红外光谱技术对牛胰岛素纤维化的研究

姜杉 李运良

【摘 要】以胰岛素为模型蛋白，利用傅立叶变换红外光谱仪，在线监测胰岛素分子体系的动态变化，研究金属离子对蛋白质结构的影响。通过加入金属离子测量不同条件下蛋白质分子的重叠，获得其对沉积的速率和沉积产物结构特征的影响。共分如下两个侧面进行了测量和分析：不同金属离子对胰岛素蛋白聚集动力学的影响；不同离子强度对胰岛素蛋白聚集动力学的影响。

【关键词】二维红外光谱；蛋白质纤维化；超快激光光谱与成像；胰岛素蛋白聚集动力学

中图分类号： O657.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.008

【Abstract】Using the insulin as the model protein，the Fu Liye transform infrared spectrometer was used to monitor the dynamic changes of insulin molecular system on line，and the influence of metal ions on the structure of protein was studied.By adding metal ions to measure the overlap of protein molecules under different conditions，we can get the effect on the deposition rate and the structure characteristics of the product.The effects of different metal ions on the aggregation kinetics of Insulin protein and the effect of different ionic strength on the aggregation kinetics of Insulin protein were measured and analyzed in two aspects.

【Key words】Two-dimensional infrared spectroscopy；Protein fibrosis；Ultrafast laser spectroscopy and imaging；Insulin protein aggregation kinetics

1 課题来源

蛋白质是生命中绝大多数功能的执行者，但初生的蛋白质链只有折叠成正确的三维动态结构才能发挥其功能。在特定条件下，蛋白质构象发生不规则变化，错误折叠导致蛋白质淀粉样纤维化。目前已发现有几十种人类疾病与天然蛋白质或多肽的淀粉样纤维化有关。

我在中科院物理所初步了解到多种时间分辨性多维非线性超快激光光谱与成像技术，以及利用这种技术研究蛋白质疾病的微观机理的知识，产生了浓厚的兴趣，经过与导师协商，选取二维红外光谱技术，对牛胰岛素蛋白质的纤维化开展研究。

本项目以胰岛素为模型蛋白，研究金属离子对蛋白质结构的影响。

2 本研究的原理方法与具体研究背景

1.原理与方法

利用傅立叶变换红外光谱仪，通过获得在不同时间间隔的一系列二维红外光谱，在线监测胰岛素分子体系的动态变化，研究金属离子对蛋白质结构的影响。

2.具体研究背景

牛胰岛素分子是由21个氨基酸组成的A链和30个氨基酸组成的B链，通过两对二硫键链接而成的双链分子。

牛胰岛素分子在溶液中的存在方式，受其浓度、pH值、金属离子及强度、所处溶剂环境影响，活性牛胰岛素在HCl（pH=2附近）溶液中，主要以单体形式存在，在加热条件下易于发生热聚集及淀粉样纤维化。

已有研究发现，胰岛素蛋白聚集和淀粉纤维化过程可分为成核阶段的滞后期、生长阶段的伸长期和生成淀粉纤维的成熟期。

分子动力学模拟结果表明，活性胰岛素在从初始状态到聚集成淀粉纤维的动态过程中，经历了多个中间聚集体的转变。在目前实验手段下，对部分折叠蛋白聚集中间体的动态信息的测量存在缺失和不确定性，阻碍了对胰岛素热聚集动态路径的真实理解。

3 课题研究目的、目标

本课题旨在利用一维稳态、二维光谱技术以及原子力显微镜等手段，对蛋白质纤维化及其抑制的动力学过程进行观察，分析纤维化过程中各种成分在光谱学上的相关信息，以及他们之间的关联关系，揭示其中的变化过程，了解抑制剂在纤维化过程中发挥的作用，以及其抑制纤维化过程的机理。

利用二维红外光谱技术测量蛋白质分子重叠过程。通过加入金属离子测量不同条件下蛋白质分子的重叠，获得其对沉积的速率和沉积产物结构特征的影响。

4 课题的意义

在蛋白质结构及构象相关领域的研究中，二维红外光谱技术对蛋白质红外吸收相对较弱且某些宽峰及重叠子峰很难分辨的棘手问题突显出独特的优势。

蛋白质生物大分子与金属离子、抑制剂等的相互作用的研究是近十几年来化学与生命科学领域的研究热点。牛胰岛素作为一种与人胰岛素十分相近的蛋白质，分子量相对较小，是蛋白质结构研究中重要的模型之一。近几十年来人们用各种研究手段和分析方法研究金属离子、抑制剂与蛋白的相互作用，但目前利用二维红外光谱技术研究金属离子、抑制剂与蛋白相互作用的文献甚少。

5 研究特色与创新之处

本实验通过一维稳态傅里叶变换红外光谱以及二维中红外光谱对胰岛素在纤维化及其抑制过程中的动力学研究，在分子、化学键的角度更加深入的研究了纤维化的过程，由其中二维红外光谱技术相较于其他光谱、光学成像类技术能提供更丰富的物质成分、结构以及相互之间的关联的信息，更有助于理解其中机理。