的结构变化对其功能影响的理解。