光诱导生物醌对氨基酸的损伤反应机理及动力学研究

Investigation on the protein damage reaction resulted from photoinduced excited triplet of biological quinones in simulated physiological environment is a project which has been paid much attention. In the present project, with micelle as the models of cell membrane, the photoinitiated reactions between the excited triplet of biological quinones and several essential amino acids in cell physiological environment will be investigated by using time-resolved electron paramagnetic resonance (TR-EPR) and transient absorptive spectrum techniques. The biological quinones here include duroquinone, naphthoquinone, vitamin K and so on. The essential amino acids involves tryptophan，methionine, tyrosine etc. By the measurements of chemically induced dynamic electron polarization (CIDEP) spectra, transient absorptive spectra and quantum chemistry calculation of the hyperfine coupling constants, the transient intermediates will be identified. The reaction mechanism will be analyzed. Based on the measurements of reaction rate constants with Stern-Volmer equation, the analysis to the time evolution of the CIDEP spectrum and the molecular dynamics simulation, the position on the amino acids where the electron or hydrogen is captured, electron and proton transfer mechanism will be studied and analyzed. Through the variation of the types of surfactant to form micelle such as cationic surfactant, anionic surfactant and non-ionic surfactant and the size of the micelle, the influence law of the variation of cell physiological environment on the protein photosensitive damage reaction will be discussed. The implementation of this project will provide deeper understanding for the protein damage mechanism resulted from photoinduced excited triplet of biological quinones in biological system.

模拟生理环境下生物醌对蛋白质的光诱导损伤反应是一个一直受到广泛关注的研究课题。本项目拟用胶束模拟细胞膜，利用时间分辨电子顺磁共振（TR-EPR）、瞬态吸收光谱技术系统地研究模拟生理环境下光激发生物醌（杜醌、萘醌、维生素K等）三重激发态对几种人体必需氨基酸（色氨酸、酪氨酸和蛋氨酸等）的损伤反应。通过化学诱导动态电子极化（CIDEP）、瞬态吸收光谱的测量并结合超精细耦合常数的量化计算，确认反应中间体，分析反应机理；基于Stern-Volmer方法测量反应速率常数并结合CIDEP的时间演化和分子动力学模拟研究反应动力学，分析氨基酸受攻击的位点和电子、质子转移机制；通过改变胶束的类型（阳离子型、阴离子型，非离子型）、胶束的大小，考察生理环境的改变对蛋白质光敏损伤反应机理及动力学过程的影响。本项目的实施有助于深入理解生物体内生物醌对蛋白质的光敏损伤机制。

模拟生理环境下生物醌对蛋白质、生物组织的光诱导损伤反应是一个受到广泛关注的研究课题。本项目围绕生物醌分子对氨基酸的光诱导损伤反应、离子液体微观结构与动力学的分子动力学模拟以及纳米粒子近电场性质的模拟研究开展了以下工作，并取得了一些重要结果：（1）利用LFP技术研究了乙腈-水、乙二醇-水均相溶液中杜醌（DQ）与氨基酸Trp、Tyr及苊醌（ACQ）与小分子肽的光诱导损伤反应。结果表明，3DQ*与Trp、Tyr之间发生氢原子转移反应。对于由Tyr与Trp或Ala组成的二肽，反应性较弱的Ala降低了二肽的反应性，而且Ala的位置不同，二肽的反应性也不同。另外，光诱导损伤反应速率常数随着肽链的增长而增大。（2）利用LFP并结合TR-EPR技术研究了乙二醇均相和胶束溶液中对苯醌（PBQ）与Trp之间的光诱导损伤反应。结果表明3PBQ*与 Trp之间发生电子转移，均相和胶束溶液中的反应均近似受扩散控制。对TX-100胶束， 3PBQ*与Trp因增溶于TX-100的聚氧乙烯链外壳的同一区域而加快了反应的进行。（3）利用分子动力学模拟研究了离子液体的微观结构与动力学。获得了吡啶离子液体N-辛基吡啶四氟硼酸盐与乙腈二元混合体系的密度、自扩散系数等热力学性质，证实离子液体内部极性与非极性区域的存在。考察了温度对几种吡啶离子液体的微观结构和动力学的影响，结果显示非极性区域的聚集程度随温度的增加而增加，动力学性质随着温度的改变呈有规律的变化。（4）开展了Ag-Ag2S异质纳米三棱柱粒子的近场性质的实验-理论模拟研究。 基于PEEM技术，测量了银纳米三角片的表面等离激元热点强度随入射光偏振的变化，基于经典电动力学理论模拟了PEEM图像，模拟结果与实验观测一致。这些研究为人们深入理解生理环境下蛋白质的光敏损伤、离子液体的微观结构与动力学以及纳米光天线近场增强效应光偏振依赖性的理解提供了实验依据与理论基础。项目执行期间，在国际重要学术期刊上共发表相关SCI论文4篇。