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激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展 激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展 激 光 生 物 学 报第16卷第4期 2007年8月ACTA LASER BIOLOGY SIN 专题综述 ICA Vol.16No.4 Aug.2007 激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展 王 敏,俞 帆,隆 泉 (云南大学实验中心,云南) 3 摘 要:、。近年来拉曼光谱在 ,、蛋白质装配的特征描述,拉曼晶体学在实时,介绍了蛋白质拉曼光谱分析在生物技术中的应用现状。并对。 关键词:拉曼光谱;蛋白质构象;非折叠蛋白质;蛋白质装配;拉曼晶体学 中图分类号:Q657.37;Q51文献标识码:A 文章编号:100727146(2007)0420516205 TheApplicationandDevelopmentofRamanSpectroscopy onProteinConformation WANGMin,YUFan,LONGQuan (ExperimentalCenterofYunnanUniversity,Kunming650091,Yunnan,China) Abstract:Ramanspectroscopyisasuitablemethodforprobingtherelationshipbetweenstructure,dynamicsandfunc2 tionofbiomolecules.Inthisreview,somerecentadvancesofRamanspectroscopyonproteinconformationaresumma2rized.Ramanspectroscopyhasbeenusedtocharacterizeproteinunfoldingandassembly.Ramancrystallographyhasbeeninstrumentalinthemonitoringofchemicaleventsinsingle2proteincrystalsinrealtime.Inaddition,theapplicationofRamanspectroscopyonproteinsanalysisinbiotechnologyisproposed.WealsopredictedthefurtherapplicationanddevelopmentofRamanspectroscopyonotherbiomolecules. Keywords:Ramanspectroscopy;proteinconformation;unfolding;assembly;Ramancrystallography 激光拉曼散射光谱测量的拉曼频移是表征物质分子振动2转动能级特性的一个物理量。通过物质的拉曼光谱分析,可以从分子结构上了解物质的构成、特性、及其变化规律。蛋白质是维系生物体正常生命活动的关键成分,阐明其正常结构具有重要生物学意义。现有的常规方法往往难于检测多肽及蛋白质的结构,或者是方法过于复杂,不易操作。过去十年中电感耦合器件(charge2coupleddevice,CCD)检测器和光纤过滤器的广泛应用显著地提高了拉曼光 谱的信噪比,这使得数字式拉曼差谱(Ramandiffer2encespectroscopy)能够应用到蛋白质稀溶液中。拉曼差谱技术已成为一种检测微观结构、构象变化的不可或缺的工具供了渠道 2 1 。拉曼光谱研究蛋白质构象为人 们了解生物分子反应过程的机制、自组装等现象提 。本文主要介绍了拉曼光谱学在天然去 折叠蛋白质和多肽、蛋白质晶体、蛋白质装配方面的前沿研究进展,最后介绍了拉曼光谱在生物工程中的最新应用。 3 收稿日期:2006212214 作者简介:王敏(1974),女,硕士,实验师,主要从事表面增强拉曼和紫外共振拉曼光谱分析蛋白质和核酸等生物 大分子的研究.(电话)087125033219;(电子信箱)wangmin74 激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展 第4期 王 敏等:激光拉曼光谱在蛋白质构象研究中的应用和进展 517 1 天然非折叠蛋白质结构 一直以来蛋白质结构给人的印象都是确定的线性多肽链在空间折叠成特定的三维空间结构。然而,在过去十年的研究中发现,在细胞中许多缺乏独特卷曲、折叠的天然非折叠蛋白质同样发挥着重要生理功能 3 扰细胞壁合成杀死细菌,而细菌则可通过产生2内酰胺酶水解青霉素从而导致抗药性的发生。因此,标准的治疗方法就是合用第二种药物配合青霉素阻 隔2内酰胺酶的活性位置。然而,细菌又产生不能被抑制剂药物阻拦的2内酰胺酶变异形式,这就是抗药性的主要根源 829 。等 10 用拉曼晶体学 。这类蛋白质由于缺乏独特结构,采用2内和三种常用于2),舒巴坦),clavulanicacid)的反应中,并因此阐明抗药性的分子构型(图1)。拉曼数据表明,三个抑制剂舒巴坦(sulbactam),克拉维酸(clavulanicacid),他唑巴坦(tazobactam)与2内酰胺酶形成的反应中间物烯胺类酰基酶在1595 cm随时间升起峰带确定为烯胺类O=C2C=C2NH 21 其他分析方法难以进行特征描述,而拉曼光谱分析则能够弥补这方面的缺陷。 卷曲、(am(amideIII),套用球形蛋白质而来的拉曼经验常数到天然去折叠蛋白质将导致错误的结果 4 。因此,有必要建立适合天然非折叠蛋白质的 5 伸展振动,它们分别在10min、22min、29min达到最高。这个特征用于追踪晶体内烯胺增大和衰减的动力过程。药效最强的他唑巴坦形成的反式烯胺(图 2)的谱峰是舒巴坦和克拉维酸的两倍。拉曼数据还 拉曼标记。Anderson等的研究发现,氨基化合物I 的三个拉曼振动谱带对确定天然非折叠蛋白质的构型特征有所帮助。用拉曼光谱方法对典型的天然非折叠蛋白质突触核蛋白(2synuclein)因其易凝聚、纤维化,可能导致振颤性麻痹疾病的发生而引起研究兴趣,在不同溶液条件下形成的不同二级结构进行了特征分析。用拉曼特征谱带氨基化合物I的1653 212121cm(2螺旋)、1667cm(2片层)、1674cm168521 cm(聚脯氨酸polyprolineII)结构确定了2synuclein 表明,内酰胺环在形成烯胺前打开,是由于1595cm 21 烯胺特征峰出现之前,内酰胺环的C=O振动峰就消失了。根据拉曼晶体学研究提供的这些蛋白质结构、动力学和机理之间的联系对设定时间内捕捉到的反应中间物的X2射线晶体衍射分析具有重要意义 7 。 二级结构的存在、相对变化,并由此推断其它天然非 折叠蛋白质卵黄高磷蛋白(phosvitin),酪蛋白(2 casein),酪蛋白(2casein)的二级结构 5 2.2 药物分子筛选 拉曼晶体学的另一应用是把活性酶的单晶用于抑制剂筛选 11 。发现天。类胰岛素丝氨酸蛋白酶人尿激素 然非折叠蛋白质的amideI拉曼光谱比折叠蛋白质简单,其主要原因为天然非折叠蛋白质回旋结构少和疏水核心的缺失。 作为一种酶抑制剂,能减缓肿瘤转移和初始肿瘤长大。应用中把等当量的抑制剂加入母液,让他们在与肿瘤细胞牢固相连的丝氨酸蛋白酶尿激素晶体中竞争吸附位点。系统达到平衡后,晶体转入新鲜母液,过量的没有吸附或弱吸附抑制剂被洗刷掉。应用拉曼光谱分析冲洗过的晶体能被够辨识被拉曼标记的强吸附的抑制剂。第 7 页 共 7 页
