生物軟物質(zhì)研究的新進(jìn)展

中國科學(xué)院物理研究所成立80周年生物軟物質(zhì)研究的新進(jìn)展王鵬業(yè)↑李明翁羽翔(中國科學(xué)院物理研究所軟物質(zhì)物理實(shí)驗室北京100190)摘要文章對近年來(lái)中科院物理研究所軟物質(zhì)物理實(shí)驗室生物軟物質(zhì)研究的部分新進(jìn)展做一簡(jiǎn)略介紹,包括DNA單分子研究,DNA與組蛋白的相互作用動(dòng)力學(xué)研究,生物分子馬達的運動(dòng)機制研究,解旋酶與DNA的結合以及解旋DNA的動(dòng)力學(xué)研究,朊病毒片段聚集的分子動(dòng)力學(xué)研究,蛋白質(zhì)折疊動(dòng)力學(xué)的脈沖升溫-時(shí)間分辨光譜研究,光合細菌外周捕光天線(xiàn)膜蛋白的拓撲結構研究等關(guān)鍵詞生物軟物質(zhì),DNA,蛋白質(zhì),動(dòng)力學(xué),軟物質(zhì)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與普通固體、液體和氣體大不相同.流體熱漲落和固1引言態(tài)的約束共同導致了軟物質(zhì)的新行為,體現了軟物質(zhì)組成、結構和相互作用的復雜性及其特殊性軟物軟物質(zhì)這一概念由法國物理學(xué)家德熱納(P.質(zhì)在介觀(guān)尺度(大約從1mm到1m)范圍內,通過(guò)相G. de gennes)首先提出,他在1991年諾貝爾獎授互作用,可形成從簡(jiǎn)單的時(shí)空有序到復雜生命體獎會(huì )上以“軟物質(zhì)( Soft matter)”為演講題目,引系列的結構體和動(dòng)力學(xué)系統軟物質(zhì)的豐富物理內起廣泛關(guān)注軟物質(zhì)的特征就體現在“軟”上,比如涵和廣泛應用背景引起越來(lái)越多物理學(xué)家的興趣輕輕施力即可使其產(chǎn)生較大形變,但它又不像普通是具挑戰性和迫切性的重要研究方向,已成為凝聚流體(如水、空氣)那樣具有良好的流動(dòng)性軟物質(zhì)態(tài)物理研究的重要前沿領(lǐng)域具有短距離的規則性,但缺乏長(cháng)距離周期性,其形態(tài)軟物質(zhì)與生命活動(dòng)緊密相關(guān),生物體基本上均與熵有很大關(guān)系只有這樣它才能夠構造出千變萬(wàn)由軟物質(zhì)構成,如細胞及組成它的主要成分(脂膜化極其復雜的系統,并可攜帶大量的信息,生命就是蛋白質(zhì)、DNA、RNA等).軟物質(zhì)與一般硬物質(zhì)的運個(gè)例子因此軟物質(zhì)是指處于固體和理想流體之動(dòng)變中國煤化工對這一研究領(lǐng)域間的復雜態(tài)物質(zhì).一般由大分子或基團組成,在自然的開(kāi)界中廣泛存在.軟物質(zhì)的基本特性是對外界微小作CNMHG任重而道遠軟物用的敏感性、非線(xiàn)性響應、自組織行為等這類(lèi)物質(zhì)2008-05-24收到↑通訊聯(lián)系人.Emal: poyang@aphy.iphy.ac物;毅數2008年)6期http://www.wuliaccr中國科學(xué)院物理研究所成立80周年質(zhì)的概念是從物理學(xué)視點(diǎn)上研究生物大分子的主要個(gè)簡(jiǎn)略的綜述出發(fā)點(diǎn)之一,是連接物理學(xué)與生命科學(xué)的一條重要紐帶應用現代物理學(xué)手段,理論與實(shí)驗相結合對2研究進(jìn)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結構、運動(dòng)與功能2.1單分子DNA的關(guān)系.這是物理學(xué)與生命科學(xué)交叉的前沿領(lǐng)域,有DNA(脫氧核糖核酸)是生命的核心物質(zhì),是遺許多問(wèn)題有待深入研究,是學(xué)術(shù)界面臨的長(cháng)期研究傳信息的攜帶者.生命的藍圖—基因即存在于這方向大分子中從結構上看它是一個(gè)較簡(jiǎn)單的長(cháng)絲狀從物理學(xué)的視點(diǎn)上研究生命系統已經(jīng)有了很長(cháng)分子,由兩條螺旋狀的脫氧核糖核苷酸長(cháng)鏈組成,即的歷史著(zhù)名的物理學(xué)家薛定諤于1943年寫(xiě)的《生眾所周知的雙螺旋雙螺旋外側是帶有負電的戊糖命是什么?》2為分子生物學(xué)這一極其重要的研究磷酸骨架,雙螺旋內部共有四種堿基(分別用A領(lǐng)域的誕生提供了概念上的奠基.該小冊子已影響T,C,C表示),這四種堿基以氫鍵相互作用組成堿了幾代人,包括DNA結構的發(fā)現者之一克里克(F.基對(A和T配對,2個(gè)氫鍵;G和C配對,3個(gè)氫H.C.Cick).其中提出的“生命以負嫡為生”、“基鍵)組成互補鏈在生命活動(dòng)中,DNA的復制和轉因是非周期固體”等極具洞察力的觀(guān)點(diǎn)至今仍具有錄等過(guò)程均須將堿基對的氫鍵打開(kāi).在生物體內(in很強的啟迪作用還有一位有名的物理學(xué)家伽莫夫vivo)這一過(guò)程是通過(guò)酶反應(如解旋酶)實(shí)現的.而(“大爆炸”宇宙模型提出者之一)在生物學(xué)上深刻在體外( in vitro),則可用加熱的方法將氫鍵打開(kāi),分析了“遺傳密碼”(1954年),成為遺傳密碼研究使雙鏈分離,導致DNA分子的熔化( melting),或稱(chēng)的奠基人之一隨著(zhù)科學(xué)的不斷發(fā)展和研究方法的為變性( denature).這是一個(gè)很有用的方法,例如快速進(jìn)步,物理學(xué)與生命科學(xué)越來(lái)越密不可分盡管目前已被廣泛應用的PCR(聚合酶鏈式反應)技術(shù)生命科學(xué)的研究近來(lái)突飛猛進(jìn),但其中仍存在許許的一個(gè)重要環(huán)節就是通過(guò)加熱使DNA熔化.我們研多多未解之謎,對科學(xué)工作者極具挑戰性因此,從究了單個(gè)DNA分子在拉伸力作用下的熔化現象物理學(xué)的視點(diǎn)上看生物大分子,運用物理學(xué)的概念在DNA分子兩端施加一定的拉伸力,常溫下即可使和方法(例如,通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段獲得更精確的堿基對的氫鍵打開(kāi),使DNA雙鏈分離我們利用分實(shí)驗數據和應用更準確的定量模型來(lái)描述生物規子梳技術(shù)將λ-噬菌體DNA分子展開(kāi)到疏水表面律)研究生物物質(zhì)及生命規律,將大有作為上,并拉伸到其伸直長(cháng)度( contour length,l6.2μm)物理學(xué)研究方法的特點(diǎn)是從復雜的萬(wàn)象中找出的大約16倍利用熒光分子只有與雙鏈DNA結合普遍的規律,這樣的運動(dòng)規律具有很強的普適性和才發(fā)射出較強熒光這一特點(diǎn),通過(guò)熒光顯微方法直精確性這些普適規律對于生命物質(zhì)也不例外物理接觀(guān)察到了拉伸力導致的DNA單分子熔化現象,并學(xué)手段的不斷發(fā)展大力促進(jìn)了生命科學(xué)甚至醫學(xué)研發(fā)現鈉離子、鎂離子及pH值對DNA分子的拉伸有究例如最近幾年發(fā)展起來(lái)的單分子觀(guān)測手段和單明顯影響分子微操縱技術(shù),已經(jīng)成為了研究生物大分子的相我們建立了一個(gè)研究單個(gè)DNA分子拉伸性質(zhì)互作用及動(dòng)力學(xué)的重要方法特別是與熒光技術(shù)的的磁鑷裝置,可以提供0.1到40pN范圍的拉伸結合使得從前一些無(wú)法直接觀(guān)察到的現象得以澄力滿(mǎn)足大部分單分子DNA實(shí)驗的要求利用該裝清置,我們測量了DNA分子的凝聚動(dòng)力學(xué)利用施加中國科學(xué)院物理研究所結合已有的研究基礎和于DNA上的拉伸力使DNA的凝聚速率降低,在有凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展動(dòng)向,于2001年成立了軟物質(zhì)限的時(shí)間分辨率下觀(guān)察到了DNA的非連續凝聚過(guò)物理實(shí)驗室物理研究所主要從事凝聚態(tài)物理、光物程實(shí)驗發(fā)現在凝聚劑作用下,DNA凝聚成直徑約理、原子分子物理和等離子體物理等方面的研究,很為10m的圓環(huán)有趣的是,DNA的凝聚是不連續多基本研究方法和實(shí)驗條件適用于研究軟物質(zhì),是的,每一個(gè)凝聚動(dòng)作只有約300m(圓環(huán)周長(cháng))的開(kāi)展軟物質(zhì)物理研究的良好場(chǎng)所經(jīng)過(guò)幾年的努力,DMM口中國煤化工A兩端施加拉力軟物質(zhì)物理實(shí)驗室在復雜流體、生物大分子的結構可以CNMHG實(shí)驗發(fā)現解離過(guò)和動(dòng)力學(xué)等方面取得了一些進(jìn)展下面就對我們近程也是個(gè)續時(shí),母一個(gè)胖崗碩作只有約300mm的幾年來(lái)在生物軟物質(zhì)研究方面的部分新進(jìn)展進(jìn)行一DNA片段從圓環(huán)表面脫離44http://www.wuli.ac.cn物理·37卷(2008年)6期中國科學(xué)院物理研究所成立80周年下來(lái)我們還研究了溫度的影響,DNA斷點(diǎn)的影響2.2DNA與組蛋白的相互作用以及修飾后的組蛋白八聚體與非修飾組蛋白八聚體組蛋白是真核生物染色質(zhì)中的主要蛋白質(zhì),結的競爭效應解釋了前人觀(guān)察到的DNA斷點(diǎn)處的磷構研究表明,核心組蛋白HA、H2B、H3和H4以八酸化核小體更容易解離的現象9聚體的形式存在于核小體中,長(cháng)度146b(堿基對)利用分子梳技術(shù)我們研究了一價(jià)(Na,K·)和的DNA纏繞在組蛋白八聚體上1.75圈形成核小二價(jià)(Mg2,Ca2,Mn2)金屬離子對DNA與組蛋體核心組蛋白是已知的最為保守的真核蛋白質(zhì)之白結合的影響.我們將A-DNA-組蛋白復合體在疏,意味著(zhù)染色質(zhì)的基本結構可能由一個(gè)真核生物水表面上進(jìn)行了拉伸,用熒光顯微鏡直接觀(guān)察加入共同祖先進(jìn)化而來(lái).真核生物的DNA分子一般比較金屬離子后的變化.結果表明:Na、K在一定程度長(cháng),比如說(shuō),人的每個(gè)體細胞內DNA分子全長(cháng)約上抑制DNA與組蛋白的結合;Mg2、Ca2、Mn2‘增2m.而真核生物的細胞較小,例如動(dòng)物細胞核的直強DNA與組蛋白的結合,并能明顯增加DNA與疏徑大約有10μm這么長(cháng)的DNA分子被壓縮到直徑水表面的吸附;Mn2容易導致DNA-組蛋白復合體約10μm量級的細胞核中,這是大自然的一個(gè)杰作,聚集我們還利用偏振熒光研究了二價(jià)金屬離子DNA與組蛋白八聚體相互作用形成的核小體結構(Mn2,Mg2‘,Ca2)對DNA與組蛋白相互作用的即是DNA壓縮的第一個(gè)層次核心組蛋白進(jìn)化的保影響,結果顯示,當二價(jià)金屬離子組蛋白、DNA守性提示我們在億萬(wàn)年的時(shí)間長(cháng)河中這一結構是相共同培育時(shí),DNA可與更多的組蛋白結合我們還當穩固的,大自然可能賦予了它在真核生物各物種發(fā)現Mn2比Mg2“和Ca2更容易使DNA-組蛋白中的相似功能如能夠找出這一結構中DNA與組蛋復合體發(fā)生凝聚白相互作用的規律和本質(zhì),對于人們加深理解生命利用單分子磁鑷裝置,我們研究了恒定拉伸力系統中大分子間的相互作用本質(zhì)無(wú)疑有很大的啟示下DNA與蛋白作用的動(dòng)力學(xué),得到加入組蛋白后作用.近來(lái)越來(lái)越多的研究表明,組蛋白與DNA的DNA長(cháng)度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)2.實(shí)驗發(fā)現,在小于結合,不僅僅是為了將DNA壓縮成緊密結構,更是1pN的拉力作用下,DNA的長(cháng)度隨時(shí)間曲線(xiàn)很平緩在基因調控中起至關(guān)重要的作用這方面的研究不地縮短,組蛋白使DN凝聚;而在大于1.3pN的力斷出現新的進(jìn)展例如,最近人們發(fā)現,通過(guò)修飾組作用下,曲線(xiàn)會(huì )呈現鋸齒形狀,表明存在DNA與組蛋白,可以進(jìn)行核小體的重組,從而實(shí)現DNA損傷蛋白結合的動(dòng)態(tài)平衡在低濃度時(shí),DNA的凝聚曲的修復線(xiàn)呈指數下降,這是由于蛋白的結合是隨機而且獨我們通過(guò)布朗動(dòng)力學(xué)方法,系統研究了DNA與立造成的;而在高濃度時(shí),DNA的凝聚曲線(xiàn)呈S形組蛋白的相互作用動(dòng)力學(xué)研究了核小體的形成,提狀,理論分析表明,在高濃度時(shí),組蛋白之間存在協(xié)出了組蛋白八聚體旋轉模型來(lái)解釋DNA與組蛋白同相互作用,S形狀的曲線(xiàn)是DNA結合協(xié)同性的體八聚體的作用過(guò)程模擬了在拉伸時(shí),核小體被拉開(kāi)現對已經(jīng)凝聚的DNA施加大的拉力后,DNA與組的過(guò)程6.通過(guò)可調的組蛋白手征性模型模擬了蛋白形成的結構被逐漸打開(kāi),DNA的長(cháng)度-時(shí)間曲核小體手征性的形成,發(fā)現DNA的纏繞方向強烈依線(xiàn)呈階躍性伸長(cháng),表明DNA從組蛋白上一圈一圈地賴(lài)于組蛋白的手征性,結果還顯示出環(huán)境溫度對核解離下來(lái)小體手征性有重要影響提高溫度可打破核小體的手征性.模擬了由染色質(zhì)重組復合體引起的DNA2.3生物分子馬達彎曲對組蛋白定向滑移的影響,結果表明,在核小體生命在于運動(dòng),生物體的運動(dòng)離不開(kāi)生物分子邊的DNA上產(chǎn)生一個(gè)彎曲環(huán)后,組蛋白八聚體會(huì )馬達的驅動(dòng)生物體內存在著(zhù)各種各樣的馬達分子向這個(gè)彎曲環(huán)滑動(dòng),直至這個(gè)彎曲環(huán)消失.DNA彎多數利用化學(xué)反應(主要是水解三磷酸腺苷,即曲環(huán)的大小是影響組蛋白八聚體會(huì )滑動(dòng)的重要因ATP)產(chǎn)生的能量驅動(dòng)機械運動(dòng),也可以反過(guò)來(lái)利用素町.通過(guò)改變DNA與組蛋白八聚體之間的相互作機械運動(dòng)合成ATP(如ATP合酶)生物分子馬達大用力我們研究了組蛋白修飾(磷酸化乙?；?多是中國煤化工也有的含有核酸對核小體結構的影響布朗動(dòng)力學(xué)結果顯示核小體分子CNMHG觸到的宏觀(guān)機械的結構穩定性很敏感地依賴(lài)于相互作用力的大小.馬達,生物分與還是持生節活動(dòng)的運動(dòng)機器.從DNA從修飾后的組蛋白八聚體上一圈一圈地解離運動(dòng)方式上區分,有線(xiàn)性運動(dòng)馬達(如驅動(dòng)蛋白、動(dòng)物理·37卷(2008年)6期http://www.wuli.ac.cn中國科學(xué)院物理研究所成立80周年力蛋白等),旋轉馬達(如ATP合酶,鞭毛馬達等),羅方法模擬了驅動(dòng)蛋白的前向運動(dòng)及偶爾發(fā)生杠桿臂式馬達(如某些肌球蛋白),還有沿DNA或的后向運動(dòng)RNA運動(dòng)的分子馬達(如解旋酶,核糖體等)動(dòng)力蛋白也是沿微管做定向運動(dòng)的一種重要的對于線(xiàn)性運動(dòng)馬達,我們提出了一個(gè)描述生物分子馬達,主要有兩類(lèi):鞭毛動(dòng)力蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋分子馬達動(dòng)力學(xué)行為的二維模型,這一模型同時(shí)白鞭毛動(dòng)力蛋白最早發(fā)現是驅使纖毛及鞭毛運動(dòng)包括了分子馬達沿軌道的行進(jìn)性運動(dòng)和從軌道上的的分子馬達胞質(zhì)動(dòng)力蛋白發(fā)現較晚,日前已知它有解離理論上給出的對于給定的ATP濃度時(shí)跑程和多種重要生物學(xué)功能:參與細胞內的細胞器及囊泡停留時(shí)間的分布,平均跑程、平均停留時(shí)間和平均速的運輸(通常與驅動(dòng)蛋白運輸方向相反),細胞紡錘度與ATP濃度及負載的依賴(lài)關(guān)系與前人的實(shí)驗結體的組裝,染色體的分離等我們基于已有的結構信果很好地一致息及生化實(shí)驗結果,建立了動(dòng)力蛋白的單向運動(dòng)模驅動(dòng)蛋白是細胞內通過(guò)蛋白質(zhì)分子間相互作用型2.在這個(gè)模型中,動(dòng)力蛋白與微管的結合力不而沿微管做定向運動(dòng)的一種重要的分子馬達它參依賴(lài)于它的核苷狀態(tài),而是由動(dòng)力蛋白的柄相對于與細胞內染色體運動(dòng)、細胞器輸運、細胞核運動(dòng)、細微管的取向變化而自然確定,因此我們的模型不需胞收縮、微管分布、紡錘體形成、細胞分裂等許多重要假定相距很遠的的ATP結合位點(diǎn)與柄端的微管要過(guò)程驅動(dòng)蛋白馬達在實(shí)驗和理論上已被進(jìn)行了結合位點(diǎn)之間通訊的存在,而從前的模型這一假定廣泛的研究.然而,其行進(jìn)運動(dòng)的微觀(guān)機理仍未確是必須的利用我們的模型可以很好地解釋已有的定.我們基于化學(xué)、力學(xué)和電學(xué)耦合提出了一個(gè)交臂實(shí)驗結果,例如,ATP及ADP(二磷酸腺苷)對動(dòng)力模型來(lái)描述這種行進(jìn)運動(dòng)1.在該模型中,驅動(dòng)蛋蛋白從微管上解離的影響,飽和ATP濃度下單頭鞭白兩個(gè)頭的ATP水解化學(xué)反應速率由作用在其頸毛動(dòng)力蛋白的運動(dòng),雙頭胞質(zhì)動(dòng)力蛋白運動(dòng)的步長(cháng)上的力(包括內部彈性力和外部負荷)來(lái)調控在低與負載的關(guān)系,停止力的大小與ATP濃度的關(guān)系外部負荷情況下,驅動(dòng)蛋白的后頭的ATP水解化學(xué)等.對于動(dòng)力蛋白和驅動(dòng)蛋白共同運輸貨物的情況,反應速率遠大于前頭的速率,因而兩個(gè)頭在A(yíng)TP水我們利用蒙特卡羅方法模擬了兩者的協(xié)調工解化學(xué)反應和力學(xué)周期循環(huán)中是協(xié)調的,且馬達以肌球蛋白不僅負責肌肉的伸縮運動(dòng),它還有每步消耗一個(gè)ATP的方式行走在大的前向負荷情類(lèi)是在細胞內沿肌動(dòng)蛋白絲定向運動(dòng)而起運輸作況下,兩個(gè)頭的ATP水解化學(xué)反應速率變得可比用,例如肌球蛋白ⅴ和肌球蛋白Ⅵ.我們提出了一擬,因而兩個(gè)頭在A(yíng)TP水解化學(xué)反應和力學(xué)周期循個(gè)交臂模型來(lái)描述肌球蛋白和肌球蛋白Ⅵ這兩環(huán)中不再很好地協(xié)調該模型與驅動(dòng)蛋白的結構研種雙頭分子馬達2在這個(gè)模型中,雙頭分子馬達究結果以及ATP水解化學(xué)反應路徑一致利用此模的運動(dòng)方向自動(dòng)地由雙頭在自由狀態(tài)下的相對取向型所估算的驅動(dòng)力(約58pN)與實(shí)驗結果(5-75和馬達頭在肌動(dòng)蛋白絲上的結合方向所決定這決pN)一致,所估算的每步中的運動(dòng)時(shí)間(約10μs)也定了肌球蛋白Ⅴ向肌動(dòng)蛋白絲正端運動(dòng)而肌球蛋與實(shí)驗測量值(050s)符合,解釋了已觀(guān)察到的白Ⅵ向負端運動(dòng)該模型給出的動(dòng)力學(xué)特性與已有每步(8m)分為兩個(gè)半步的現象.基于結構和生物的實(shí)驗結果一致我們利用交臂模型詳細分析了肌化學(xué)信息,我們分析了描述生物分子馬達雙頭驅動(dòng)球蛋白V的行進(jìn)運動(dòng)2,而對于肌球蛋白Ⅵ,我們蛋白行進(jìn)運動(dòng)的交臂模型,使得突變的同二聚體和則建議了一個(gè)交臂擴散模型,用于描述其定向運異二聚體驅動(dòng)蛋白謎一般的動(dòng)力學(xué)行為得到了解動(dòng)21釋.我們提出雙頭驅動(dòng)蛋白的兩個(gè)頭是沿著(zhù)微管P合酶是一個(gè)旋轉的生物分子馬達它是生以部分協(xié)調而不是以緊密協(xié)調的方式行走.協(xié)調的物體內的“能源工廠(chǎng)”,通過(guò)質(zhì)子梯度驅動(dòng)制造程度依賴(lài)于驅動(dòng)蛋白的兩個(gè)頭酶解ATP的速率,而ATP.它由包含一個(gè)c環(huán)的“轉子”F和包含有一個(gè)這一速率則由內在彈性力和外負載共同確定6.常a3B3六聚體的“定子”F1構成在不同的物種里,構規驅動(dòng)蛋白在各類(lèi)細胞中沿微管以跛行的方式運輸成c環(huán)的c-亞單元個(gè)數從10到14各有不同,但貨物基于我們提出的部分協(xié)同交臂模型我們提出a3B中國煤化工稱(chēng)性我們通過(guò)數了一個(gè)玻行行為的新機制,認為這一跛行行為是由值模CNMHG的F與F的轉于馬達二聚體行進(jìn)時(shí),在連續的兩步中作用到馬達動(dòng)耦合.我們友現,對十個(gè)同個(gè)數c-亞單元的ATP頭上的垂直力不同而引起的.我們還利用蒙特卡合酶轉子F在F周期的作用下,平均每三步前進(jìn)444http://www.wuli.ac.cn物理·37卷(2008年)6期中國科學(xué)院物理研究所成立80周年一周,且其停留的位置由F自身的周期決定當c-合體的形成伴隨著(zhù)34個(gè)離子的釋放.進(jìn)一步亞單元個(gè)數是3的倍數時(shí),上述的三步大小相等當的實(shí)驗結果顯示,RecQ的鋅指結構域在保持整個(gè)蛋c-亞單元個(gè)數不是3的倍數時(shí),三步的大小及停留白質(zhì)的完整性和與DNA的結合力上是至關(guān)重要的時(shí)間均不同2的我們還利用單分子磁鑷研究了DNA易位酶的我們利用熒光顯微和原子力顯微直接觀(guān)察了工作機理,發(fā)現SpoE易位酶識別DNA分子上的RecQ解旋酶與DNA的相互作用. DNA-RecQ復合一個(gè)位點(diǎn),由該位點(diǎn)決定SpoE的易位方向,以每體通過(guò)分子梳方法被拉伸到疏水表面上,通過(guò)熒光步約24個(gè)堿基的步距,在DNA上以每秒約7000個(gè)顯微法觀(guān)察到RcQ與DNA的結合和解旋導致堿基的速度快速運動(dòng).根據實(shí)驗分析提出了一個(gè)DNA分子的縮短,原子力顯微鏡觀(guān)察發(fā)現RecQ主Stole易位酶的蠕蟲(chóng)爬行工作模型要是以單體形式存在于溶液中和結合到DNA上2.4解旋酶我們應用熒光檢測方法研究了RecQ解旋酶的解旋酶是作用于DNA或RNA的一類(lèi)特殊馬達DNA解旋動(dòng)力學(xué)特性該實(shí)驗基于熒光共振能量轉蛋白.解旋酶能夠利用水解ATP產(chǎn)生的能量,沿移并在停流裝置中進(jìn)行,通過(guò)檢測DNA雙鏈分離導DNA分子運動(dòng).其主要功能是將雙鏈DNA分子堿致的熒光素熒光發(fā)射增強來(lái)觀(guān)察DNA的解旋過(guò)程基對之間的氫鍵打開(kāi),將雙鏈DNA解旋成單鏈利用該方法測定了不同酶濃度下RecQ的DNA解DNA.有的解旋酶還有DNA外切功能(如RecB-旋速度,并給出了解旋速度對鎂離子濃度的依賴(lài)性CD),有的解旋酶在一定條件下還能夠促進(jìn)單鏈以及ReQ對DNA的解旋極性DNA的退火( annealing).解旋酶廣泛存在于原核、結合快速停流技術(shù),利用熒光共振能量轉移的真核生物和病毒體內,從簡(jiǎn)單的復制叉處核酸雙鏈方法,我們系統地研究了RecQ解旋雙鏈DNA的動(dòng)分離到復雜的 Holliday結構分支移位等核酸代謝過(guò)力學(xué)機制RecQ解旋酶對 ss/dsdNA底物的結合實(shí)程它都起著(zhù)十分重要作用因此,解旋酶在DNA的驗結果表明,RecQ優(yōu)先結合于DNA的3尾部ss復制、修復、基因重組以及轉錄等過(guò)程中扮演著(zhù)非常 dsDNA連接處,每個(gè)DNA底物結合RcQ分子的數重要的角色目隨單鏈尾部的長(cháng)度呈線(xiàn)性遞增關(guān)系.預穩態(tài)動(dòng)力我們與法國的奚緒光研究組合作主要研究了學(xué)分析結果表明,瞬態(tài)解旋幅度與RecQ濃度之間RecQ和PerA這兩種解旋酶RecQ屬于SF2超家的比率是1:1,這說(shuō)明了參與解旋的RecQ解旋酶是族ReQ家族解旋酶對保持遺傳的穩定性起著(zhù)重要以單體的形式工作的在單轉換動(dòng)力學(xué)實(shí)驗中,Re的作用在人體細胞內,至少有5種ReQ解旋酶,cQ解旋DNA并不依賴(lài)于3尾部的單鏈長(cháng)度,表明其中 BLM WRN和RecQ4解旋酶的缺失或變異分在DNA解旋過(guò)程中ReQ分子之間并不具有協(xié)同別會(huì )導致Bom, Werner和 Rothmund- Thomson綜合效應通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗數據分析,我們還給出了Re征,這些遺傳性疾病主要表現為成年早老癥和各種cQ的解旋步幅大小約為4b,解旋速率高達21步/腫瘤癥狀在人們日益關(guān)注衰老和腫瘤防治的今天,秒.我們的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗結果表明,不僅RecQ能夠以RecQ解旋酶逐漸成為研究的熱點(diǎn)PcrA屬于SF1活性單體形式快速高效地解旋DNA底物,而且SF2超家族,是枯草桿菌、金黃色葡萄球菌等的基本解旋家族的解旋酶也能以蠕蟲(chóng)爬行方式解旋雙鏈酶,與大腸桿菌中的Rep和UvrD同源PerA在質(zhì)粒DNAx的滾環(huán)復制中起重要作用并與紫外損傷的修復有我們研究了Blom綜合征蛋白(BLM,屬RecQ關(guān)家族解旋酶)的精氨酸指在A(yíng)TP水解以及能量耦合我們利用偏振熒光方法研究了解旋酶ReQ與中所起的作用1.結構模型、點(diǎn)突變、生化和生物物DNA分子的結合,定出了RecQ與DNA相互作用的理分析表明,圍繞ATP結合位點(diǎn)周?chē)鷼埢耐蛔儑罒崃W(xué)參數通過(guò)測量熒光標定的寡核苷酸的偏振重影響B(tài)LM的ATP酶活性這些突變同時(shí)也削弱熒光,發(fā)現一個(gè)RecQ單體結合10個(gè)核昔酸AMP了BI中國煤化工響B(tài)LM與ATP及PNP和ADP對RecQ與 dsDNA的結合沒(méi)有明顯影DNACNMH了多個(gè)BLM致響ReQ有一個(gè)強結合位點(diǎn),無(wú)論是sDNA還是病突變體與DNA的相互作用動(dòng)力學(xué),揭示了每個(gè)具dsdNa都是結合于這一位點(diǎn)每個(gè)DNA-解旋酶復體的突變點(diǎn)對解旋活性、單鏈及雙鏈DNA結合能物號;接2年1http://www.wuli.ac.en中國科學(xué)院物理研究所成立80周年力、ATP結合能力以及ATP水解能力的影響,提在PP中,H1不存在因此,在PP到PP結構轉供了關(guān)于其致病機理的信息變中,H的穩定性起著(zhù)至關(guān)重要的作用.MD為研解旋酶PrA的晶體結構已經(jīng)解出,但人們對它究從PP到PP的結構轉變提供了強有力的工解旋動(dòng)力學(xué)的功能狀態(tài)還缺乏了解.我們在單轉換具通過(guò)MD,我們模擬了野生型以及變異體F98S和多轉換兩種條件下,利用熒光反應-停流方法研F198N,F198G,F198K,F198E,F198M,F198C究了PrA對DNA解旋的動(dòng)力學(xué)機制,發(fā)現解旋F198A,F198D和F198T的轉變.其中的Fl98s已強烈地依賴(lài)于PerA的濃度和底物的3端單鏈DNA知可引起PP的形成.我們的模擬結果顯示尾部長(cháng)度,表明多體PrA是高效解旋的必要條件F198M,F198C,F198A,F198D和F198T的Hl穩解旋速率與ATP濃度的關(guān)系給出Hll系數大約等定性與野生型的Hl相當,而F198S,Fl98N,于2,意味著(zhù)PerA以二聚體方式工作.我們確定了F198,F198K和F198E的H比野生型的H1更不PerA的運動(dòng)步長(cháng)是4bp,運動(dòng)速率大約是每秒9步.穩定.因此,這后5種變異體更容易形成PPs另外,我們還發(fā)現PrA解旋l6bp的DNA要比解旋從而導致TSEs的可能性更大我們還通過(guò)分子動(dòng)力12bp的DNA高效得多,顯示出蛋白與雙鏈DNA之學(xué)探索了朊病毒片段PP106-126在酸性環(huán)境下的間相互作用在解旋酶活性中的重要性纖維生長(cháng)過(guò)程結果顯示,在纖維邊沿的影響下,單我們還用磁鑷研究了解旋酶UvD的解旋機個(gè)的PP06-126多肽能夠形成B片并生成為纖維實(shí)驗表明,UwrD以二聚體的形式工作.二聚體協(xié)的新單元這意味著(zhù)纖維能夠沿著(zhù)兩端延長(cháng),并且只同作用解開(kāi)DNA雙鏈在解旋過(guò)程中,二聚體有可有橫截面具有傳染力如果長(cháng)纖維具有一定的斷裂能作為一個(gè)整體從3′單鏈轉移到5′單鏈上,使得解成兩段的概率(這一概率將正比于纖維長(cháng)度),這開(kāi)的DNA再慢慢退火.當二聚體在解旋過(guò)程中分解纖維延長(cháng)機制將導致纖維量的指數增長(cháng),最終導致時(shí)解旋暫停.這時(shí)候如果解旋酶從DNA上脫離,則TSEs.我們發(fā)現在酸性環(huán)境下,單個(gè)的PP106-126解旋停止,并且解開(kāi)的DNA迅速退火.如果又形成片段表現出比中性環(huán)境下遠多的構象變化.表明溶個(gè)二聚體,則解旋恢復.實(shí)驗還發(fā)現,UvrD的解旋液中pH值的降低會(huì )增加纖維增長(cháng)的速度(31速度隨施加到DNA上的拉力增加而減小.結合上述實(shí)驗結果,我們提出了一個(gè)二聚體蠕蟲(chóng)爬行模型,來(lái)2.6蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)結構及其折疊動(dòng)力學(xué)的脈沖升溫描述UvD的解旋機理.時(shí)間分辨中紅外光譜研究肽鏈是如何折疊成具有確定空間三維結構的蛋2.5朊病毒白質(zhì)是生命科學(xué)有待進(jìn)一步回答的重要科學(xué)問(wèn)題蛋白質(zhì)變性( protein denaturation)引起的疾病目前研究蛋白質(zhì)折疊動(dòng)力學(xué)的商用設備(如快速停(如阿爾茨海默病,克雅氏病,白內障等)隨著(zhù)社會(huì )流設備)的時(shí)間分辨率為毫秒量級,為了開(kāi)展更高的發(fā)展和人類(lèi)平均壽命的延長(cháng)已逐漸凸顯出對健康時(shí)間分辨率的蛋白質(zhì)折疊動(dòng)力學(xué)研究,我們經(jīng)過(guò)多的危害.近年來(lái),隨著(zhù)研究的深入,人們對于這些疾年努力,基于國內的紅外激光技術(shù)(CO氣體可調諧病已經(jīng)有了較多的了解,并發(fā)展出了許多治療方法.激光器),自行研制了脈沖升溫-時(shí)間分辨中紅外但要從分子生物學(xué)的層次徹底研究清楚其機理仍有光譜儀,獲得的時(shí)間分辨率為30ns,吸光度差值分很長(cháng)的路要走我們針對可引起克雅氏病的朊病毒辨率為千分之五,光譜范圍能夠覆蓋整個(gè)酰胺I帶,(pion)開(kāi)展了分子動(dòng)力學(xué)(MD)研究根據已被廣也是目前國際同類(lèi)研究設備中光譜范圍最寬的一套泛接受的假說(shuō),傳染性海綿狀腦病(TSEs,又稱(chēng)pion設備.在該套設備上,我們開(kāi)展了細胞色素C的去disease)的發(fā)病原因是朊病毒的羊癢病異構體折疊過(guò)程的研究.細胞色素C參與細胞呼吸鏈的電P.而PP與它的良性異構體PP(并不引起疾子傳遞過(guò)程,含有一個(gè)血紅素基團,其中心為一鐵離病)擁有同樣的氨基酸序列盡管PP真正的生物子與卟啉環(huán)平面內的4個(gè)N原子配位軸向與蛋白學(xué)功能日前并不清楚,但異構體PP卻能夠在腦中質(zhì)環(huán)折結構中蛋氨酸的S原子配位形成FeS聚集成斑塊導致TSEs這表明PP與P的生化鍵以中國煤化工瞬態(tài)吸收光譜的性質(zhì)有很大的不同,這也強烈地暗示了它們的三維變化,CNMHG數為300ms然空間結構也有區別PP具有3個(gè)α螺旋,從N端而無(wú)法確認是蛋白質(zhì)局域結構先發(fā)生變化導致到C端這3個(gè)a螺旋依次被命名為H,H2和H3.FeS鍵斷裂,還是FeS鍵先斷裂再導致蛋白http://www.wuliac.cn物理·37卷(2008年)6期中國科學(xué)院物理研究所成立80周年質(zhì)的失穩我們應用脈沖升溫-納秒時(shí)間分辨中紅子間的電荷傳遞及類(lèi)胡蘿卜素分子參與電荷傳遞的外光譜追蹤蛋白質(zhì)環(huán)折結構的變化,發(fā)現環(huán)折結構可能性,揭示出激子態(tài)壽命與光合天線(xiàn)膜蛋白與納向無(wú)規結構變化的時(shí)間常數為140ns,并在其他結米粒子的相互作用相關(guān)證明激子態(tài)壽命的變短是構單元的變化中觀(guān)察到了約30s0動(dòng)力學(xué)分量,因為膜蛋白的畸變,導致激子態(tài)的對稱(chēng)性降低使得從而確定是蛋白質(zhì)局域結構的失穩導致FeS鍵能量最低激子態(tài)由光學(xué)禁阻態(tài)變成光學(xué)躍遷部分允的斷裂,并引起蛋白質(zhì)的進(jìn)一步失穩闡明了細胞色許態(tài)令激子態(tài)的壽命變短素C熱不穩定的原因.此外,我們還利用脈沖升溫-納秒時(shí)間分辨中紅外激光光譜研究了氨基酸分3結束語(yǔ)子間氫鍵的模式以及通過(guò)氫鍵相連的氨基酸鏈長(cháng)與氨基酸分子結構的關(guān)系通過(guò)近幾年對生物軟物質(zhì)的研究,我們有幾點(diǎn)體會(huì ):(1)盡管生物是一個(gè)復雜體系,但我們可以從27光合細菌外周捕光天線(xiàn)膜蛋白在溶液中的拓中選擇科學(xué)問(wèn)題較為清晰和明確的方向,從而適于撲結構、畸變及對傳能效率影響的研究從物理學(xué)的視點(diǎn)和用物理學(xué)的手段開(kāi)展(理論和實(shí)光合細菌含有兩種捕光天線(xiàn)膜蛋白:一種是包驗)研究,在這個(gè)物理學(xué)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)上找含反應中心的內周天線(xiàn)膜蛋白LH,負責將激發(fā)能到突破口;(2)選擇在生命科學(xué)中具有很大重要性傳遞給反應中心;另外一種是外周天線(xiàn)膜蛋白LH2,(例如與癌癥、阿爾茨海默癥等嚴重危害人類(lèi)健康其功能是捕獲光能并傳給相鄰的內周天線(xiàn)LH1.我疾病的發(fā)生機理和治療相關(guān))的課題,這些課題研們與中科院高能物理所同步輻射中心合作,應用國究的突破不但會(huì )大大加深我們對生物大分子相互作內的同步輻射裝置,開(kāi)展了小角X射線(xiàn)散射測量用和運動(dòng)規律及其與生物功能關(guān)系的認識,而且為L(cháng)H2在溶液中拓撲結構的研究小角X射線(xiàn)散射在進(jìn)一步發(fā)展應用打下基礎;(3)目前這個(gè)研究領(lǐng)域結構生物學(xué)中是一種十分有效的方法雖然該方法存在許多懸而未決的重大科學(xué)問(wèn)題,處于學(xué)術(shù)前沿不能用于測定高分辨率的分子結構,但能夠通過(guò)測領(lǐng)域,并且有明確的研究目標,是研究者的“金礦定生物大分子在溶液中的小角散射曲線(xiàn),再構生物(4)隨著(zhù)研究工作的逐漸深人,根據需求,需要不斷大分子低分辨形貌,給出有關(guān)生物大分子拓撲結構地改進(jìn)和發(fā)展研究手段,從而會(huì )帶動(dòng)新方法新技術(shù)的信息我們的研究結果表明,LH2在水溶液中的拓的發(fā)展撲結構是一個(gè)扁形的橢圓盤(pán),外面包有一個(gè)單分子盡管我們近年來(lái)在生物軟物質(zhì)物理方面的研究層的表面活性劑在扣除表面活性劑單分子層厚度取得了一些重要進(jìn)展,但仍處于起步階段由于軟物后得到LH為長(cháng)軸80A,短軸55X,橢圓度為0.59質(zhì)與生物大分子的物理研究前景在全球學(xué)術(shù)界被許的橢圓結構該結構與單分子光譜得到的結論十分多著(zhù)名研究者看好,尤其是歐美、日紛紛投入大量相近,從而直接驗證了LH2在溶液中的橢園結研究經(jīng)費支持,國際競爭也異常激烈因此,這方面構的研究既是機遇也是巨大挑戰我們進(jìn)一步通過(guò)在溶液中引入納米粒子和蛋白質(zhì)的相互作用,控制結構畸變,對膜蛋白內的細菌葉致謝感謝國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng )新工綠素激子態(tài)進(jìn)行調控由于色素分子呈環(huán)狀聚集體程等相關(guān)項目的資助分布在膜蛋白骨架中,其排列方式也會(huì )隨蛋白質(zhì)結考文獻構的變化而改變激子理論分析表明,同一個(gè)環(huán)內的[1 De Gennes P G.Rew.Mad.Phy.,199,64:645葉綠素分子有較強的相互作用,光激發(fā)后能形成離[2] Schrodinger E. What is Life?University Press, Er域的激子態(tài)便于能量的傳遞同時(shí)環(huán)狀結構的最低[3]LiYY, Wang PY, DouSxet al..Chem.,Phys.,2004激發(fā)態(tài)為光學(xué)暗態(tài),有利于激發(fā)能的儲存.瞬態(tài)光譜121:4302[4] Ran S Y, Wang X L, Fu W B e a. Chin. Phys. Lett實(shí)驗表明,當納米粒子和LH2膜蛋白結合后,葉綠素激子態(tài)的壽命變短我們設計了一系列實(shí)驗,通過(guò)中國煤化工J. Am. Chem. Soc.改變不同的納米粒子材料(TO2,SiO2)、膜蛋白環(huán)的[6CNMHGBiol,2004,230:75直徑(LH,LH1)、含類(lèi)胡蘿卜素和不含胡蘿卜素7W, bou sx, wang r I. I, Iner8:.03535LH2的突變體、排除了葉綠素激發(fā)態(tài)和TO2納米粒[8jLw, DouSX, Xie P et al. Phys. Rev.E,206,7337卷(2008年)6期http://www.wuliaccn方數據中國科學(xué)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. Chem., 200653:836[13] Xie P, Dou S X, Wang P Y. Chin. Phys., 2004, 13: 1569[31] Ren H, Dou SX, Rigolet P et al. Nucleic Acids Res, 2007[14] Xie P, Dou S X, Wang P Y. Chin. Phys., 2005, 14: 73435:602[15] Xie P, Dou SX, Wang P Y. Bio Systems, 2006,84[32] Guo R B, Rigolet P, Ren H et al. Nucleic Acids Re16] Xie P, Dou S X, Wang P Y. Biophys. Chem., 2006, 12335597[17 Xie P, Dou SX, Wang P Y. J. Mol. Biol., 2007, 366: 976[33 Yang Y, Dou SX, Ren H et al. Nueleic Acids Res, 2008[18] Wang H, Dou S X, Wang P Y. Chin. Phys. Lett., 200536:1976[34] Zhang Y, Qian ], Wang P Y et al. J. Comput. Theor. Nanos[19] Wang H, Zhang Y, Dou S Xe al. Chin. Phys. B, 2008, 17: 1513ci.,2006,3:964[20] Xie P, Dou S x, Wang P Y. Acta Biochim. Biophys. Sin[35] Zhang Y, Zhao X, Wang P Y, J. Theor. Biol., 2007, 245: 238[36]Ye M, Zhang Q L, Li H et aL. Biophys. J, 2007, 93: 2756[21 Wang H, Dou S X, Wang P Y. Chin. Phys. Lett., 2008[37] Ye M P,Li Het al. Chin. J. Chem. Phys.25:321007,20461[ 22] Xie P, Dou SX, Wang P Y Chin. Phys., 2005,14:744[38] Hong X, Weng YBiophys.J.,2004,86:l082[23]Xie P, Dou S X, Wang P Y. Biophys. Chem., 2006, 120: 225[39]Chen X H, ZhanQLeY X e al. Biophys[24]Xie P, Dou SX, Wang P Y. Biophys.Chem25] Qian J, Xie P, Dou S X e al. Chin. Phys26] Dou SX, Wang P Y, Xu H Q ef al.J. BiolL Chen.279:635404D⊙⊙⊙心⊙垂50·心650·辦⊙6⊙心0⊙●心心心口命心心·⊙⊙◆?！と铡?60·0000·00●0D心0·⊙口⊙0·⊙0·0000·。中0心·00中0口0中·書(shū)評和書(shū)訊科學(xué)出版社物理類(lèi)新書(shū)圖書(shū)推書(shū)名作(譯)者價(jià)出版H期體振蕩器趙聲衡6200208年5月凝聚態(tài)物理的格林函數理論王懷玉008年5月腫瘤熱療物理學(xué)慣性聚變物理沈百飛2008年5月激光的衍射及熱作用計算(修訂版)李俊昌800208年5月天文學(xué)科、數學(xué)學(xué)科發(fā)展研究報告國家自然科學(xué)基金委員會(huì )數學(xué)物理科學(xué)部2008年4月物學(xué)學(xué)科發(fā)展研究報告國家自然科學(xué)基金委員會(huì )數學(xué)物理科學(xué)0200年月力學(xué)學(xué)科發(fā)展研究報告國家自然科學(xué)基金委員會(huì )數學(xué)物理科學(xué)部2800200年1月仿真影像學(xué)技術(shù)羅立民等5800008年4月微納米MoS器件失效機理與可靠性理論郝躍劉紅俠0208年3月磁性量了理論——材料的磁學(xué)性能(第三版)(影印R. M. White2008年2月半導體物理電子學(xué)(第二版)(影印)Sheng s li碳納米管—從基礎到應用(影印)200年2月統計力學(xué)(第二版)(影印)F. Schwab2008年2月量子統計力學(xué)(第二版)張先蔚2008年2月輸運理論(第二版)黃祖洽高磁場(chǎng)超導磁體科學(xué)E秋良008年1月聚變能及其應用邱勵儉2007年12月拉曼布里淵散射(第二版)程光煦現代物理學(xué)前沿選講半導體的檢測與分析(第二版)中國煤化工_x0年8月凡購書(shū)者免郵費,請按以下方式聯(lián)系我們CNMHG電話(huà):010-6401795764033515電子信箱:mukai@yahoo..com.cnyandepingegcspg.net通訊地址:北京東黃城根北街16號科學(xué)出版社100717聯(lián)系人:胡凱鄢德平主頁(yè)htp:/ww.sciencep.com448http://www.wuliac.cn理·37卷(2008年)6期