含Beta氨基酸的多肽分子构象的飞秒二维红外光谱表征

近年来人们发现含β-氨基酸的寡聚肽，不仅在溶液中具有稳定的构象，而且具有与天然蛋白质类似的功能，因此引起了广泛的关注。随着这一学科的发展，越来越多的具有不同的二、三级结构的β-多肽被设计合成出来，研究和认识β-多肽的基本骨架构象也就显得越来越重要。本项目拟有计划地设计一系列β-寡聚肽和多肽体系，利用我们实验室已经建立的飞秒二维红外光谱实验手段，结合FTIR光谱技术，并结合量子化学以及经典动力学模拟等计算化学手段，主要利用酰胺-I带为结构探针，展开对β-多肽在凝聚相中的动态构象的研究。目的是充分利用二维红外光谱的耦合、光谱窄化、灵敏度高等优势，研究β-肽的酰胺-I带的二维红外光谱指纹，并从化学键的水平上认识β-肽的构象及其超快结构动力学。本项目的实施，将为蛋白质工程和蛋白质组学研究提供蛋白质构象鉴定的技术参考，从而推动化学、物理学、生命科学及其交叉学科的可持续发展。

含β-氨基酸的寡聚肽是一类重要的非天然折叠体，研究和其基本骨架构象具有重要意义。本课题利用二维红外光谱实验手段，结合一维稳态红外光谱技术、量子化学与经典动力学模拟等计算化学手段，以酰胺-I、-II和-A带为结构探针，进行了几个β-多肽分子体系的超快结构、振动态寿命、振动弛豫、与盐离子的作用等方面的研究，提取和分析了相关的结构和动力学信息。主要结果如下：.A] 对β-多肽的一个最小的模型化合物N-乙基丙酰胺(NEPA) 的酰胺-I带展开了研究，从实验上获得了其飞秒二维红外光谱，并用MM-Map方法及频率相关函数方法模拟了NEPA在重水中的红外光谱。平衡态动力学时间下的实验二维红外光谱表明，在水溶液中，酰胺基团的振动光谱扩散发生在皮秒时间尺度，与肽—水氢键动力学的时间尺度相符。在国内期刊首次报道了飞秒二维红外光谱实验结果。.B] 分析了β-肽在8-、10-、12-、14-和10/12-螺旋这5种结构中酰胺-II带的振动特性。发现酰胺-II带具有肽构象敏感性。发现振动跃迁电荷密度方法能表征其振动离域化情况。发现分子内氢键对酰胺-II带的局域模频率有明显影响，其规律与酰胺-I带相反。发现相邻两个酰胺单元之间的酰胺-II带振动耦合最强，说明氢键对耦合影响不明显。结果有助于认识其复杂的红外光谱。.C] 用我们新建的3-微米波长的飞秒窄带泵浦－宽带探测二维光谱技术，以酰胺-A带为探针，研究了NEPA的超快结构动力学。利用窄带泵浦选择性地激发了混合分子体系中的溶质聚集态子系综，获得了NEPA在不同延时下的二维红外光谱。发现可能分别来自同源二聚体和多聚体的N-H振动峰在二维光谱中能更好地被分开，而且其振动态寿命、对角非谐性对聚集态都具有灵敏性。这些都是混合分子体系可资利用的红外光谱指纹。是国内研究组首次报道窄带泵浦－宽带探测二维红外光谱实验结果。.D] 研究了碱金属离子对β--肽模型分子的骨架作用溶剂化的调控及其作用机理。发现水溶液中NEPA的酰胺-I带在Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+等作用下发生劈裂，一个振动频率降低，另一个频率升高。发现溶液相中阳离子不与酰胺氧直接作用。提出了酰胺基团与阳离子-水-阴离子团簇之间的动态作用模型。揭示了肽骨架既可以处于盐析态又可以处于盐溶态，为更好地理解阳离子与蛋白质作用的经典的Hofmeister序列提供了新的出发点.