生物软物质研究的新进展

中国科学院物理研究所成立80周年生物软物质研究的新进展王鹏业↑李明翁羽翔(中国科学院物理研究所软物质物理实验室北京100190)摘要文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等关键词生物软物质,DNA,蛋白质,动力学,软物质物理Recent progress in biological soft matter researchWANG Peng-YeLI Ming WENG Yu-XiangLaboratory of Soft Matter Physics, Institute of Physic, Chinese Academy of Sciences, Beiing 100190, China)Abstract On the occasion of the 80th anniversary of the Institute of Physics we present a brief introduction tothe recent progress in our research on biological soft matters in the Laboratory of Soft Matter Physics, includingsingle-molecule studies of DNA, the interaction dynamics between DNA and histones, the mechanism of biologicalmolecular motors, the dNa binding and unwinding kinetics of helicases, molecular dynamics investigations on theaggregation of prion fragments, T-jump/ time-resolved spectroscopy of protein folding dynamics, and studies on thepological shape of integral membrane protein light-harvesting complexes from photosynthetic bacteriaKeywords biological soft matter, DNA, protein, dynamics, soft matter physics与普通固体、液体和气体大不相同.流体热涨落和固1引言态的约束共同导致了软物质的新行为,体现了软物质组成、结构和相互作用的复杂性及其特殊性软物软物质这一概念由法国物理学家德热纳(P.质在介观尺度(大约从1mm到1m)范围内,通过相G. de gennes)首先提出,他在1991年诺贝尔奖授互作用,可形成从简单的时空有序到复杂生命体奖会上以“软物质( Soft matter)”为演讲题目,引系列的结构体和动力学系统软物质的丰富物理内起广泛关注软物质的特征就体现在“软”上,比如涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣轻轻施力即可使其产生较大形变,但它又不像普通是具挑战性和迫切性的重要研究方向,已成为凝聚流体(如水、空气)那样具有良好的流动性软物质态物理研究的重要前沿领域具有短距离的规则性,但缺乏长距离周期性,其形态软物质与生命活动紧密相关,生物体基本上均与熵有很大关系只有这样它才能够构造出千变万由软物质构成,如细胞及组成它的主要成分(脂膜化极其复杂的系统,并可携带大量的信息,生命就是蛋白质、DNA、RNA等).软物质与一般硬物质的运个例子因此软物质是指处于固体和理想流体之动变中国煤化工对这一研究领域间的复杂态物质.一般由大分子或基团组成,在自然的开界中广泛存在.软物质的基本特性是对外界微小作CNMHG任重而道远软物用的敏感性、非线性响应、自组织行为等这类物质2008-05-24收到↑通讯联系人.Emal: poyang@aphy.iphy.ac物;毅数2008年)6期http://www.wuliaccr中国科学院物理研究所成立80周年质的概念是从物理学视点上研究生物大分子的主要个简略的综述出发点之一,是连接物理学与生命科学的一条重要纽带应用现代物理学手段,理论与实验相结合对2研究进展些重要的生物大分子及其相互作用的研究,有助于在分子水平上揭示生物大分子结构、运动与功能2.1单分子DNA的关系.这是物理学与生命科学交叉的前沿领域,有DNA(脱氧核糖核酸)是生命的核心物质,是遗许多问题有待深入研究,是学术界面临的长期研究传信息的携带者.生命的蓝图—基因即存在于这方向大分子中从结构上看它是一个较简单的长丝状从物理学的视点上研究生命系统已经有了很长分子,由两条螺旋状的脱氧核糖核苷酸长链组成,即的历史著名的物理学家薛定谔于1943年写的《生众所周知的双螺旋双螺旋外侧是带有负电的戊糖命是什么?》2为分子生物学这一极其重要的研究磷酸骨架,双螺旋内部共有四种碱基(分别用A领域的诞生提供了概念上的奠基.该小册子已影响T,C,C表示),这四种碱基以氢键相互作用组成碱了几代人,包括DNA结构的发现者之一克里克(F.基对(A和T配对,2个氢键;G和C配对,3个氢H.C.Cick).其中提出的“生命以负嫡为生”、“基键)组成互补链在生命活动中,DNA的复制和转因是非周期固体”等极具洞察力的观点至今仍具有录等过程均须将碱基对的氢键打开.在生物体内(in很强的启迪作用还有一位有名的物理学家伽莫夫vivo)这一过程是通过酶反应(如解旋酶)实现的.而(“大爆炸”宇宙模型提出者之一)在生物学上深刻在体外( in vitro),则可用加热的方法将氢键打开,分析了“遗传密码”(1954年),成为遗传密码研究使双链分离,导致DNA分子的熔化( melting),或称的奠基人之一随着科学的不断发展和研究方法的为变性( denature).这是一个很有用的方法,例如快速进步,物理学与生命科学越来越密不可分尽管目前已被广泛应用的PCR(聚合酶链式反应)技术生命科学的研究近来突飞猛进,但其中仍存在许许的一个重要环节就是通过加热使DNA熔化.我们研多多未解之谜,对科学工作者极具挑战性因此,从究了单个DNA分子在拉伸力作用下的熔化现象物理学的视点上看生物大分子,运用物理学的概念在DNA分子两端施加一定的拉伸力,常温下即可使和方法(例如,通过先进的技术手段获得更精确的碱基对的氢键打开,使DNA双链分离我们利用分实验数据和应用更准确的定量模型来描述生物规子梳技术将λ-噬菌体DNA分子展开到疏水表面律)研究生物物质及生命规律,将大有作为上,并拉伸到其伸直长度( contour length,l6.2μm)物理学研究方法的特点是从复杂的万象中找出的大约16倍利用荧光分子只有与双链DNA结合普遍的规律,这样的运动规律具有很强的普适性和才发射出较强荧光这一特点,通过荧光显微方法直精确性这些普适规律对于生命物质也不例外物理接观察到了拉伸力导致的DNA单分子熔化现象,并学手段的不断发展大力促进了生命科学甚至医学研发现钠离子、镁离子及pH值对DNA分子的拉伸有究例如最近几年发展起来的单分子观测手段和单明显影响分子微操纵技术,已经成为了研究生物大分子的相我们建立了一个研究单个DNA分子拉伸性质互作用及动力学的重要方法特别是与荧光技术的的磁镊装置,可以提供0.1到40pN范围的拉伸结合使得从前一些无法直接观察到的现象得以澄力满足大部分单分子DNA实验的要求利用该装清置,我们测量了DNA分子的凝聚动力学利用施加中国科学院物理研究所结合已有的研究基础和于DNA上的拉伸力使DNA的凝聚速率降低,在有凝聚态物理学的发展动向,于2001年成立了软物质限的时间分辨率下观察到了DNA的非连续凝聚过物理实验室物理研究所主要从事凝聚态物理、光物程实验发现在凝聚剂作用下,DNA凝聚成直径约理、原子分子物理和等离子体物理等方面的研究,很为10m的圆环有趣的是,DNA的凝聚是不连续多基本研究方法和实验条件适用于研究软物质,是的,每一个凝聚动作只有约300m(圆环周长)的开展软物质物理研究的良好场所经过几年的努力,DMM口中国煤化工A两端施加拉力软物质物理实验室在复杂流体、生物大分子的结构可以CNMHG实验发现解离过和动力学等方面取得了一些进展下面就对我们近程也是个续时,母一个胖岗硕作只有约300mm的几年来在生物软物质研究方面的部分新进展进行一DNA片段从圆环表面脱离44http://www.wuli.ac.cn物理·37卷(2008年)6期中国科学院物理研究所成立80周年下来我们还研究了温度的影响,DNA断点的影响2.2DNA与组蛋白的相互作用以及修饰后的组蛋白八聚体与非修饰组蛋白八聚体组蛋白是真核生物染色质中的主要蛋白质,结的竞争效应解释了前人观察到的DNA断点处的磷构研究表明,核心组蛋白HA、H2B、H3和H4以八酸化核小体更容易解离的现象9聚体的形式存在于核小体中,长度146b(碱基对)利用分子梳技术我们研究了一价(Na,K·)和的DNA缠绕在组蛋白八聚体上1.75圈形成核小二价(Mg2,Ca2,Mn2)金属离子对DNA与组蛋体核心组蛋白是已知的最为保守的真核蛋白质之白结合的影响.我们将A-DNA-组蛋白复合体在疏,意味着染色质的基本结构可能由一个真核生物水表面上进行了拉伸,用荧光显微镜直接观察加入共同祖先进化而来.真核生物的DNA分子一般比较金属离子后的变化.结果表明:Na、K在一定程度长,比如说,人的每个体细胞内DNA分子全长约上抑制DNA与组蛋白的结合;Mg2、Ca2、Mn2‘增2m.而真核生物的细胞较小,例如动物细胞核的直强DNA与组蛋白的结合,并能明显增加DNA与疏径大约有10μm这么长的DNA分子被压缩到直径水表面的吸附;Mn2容易导致DNA-组蛋白复合体约10μm量级的细胞核中,这是大自然的一个杰作,聚集我们还利用偏振荧光研究了二价金属离子DNA与组蛋白八聚体相互作用形成的核小体结构(Mn2,Mg2‘,Ca2)对DNA与组蛋白相互作用的即是DNA压缩的第一个层次核心组蛋白进化的保影响,结果显示,当二价金属离子组蛋白、DNA守性提示我们在亿万年的时间长河中这一结构是相共同培育时,DNA可与更多的组蛋白结合我们还当稳固的,大自然可能赋予了它在真核生物各物种发现Mn2比Mg2“和Ca2更容易使DNA-组蛋白中的相似功能如能够找出这一结构中DNA与组蛋复合体发生凝聚白相互作用的规律和本质,对于人们加深理解生命利用单分子磁镊装置,我们研究了恒定拉伸力系统中大分子间的相互作用本质无疑有很大的启示下DNA与蛋白作用的动力学,得到加入组蛋白后作用.近来越来越多的研究表明,组蛋白与DNA的DNA长度随时间的变化曲线2.实验发现,在小于结合,不仅仅是为了将DNA压缩成紧密结构,更是1pN的拉力作用下,DNA的长度随时间曲线很平缓在基因调控中起至关重要的作用这方面的研究不地缩短,组蛋白使DN凝聚;而在大于1.3pN的力断出现新的进展例如,最近人们发现,通过修饰组作用下,曲线会呈现锯齿形状,表明存在DNA与组蛋白,可以进行核小体的重组,从而实现DNA损伤蛋白结合的动态平衡在低浓度时,DNA的凝聚曲的修复线呈指数下降,这是由于蛋白的结合是随机而且独我们通过布朗动力学方法,系统研究了DNA与立造成的;而在高浓度时,DNA的凝聚曲线呈S形组蛋白的相互作用动力学研究了核小体的形成,提状,理论分析表明,在高浓度时,组蛋白之间存在协出了组蛋白八聚体旋转模型来解释DNA与组蛋白同相互作用,S形状的曲线是DNA结合协同性的体八聚体的作用过程模拟了在拉伸时,核小体被拉开现对已经凝聚的DNA施加大的拉力后,DNA与组的过程6.通过可调的组蛋白手征性模型模拟了蛋白形成的结构被逐渐打开,DNA的长度-时间曲核小体手征性的形成,发现DNA的缠绕方向强烈依线呈阶跃性伸长,表明DNA从组蛋白上一圈一圈地赖于组蛋白的手征性,结果还显示出环境温度对核解离下来小体手征性有重要影响提高温度可打破核小体的手征性.模拟了由染色质重组复合体引起的DNA2.3生物分子马达弯曲对组蛋白定向滑移的影响,结果表明,在核小体生命在于运动,生物体的运动离不开生物分子边的DNA上产生一个弯曲环后,组蛋白八聚体会马达的驱动生物体内存在着各种各样的马达分子向这个弯曲环滑动,直至这个弯曲环消失.DNA弯多数利用化学反应(主要是水解三磷酸腺苷,即曲环的大小是影响组蛋白八聚体会滑动的重要因ATP)产生的能量驱动机械运动,也可以反过来利用素町.通过改变DNA与组蛋白八聚体之间的相互作机械运动合成ATP(如ATP合酶)生物分子马达大用力我们研究了组蛋白修饰(磷酸化乙酰化等)多是中国煤化工也有的含有核酸对核小体结构的影响布朗动力学结果显示核小体分子CNMHG触到的宏观机械的结构稳定性很敏感地依赖于相互作用力的大小.马达,生物分与还是持生節活动的运动机器.从DNA从修饰后的组蛋白八聚体上一圈一圈地解离运动方式上区分,有线性运动马达(如驱动蛋白、动物理·37卷(2008年)6期http://www.wuli.ac.cn中国科学院物理研究所成立80周年力蛋白等),旋转马达(如ATP合酶,鞭毛马达等),罗方法模拟了驱动蛋白的前向运动及偶尔发生杠杆臂式马达(如某些肌球蛋白),还有沿DNA或的后向运动RNA运动的分子马达(如解旋酶,核糖体等)动力蛋白也是沿微管做定向运动的一种重要的对于线性运动马达,我们提出了一个描述生物分子马达,主要有两类:鞭毛动力蛋白和胞质动力蛋分子马达动力学行为的二维模型,这一模型同时白鞭毛动力蛋白最早发现是驱使纤毛及鞭毛运动包括了分子马达沿轨道的行进性运动和从轨道上的的分子马达胞质动力蛋白发现较晚,日前已知它有解离理论上给出的对于给定的ATP浓度时跑程和多种重要生物学功能:参与细胞内的细胞器及囊泡停留时间的分布,平均跑程、平均停留时间和平均速的运输(通常与驱动蛋白运输方向相反),细胞纺锤度与ATP浓度及负载的依赖关系与前人的实验结体的组装,染色体的分离等我们基于已有的结构信果很好地一致息及生化实验结果,建立了动力蛋白的单向运动模驱动蛋白是细胞内通过蛋白质分子间相互作用型2.在这个模型中,动力蛋白与微管的结合力不而沿微管做定向运动的一种重要的分子马达它参依赖于它的核苷状态,而是由动力蛋白的柄相对于与细胞内染色体运动、细胞器输运、细胞核运动、细微管的取向变化而自然确定,因此我们的模型不需胞收缩、微管分布、纺锤体形成、细胞分裂等许多重要假定相距很远的的ATP结合位点与柄端的微管要过程驱动蛋白马达在实验和理论上已被进行了结合位点之间通讯的存在,而从前的模型这一假定广泛的研究.然而,其行进运动的微观机理仍未确是必须的利用我们的模型可以很好地解释已有的定.我们基于化学、力学和电学耦合提出了一个交臂实验结果,例如,ATP及ADP(二磷酸腺苷)对动力模型来描述这种行进运动1.在该模型中,驱动蛋蛋白从微管上解离的影响,饱和ATP浓度下单头鞭白两个头的ATP水解化学反应速率由作用在其颈毛动力蛋白的运动,双头胞质动力蛋白运动的步长上的力(包括内部弹性力和外部负荷)来调控在低与负载的关系,停止力的大小与ATP浓度的关系外部负荷情况下,驱动蛋白的后头的ATP水解化学等.对于动力蛋白和驱动蛋白共同运输货物的情况,反应速率远大于前头的速率,因而两个头在ATP水我们利用蒙特卡罗方法模拟了两者的协调工解化学反应和力学周期循环中是协调的,且马达以肌球蛋白不仅负责肌肉的伸缩运动,它还有每步消耗一个ATP的方式行走在大的前向负荷情类是在细胞内沿肌动蛋白丝定向运动而起运输作况下,两个头的ATP水解化学反应速率变得可比用,例如肌球蛋白ⅴ和肌球蛋白Ⅵ.我们提出了一拟,因而两个头在ATP水解化学反应和力学周期循个交臂模型来描述肌球蛋白和肌球蛋白Ⅵ这两环中不再很好地协调该模型与驱动蛋白的结构研种双头分子马达2在这个模型中,双头分子马达究结果以及ATP水解化学反应路径一致利用此模的运动方向自动地由双头在自由状态下的相对取向型所估算的驱动力(约58pN)与实验结果(5-75和马达头在肌动蛋白丝上的结合方向所决定这决pN)一致,所估算的每步中的运动时间(约10μs)也定了肌球蛋白Ⅴ向肌动蛋白丝正端运动而肌球蛋与实验测量值(050s)符合,解释了已观察到的白Ⅵ向负端运动该模型给出的动力学特性与已有每步(8m)分为两个半步的现象.基于结构和生物的实验结果一致我们利用交臂模型详细分析了肌化学信息,我们分析了描述生物分子马达双头驱动球蛋白V的行进运动2,而对于肌球蛋白Ⅵ,我们蛋白行进运动的交臂模型,使得突变的同二聚体和则建议了一个交臂扩散模型,用于描述其定向运异二聚体驱动蛋白谜一般的动力学行为得到了解动21释.我们提出双头驱动蛋白的两个头是沿着微管P合酶是一个旋转的生物分子马达它是生以部分协调而不是以紧密协调的方式行走.协调的物体内的“能源工厂”,通过质子梯度驱动制造程度依赖于驱动蛋白的两个头酶解ATP的速率,而ATP.它由包含一个c环的“转子”F和包含有一个这一速率则由内在弹性力和外负载共同确定6.常a3B3六聚体的“定子”F1构成在不同的物种里,构规驱动蛋白在各类细胞中沿微管以跛行的方式运输成c环的c-亚单元个数从10到14各有不同,但货物基于我们提出的部分协同交臂模型我们提出a3B中国煤化工称性我们通过数了一个玻行行为的新机制,认为这一跛行行为是由值模CNMHG的F与F的转于马达二聚体行进时,在连续的两步中作用到马达动耦合.我们友现,对十个同个数c-亚单元的ATP头上的垂直力不同而引起的.我们还利用蒙特卡合酶转子F在F周期的作用下,平均每三步前进444http://www.wuli.ac.cn物理·37卷(2008年)6期中国科学院物理研究所成立80周年一周,且其停留的位置由F自身的周期决定当c-合体的形成伴随着34个离子的释放.进一步亚单元个数是3的倍数时,上述的三步大小相等当的实验结果显示,RecQ的锌指结构域在保持整个蛋c-亚单元个数不是3的倍数时,三步的大小及停留白质的完整性和与DNA的结合力上是至关重要的时间均不同2的我们还利用单分子磁镊研究了DNA易位酶的我们利用荧光显微和原子力显微直接观察了工作机理,发现SpoE易位酶识别DNA分子上的RecQ解旋酶与DNA的相互作用. DNA-RecQ复合一个位点,由该位点决定SpoE的易位方向,以每体通过分子梳方法被拉伸到疏水表面上,通过荧光步约24个碱基的步距,在DNA上以每秒约7000个显微法观察到RcQ与DNA的结合和解旋导致碱基的速度快速运动.根据实验分析提出了一个DNA分子的缩短,原子力显微镜观察发现RecQ主Stole易位酶的蠕虫爬行工作模型要是以单体形式存在于溶液中和结合到DNA上2.4解旋酶我们应用荧光检测方法研究了RecQ解旋酶的解旋酶是作用于DNA或RNA的一类特殊马达DNA解旋动力学特性该实验基于荧光共振能量转蛋白.解旋酶能够利用水解ATP产生的能量,沿移并在停流装置中进行,通过检测DNA双链分离导DNA分子运动.其主要功能是将双链DNA分子碱致的荧光素荧光发射增强来观察DNA的解旋过程基对之间的氢键打开,将双链DNA解旋成单链利用该方法测定了不同酶浓度下RecQ的DNA解DNA.有的解旋酶还有DNA外切功能(如RecB-旋速度,并给出了解旋速度对镁离子浓度的依赖性CD),有的解旋酶在一定条件下还能够促进单链以及ReQ对DNA的解旋极性DNA的退火( annealing).解旋酶广泛存在于原核、结合快速停流技术,利用荧光共振能量转移的真核生物和病毒体内,从简单的复制叉处核酸双链方法,我们系统地研究了RecQ解旋双链DNA的动分离到复杂的 Holliday结构分支移位等核酸代谢过力学机制RecQ解旋酶对 ss/dsdNA底物的结合实程它都起着十分重要作用因此,解旋酶在DNA的验结果表明,RecQ优先结合于DNA的3尾部ss复制、修复、基因重组以及转录等过程中扮演着非常 dsDNA连接处,每个DNA底物结合RcQ分子的数重要的角色目随单链尾部的长度呈线性递增关系.预稳态动力我们与法国的奚绪光研究组合作主要研究了学分析结果表明,瞬态解旋幅度与RecQ浓度之间RecQ和PerA这两种解旋酶RecQ属于SF2超家的比率是1:1,这说明了参与解旋的RecQ解旋酶是族ReQ家族解旋酶对保持遗传的稳定性起着重要以单体的形式工作的在单转换动力学实验中,Re的作用在人体细胞内,至少有5种ReQ解旋酶,cQ解旋DNA并不依赖于3尾部的单链长度,表明其中 BLM WRN和RecQ4解旋酶的缺失或变异分在DNA解旋过程中ReQ分子之间并不具有协同别会导致Bom, Werner和 Rothmund- Thomson综合效应通过动力学实验数据分析,我们还给出了Re征,这些遗传性疾病主要表现为成年早老症和各种cQ的解旋步幅大小约为4b,解旋速率高达21步/肿瘤症状在人们日益关注衰老和肿瘤防治的今天,秒.我们的动力学实验结果表明,不仅RecQ能够以RecQ解旋酶逐渐成为研究的热点PcrA属于SF1活性单体形式快速高效地解旋DNA底物,而且SF2超家族,是枯草杆菌、金黄色葡萄球菌等的基本解旋家族的解旋酶也能以蠕虫爬行方式解旋双链酶,与大肠杆菌中的Rep和UvrD同源PerA在质粒DNAx的滚环复制中起重要作用并与紫外损伤的修复有我们研究了Blom综合征蛋白(BLM,属RecQ关家族解旋酶)的精氨酸指在ATP水解以及能量耦合我们利用偏振荧光方法研究了解旋酶ReQ与中所起的作用1.结构模型、点突变、生化和生物物DNA分子的结合,定出了RecQ与DNA相互作用的理分析表明,围绕ATP结合位点周围残基的突变严热力学参数通过测量荧光标定的寡核苷酸的偏振重影响BLM的ATP酶活性这些突变同时也削弱荧光,发现一个RecQ单体结合10个核昔酸AMP了BI中国煤化工响BLM与ATP及PNP和ADP对RecQ与 dsDNA的结合没有明显影DNACNMH了多个BLM致响ReQ有一个强结合位点,无论是sDNA还是病突变体与DNA的相互作用动力学,揭示了每个具dsdNa都是结合于这一位点每个DNA-解旋酶复体的突变点对解旋活性、单链及双链DNA结合能物号;接2年1http://www.wuli.ac.en中国科学院物理研究所成立80周年力、ATP结合能力以及ATP水解能力的影响,提在PP中,H1不存在因此,在PP到PP结构转供了关于其致病机理的信息变中,H的稳定性起着至关重要的作用.MD为研解旋酶PrA的晶体结构已经解出,但人们对它究从PP到PP的结构转变提供了强有力的工解旋动力学的功能状态还缺乏了解.我们在单转换具通过MD,我们模拟了野生型以及变异体F98S和多转换两种条件下,利用荧光反应-停流方法研F198N,F198G,F198K,F198E,F198M,F198C究了PrA对DNA解旋的动力学机制,发现解旋F198A,F198D和F198T的转变.其中的Fl98s已强烈地依赖于PerA的浓度和底物的3端单链DNA知可引起PP的形成.我们的模拟结果显示尾部长度,表明多体PrA是高效解旋的必要条件F198M,F198C,F198A,F198D和F198T的Hl稳解旋速率与ATP浓度的关系给出Hll系数大约等定性与野生型的Hl相当,而F198S,Fl98N,于2,意味着PerA以二聚体方式工作.我们确定了F198,F198K和F198E的H比野生型的H1更不PerA的运动步长是4bp,运动速率大约是每秒9步.稳定.因此,这后5种变异体更容易形成PPs另外,我们还发现PrA解旋l6bp的DNA要比解旋从而导致TSEs的可能性更大我们还通过分子动力12bp的DNA高效得多,显示出蛋白与双链DNA之学探索了朊病毒片段PP106-126在酸性环境下的间相互作用在解旋酶活性中的重要性纤维生长过程结果显示,在纤维边沿的影响下,单我们还用磁镊研究了解旋酶UvD的解旋机个的PP06-126多肽能够形成B片并生成为纤维实验表明,UwrD以二聚体的形式工作.二聚体协的新单元这意味着纤维能够沿着两端延长,并且只同作用解开DNA双链在解旋过程中,二聚体有可有横截面具有传染力如果长纤维具有一定的断裂能作为一个整体从3′单链转移到5′单链上,使得解成两段的概率(这一概率将正比于纤维长度),这开的DNA再慢慢退火.当二聚体在解旋过程中分解纤维延长机制将导致纤维量的指数增长,最终导致时解旋暂停.这时候如果解旋酶从DNA上脱离,则TSEs.我们发现在酸性环境下,单个的PP106-126解旋停止,并且解开的DNA迅速退火.如果又形成片段表现出比中性环境下远多的构象变化.表明溶个二聚体,则解旋恢复.实验还发现,UvrD的解旋液中pH值的降低会增加纤维增长的速度(31速度随施加到DNA上的拉力增加而减小.结合上述实验结果,我们提出了一个二聚体蠕虫爬行模型,来2.6蛋白质动态结构及其折叠动力学的脉冲升温描述UvD的解旋机理.时间分辨中红外光谱研究肽链是如何折叠成具有确定空间三维结构的蛋2.5朊病毒白质是生命科学有待进一步回答的重要科学问题蛋白质变性( protein denaturation)引起的疾病目前研究蛋白质折叠动力学的商用设备(如快速停(如阿尔茨海默病,克雅氏病,白内障等)随着社会流设备)的时间分辨率为毫秒量级,为了开展更高的发展和人类平均寿命的延长已逐渐凸显出对健康时间分辨率的蛋白质折叠动力学研究,我们经过多的危害.近年来,随着研究的深入,人们对于这些疾年努力,基于国内的红外激光技术(CO气体可调谐病已经有了较多的了解,并发展出了许多治疗方法.激光器),自行研制了脉冲升温-时间分辨中红外但要从分子生物学的层次彻底研究清楚其机理仍有光谱仪,获得的时间分辨率为30ns,吸光度差值分很长的路要走我们针对可引起克雅氏病的朊病毒辨率为千分之五,光谱范围能够覆盖整个酰胺I带,(pion)开展了分子动力学(MD)研究根据已被广也是目前国际同类研究设备中光谱范围最宽的一套泛接受的假说,传染性海绵状脑病(TSEs,又称pion设备.在该套设备上,我们开展了细胞色素C的去disease)的发病原因是朊病毒的羊痒病异构体折叠过程的研究.细胞色素C参与细胞呼吸链的电P.而PP与它的良性异构体PP(并不引起疾子传递过程,含有一个血红素基团,其中心为一铁离病)拥有同样的氨基酸序列尽管PP真正的生物子与卟啉环平面内的4个N原子配位轴向与蛋白学功能日前并不清楚,但异构体PP却能够在脑中质环折结构中蛋氨酸的S原子配位形成FeS聚集成斑块导致TSEs这表明PP与P的生化键以中国煤化工瞬态吸收光谱的性质有很大的不同,这也强烈地暗示了它们的三维变化,CNMHG数为300ms然空间结构也有区别PP具有3个α螺旋,从N端而无法确认是蛋白质局域结构先发生变化导致到C端这3个a螺旋依次被命名为H,H2和H3.FeS键断裂,还是FeS键先断裂再导致蛋白http://www.wuliac.cn物理·37卷(2008年)6期中国科学院物理研究所成立80周年质的失稳我们应用脉冲升温-纳秒时间分辨中红子间的电荷传递及类胡萝卜素分子参与电荷传递的外光谱追踪蛋白质环折结构的变化,发现环折结构可能性,揭示出激子态寿命与光合天线膜蛋白与纳向无规结构变化的时间常数为140ns,并在其他结米粒子的相互作用相关证明激子态寿命的变短是构单元的变化中观察到了约30s0动力学分量,因为膜蛋白的畸变,导致激子态的对称性降低使得从而确定是蛋白质局域结构的失稳导致FeS键能量最低激子态由光学禁阻态变成光学跃迁部分允的断裂,并引起蛋白质的进一步失稳阐明了细胞色许态令激子态的寿命变短素C热不稳定的原因.此外,我们还利用脉冲升温-纳秒时间分辨中红外激光光谱研究了氨基酸分3结束语子间氢键的模式以及通过氢键相连的氨基酸链长与氨基酸分子结构的关系通过近几年对生物软物质的研究,我们有几点体会:(1)尽管生物是一个复杂体系,但我们可以从27光合细菌外周捕光天线膜蛋白在溶液中的拓中选择科学问题较为清晰和明确的方向,从而适于扑结构、畸变及对传能效率影响的研究从物理学的视点和用物理学的手段开展(理论和实光合细菌含有两种捕光天线膜蛋白:一种是包验)研究,在这个物理学与生命科学的交叉点上找含反应中心的内周天线膜蛋白LH,负责将激发能到突破口;(2)选择在生命科学中具有很大重要性传递给反应中心;另外一种是外周天线膜蛋白LH2,(例如与癌症、阿尔茨海默症等严重危害人类健康其功能是捕获光能并传给相邻的内周天线LH1.我疾病的发生机理和治疗相关)的课题,这些课题研们与中科院高能物理所同步辐射中心合作,应用国究的突破不但会大大加深我们对生物大分子相互作内的同步辐射装置,开展了小角X射线散射测量用和运动规律及其与生物功能关系的认识,而且为LH2在溶液中拓扑结构的研究小角X射线散射在进一步发展应用打下基础;(3)目前这个研究领域结构生物学中是一种十分有效的方法虽然该方法存在许多悬而未决的重大科学问题,处于学术前沿不能用于测定高分辨率的分子结构,但能够通过测领域,并且有明确的研究目标,是研究者的“金矿定生物大分子在溶液中的小角散射曲线,再构生物(4)随着研究工作的逐渐深人,根据需求,需要不断大分子低分辨形貌,给出有关生物大分子拓扑结构地改进和发展研究手段,从而会带动新方法新技术的信息我们的研究结果表明,LH2在水溶液中的拓的发展扑结构是一个扁形的椭圆盘,外面包有一个单分子尽管我们近年来在生物软物质物理方面的研究层的表面活性剂在扣除表面活性剂单分子层厚度取得了一些重要进展,但仍处于起步阶段由于软物后得到LH为长轴80A,短轴55X,椭圆度为0.59质与生物大分子的物理研究前景在全球学术界被许的椭圆结构该结构与单分子光谱得到的结论十分多著名研究者看好,尤其是欧美、日纷纷投入大量相近,从而直接验证了LH2在溶液中的椭园结研究经费支持,国际竞争也异常激烈因此,这方面构的研究既是机遇也是巨大挑战我们进一步通过在溶液中引入纳米粒子和蛋白质的相互作用,控制结构畸变,对膜蛋白内的细菌叶致谢感谢国家自然科学基金、中国科学院创新工绿素激子态进行调控由于色素分子呈环状聚集体程等相关项目的资助分布在膜蛋白骨架中,其排列方式也会随蛋白质结考文献构的变化而改变激子理论分析表明,同一个环内的[1 De Gennes P G.Rew.Mad.Phy.,199,64:645叶绿素分子有较强的相互作用,光激发后能形成离[2] Schrodinger E. What is Life?University Press, Er域的激子态便于能量的传递同时环状结构的最低[3]LiYY, Wang PY, DouSxet al..Chem.,Phys.,2004激发态为光学暗态,有利于激发能的储存.瞬态光谱121:4302[4] Ran S Y, Wang X L, Fu W B e a. Chin. Phys. Lett实验表明,当纳米粒子和LH2膜蛋白结合后,叶绿素激子态的寿命变短我们设计了一系列实验,通过中国煤化工J. Am. Chem. Soc.改变不同的纳米粒子材料(TO2,SiO2)、膜蛋白环的[6CNMHGBiol,2004,230:75直径(LH,LH1)、含类胡萝卜素和不含胡萝卜素7W, bou sx, wang r I. I, Iner8:.03535LH2的突变体、排除了叶绿素激发态和TO2纳米粒[8jLw, DouSX, Xie P et al. Phys. Rev.E,206,7337卷(2008年)6期http://www.wuliaccn方数据中国科学院物理研究所成立80周年[9] Li W, Dou S X, Xie P et al. Phys. Rev. E, 2007, 75: 127) Liu J L, Rigolet P, Dou S X et al. J. Biol.Chem., 2004051915279:42794[10] Liu YY, Wang PY, Dou S X et al. Chin. Sci. Bull., 2005[28 Liu YY, Wang PY, Dou S X et al. Sci. Technol. Adv. Ma-50:731ter.,2005,6:842[11 Liu Y Y, Wang P Y, Dou S X et al. Chin. Sci. Bull., 2007[29] Zhang X D, Dou S X, Xie P et al. Acta Biochim. Biophys52:1166[ 12] Ran SY, Wang X L, Fu W et al. Chin. Sci. Bull., 2008, [30] Zhang X D, Dou SX, Xie P et a. J. Biol. 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Schwab2008年2月量子统计力学(第二版)张先蔚2008年2月输运理论(第二版)黄祖洽高磁场超导磁体科学E秋良008年1月聚变能及其应用邱励俭2007年12月拉曼布里渊散射(第二版)程光煦现代物理学前沿选讲半导体的检测与分析(第二版)中国煤化工_x0年8月凡购书者免邮费,请按以下方式联系我们CNMHG电话:010-6401795764033515电子信箱:mukai@yahoo..com.cnyandepingegcspg.net通讯地址:北京东黄城根北街16号科学出版社100717联系人:胡凯鄢德平主页htp:/ww.sciencep.com448http://www.wuliac.cn理·37卷(2008年)6期