水與氨基酸分子相互作用的中子散射和拉曼散射研究.pdf

1、水是生命之源。雖然從其化學(xué)式來看，水無疑是一種簡單的化合物，然而，其獨(dú)特的性質(zhì)對于完成每個生物有機(jī)體的功能都具有重要的作用。盡管人們對于水的性質(zhì)已經(jīng)有過大量的研究，我們至今仍不能全部理解其獨(dú)有的特性。英國曼徹斯特大學(xué)李濟(jì)晨教授等人利用中子散射技術(shù)觀測到冰的兩種氫鍵的存在，此發(fā)現(xiàn)揭開了冰的研究領(lǐng)域的新篇章。重要的是，水分子在細(xì)胞環(huán)境中的行為看起來與在體水中有所不同。中子散射是研究含氫化合物的理想實(shí)驗(yàn)手段，因此，在過去的20年中，中子散射也

2、成為研究水的有利工具。本文的所做的研究試圖利用中子散射和拉曼散射探討水分子與生物分子特別是氨基酸在分子水平上的相互作用。這項(xiàng)研究證明水分子在直接接觸生物分子后具有與體水不同的動力學(xué)行為。非彈中子散射是種極好的實(shí)驗(yàn)手段，可廣泛應(yīng)用于分子及結(jié)構(gòu)生物學(xué)。 氨基酸是最重要的生物體系之一。它被廣泛用作蛋白質(zhì)和縮氨酸在溶液中的狀態(tài)及熱力學(xué)行為的研究模型，尤其是用于預(yù)測其在經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡單迭加而衍生的生物體系的性質(zhì)方面應(yīng)用廣泛。水與不同蛋白質(zhì)官能

3、團(tuán)之間的相互作用使得蛋白質(zhì)在溶液中保持穩(wěn)定的折疊結(jié)構(gòu)。由于蛋白質(zhì)大分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直接研究其與水分子的相互作用十分困難。因?yàn)榘被崾堑鞍踪|(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，所以研究氨基酸-水分子的相互作用可以模擬蛋白質(zhì)的某些特殊性質(zhì)。在對生物化學(xué)制備的工業(yè)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，氨基酸在水溶液中的物理性質(zhì)起著重要的作用。 每個氨基酸都有一個氨基和羧基官能團(tuán)。各種氨基酸的區(qū)別在于其側(cè)鏈R基的不同。在氣相中，氨基酸大多以中性形式存在，而在溶液或固態(tài)中它們

4、以兩性離子NH<,3><'+>-CH(-R)-COO<'->的形式存在。通過與周圍的分子以氫鍵結(jié)合，氨基酸分子在生物介質(zhì)中以相當(dāng)穩(wěn)定的兩性離子狀態(tài)存在。 拉曼設(shè)備是空間光譜分辨率為1微米的紫外一近紅外共焦顯微、多道模塊式三級拉曼光譜儀，法國Jobin Yvon拉曼光譜公司，型號為JY-T64000。使用50倍長焦顯微物鏡將激光束匯聚到樣品表面并收集散射光線。在我們的實(shí)驗(yàn)中使用氬離子激光器，激發(fā)波長是488nm。打到樣品的激光功率

5、低于3mW并且光譜捕獲時間為200秒。所有的實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。 中子散射實(shí)驗(yàn)使用的是英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室ISIS散裂中子源的TOSCA譜儀。溫度低于20K。TOSCA是間接幾何飛行時間光譜儀。其理想的能譜范圍在O-4000cm<'-1>(O-500meV)，但一般在低于2000 cm<'-1>(250meV)的范圍內(nèi)有最佳結(jié)果。其分辨率由很多影響因子決定，實(shí)際效果一般為能量轉(zhuǎn)移的2％。 作為最簡單最基本的細(xì)胞原漿，氨基

6、酸引起了光譜學(xué)家的濃厚興趣。在這篇文章中，我們用拉曼光譜和中子散射實(shí)驗(yàn)研究了水分子與氨基酸的相互作用。對水分子吸附到氨基酸的實(shí)驗(yàn)及理論的動力學(xué)研究有很多。在低的能量轉(zhuǎn)移范圍，通過中子散射觀察到的譜帶(主要是氫的運(yùn)動)主要是水和氨基酸或水分子之間的氫鍵作用。非彈性非相干中子散射可用于振動譜的研究，其能量范圍與紅外和拉曼光譜相同。然而，拉曼光譜在高頻段能量轉(zhuǎn)移(C-H，O-H的彎曲和拉伸振動)的分辨率比中子散射高。因此，我們將兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合起

7、來以互相補(bǔ)充。 水是生命存在的介質(zhì)，研究水和氨基酸的相互作用具有很重要的意義。我們得到了干燥過的甘氨酸(Glycine)、谷氨酸胺(Glutamine)、蘇氨酸(Threonine)、半胱氨酸(Cysteine)、絲氨酸(Serine)、脯氨酸(proline)等樣品和分別加入不同比例摩爾濃度水的濕樣的振動譜，通過對振動譜比較研究發(fā)現(xiàn)，絲氨酸、脯氨酸等較上述其它氨基酸的具有更強(qiáng)的親水性。這是首次用中子散射手段研究了不同氨基酸的從