应用红外光谱研究生物大分子的结构

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1、应用红外光谱研究生物大分子的结构谢孟峡刘媛北京师范大学分析测试中心，北京100875，xiemx@bnu.edu.cn一、蛋白质二级结构的测定蛋白质的空间结构主要有四级，其结构层次示意图见图1。稳定蛋白质三维结构的主要作用力有五种，分别是盐键、氢键、疏水作用、范德华力和二硫键。这些都是共价键相互作用，其中对于二级结构，最重要的作用力是蛋白质分子中的氢键。图1蛋白质结构层次示意图其中：Q为四级结构，T/α为由结构域组成的三级结构或亚基，D/T为结构域或三级结构，sS为超二级结构，S为二级结构，A为组成一级结构的氨基酸在所有已测定的蛋白质

2、中，都有广泛的二级结构存在。蛋白质的二级结构形式主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲四种。这些二级结构中将螺旋看成蛋白质复杂构像的基础，β－折叠是蛋白质中又一种普遍存在的规则构像单元。无论是α－螺旋还是β－折叠都存在着许多氢键，致使规则的二级结构都具有相当的刚性，如果一段肽链中没有氢键或其他相互作用，那么各个残基之间就有更大的自由度，转角就是典型的介于此两种情况之间的一种二级结构，是一种部分规则的构像（见图2）。此外还有一些肽段相对于前面的三种二级结构是无规则，它们有更大的任意性，可是这些肽段的构像又不是完全任意的，因为每种

3、蛋白质肽链中存在的这一类型空间构像几乎是相同的，所以蛋白质中无规卷曲也是具有其特定构像的。α－螺旋平行和反平行β－折叠β－转角图2、蛋白质典型二级结构示意图蛋白质二级结构特征与氢键的形成方式紧密相关，无论α-螺旋、β-折叠、β-转角或其它构象，都有其特定的氢键结构，而这种氢键结构的差异能够在对于氢键敏感的红外光谱中得到反映，主要表现为谱带峰位及半峰宽的变化。这使我们有可能利用峰位不同的谱带来识别不同的二级结构及其组成情况。图3人血清白蛋白（HSA）在重水中的红外吸收谱在蛋白质的红外光谱中，无论是酰氨I带还是酰氨III带，都由代表了不同

4、二级结构的谱峰重叠而成。可以通过曲线拟合将重叠在一起的谱峰分开。曲线拟合的一般步骤是，首先对得到的蛋白质相应的谱带进行基线校正，然后采用二阶导数和傅立叶去卷积确定了子峰数目和各子峰位置，通过调整各子峰的高度及半峰宽得到满意的曲线拟合谱图，最后根据拟合谱峰的峰面积定量计算不同二级结构的含量。对于各子峰的归属我们也已经做了较多的研究【】。酰氨I带中，α-螺旋：1652cm-1(H2O);1650cm-1(D2O);1656cm-1,1658cm-1；非标准α-螺旋（310－Helix）：1660cm-1；β-折叠：1635cm-1，162

5、5cm-1，1620cm-1；反平行β-折叠：1693cm-1(H2O);1675cm-1(D2O);但1675cm-1的强度只有低波数的1/10.β-转角：1660cm-1～1700cm-1无规结构：1657cm-1(H2O);1643cm-1(D2O)。酰氨III带中，α-螺旋：1330~1290cm-1；β-折叠：1250~1220cm-1；β-转角：1295~1265cm-1；无规结构：1270～1245cm-1；【高等学校化学学报2003】图4蛋白质酰氨I带合酰氨III带拟合结果目前蛋白质的两个谱带分析其二级结构都有一点的局

6、限性，如酰氨I带虽然谱峰归属比较成熟，但是受水汽干扰很严重；而酰氨III带虽然不受水汽干扰，而且不同二级结构在这里的吸收更加特征，但是由于其信号较弱一直以来也没有得到广泛的应用。我们首先提出了将酰氨I带和III带结合起来定量分析蛋白质二级结构的相对含量的方法，该方法可以扬长避短，更加准确的分析蛋白质二级结构。二、药物与蛋白质相互作用的研究药物在人体内的分布是由蛋白质控制的，它们由人血清白蛋白储存、携带到达目标组织。药物与蛋白质相互作用强度可以用来对药物进行筛选。因此研究药物与蛋白作用机理具有十分重要的意义，可以对药物分子的设计提供理论

7、依据。多酚类药物主要包括脂肪多酚有机化合物、多酚苯乙烯酸系列化合物、多酚苯甲酸系列化合物、单宁酸和黄酮类药物。多酚有机酸包括脂肪酸和芳香酸，其中芳香酸有可大致分为苯乙烯酸系列和苯甲酸系列。目前研究药物与蛋白质相互作用的方法主要有荧光光谱、紫外光谱、平衡透析法以及红外和拉曼光谱法等等。利用红外光谱法可以分析蛋白与药物作用前后二级结构的变化。利用差谱技术观察药物与蛋白质作用前后红外光谱的变化，推测药物与蛋白质作用的主要基团，蛋白质中氨基酸残基侧链吸收峰的信息，如Tyr,1515cm-1，His,1105cm-1等。同时可以结合其它方法对结

8、合机理、结合部位进行推测。以人血清白蛋白（HSA）和苯乙烯酸系列有机酸的相互作用为例，通过红外光谱分析计算可得到蛋白质与药物作用前后二级结构的变化。结果见表1。其中CI为肉桂酸；CO为香豆酸；CA为咖啡酸。表1HAS与苯