淀粉样蛋白纤维化的机理及相关分子间作用的研究

发布时间：2020-09-24 13:29

　　淀粉样蛋白纤维化是蛋白分子在特定条件下通过分子自组装而生成具有cross-?结构的纤维状聚集体的过程。这种蛋白纤维的基元结构由两个相互平行排列的多肽?-折叠片层构成。它的宽度一般为纳米级,而长度为几十纳米或达微米级,因此它是一种蛋白纳米线。蛋白纤维化聚集体在历史上曾长期被错误地认为是某种淀粉聚集体。这一历史误会也造成人们将其称为淀粉样纤维。淀粉样蛋白纤维化研究是近二十余年来国内外蛋白质科学研究领域的一个热点课题。其之所以被广为关注,一个重要原因在于淀粉样蛋白纤维化与多达四十种威胁人类健康的疾病密切相关。这里面就包括一些广为人知的严重疾病,比如阿尔茨海默病、帕金森病、II型糖尿病。此类疾病目前存在的临床不可治愈性是引起人们对淀粉样蛋白纤维化现象产生极大关注的重要因素。此外,淀粉样蛋白纤维还具有优良的材料特性。近年来,人们基于淀粉样蛋白纤维开发出了许多性能优异的新型纳米材料,在传感、催化、细胞培养、病毒转染、载药等领域展现了良好的前景。本论文致力于采用红外探针、荧光光谱等多种分析手段研究淀粉样蛋白纤维化的机理及相关分子间相互作用。具体而言,我们研究了Hofmeister盐效应对淀粉样蛋白纤维化的影响、淀粉样蛋白纤维与荧光染料结合的动力学机理、淀粉样模型短肽与氧化石墨烯的作用机理。这三部分工作的具体研究内容和主要结论如下:1.以水解溶菌酶片段多肽的纤维化为模型体系,首次研究了9种Hofmeister序列阳离子(即NH_4~+K~+Na~+Cs~+Li~+Rb~+Mg~(2+)Ca~(2+)Ba~(2+))对淀粉样蛋白纤维化的影响。通过对纤维生长曲线进行动力学拟合得到动力学参数,分析了纤维化体系中加入不同阳离子后其纤维化动力学规律与Hofmeister序列的关系。此外,我们还研究了不同阳离子对纤维生长量和纤维微观形貌的影响。我们发现溶菌酶体系纤维化动力学规律与Hofmeister序列没有明显的相关性,但Hofmeister序列阳离子对淀粉样纤维的最终生长量和微观形貌会产生一定影响。2.采用停流快速反应动力学装置对溶菌酶淀粉样纤维与ThT荧光染料之间结合的动力学机理进行了研究。采用新的动力学实验设计,在溶菌酶纤维大大过量的条件下,利用紫外可见光谱方法对反应物(ThT)的减少进行监测并进行假一级动力学分析,结合动力学公式推导得出ThT与溶菌酶纤维结合的动力学机理是ThT与纤维上多个结合位点的一步平行反应。在此基础上进行荧光停流动力学研究可知,溶菌酶纤维上主要存在2类可与ThT进行结合的位点。3.采用氧化石墨烯对含有7个氨基酸残基的?-淀粉样肽的模型短肽GA进行吸附,研究两者之间相互作用的机理。氧化石墨烯吸附GA后迅速发生聚集,氧化石墨烯片层表面变得粗糙不平,Zeta电位发生明显改变。通过GA上CN红外探针在吸附前后的红外光谱变化并结合变温红外实验可知,由于受到氧化石墨烯界面作用的影响,CN红外探针与周围的水分子主要以π-氢键的形式进行结合。结合拉曼光谱证据,提出GA短肽的吸附行为是单层吸附为主的化学吸附,通过GA上的芳香环与氧化石墨烯的面-面错位的π-π堆积作用实现。
【学位单位】：河北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O629.73;O657.3
【部分图文】：

纤维微观结构,淀粉样蛋白

非共价作用而相互紧密地结合在一起。 -折叠片层白聚集体的纤维状形貌。这种蛋白纤维的宽度一般米级，因此它是一种蛋白纳米线。这种纤维在 X-两组月牙状的衍射图斑，两组月牙的排布相互交叉衍射图斑，相应的结构即 cross- 结构[3]。在 X-射蛋白纤维中的两个空间距离，即 4.8 埃的肽链间距和 cross- 结构正是淀粉样蛋白纤维结构的生物物理学历史上曾长期被错误地认为是某种淀粉聚集体。这样纤维，在英语中即 amyloid fibril。其中的 amylo[4]。无论蛋白还是多肽都能在特定条件下形成淀粉以把蛋白和多肽的淀粉样纤维化统一地称之为淀粉rillation。

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第 1 章绪论上发表的关于淀粉样蛋白纤维基元结构的“立体拉链”模型，即 steric zipper 模型[2]。Sayawa 等人通过获得一系列和淀粉样蛋白纤维结构类似的淀粉样多肽微晶结构，实现了使用 X-射线衍射技术对淀粉样蛋白纤维结构的原子级精细解析，并将淀粉样蛋白纤维结构的最基本的基元结构分为如图 1.2 所示的八种。我们可以看出，这八种结构的分类依据是基于两个 -折叠片层的具体构型（包括平行构型和反平行构型）以及两个片层之间的相互取向。

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图 1.3 Aβ(1-40)的原纤维结构[31]近在这方面研究中也做出了出色工作。中国科学院武术研究了 Aβ(1-40)在生物膜存在情况下的淀粉样纤维在生物膜不存在的情况下显著不同[22]。得诺贝尔化学奖的冷冻电镜技术在淀粉样蛋白纤维学家利用冷冻电镜技术获得淀粉样蛋白纤维中每个密度分布情况，可以推测出每个氨基酸残基的空间排变可以利用计算程序对蛋白纤维的结构进行建模和解的一个由含有12个氨基酸残基的青链多肽片段IGSN维的结构。左图是密度分布图，右图是基于冷冻电镜型[28]。

【参考文献】