结构蛋白

结构蛋白（精选9篇）

结构蛋白 篇1

摘要：锌指蛋白是一类具有手指状结构域的转录因子, 在基因调控中起着重要的作用, 主要参与细胞分化, 胚胎发育等, 并与许多疾病的发生相关。根据半胱氨酸 (C) 和组氨酸 (H) 的数目和位置可将锌指蛋白主要分为C2H2型、C4型和C6型。锌指通过与靶分子DNA、RNA、DNA-RNA的序列特异性结合, 以及与自身或其他锌指蛋白的结合, 在转录和翻译水平上调控基因的表达。

关键词：锌指蛋白,转录因子,结构,功能

锌指蛋白主要分布在动植物和微生物中, 对基因的调控都起着重要的作用, 而且在基因表达调控、细胞分化、胚胎发育、增强植物抗逆性等方面也具有重要的作用。

一、锌指蛋白

1988年, Pabo等把锌指结构定义为:在调节蛋白一小段氨基酸序列中, 含有几个Cys残基, 这些区域是依赖锌的DNA结合域, 通过结合Zn2+自我折叠形成短的稳定的“手指”状结构。锌与多个半胱氨酸和 (或) 组氨酸排列成不同的组合, 通过疏水作用组成稳定的四面体结构。在锌指蛋白中, 锌的地位不可替代而且作用巨大, 脱锌或用Fe、Cu、Mn、Co、Ni等其它金属离子置换锌离子后, 锌指蛋白与DNA等结合特异性就会显著地被抑制, 同时蛋白本身的结构稳定性也会被破坏, 影响基因表达, 使其丧失功能。由此可见, 锌离子是锌指蛋白发挥作用的关键, 锌指结构的稳定性确保了锌指功能的有效性。

二、锌指蛋白的分类

在锌指蛋白中, 几个保守的氨基酸与一个Zn2+结合, 形成了一个在蛋白质中相对独立的区域, 即形成一个氨基酸的环, 由锌结合位点突出手指状结构, 锌被结合在保守的氨基酸形成的四面体结构中, 所以叫作锌指。根据锌指的保守基序特点, 可以将锌指蛋白分成9类:

l、C2H2型 (Cys2His2) 即TFⅢA型锌指;主要与核酸结合。

2、C8型 (Cys8) ;主要与DNA结合。

3、C6型 (Cys6) ;主要与DNA结合。

4、指环型 (Cys3His Cys4) ;主要与蛋白作用。

5、Cys2His Cys;主要与单链核酸结合。

6、LIM型 (Cys2His Cys5) ;主要蛋白与蛋白作用, 也可能与核酸结合。

7、C4型 (Cys4) ;主要与DNA结合。

8、Cys3His;功能未知。

9、Cys4His Cys3;功能未知。

三、锌指蛋白调控基因转录的功能

锌指蛋白通过与生物大分子如DNA、RNA或者蛋白分子的结合来进行转录调控, 或通过锌指蛋白与锌指蛋白之间的连接直接调控基因的转录。

1、锌指蛋白与DNA的识别作用

锌指蛋白由于其特殊的三维结构决定其能够识别DNA。锌指的DNA结合区域有一个特殊结构, 这个特殊结构可以与DNA双螺旋结构互补。其中包含一个a螺旋, 它能够伸入到DNA双螺旋的主要沟槽中并与之结合。结合时a螺旋位于大沟且锌指间的接头结构相对固定C2H2型锌指蛋白的锌指就是通过a螺旋与DNA双螺旋结构的大沟结合, 从而识别特定的DNA序列。两者相互作用具有序列特异性, 就是说每个锌指保守结构域特异性地接触位于DNA的大沟中的碱基, 每个锌指结构识别单元跨越3个碱基对。一般情况下, 锌指蛋白识别DNA需要2-4个串联的锌指。然而, 当仅有一个或两个锌指存在时, 只能通过方法来增强识别DNA, 例如激活其它的一些关键结构。锌指排列顺序的不同使其能识别大量的不同的DNA序列。由于复合物不同的结合位点及空间关系的复杂性, 因此, 锌指蛋白对于目的DNA的特异识别的规律性是很复杂的。

2、锌指蛋白与RNA的识别作用

由于结构的不同, 有些锌指蛋白仅能与DNA结合, 有些锌指蛋白仅能与RNA结合, 有些锌指蛋白既可以与DNA相互识别作用, 也可以与RNA相互识别作用。近些年来, 对于锌指蛋白的研究主要集中在锌指对DNA的识别上, 而对于锌指与RNA结合的研究较少。这主要是由于RNA的二级和三级结构比较复杂, 特别是内部的环和与发夹圈相似的螺旋部分。TFⅢA是第一个被发现的不仅能与DNA结合, 而且还能与爪蟾属的成熟卵母细胞的5Sr RNA结合的锌指蛋白。

3、锌指蛋白之间的相互作用

C2H2型锌指蛋白不仅可以识别DNA、RNA分子, 也可以同蛋白质相互作用, 间接地调节转录, 影响锌指结合DNA的性质。研究表明锌指蛋白之间可以互相作用, 与其它蛋白之间也可以相互影响。如Kim等科学家从大豆c DNA文库中分离到了一个冷诱导的锌指蛋白基因, 获得了大豆冷诱导锌指蛋白SCOF-1, 该基因的编码产物含有两个典型的C2H2锌指结构, 转基因研究证实了SCOF-1的过量表达可以增强拟南芥和烟草的耐冷性。SCOF-1的表达受低温和ABA特异性诱导, 而不受盐胁迫诱导。SCOF-1不能直接与冷调节基因COR启动子区的CTR/DRE顺式作用元件和ABA应答元件ABRE结合, 但是SCOF-1可以和另外一个大豆b ZIP转录因子SGBF-1互作, 以增强SGBF-1与ARRE元件的结合能力, 从而促进COR基因的表达, 提高植株的耐冷性。

四、锌指蛋白在基因治疗方面的应用

近些年来, 人们对于锌指蛋白调控哺乳动物特定基因表达有了细致的研究, 并且有了比较快速的发展, 通过设计锌指蛋白中的DNA结合区域特异性识别DNA序列。其中Cys2 His2型锌指蛋白占大部分, 并且符合设计DNA结合区域的特点。通过设计特定的锌指蛋白来激活或抑制目的基因的表达, 目前已知的与人类细胞相关的基因有:多药耐药性基因、红细胞生成素基因、血管内皮细胞生长因子基因和核激素受体基因等。目前, 随着对锌指识别DNA, RNA及锌指间相互作用机制的深入研究, 以后可以设计出更多更好的人工锌指来调节相应的基因转录与核酸及蛋白质的相互作用。根据需要利用锌指蛋白来调控真核生物中基因的表达, 用于疾病的基因治疗, 为基因的分析和控制开拓了一个全新的领域。

结构蛋白 篇2

生物学杂志

JOURNALOFBIOLOGY

V01．18No．2

Apr，2001

激活物活性低于Ⅱ型组织纤溶酶原激活物活性的区别，在于前者多一个Asnl84糖链和488位N一糖链结构的不同。③有些糖蛋白酶，切除糖链或去除糖基化位点后并不影响其活性，如辜丸透明质酸酶、肝脂酶等。2．3凝集素

凝集素是自然界广泛存在的一大类非免疫来源的、无酶活性的、多价的糖类结合蛋白，能使细胞发生凝集。

1）动物凝集素大致可分为C、S、P和正五角蛋白类四个类型。C类凝集素多为膜的整合成分，主要与体内细胞与细胞、细胞与分子问的识别、粘合有关。这类凝集素不仅在体液免疫中起作用，而且在细胞免疫中也很重要，它还参与天然杀伤细胞的激活。S类凝集素需疏基维持其活性，可识别并结合乳糖单位的二糖结构。此外。动物凝集素还和肿瘤转移有关。

2）植物凝集素也称外源凝集素，能与寡糖特异性结合。有些植物凝集素能凝集细胞，在凝集细胞时，显示血型特性。许多植物凝集素可作为有丝分裂原，在免疫学中广泛用于研究淋巴细胞转化。

单糖、肌醇磷脂、乙醇胺组成。它在内质网合成后与蛋白结合。GPI―Pr参与蛋白转运、信息传递、神经细胞活化等。在信息传递过程中，细胞外信息通过GPI―Pr传递

到跨膜蛋白――小窝蛋白，小窝蛋白一面接触GPI―Pr，

另一面又接触G蛋白或酪氨酸激酶，这样把信息传递到胞内。引起生理反应。

参考文献：

［1］潘华珍，等．细胞表面工程与糖肌醇磷脂结合蛋白［J］．生命

科学，1999，11（增）：11―12．

［2］上海第一医学院，等．医用生物化学［M］．北京：人民卫生出

版社．1987．1252―1277．［3］沈同，等．生物化学［M］．第二版，北京：高等教育出版社

．1991。39―40．［4］陶慰孙，等．蛋白质分子基础［M］．第二版，北京：高等教育出

版社．1995．394―399．［5］汪玉松，等．现代动物生物化学［M］．北京：中国农业科技出

版社．1999．82―91．［6］毛建平，孙志贤．人红细胞膜血型糖蛋白的研究进展［J］

．1994，21（6）：504－－508．

［7］徐世清，甲斐英则，徐俊良，等．盐酸处理蚕卵酯酶A4的活性

变化及其与滞育性的关系［J］．蚕业科学，1998，24（2）：95―

99．

2．4生物钟蛋白――蚕卵酯酶A4（EaseA4）

桑蚕卵中的.EaseA4是一种糖蛋白，它由155个氨基酸残基构成，其中在61位半胱氨酸残基和150位半胱氨酸残基之间存在一对二硫键，使蛋白酶具有耐高温特性，从而利用85℃的高温可以很简单地与其它蛋白质分离。其22位氨基酸残基为Asn，它形成Asn―X―Thr这样一个糖基化场所，并有糖基结合在该部位，糖基的分子量约为740Da。从滞育性家蚕卵内纯化的EaseA4，不具有酶活性，但在5℃冷藏一定时间后，酶活性会突然出现，然后又迅速消失，其所需的5℃冷藏时间，与纯化酶蛋白前蚕卵所经历的25℃保护时间，即蚕卵的滞育程度密切相关，而且这种关联性在invivo已被证实存在，并且EaseA4酶活性出现后，蚕卵随即开始活化，这种功能颇似滞育生物钟。现在已经清楚，EaseA4的ATPase活性

［8］徐世清，甲斐英则，徐俊良，等．外盐酸处理对酯酶A4的ATP

酶活性的影响［J］．中国蚕业，1998，（4）：13―16．

［9］徐世清，甲斐英则，徐俊良，等．家蚕多肽抑制因子对酯酶A4

的ATP酶活性影响［J］．蚕业科学，1999，（1）：16―21．

［10］LUBERTSTRYER．生物化学［M］．康有祺，等译．北京：北

京大学出版社．1990，142―157．［11］Kai，H．eta1．，A

cold；Relation

tO

of∞teraSeA4by

theterminationofembryonicdiapauseinthe

time―intervalactivation

silkworm，Bombyx

［12］Kai，H．et

sect

moll．InsetBiochem．1987，17，367―372．

interval

a1．，Time

measuringenzymeforresumption

ofembryonicdevelopmentinthesilkworm，Bom扫ysmori．J．In－

Physical，1995，41，905―910．

a1．，Presence

中心就在糖基所在部位。滞育卵中存在的一种EaseA4

活性调节多肽PIN（从S到N的38个氨基酸残基组成），就结合在该部位。当5℃冷藏一定时间后或经盐酸等处理之后，PIN从其结合部位脱落，EaseA4即出现活

性。

［13］Kai，H．，et

tinctof

ofPINfactor（S）responsibleforthe

Time――intervalactivationofesteraseA4inthediapauseduration

Bombyz？no“．J．5：e―c．scl．Jpn．1996，65，31―38．

［14］Isobe，M．，eta1．，AminoacidsequenceofPINpeptidesconduct―

ingTIME（Time―Interval―Measuring―Esterase）activationfor

resumptionofembryomicdevelopmentinthesilkworm，Bombyx

2．5糖肌醇磷脂结合蛋白（GPI―Pr）

这是一种膜蛋白，含有糖及脂，通过脂肪酸插入脂双层分子外层，蛋白部分在膜外。糖肌醇磷脂（GPI）是由

，加r1．Biooganic＆Medicinal

2851―2854．

Chemistry

Letters，1995，5（23），

HAN

TheconstructionandfunctionofGlycoprotein

Yi―fei，XUShi―qing，ZHUJian，SHENWei―de，ZHENGBi―ping

215151，China）

（TheSilkBiologicalTechnologyLaboratory，ShuZhouUniversity，Jiangshu

Abstract：Glycoproteinisakindofimportantphysiologicalactivesubstancethatisformedfromthecolvalencemodifi―cationcoffnectionofoligoseandpolypeptidechain．itexistsgenerallyineellmemberance，intercellularsubstance、bloodplas―maandinucilage．TheGolycosideofGlycoproteinplays

hydrolysisofproteinase，andpreventingantibody

inendoplasmicreticulum，andSOon．Itstillhasonoffandmodulatingfunction，hormonefunctionandintracellul＇arrotationfunction．Itcanprotectandpromotetheabsorptionofsubstancesandparticipatebloodcoagulationandtherecognitionof

cells，and

SO

importantrollinmaintainingthestabilityofprotein，resisting

fromrecogniaingandparticipatingthefoldingpromotionofpeptidebond

an

on．Itisalsoimportantinsuchvitalphenomennas

SO

on．

as

thecontrolofproliferation，fertilizationgenesis，differenti―

ationandimmunityand

结构蛋白 篇3

关键词： 蛋白质分子结构 教学环节 课件制作

生物化学是学习生命科学的一门重要基础课程。对于农林院校的学生来说，学习生物化学可以使他们从分子水平认识诸多生物学现象，有利于他们深入认识农林业中各种生命的化学本质及其变化规律，从而利用这些规律处理当前农林业中存在的问题，促进农林业产品向着高产、优质的方向发展，造福于民。然而，许多学生反映生物化学课程内容繁多，理解困难，难以记忆。究其原因在于生物化学的课程内容几乎涉及生命活动的方方面面，其概念繁多而且高度抽象，特别是蛋白质分子结构这一部分内容。为了强化蛋白质分子结构部分的教学效果，笔者总结自己的教学实践，谈一些体会。

一、蛋白质化学在高校生物化学教学中的地位

蛋白质化学是生物化学课程中重要的一章，重点介绍蛋白质的化学组成，蛋白质的分子结构，蛋白质结构与功能关系，以及蛋白质的主要性质、分离与纯化。蛋白质化学这个教学模块是许多教材中的第一章，也有教材放在第二章，但都能看出该模块是进行生物化学后续教学模块的基础。由于生物体内酶的主要成分是蛋白质，而生物体内几乎所有反应都是在各种酶的催化下完成的，因此蛋白质几乎参与了生命过程的各个环节。换句话说，在生物化学的所有教学模块中除了核酸化学这一模块之外，其他各模块均涉及蛋白质。由此可见，蛋白质化学的教学在整个生物化学的教学过程中占有十分重要的地位。

二、蛋白质分子结构的自身知识结构特点及教学探讨

蛋白质分子结构是蛋白质化学这一章中的重点内容，主要介绍蛋白质的一级结构，蛋白质的二级结构，超二级结构，结构域，蛋白质的三级结构，以及蛋白质的四级结构，要求学生掌握的基本概念比较多，而且多数概念高度抽象，不易理解[1]。这部分内容环环相扣，逐层递进，但对与初次接触生物化学的大学生来说，如果只是按这样的逻辑讲解，他们很难真正理解蛋白质的分子结构层次。为了强化蛋白质分子结构这部分的教学效果，建议从以下几方面把握。

1.科学组织教学环节

蛋白质化学中对于蛋白质分子结构部分的教学，多数采用“蛋白质的一级结构，蛋白质的二级结构，超二级结构，结构域，蛋白质的三级结构，以及蛋白质的四级结构”的教学模式，对于这种“单线模式”[2]（图1），教师每讲一个层次的结构，学生很可能就困于该层次，待到所有层次的结构都讲解完毕时学生仍有“不识庐山真面目”的感觉。事实上，这部分内容的教学模式可以调整成“多线模式”[2]（图2），即蛋白质的一级结构讲解完毕后直接讲蛋白质的三级结构，从蛋白质的三级结构中讲解组成它的蛋白质二级结构，超二级结构和结构域。这样一来，学生可以清晰明了地观察到具有三级结构的单体蛋白质各个层次的形态、结构，更有利于学生从整体上把握蛋白质的不同层次。待到这部分讲解完毕后，再从蛋白质的三级结构出发讲解蛋白质的四级结构。因为蛋白质的四级结构主要考虑组成它的亚基排布及其相互作用，而其中的亚基主要指具有三级结构的蛋白质，由此可见蛋白质四级结构基本不会考虑蛋白质的三级结构一下的层次（蛋白质的一级结构，蛋白质的二级结构，超二级结构，结构域）。这种“多线模式”的教学通过课堂上学生的反馈信息分析，使学生在这种模式下学习蛋白质分子结构部分明显提高了学习效率，换言之，该模式更有利于学生理解蛋白质分子结构层次。

图1 单线模式

图2 多线模式

2.精心制作课件

随着计算机技术的发展，多媒体教学已成为高校课堂教学的主要模式。多媒体教学是指在以教师讲解为主的传统课堂教学中，将多媒体计算机和大屏幕投影系统作为教学媒体和教学手段引入课堂[3]。这种教学模式以图形、图像、动画、视频等形式将教学内容比较直观形象地加以呈现[4]-[5]。蛋白质分子结构部分基本概念繁多并且高度抽象，利用多媒体可以将课程中这些抽象的概念生动直观地表现出来。但制作课件时有两点要把握。首先，每张幻灯片除了核心概念其余文字尽量压缩，使学生在短时间内把注意力集中在知识点上；其次，精心选择图片，切记勿用与主题无关的图片，更不能喧宾夺主。这部分对图片的选择直接关系到学生对蛋白质分子结构的理解，一张好的图片会达到事半功倍的效果，其中蛋白质三级结构的图片必须精心选择，因为关系到“多线模式”教学的成败。蛋白质三级结构的图片必须选择具有两个以上结构域的单体蛋白质，并且每个结构域中要能清晰呈现出蛋白质二级结构和超二级结构。这类图片最好从高质量的学术论文中下载，一方面图片清晰完整，另一方面图片真实更具说服力。

3.高效利用课堂时间

教学是教和学的结合，在教学过程中教师起引导作用，学生是教学对象和参与者。教师在教学活动中要充分调动学生的积极性，高效利用课堂时间，注重教学方法和手段，以强化教学效果[6]。具体来说要做到以下两点。

首先，在蛋白质分子结构教学中，要调动学生的积极性。虽然这部分内容比较抽象，但也要尽可能将理论知识与实际问题结合起来，以提高学生积极性。如在讲蛋白质二级结构中α-螺旋和β-折叠时，将毛发蛋白和蚕丝蛋白的例子引入，让学生先有感性认识再进入微观结构的学习，调动学生积极性。

其次，课程内容的讲授时间要有所选择。生物化学作为农林院校的专业基础课虽然学时比较多，但每到一个知识点讲授时要本着“能用一学时不用两学时，能用一次课不用两次课”的原则集中讲解，这样可以最大限度地避免学生因两次课之间的间隔时间而影响对完整知识点的理解。蛋白质分子结构部分的讲授更是如此。这就需要教师在课下做更多工作，把这个知识点的内容吃透——把书变薄。这样课堂上省下来的时间可以和学生共同探讨对该部分的理解，从而既使学生对所讲知识有消化吸收的时间，又可借此机会了解不同学生的掌握程度。

参考文献：

[1]王亮，王清河，李先军，等.运用Flash制作生物化学蛋白质结构章节课件的探讨[J].承德医学院学报，2001，28（4）：159-160.

[2]宋月芹，董钧锋.高校普通昆虫学昆虫分类教学探讨[J].现代农业科技，2011（6）：14-15.

[3]王曦.多媒体教学中几个值得注意的问题[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2003，23（3）：77-78.

[4]张建民，王文凯，李传仁，等.普通昆虫学多媒体课件制作与应用[J].科技创新导刊，2009（34）：189-190.

[5]刘文霞，宋宏立，王丽宁.多媒体对《园艺植物昆虫学》教学的影响[J].考试周刊，2010（12）：217.

《蛋白质的结构和功能》说课 篇4

《蛋白质的结构与功能》是中图版必修一第二单元第一章第一节。课标要求是理解水平。蛋白质是细胞中含量最多的有机物, 又是生命活动的承担者, 在有机体的各项生命活动中有着多种重要的功能, 因此, 本节内容是今后继续学习“生物的新陈代谢”, 激素调节机制等核心知识的基础。学生要了解生命活动的规律、探索生命本质, 必须掌握蛋白质的结构和功能。

二、说学生

高一学生认识了蛋白质的重要地位, 建立了生物体的结构与功能相适应的基本观点。可以理解蛋白质结构多样性与功能多样性的关系。但有机化学知识很欠缺, 抽象思维能力有待加强, 所以对于碳的化学性质以及有机化学基团的联系在理解上有障碍。因此对于氨基酸结构通式和氨基酸缩合反应的理解有一定的难度。在这里, 我们可以请教化学教师, 想办法用简洁的语言和方式让学生理解。

三、说教学目标

结合高一年级学生的认知结构, 我制定了以下教学目标:

1. 知识目标:

简述氨基酸的基本结构, 结构通式, 氨基酸的脱水缩合反应;解释蛋白质分子结构的多样性, 理解结构与功能的关系;概述蛋白质的功能。

2. 能力目标:

通过探究归纳出氨基酸的基本结构, 培养学生的观察、分析、抽象思维能力;学生归纳蛋白质的知识体系, 进一步培养学生的归纳综合能力。

3. 情感与价值观目标:

通过体验蛋白质的化学结构和空间结构及其成因, 培养学生的动手、动脑能力和团结协作的团队精神, 使学生建立结构与功能相适应的观点, 深刻地认识生命的物质性。

四、说教学的重难点

本着生物新课程标准, 我在吃透教材的基础上, 结合学生的学情, 确定了以下教学重点和难点。

教学重点:氨基酸的基本结构、蛋白质结构多样性。

教学难点:氨基酸分子结构, 氨基酸形成蛋白质的过程, 蛋白质结构多样性的原因。

为了突出重点, 突破难点, 教师在教学过程中, 要让学生从“学会”向“会学”转变, 成为学习的真正主人。可以采用以下几种教学方法:

1. 学案导学法:

问题驱动, 学在前, 导在后。

2. 直观演示法:

利用图片、动画、板书、模型、学生自身等手段进行直观演示, 激发学生的学习兴趣, 活跃课堂气氛, 促进学生对知识的掌握。

3. 活动探究法:

引导学生通过手拉手模拟缩合过程, 用铁丝穿塑料珠子等活动形式获取知识, 以学生为主体, 使学生的独立探索性得到了充分的发挥, 培养学生的自学能力、思维能力、活动组织能力。

4. 集体讨论法:

组织学生进行分组讨论, 促使学生在学习中解决问题, 培养学生团结协作的精神。

五、说教学过程

下面我具体来谈谈这一堂课的教学过程。在学习时按照一条主线进行, 即组成元素 (C、H、O、N) →基本单位 (氨基酸) →肽链→蛋白质分子, 再由结构到功能循序渐进, 从而使学生逐步理解掌握。根据我校的高效课堂模式, 可分为以下四个环节。

1. 情景导入 (2～3分钟)

展示图片, 让学生了解到蛋白质无处不在, 虽然形态万千, 但基本单位相同, 蛋白质有着怎样的结构, 为什么这么重要呢?调动起学生的求知欲望。这是教学非常重要的一个环节, 从而引出课题。

设计意图:由于本节课容量大, 这样导入可开门见山地进入主题, 还可为后面蛋白质功能的学习打下基础, 做到首尾呼应, 节省时间。

2. 学导结合 (35分钟)

(1) 蛋白质的基本单位

设置问题情境:我们吃了鸡蛋能在身上长出个鸡蛋来吗, 吃了牛肉能在身体上长出牛肉吗?从而引出氨基酸的学习。

设计意图:通过简单的常识使学生有了学习这节课的渴望和热情。

教师总结:蛋白质的基本组成单位是氨基酸, 大约有20多种, 组成不同蛋白质的氨基酸种类和数量不一样。

列举4种氨基酸的结构简式归纳, 师生共同圈出相同部分和不同部分。可以用氨气和二氧化碳的结构式, 介绍氨基和羧基。提示如用R表示不同的部分, 让学生自己总结出氨基酸的结构通式, 并找同学到黑板上写出来, 其他同学写在学案相应的位置上。教师总结评价, 并且提出这只是平面结构, 实际上它是三维立体的。

然后请一位学生上讲台, 伸开双手, 两脚并拢, 面向同学, 代表氨基酸, 什么的不同会导致氨基酸种类和性质的不同?学生很容易就明白了。再让他转过去, 表示基团空间位置的变化, 并且板书注意通式的写法, 也可以这样, 归纳氨基酸结构特点, 展示立体模型。

设计意图:通过启发式教学和直观教学法突破本节的难点, 学生印象深刻。通过这种模拟形式, 学生很容易就可理解和掌握氨基酸结构通式这一重点内容, 为后面公式的推导也做了准备。

接着练习让学生标出各种氨基酸的R基来。可以在其中加一个不是氨基酸的化合物, 及时反映学生对知识的掌握程度, 以便教师及时采取措施弥补, 加深我们对教材的理解, 培养学生吃透知识的能力。

(2) 蛋白质的结构

设问:20种氨基酸是怎么样组成千差万别的蛋白质呢?引导学生观察P29页的“氨基酸形成蛋白质示意图”, 并给出循环播放的二肽形成的动画, 小组合作讨论以下问题……

设计意图:氨基酸的脱水缩合反应及有关计算, 是本节课的难点。但学生知道物质的合成需要断开某个化学键和重新生成新的化学键, 同时利用动画来帮助学生进行学习。以问题驱动, 合作探究的形式来完成本部分的教学, 设置的问题层层深入, 学生的参与度很高。新课程提倡学生自主学习、合作学习和实验探究, 要求教师为学生提供自主学习的氛围和机会。我非常注重这一教学理念, 并且应用到实践中, 根据学生的知识结构、认知特点和学习兴趣, 精心设置了这些问题。

根据小组讨论, 中心发言人展示的结果, 教师及时点拨, 师生互动、生生互动, 相关问题一一解决。如果对于最后两个问题不理解, 可请一排4个学生起立, 手拉手, 问:4个氨基酸结合脱去多少分子水?形成的肽键有多少个?叫几肽?强调这是多个氨基酸形成一条肽链的情况, 如果是几条肽链又会是怎样的情况呢?

再指出另两排学生, 共3排12人, 可形成3条肽链, 问可形成几个肽键。以此类推, 用m代表肽链的数目, 让学生仔细观察列表并总结出计算水分子数与肽键数的公式: (n-m) 个。

设计意图:通过形象直观的模拟, 由结论式教学转变为过程式教学, 符合人类的认知过程, 实现了学习方式的根本转变, 学生们非常容易地掌握了计算的方法和规律, 也体会到了生物界的奇妙, 激发了学习的兴趣。

教师及时让学生做练习, 巩固脱水缩合这一难点, 加深学生对教材的理解。

3. 探究深化

那么氨基酸缩合成的多肽链是如何形成蛋白质的呢?探究活动:利用彩珠与铜丝构建蛋白质的结构模型, 让学生体会蛋白质结构的多样性。

让学生总结出蛋白质结构不同的原因。教师只需把学生的答案总结, 再展示几种蛋白质的空间结构, 用一根铁丝演示蛋白质的一级结构、二级结构, 把课前准备好的弯曲的铁丝拿出来, 演示三级结构、四级结构。

设计意图:蛋白质的空间结构是一个抽象的概念, 对于高一还没有深入学习立体几何的学生来说, 空想一个空间结构是困难的, 而且也很难理解蛋白质分子结构为什么会有多样性, 学生通过动手操作, 直观的体会蛋白质分子的空间结构以及蛋白质分子结构多样性的原因。

接着, 通过结构与功能相统一的思想, 自然过渡到结合实例列举出蛋白质的多项重要功能, 具体的各项功能在后面各章节中再去进一步讲解。

4. 总结反思 (2～3分钟)

引导学生归纳蛋白质的知识体系, 目的是强化认识, 进一步培养学生的归纳综合能力。

六、说反思

小麦谷蛋白分子结构研究进展 篇5

根据蛋白质的状态, 化学分析技术测定蛋白质结构的方法分为两大类: (1) 应用X射线晶体衍射图谱法和中子衍射法测定晶体中的蛋白质分子构像。 (2) 应用核磁共振 (NMR) 、圆二色性光谱法、荧光光谱法、紫外光谱法、激光拉曼光谱法和氢同位素交换法等测定溶液中的蛋白质构像。X射线晶体衍射法能直接测定出蛋白质的三级结构, 但不适用于不稳定的过渡态构像以及难结晶的蛋白质, 且工作流程较长;NMR仅限于分析长度不超过150个氨基酸残基的小蛋白;其他方法可以测定溶液中蛋白质分子的局部构像, 但很难获得蛋白质分子完整的三维结构。总的来说, 化学分析技术测定蛋白质结构较可靠, 但成本很高。利用计算机预测蛋白质的结构, 逐渐成了一个新的研究方向。

蛋白质三维结构的发现及用于预测结构的计算工具的改进, 蛋白质结构预测从90年代末开始应用于小麦蛋白分子结构和蛋白质相互作用的研究中来。本文对近年来国内外利用蛋白质分离技术多肽合成技术、及化学分析技术等对麦谷蛋白亚基分子结构研究取得的成果进行了综述, 并回顾了生物信息学中的蛋白质结构预测与建模方法在麦谷蛋白分子结构研究领域的应用。

1 麦谷蛋白结构特征

1.1 HMW-GS的结构特征

HMW-GS占小麦籽粒总蛋白的比例并不大 (6～10%) , 但对面筋特性起着重要作用。HMW-GS由染色体1A、1B和1D长臂上的位点Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1控制, 每个位点包含连接在一起的两个基因, 分别编码x-型和y-型亚基。三个位点的等位基因编码的常见亚基有:Glu-A1 (null, 1, 2*) ;C1u-B1 (6、7、8、9、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22) ;Glu-D1 (2、3、4、5、10、12) 。理论上讲, 普通小麦应有6条谱带, SDS-PAGE电泳图谱上, 一般含有3～5条带, 其中受1D位点控制的有2条, 受1B位点控制的有2条或1条, 受1A位点控制的有1条或没有。各位点存在大量的变异, 这些位点的变异以及不同亚基组合都会导致小麦加工品质的变异。

1.1.1 HMW-GS一级结构特征

所有的HMW-GS都可分为3个区域:具有81～104个残基的非重复N-端区、具有约42个残基的C-端区和1个具有481～681个残基的高度重复的中部区。HMW-GS的两端非重复区域的保守性很高, 不过依然存在x-型和y-型亚基间以及同型亚基间的差异。y-型亚基一般有6个半胱氨酸 (Cys) , 5个在N-端, 1个在C-端;x-型亚基一般有4个Cys, 其中3个在N-端, 1个在C-端。当然也有例外, 比如1Dx5亚基的N端区具有4个Cys, 而硬粒小麦谷蛋白亚基1Bx20的N端只有一个Cys[2]。HMW-GS超过85%的中部重复区由短的motif构成, 其中六肽motif PGQGQQ和九肽motif GYYPTSPQQ所占比例超过90%。x-型亚基和y-型亚基的差异主要是由中部重复区一些残基缺失、易位和重复造成的[3]。x-型HMW-GS的重复区还具有一个三肽motif (GQQ) , y-型HMW-GS的中部重复区常用亮氨酸代替九肽motif GYYPTSPQQ的第二个脯氨酸 (GYYPTSLQQ) 。六肽motif常以一前一后的顺序出现, 而三肽和九肽motif总是以散布的形式出现。HMW-GS中部重复区具有亲水性, N-端和C-端区具有疏水性。Shewry P R等认为这些结构域是HMW-GS在面筋功能中所起作用的分子基础[4]。

1.1.2 HMW-GS的二级结构特征

HMW-GS的二级结构信息一般可以通过对分离的多肽或合成肽的光谱分析获得。Field J M和Tatham A S等人利用圆二色谱对硬粒小麦中分离得到的一种HMW-GS进行了黏度特性分析, 发现中央重复区形成规则的重复β-转角, 非重复的N端和C端区在三氟乙醇溶液中表现为α-螺旋结构, 而在其他溶液中表现为无规卷曲结构[5,6]。Tatham A S等对由重复六肽motif GQQPGQG构成的序列进行圆二色谱分析和红外光谱分析发现了一种Ⅱ型β-转角。对一致序列及连接六肽和九肽motif的变化序列GQP/QGYYPTSP进行相近的研究也发现β-转角的存在, 但是由于临近酪氨酸, 酪氨酸对光谱具有吸收作用, 圆二色谱分析不能确定这种β-转角的类型[7]。转角既可以在重复motif间形成, 又可以跨过它们之间的连接形成。据预测一些转角是重叠的, 但并不清楚是否所有的转角都发生重叠, 还是那些具有最高可能性的转角才发生重叠。Belton P S等人对从硬粒小麦中分离得到的亚基1Bx20进行NMR分析和傅立叶变换红外-拉曼光谱分析验证了HMW-GS的二级结构特征[8]。

在Field J M等人工作的基础上, 又有人对HMW-GS的具体构型深入研究。Shewry P R等对pasta小麦亚基结构进行了光谱分析和流体动力学研究。30℃下亚基分子是棒形的, 空间分布从49nm×1.8nm (50% (V/V) 丙醇溶液 (0.01mol/L甘氨酸作为离子补偿) ) 至62nm×1.5nm (三氟乙醇) 。中央重复区中的规则重复β-转角构成了一种超二级结构, 使得整个蛋白呈棒形[9]。Matsushima N等利用小角X射线散射法得出这种超二级结构是一种松散的螺旋结构[10]。Miles M J等对三氟乙醇中沉淀下来的蛋白质用扫描穿隧显微镜观察, 发现斜纹状平行排列的棒状结构[11]。经傅立叶变换得到衍射模式, 证明此结构具有高度的顺序性, 过滤掉一些非周期性噪音后, 得到一个直径1.95nm、螺旋间距1.45nm的螺旋结构。Urry D W等通过对重复五肽motif合成的弹性蛋白多肽做NMR分析确定这是一种β-螺旋结构[12], 这也是此类型蛋白结构惟一通过实验方法得以确定的。这种结构由规则排列的β-转角构成, 具有1.7～1.8nm的直径, 螺旋的每一圈有大约13.5个残基。β-螺旋结构是否与小麦面筋的弹性作用机制相关尚不清楚。总的来说HMW-GS N末端和C末端富含α-螺旋, 而占主要部分的重复区多为β-转角。

1.1.3 HMW-GS结构对面粉品质的影响

Bekes F等基于哺乳动物结缔组织弹性蛋白结构建模推测β-转角使HMW-GS具有独特的弹性属性。这似乎解释了具较长重复区的亚基比具较短重复区的亚基具有更好的弹力和筋力[13]。还有一种解释小麦面筋弹性作用机制的假设就是Belton P S提出的环-链模型[14]。HMW-GS的谷氨酸含量很高, 具有形成分子内和分子间氢键的能力。Belton P S假定这种特征可能通过分子内氢键的形成而影响亚基的弹性。面团中一些氢键在加工过程中断开, 这样就形成了未成键的可移动环 (loops) 和成键的链 (trains) 。当外力移去时, 环可以伸展并再形成, 这就是具有弹力的原因, 与橡胶弹性的原理相同。

1.2 LMW-GS的结构特征

LMW-GS在麦谷蛋白中占很大比例 (约75%) , 占小麦籽粒总蛋白的1/3。LMW-GS被定位于染色体1A、1B、1D短臂上, 由紧密联锁的基因簇控制, 分别用Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3表示, 统称为Glu-3位点, 各位点存在大量的变异, 某些特定的亚基类型及含量对烘烤品质有一定的作用。研究表明, LMW-GS位点对面团黏弹性的作用以加性效应为主, 位点间互作效应也达显著水平。HMW-GS和LMW-GS位点的互作效应也影响小麦加工品质。

在SDS-PAGE图谱上, LMW-GS可以分为三种类型:B、C、D型亚基, 其中, B、C属于富硫醇溶谷蛋白, 具有含硫氨基酸 (半胱氨酸和甲硫氨酸) 残基, 能够形成二硫键, D属于贫硫醇溶谷蛋白, 很少或者没有含硫氨基酸残基。Lew E J等[15]提出另一种依照LMW-GS的N-端序列的分类法, 将LMW-GS分为两组:第一组是LMW-m和LMW-s型, 第二组是具有类似α-和γ-醇溶蛋白N-端序列的LMW-GS。几乎所有的B型亚基都属于LMW-m或LMW-s型, 而具有类似α-和γ-醇溶蛋白N-端序列的LMW-GS一般都是C型亚基。此外, 以电泳淌度和N端序列来看, D型亚基与贫硫ω-醇溶蛋白非常类似, 可以看作是ω-醇溶蛋白的变异形式。

1.2.1 LMW-GS一级结构

LMW-GS一级结构的一般模型是由基因推测得到的氨基酸序列得来的:最N端是21个氨基酸的典型信号肽, 后跟随一条约13个氨基酸的短序列 (area I) 。大多数LMW-GS基因都表达area I, 但有两个基因LP1211 (GenBank accession No. X07747) 和L4 (GenBank accession No. U86030) [16]例外。之后是一个重复区 (areaⅡ) , 由不定数量 (70～186) 的氨基酸组成。LMW-GS的重复区很短, 仅占到了蛋白序列的30～50mol%。接下来是保守的C-端区。C-端区内又定义了三个区域:areaⅢ、areaⅣ和areaⅤ。

1.2.2 LMW-GS二硫键和二级结构

分子内及分子间二硫键是LMW-GS二级结构的一个重要特征。LMW-GS一般具有8个Cys, 其中areaⅢ含有5个Cys, areaⅣ和areaⅤ各含一个Cys。N-端一般有一个Cys, 位于areaⅠ或areaⅡ。它不可能与C-端区内的半胱氨酸残基形成分子间二硫键, 这是由重复序列空间结构的稳定性造成的。C-端区内的七个半胱氨酸残基一般形成三对分子内二硫键, 剩余一个位于areaⅣ的自由半胱氨酸残基参与形成分子间二硫键, 起到与HMW-GS形成麦谷蛋白聚合体或形成LMW-GS聚合体的作用[17]。但是由于变异, 一些LMW-GS会出现半胱氨酸的添加或缺失。因此, 自由半胱氨酸残基数区分了形成聚合物的两种不同LMW-GS亚基:链延伸子——具有两个或两个以上自由半胱氨酸用于形成分子间二硫键;链终止子——仅有一个自由半胱氨酸用于形成分子间二硫键。链延伸子可以形成强度更大的面团[18]。所有完整的LMW-m型或LMW-s型序列具有8个半胱氨酸, 因此被认为是链的延伸亚基。而α-型和γ-型LMW-GS大多具有奇数个半胱氨酸。D'Ovidio R等[19]发现硬质小麦中的γ-型LMW-GS在重复区的起始位置 (position 26) 处多出一个半胱氨酸, 在这一类型的γ-型LMW-GS中共检测到9个半胱氨酸。此外就D型亚基而言, Masci S等[20]的研究认为D亚基中只有一个Cys对亚基的结构起到作用, 这一个Cys使得D亚基充当链的终止子。

除了D亚基外, LMW-GS的二级结构与富硫醇溶蛋白的结构具有整体的相似性。Thomson N H[21]用扫描穿隧显微镜观察到LMW-GS的N端重复区富含β-转角, 这些β-转角在一起很可能形成了一种螺旋状的空间结构。此外非重复区富含α-螺旋, LMW-GS中脯氨酸、丝氨酸的含量仅次于谷酰胺, 它们的存在使谷蛋白α-螺旋时被分隔, 形成大小不同的α-螺旋, 最终使其空间结构更加致密。

2 小麦蛋白结构预测与建模研究

2.1 蛋白质结构预测方法概述

目前, 蛋白质序列数据积累的速度非常快, 已知结构的蛋白质很少, 通过实验方法确定蛋白质结构仍然非常复杂, 代价较高。因此, 不能完全依赖现有的结构测定技术, 需要发展理论分析方法, 开展蛋白质结构预测的研究与应用。20世纪60年代后期, Anfinsen提出蛋白质折叠的信息隐含在蛋白质的一级结构中, 暗示了运用适当的算法, 从氨基酸序列出发可以预测蛋白质结构[22]。根据所预测的蛋白结构的层次可将蛋白质结构预测分为:蛋白质结构类型的预测、蛋白质二级结构预测和蛋白质三级结构预测。

2.1.1 蛋白质二级结构预测

蛋白质二级结构预测是从蛋白质一级序列理论预测其三维空间结构的桥梁和关键步骤。蛋白质二级结构预测不但是研究蛋白折叠问题的主要内容之一, 而且是获得新氨基酸序列结构信息的一般方法。在过去的很多年中, 科学家们提出了几十种预测蛋白质二级结构的方法。其中比较常用的方法是统计方法和基于已有知识的预测方法。近年来, 人们将人工神经网络 (简称神经网络) 方法应用到蛋白质二级结构预测的研究中, 使二级结构预测的准确率有所提高[23]。

2.1.2 蛋白质三级结构预测

目前, 蛋白质三级结构预测的方法有3种, 即同源建模 (homology modeling) 、折叠识别 (fold recognition) 和从无到有 (abinitio prediction) 。

①同源建模:

是蛋白质三维结构预测的主要方法。任何一对蛋白质, 如果两者的序列等同部分超过30% (序列比对长度大于80) , 则它们具有相似的三维结构, 即两个蛋白质的基本折叠相同, 只是在非螺旋和非折叠片层区域的一些细节部分有所不同。蛋白质的结构比蛋白质的序列更保守, 如果两个蛋白质的氨基酸序列有50%相同, 那么约有90%的 (碳原子的位置偏差不超过3 。这是同源模型化方法在结构预测方面成功的保证[24]。

②折叠识别:

某些蛋白质在结构数据库中找不到序列同源性大于30%的同源蛋白质, 但是许多序列同源性很差 (小于25%) 的蛋白质却存在相同的框架结构-折叠子 (folds) 。因此对同源性小于30%的蛋白通常采用折叠识别进行预测, 特别是“串线 (threading) "算法。折叠识别方法已经成为一种较成熟的蛋白质结构预测方法, 对于这种方法的研究已经从理论转向了实际应用[25]。

③从无到有:

在既没有已知结构的同源蛋白质、也没有已知结构的远程同源蛋白质的情况下, 上述两种蛋白质结构预测的方法都不能用, 这时只能采用从头计算法, 即直接根据序列本身来预测其结构。理论上从头计算法是最理想的一种方法, 但需要大量的运算, 并且和同源模建方法及“串线 (threading) "算法/折叠识别相比较, 目前这种方法的预测结果并不理想[26]。

2.2 蛋白质结构预测在麦谷蛋白结构研究中的应用

随着蛋白质结构预测技术的进展, 计算机分子结构预测与建模已成为研究麦谷蛋白三维结构的重要手段。由于在PDB数据库中无法找到同源性高于30%的模板, 因此麦谷蛋白结构预测大多采用折叠识别和从无到有的方法预测。

2.2.1 麦谷蛋白二级结构预测

Parchment O等[27]采用软件InsightⅡ对HMW-GS的中央部分重复区建模, 并用分子动力学的方法对模型进行优化, 得到由重复的β-转角构成的空间螺旋结构。不同的motif形成的结构有所差别, 因此建立了三个代表性模型。模型1是形成于QPGQ、YPTS、SPQQ和QGQQ处的Ⅱ型β-转角;模型2是形成于QGYY和QPGQ的Ⅱ型β-转角与形成于SPQQ和YPTS的Ⅰ/Ⅲ型β-转角;模型3是形成于QPGQ、YPTS和SPQQ的基于距离的β-转角。总的来说, 得到的三个重复区模型与光谱分析和其他实验得到的数据与结果[28,29]是一致的。

路洁霏[30]对19个LMW-GS应用PHD进行了二级结构预测, 发现其中无规则卷曲最多, 达69.51%, α-螺旋 (28.97%) 较β-折叠 (1.36%) 占有绝对优势。信号肽富含α-螺旋和少量无规则卷曲, N末端和重复区只含无规则卷曲, 而C末端除富含α-螺旋和无规则卷曲外, 还是β-折叠的惟一存在区, 分子内二硫键大都包含于或临近于α-螺旋结构。

2.2.2 麦谷蛋白三级结构预测

Cazalis R等[31]用折叠识别的方法, 发现HMW-GS Dy10亚基的N端序列的折叠方式与谷类抑制蛋白家族中的蛋白所采用的折叠一致, 就以这个家族中的已知三维结构的3个蛋白为模板对Dy10的N端域建立了3个模型。他们首先用程序SEG对氨基酸序列分割, 得到长度为119个残基的N端域 (命名Nt-Dy10) , 再用程序COIL对Nt-Dy10扫描没有发现coiled-coil结构。然后通过PSIPRED服务对Nt-Dy10进行二级结构预测。首先考虑同源建模, 为寻找Nt-Dy10的同源蛋白, 分别采用BLAST、PSI-BLAST和HHMER与PFAM结构域数据库比对, 结果很不理想。只好转向折叠识别, 采用FROST从PDB中筛选出4个蛋白 (1BEA、1BIP、1TMQ、1HSS) , 这4个蛋白均属于谷类抑制蛋白家族。分别以1BEA、1BIP和1HSS为模板用建模软件Modeller得到三个Nt-Dy10的模型:Mod-1BEA、Mod-1BIP、Mod-1HSS。作者根据模型提出关于N端域间通过二硫键相互作用的假设: (1) Cys22与Cys44、Cys10与Cys55分别形成两个分子内二硫键, 剩余一个Cys45用于形成分子间二硫键; (2) Cys22与Cys44形成分子内二硫键, 其余三个Cys用于形成分子间二硫键; (3) 还有一种假设, 虽然可能性不大, 即N端域形成寡聚, 这是因为谷类抑制蛋白家族中的蛋白质是以单体、同型或异型二聚体的形式存在的。

此外, 我们采用折叠识别的方法对1By15亚基长度为110个氨基酸的N端区 (去除信号肽) 进行三维结构预测 (图1) , 初步结果表明Cys10与Cys55、Cys22与Cys44之间能形成分子内二硫键, 而Cys45作为自由半胱氨酸参与形成分子间二硫键。此结果与Cazalis R等[31]提出的关于y型亚基N端半胱氨酸成键情况的假设一致。

K⌀hler P等[32]对Dx5与Bx7 N端域的氨基酸序列 (1～50) 建模以建立蛋白质空间结构与亚基品质差异的联系。首先通过Predict Protein server对亚基进行二级结构预测, Dx5的5～32氨基酸段形成连续的α-螺旋。再利用分子模型软件Quanta 4.0/CHARMm 23.1得到N端序列的三维结构。Dx5的模型中, 处在α-螺旋中的Cys10和25的硫原子相距大约2.2nm, 这样的距离不可能形成二硫键。Cys40的相对位置不能确定, 这是因为它周围环结构的转角不能确定。模型并不排除Cys40或Cys96与其前面任一Cys形成分子内二硫键, 但Dx5亚基N端4个Cys形成两个分子内二硫键可能性不大, 因为Dx5亚基必须通过N端区形成两个或四个分子间二硫键, 否则无法仅由C端区形成大分子聚合物。K⌀hler P又用同样的方法对Bx7亚基进行结构预测, 最终得到的Bx7 N端的三维结构:Cys10和Cys17的硫原子相距约0.43nm, 完全可以形成分子内二硫键, 这与他本人1993年得到的实验结果一致, 这也解释了Bx7形成麦谷蛋白聚合物的能力明显逊于Dx5的原因。

Masci S等[33]对分离得到的一种LMW-GS (命名为42k LMW-GS) 进行全长建模, 主要研究分子内和分子间二硫键的形成。首先用Rost和Sander开发的PHD程序 (5.94-317版本) 进行二级结构预测, 再利用工作站运行的Quanta 4.0/CHARMm 23.1进行分子建模, 得到蛋白质的三级结构, 为了避免二硫键的接入造成PHD指定二级结构发生扭曲, 除PHD指定二级结构所在的氨基酸残基以外的其他残基的扭转角必须进行一系列调整, 包括在二硫键接入前, 频繁的能量最小化以保证形成二硫键的两个半胱氨酸距离足够接近 (1nm以内) 。由于蛋白质分子太大以及水溶剂的半经验力场的限制, 对得到的蛋白质分子结构没有做水合作用的研究。

3 展望

从小麦谷蛋白分子结构的研究进展可以看到, 传统的化学方法依然是获得麦谷蛋白分子结构最直接、最可靠的手段。运用这类方法对HMW-GS的N端、C端和中央重复区的二级结构, 特别是对中央重复区已进行了深入细致的研究, 得到不同motif构成的中央重复区的序列片段的超二级结构。对于LMW-GS, 也有N端重复区和非重复区二级结构的研究报道, 但相对HMW-GS这方面研究还显欠缺。

麦谷蛋白属于大分子蛋白, 三维结构预测很难得到其完整结构, 一般都是对局部进行结构预测;在PDB数据库中, 目前没有发现与麦谷蛋白同源性超过30%的蛋白质序列, 这也就意味着找不到同源建模方法所需的模板, 一般都采用折叠识别或从无到有的方法对局部序列进行机构预测。蛋白质结构预测方法在研究麦谷蛋白亚基二级结构和分子内、分子间二硫键方面, 即亚基对品质的影响方面, 起到了独特的作用。采用蛋白质结构预测得到的结果与化学分析技术得到的结果基本一致, 这也进一步说明了蛋白质结构预测方法的科学性和合理性。

蛋白质结构预测存在一定风险, 需要用实验结果来验证模型的准确度, 所以更多地采用计算机建模与化学分析相结合的方法研究小麦蛋白。随着基因组学、蛋白质组学、分子生物学以及分离提取技术的发展, 人们获得能用于结构解析实验的生物大分子样品速度大大提高。化学分析技术的进步令高通量结构测定逐渐成为可能, 预测生物大分子结构的软件及服务也在不断发展, 帮助人们更深入了解生物大分子的结构。这些技术方法的应用将有助于了解小麦亚基的作用机制以及亚基之间的相互作用对小麦品质的影响。

摘要：小麦谷蛋白是影响面团弹性及烘焙品质的重要因素, 有机大分子的结构决定其功能性, 因此了解小麦谷蛋白的结构与组成是研究面粉品质的基础。本文综述了近年来国内外利用蛋白质分离技术、多肽合成技术、质谱光谱分析技术及扫描穿隧显微技术等对麦谷蛋白亚基分子结构研究取得的成果, 介绍了利用此类技术所获得的麦谷蛋白分子一级、二级结构的特征以及这些特征对面筋功能的影响, 并回顾了生物信息学中的蛋白质结构预测方法在麦谷蛋白分子结构研究领域的应用, 在此基础上对麦谷蛋白亚基内或亚基间二硫键形成模式进行了讨论。

结构蛋白 篇6

鹅细小病毒病又称小鹅瘟[2]。以雏鹅小肠纤维素性、栓塞性病变为主要特征[3,4], 具有病程短促、传播快、死亡率高等特性。番鸭细小病毒病俗称三周病[5], 以腹泻、气喘及胰脏坏死和出血为主要特征, 发病率与死亡率达40%~50%。

1995年, Z.Zádori等[6]首次发表了鹅细小病毒与番鸭细小病毒的全基因组序列。基因组含2个开放阅读框 (ORF) 。左侧ORF编码2个非结构蛋白NS1和NS2, 主要参与病毒DNA的复制及调节基因的表达;右侧ORF编码3个结构蛋白VP1、VP2和VP3, 其中VP3是主要的衣壳蛋白, 含有免疫保护性抗原[6,7], 能诱导产生具有中和作用的抗体。

1 材料与方法

1.1 毒株与主要试剂

大肠杆菌DH5α感受态细胞、番鸭细小病毒DK、DYL毒株和鹅细小病毒ZJ、G3、LJY毒株, 均由中国农业科学院哈尔滨兽医研究所水禽细菌病研究组保存;DNA提取试剂盒和质粒小提纯化试剂盒, 购自杭州爱思进生物技术有限公司;r Taq DNA聚合酶、胶回收试剂盒, 购自上海华舜生物技术有限公司;p MD18-T载体, 购自宝生物工程 (大连) 有限公司。

1.2 引物

根据Gen Bank中全基因组序列, 对番鸭细小病毒和鹅细小病毒分别设计2对引物, 见表1, 引物均由博仕生物技术有限公司合成。

1.3 病毒核酸片段的PCR扩增

参照DNA提取试剂盒说明书提取病毒DNA, -20℃保存, 备用。PCR体系 (总体积为50μL) :病毒DNA 3μL, 相应上、下游引物 (20 pmol/L) 各1μL, r Taq DNA聚合酶25μL, 用dd H2O补充至50μL。扩增程序:94℃5 min;94℃30 s, 54℃30 s, 72℃1 min, 共30个循环;72℃10 min, 最后于4℃保存, 备用。

1.4 病毒基因的克隆、序列测定与分析

参照胶回收试剂盒说明书进行纯化回收, 用p MD18-T载体连接, 连接产物转化大肠杆菌DH5α感受态细胞, 涂布于含氨苄西林的LB琼脂平板上, 37℃倒置培养12~16 h, 采用PCR方法鉴定重组质粒, 阳性质粒送博仕生物技术有限公司测序。用Lasergene v7.1 DNAStar软件进行序列拼接, 并与GenBank中的其他基因序列比对分析。

2 结果与分析

2.1 PCR扩增结果

用2对引物扩增得到的PCR产物大小均为1 000 bp, 扩增结果与预期片段大小相符, 见图1。

2.2 序列分析

利用Lasergene v7.1 DNAStar软件进行序列拼接后, 得到的鹅细小病毒和番鸭细小病毒结构蛋白基因序列大小为2.1 kb, 利用Meg Align中的Clustal W方法, 对DK、DYL、ZJ、G3、LJY这5株毒株序列与其他16株基因组序列 (其中鹅细小病毒序列13个, 番鸭细小病毒序列3个) 结构蛋白的氨基酸序列进行比对, 观察其同源性。

1.DL-2 000 Marker;2~3.PCR扩增结果。

结构蛋白包括VP1、VP2和VP3, 终止于同一个密码子, 长度分别为2 199, 1 764, 1 605 bp, 分别编码732, 587, 534个氨基酸。

鹅细小病毒VP1蛋白氨基酸序列的同源性为95.1%~100%, G3、ZJ和LJY毒株之间VP1蛋白的同源性分别为96.9%、96.2%、96.3%;番鸭细小病毒之间的同源性为96.9%~99.3%, DYL和DK毒株之间的同源性高达98.9%;鹅细小病毒和番鸭细小病毒之间的同源性为85.1%~88.3%, 鹅细小病毒ZJ毒株与番鸭细小病毒FM毒株之间同源性最低 (85.1%) 。

鹅细小病毒VP2蛋白氨基酸序列的同源性为95.2%~100%, G3、ZJ和LJY毒株之间的同源性分别为96.1%、96.3%和97.4%;番鸭细小病毒之间的同源性为96.6%~99.3%, DK和DYL毒株之间的同源性为98.6%;鹅细小病毒和番鸭细小病毒之间的同源性为85.5%~88.1%, 鹅细小病毒ZJ毒株与番鸭细小病毒FM、DK毒株之间的同源性最低 (85.5%) 。

鹅细小病毒VP3蛋白氨基酸序列的同源性为95.0%~100%, G3、ZJ和LJY毒株之间的同源性为96.3%、96.3%和97.9%;番鸭细小病毒之间的同源性为96.8%~99.4%, DK与DYL毒株之间的同源性为98.5%;鹅细小病毒与番鸭细小病毒之间的同源性为88.4%~91.0%, 番鸭细小病毒DK毒株与鹅细小病毒GDa GPV毒株之间的同源性最低。

结构蛋白在氨基酸水平上, 同为鹅细小病毒的3个毒株与标准毒株B相比分别有41, 79, 74个碱基差异, 引起的氨基酸改变分别有23, 30, 17个;而番鸭细小病毒DK毒株与DYL和FM毒株相比有43, 35个碱基改变, 引起的氨基酸改变分别有23, 17个。无论是鹅细小病毒毒株还是番鸭细小病毒毒株, 氨基酸改变主要集中在VP3区域, 并且鹅细小病毒较番鸭细小病毒变化较多。通过Net NGlyc 1.0 Server预测潜在糖基化位点, 发现番鸭细小病毒2个毒株均含有8个糖基化位点, 而鹅细小病毒一般只有4~6个糖基化位点, 除了均存在与番鸭细小病毒相同的前2个位点 (即219~221 NAS和331~333 NLT) 外, 不同鹅细小病毒毒株在VP区缺少1~2个位点。ZJ毒株含有全部6个糖基化位点, 而G3和LJY毒株只含有5个糖基化位点, 分别缺少582~584 NTT和703~705NRT。

2.3 进化分析

利用Mega5.2软件中Neighbor Joining (NJ) 法绘制结构蛋白的遗传进化树。在结构蛋白基因水平上, 鹅细小病毒可分为2个基因亚群, 即a亚群和b亚群, 见图2~4。a亚群为中国亚群, 主要包括中国大陆各地区及台湾省的毒株, LJY毒株就位于这个亚群, 与安徽E株接近;b亚群为混合亚群, 其中包含中国台湾省、匈牙利及德国的毒株, G3和ZJ毒株位于这个亚群, 与德国VG32/1毒株接近。同为番鸭细小病毒的DK和DYL毒株与上海市的P毒株比较接近。

3 讨论

1995年, Z.Zádori等[6]首次发表了鹅细小病毒与番鸭细小病毒的全基因组序列, 了解到2种细小病毒的基因组都包含2个ORF, 右侧的ORF编码结构蛋白VP1、VP2和VP3, 其中编码结构蛋白的3个基因是2种细小病毒的主要免疫原基因, 且在病毒装配过程中, VP3蛋白主要在病毒衣壳的表面, 是病毒最主要的保护性抗原。VP3蛋白为病毒提供了保护性抗原, 那么它的多变就可以更好地避免外界对病毒自身的破坏。鹅细小病毒相对于番鸭细小病毒在结构蛋白VP3区域变化较多, 这就使得鹅细小病毒可以更好地逃避宿主的免疫系统, 从而导致鹅细小病毒感染鹅与番鸭;而番鸭细小病毒只能感染番鸭。相对于番鸭细小病毒, 鹅细小病毒糖基化位点的缺失从另一个角度说明了免疫逃逸的问题, 糖基化位点是病毒感染宿主必不可少的区域, 那么它的缺失就会产生不同的宿主范围。有研究猜测, 糖基化位点的缺失还可能与毒力的改变有关, 但是否有直接关系, 还需要进一步研究。当糖基化位点数目相同时, 缺失不同位置的糖基化位点对毒株的影响也同样需要进一步研究。从遗传进化树的分析结果可以看出, 鹅细小病毒结构蛋白有明显的遗传特性, 但不同地区的毒株有较高的亲缘性, 这可能是由于水禽业的发展, 各地区的品种改良及外来品种的引进加速了不同地区病毒基因的交流, 使其更加多样化, 然而番鸭细小病毒的遗传特性不甚明显, 没有明显的分支, 基因组同源性相对较高, 糖基化位点也一直保持不变, 到底是什么原因导致番鸭细小病毒相对低变, 还需要进一步分析。

参考文献

[1]张云, 耿宏伟, 郭东春, 等.鹅和番鸭细小病毒全基因克隆与序列分析[J].中国预防兽医学报, 2008, 30 (6) :415-419.

[2]TAKEHARA K, NISHIO T, HAYASHI Y, et al.An outbreak of Goose parvovirus infection in Japan[J].J Vet Med Sci, 1995, 57 (4) :777-779.

[3]殷震, 刘景华.动物病毒学[M].2版.北京:科学出版社, 1997.

[4]甘孟侯.中国禽病学[M].北京:中国农业出版社, 1999.

[5]刘惠丽, 李震, 王英, 等.雏番鸭细小病毒病病毒分离鉴定[J].上海农业学报, 2001, 17 (1) :54-58.

[6]ZDORI Z, STEFANCSIK R, RAUCH T, et al.Analysis of the complete nucleotide sequences of Goose and Muscovy duck parvoviruses indicates common ancestral origin with adeno-associated virus[J].Virology, 1995, 212 (2) :562-573.

结构蛋白 篇7

羊毛主要组成物质是角朊蛋白质, 由近20种α-氨基酸以—CO—NH—肽键构成多肽长链。大分子间除依靠范德华力、氢键结合外, 还通过盐式键、二硫键、酯键相结合而使其大分子具有网状结构。尤其二硫键的存在, 致使羊毛不溶于水并具有较强的耐酸能力, 打开二硫键并保持羊毛大分子主链的完整是溶解羊毛的关键[1,2]。目前将废弃毛溶解制取角蛋白溶液, 在缓释肥料[3]、再生蛋白纤维[4,5]、薄膜[6,7]以及组织工程支架[8,9]等材料领域, 已取得较大进展。大分子角蛋白作为一类天然高分子材料, 具有良好的生物亲和性及可降解性等优良特性[10,11], 具有类似羊毛纤维的结构, 但纯羊毛角蛋白膜在干燥条件下脆、硬、易折裂的特点, 极大地限制其使用。同时我国羊毛资源丰富, 每年废弃的毛数量巨大, 造成环境污染及资源浪费[12]。为实现废旧羊毛的再生利用, 扩展角蛋白资源的应用领域, 对其改性制备优良使用性能的膜材料及其功能材料势在必行。

聚合物共混是改善角蛋白性能的主要手段之一, 通过共混可使不同聚合物之间产生强烈的相互作用, 利用能够与蛋白质分子形成氢键和静电作用力的聚合物与其共混, 即可提高纯角蛋白膜的使用性能[13,14]。张华林[15]等利用高浓度、高黏度、高制成率的羊毛角蛋白与羧甲基壳聚糖 (NOCC) 及增塑剂甘油, 通过机械共混法制膜, 结果表明, NOCC的加入明显改善了纯角蛋白膜材料的物理机械性能, 添加甘油使共混膜具有良好的弹性和韧性。王辉[16]等研究了羧甲基纤维素钠共混改性丝素蛋白膜的结构与性能, 结果表明:加入羧甲基纤维素钠的共混膜, 丝素蛋白含量大于70%时, 拉伸强度适中, 伸长率最大, 适合作医用创面材料。但共混改性存在高分子材料相容性较差的缺点, 并且增塑剂多与高分子材料形成氢键次级键作用, 在膜的耐水性能方面有待改善, 所以交联改性方法值得借鉴。马春辉等[17]研究了交联改性制备胶原蛋白膜, 配制胶原蛋白溶液, 依次加入淀粉、戊二醛、增塑剂增稠, 真空脱气后涂布于光滑玻璃板上, 干燥后揭膜, 戊二醛起到交联改性作用。冯治平等[18]利用交联作用改善大豆分离蛋白膜的保藏特性, 提高其阻湿性和抗拉强度。结果表明:经0.04%二醛或0.2%环氧氯丙烷交联后, 大豆分离蛋白膜的阻湿性分别下降5.7%和5.1%。抗拉强度提高35%和33%。经二醛交联过的大豆分离蛋白膜用于葡萄的保藏试验, 能明显防止葡萄的褐变, 延缓营养成分损失, 有效延长保藏时间。由于丝素蛋白、胶原蛋白、大豆蛋白与羊毛角蛋白在结构上类似, 以上方法可以借鉴。

本研究的前期工作是利用实验室自行提取的羊毛角蛋白溶液, 与羟甲基纤维素钠溶液共混, 并添加山梨醇做增塑剂, 制取共混膜, 但膜材的耐水性能较差。故本研究改用添加交联剂戊二醛, 对原料高分子进行交联改性。戊二醛分子式为C5H8O2, 是典型的双功能团试剂, 2个醛基 (—CHO) 可与羊毛角蛋白氨基 (—NH2) 发生醛化缩合反应, 共价结合, 与伯氨基作用形成环状吡啶结构, 基本原理如图1 (a) 所示, 在一定条件下交联剂能将单体、线型高分子转变成复杂三维网状结构, 交联度亦能达到很高程度, 醛化反应使肽链链段排列更加紧密。此外戊二醛与蛋白质的交联反应比较复杂, 也可能发生类似以下的结合, 3个戊二醛分子与一个氨基酸侧链反应可以生成图1 (b) , 醛基与氨基缩合生成希夫碱结构后, 再进一步反应, 多个 (b) 缩合连接构成图1 (c) , 形成共轭结构与环状结构的稳定结合[19]。添加戊二醛可以优化复合膜的机械性能、耐水性能、弹性与柔韧性, 本研究将深入探讨交联剂对复合膜各方面性能的影响。

1 试验部分

1.1 原料与仪器

废旧羊毛, 山东棉纺厂;

羟甲基纤维素钠 (CMCNa) , 食品级, 其重均分子质量5.0×105g/mol (黏度为300~800m Pa·s, 替代度中级D.S 0.75~0.9) , 天津市标准科技有限公司;

亚硫酸氢钠、溴化锂、十二烷基磺酸钠 (SDS) 、氢氧化钠、戊二醛, 均为分析纯, 上海嘉辰化工有限公司。

所有仪器由天津工业大学分析测试中心提供。

1.2 羊毛角蛋白的制备

称取一定质量羊毛, 加入还原剂Na HSO3/金属盐Li Br/表面活性剂SDS溶解体系, 调节适宜p H值和温度, 通入纯氮气隔绝空气反应若干时间后, 得到浅黄色、透明的羊毛角蛋白溶液, 经截留分子质量 (8 000~14 000) 透析袋流动水透析48h, 再用去离子水透析24h, 去除残余试剂和小分子多肽蛋白, 便得到了大分子羊毛角蛋白原液[20]。

1.3 复合膜的制备

配制一定质量浓度的羊毛角蛋白溶液, 同时将羟甲基纤维素钠粉末在50℃水浴下搅拌溶解于去离子水中, 配制成一定浓度的CMCNa溶液, 通过溶液共混方法将二者以一定配比混合, 并加入适量的交联剂戊二醛, 在一定温度、时间下搅拌均匀后得到制膜液, 静止稳定后倾倒于制膜容器中, 37℃下烘干1h, 室温下自然干燥成膜。根据之前制备羊毛角蛋白/羟甲基纤维素钠共混膜正交试验的研究[21], 羟甲基纤维素钠对膜的性能影响最大, 反应温度和时间影响较小, 故本研究在反应温度37℃, 反应时间1h, 羊毛角蛋白/CMCNa质量比5∶5条件下, 进行复合膜的制备。

1.4 力学性能测试

参照国标GB1039-79和GB1040-79, 采用织物拉力仪测试复合膜的拉伸强度和断裂伸长率。将膜材在真空干燥箱里烘24h, 用千分尺在样品上选取3点测厚度, 计算得平均厚度。取制备好的厚度相近的膜 (0.175±0.005mm) , 用裁样刀裁成长条型试样, 样品宽度为15mm, 夹持长度为30mm, 测试温度为室温, 湿度为 (65+5) %, 样品最终取值均由5次独立的测试结果求平均值得到, 织物拉力仪定速拉伸速度为100mm/min。拉伸强度和断裂伸长率的计算如下式所示:

1.5 含水率测试

膜在20℃、RH=65%条件下达吸湿平衡24h后, 取膜Wa (g) 放于烘箱中干燥48h, 烘至恒重, 称重Wb (g) 。计算其中所含水分质量占膜原质量的百分比, 每种样品均做5个平行试验, 取平均值。利用下面公式计算复合膜含水率:

1.6 溶失率测试

将膜精确称重Wa (g) 后, 置于盛有蒸馏水的锥形瓶中, 于37℃下放置30min后, 取出烘干至恒重, 再称重Wb (g) 。利用下面公式计算膜的溶失率:

1.7 透气率测试

按照国家标准GB/T12704-1991织物透湿性测定方法—透湿杯法进行:杯内装入10m L蒸馏水, 膜封装在杯口, 测试试样组装体于38℃环境中, 每隔1h测定1次, 重复5次。利用下面公式计算膜的透气率Qv:

式中:Gi为每次称量的透湿杯重量, g;

n为称量的次数;

t为称量的相隔时间, h;

A为膜的有效面积, m2。

1.8 扫描电镜测试

取力学性能良好的复合膜样品, 经干燥、喷金处理, 利用H-7650型扫描电镜测试并获得电子照片。

1.9 红外光谱测试

将膜样品剪成粒径小于40mm的粉末, KBr压片制样, 采用德国BRUK-ER公司TENSOR37型红外光谱仪测定膜样品的红外光谱。

1.10 X-射线测试

利用X-射线在晶体上产生的衍射现象, 可以从分子水平上分析物质的内部结晶状态以及晶体晶面在材料内部的取向。本试验利用X-多晶粉末射线衍射仪观测复合膜的晶体结构。

2 结果与讨论

2.1 实物膜对比

由图2 (a) 可以看出:纯羊毛角蛋白膜呈现小碎块状态, 无法形成整片膜, 羊毛角蛋白溶液干燥成膜后硬且脆, 轻触即碎裂, 力学性能较差, 需改性以提高应用性能。由图2 (b) 可知:纯羟甲基纤维素钠具有成膜性, 能够形成整膜, 但膜偏硬, 柔韧性和弹性欠缺, 无拉伸性, 以上二者均不能满足力学性能测试要求。图2 (c) 为力学性能较好的复合膜实物图, 表面光滑、半透明、均匀有一定柔韧性和弹性, 并且膜材具有一定厚度。

2.2 复合膜的表观形态

由图3 (a) SEM照片可以看出复合膜成膜效果比较理想, 表面无明显孔隙和较大裂缝, 复合膜内各组分相容性良好。图3 (b) SEM照片显示复合膜断面比较致密均匀, 各组分已达到分子结合水平。膜的表面出现的细小纹路可能是由于测试过程中温度偏高以及膜具有一定的含水率未进行脱气处理所致。

2.3 交联剂用量对膜力学性能的影响

由图4可以看出:复合膜的拉伸强度和断裂伸长率均随戊二醛浓度的增加而增加, 当戊二醛浓度为0.15%时, 复合膜具有最大断裂伸长率26.3%, 同时拉伸强度为40.1MPa。因为戊二醛与角蛋白分子的侧链集团形成密集的交联网状结构, 在戊二醛浓度较小的区域范围即可对羊毛角蛋白分子进行较大程度的改性, 促使原料分子内部结晶区域改变, 相应力学性能发生变化, 改善膜的柔韧性及弹性。当戊二醛浓度在0.15%~0.25%区间, 膜的断裂伸长率急剧下降至5%左右, 几乎难以拉伸伸长, 同时浓度在0.2%~0.25%区间, 膜的拉伸强度也大幅下降。当戊二醛浓度过大, 交联程度增加, 复合膜材料趋向硬化, 柔韧性急剧下降, 脆裂程度增大。在试验中观察, 随戊二醛浓度增加, 制膜液颜色由透明逐渐变至白色, 气泡也渐增多, 当戊二醛在浓度范围0.1%~0.2%之间, 复合膜的强度和拉伸性能较好, 戊二醛浓度超过0.2%, 膜材表现出硬且易裂的状态, 成膜性差。综合以上分析, 戊二醛最佳用量在0.15%, 兼具较好的拉伸强度和断裂伸长率, 并且膜材透明均匀, 弹性好易揭取。

2.4 交联剂用量对膜含水率的影响

膜材的含水率主要与各组分的亲水基团数目相关, 羊毛角蛋白和CMC-Na分子自身都含有一定数目的亲水基团, 故复合膜具有一定的含水率。由图5可知膜的含水率随戊二醛浓度的增加而逐渐减小, 从起始的9.25%至3.48%, 下降趋势明显。首先角蛋白与CMCNa分子间形成氢键缔合, 使膜内部的亲水基团减少, 另外主要因为戊二醛结构中含2个醛基, 与角蛋白分子氨基发生醛化缩合反应, 形成不可逆的共价结合, 使角蛋白分子间氢键作用明显减弱, 交联改性作用突出, 分子间形成紧密而复杂的交联网络结构, 促使原料分子中的亲水基团不断减少, 导致含水率明显下降。在戊二醛浓度为0.15%时, 复合膜具有最佳力学性能, 其含水率为7.05%。

2.5 交联剂用量对膜溶失率的影响

溶失率是膜材料的重要指标, 反应膜的耐水性能, 对膜材料的应用领域起到至关重要的作用。由图6可以看出随戊二醛浓度的增加, 膜的溶失率呈显著下降趋势。因为戊二醛与原料分子形成交联网状紧密结构, 浓度越高, 形成的交联程度越大, 膜越致密, 硬度强度越大, 溶失率下降幅度也较大, 与膜的力学性能相对应。当添加戊二醛浓度范围在0.1%~0.2%区间, 复合膜的力学性能良好, 其溶失率也较小在10%~20%之间, 耐水性较好。尤其在戊二醛浓度为0.25%时, 溶失率最小可达6.80%, 但此时的复合膜偏硬化趋势, 拉伸性与弹性均不理想。由此可说明添加戊二醛的复合膜的耐水性能较好, 形成的膜材在厚度、强度、韧性和耐水性方面, 均强于添加山梨醇做增塑剂的共混膜材料。

2.6 交联剂用量对膜透气率的影响

由图7可以看出:在戊二醛浓度范围0.05%~0.1%时, 膜的透气率逐渐增加, 因为角蛋白与CMCNa分子间形成氢键次级键作用, 另外戊二醛起交联作用, 与原料分子间构成不可逆的键合作用及大量交联网状结构, 打破原有分子间的结晶结构, 各分子间空隙增加, 膜的透气性能增强。当戊二醛浓度0.1%时, 透气率达到最高点74.5g/m2·h, 同时0.1%浓度亦形成分界, 即透气率下降的拐点, 随着戊二醛浓度的增大, 在0.1%~0.25%范围区间, 交联程度显著增大, 分子间密集的交联结构增加, 复合膜内部结晶区域增大, 膜材料更加致密, 厚度硬度极大增加, 透气性明显下降, 当戊二醛浓度为0.25%时, 透气性下降至30g/m2·h以下。

2.7 红外光谱分析

由图8a可知:纯羊毛角蛋白膜经红外光谱测试, 在1 650.0、1 537.5cm-1分别为α-螺旋型构象的酰胺Ⅰ和Ⅱ带的强特征吸收处出现强吸收峰, 表明是以α-螺旋型构象为主的羊毛角蛋白。另外在3 434.1、1 457.5cm-1处均有特征吸收峰, 属于酰胺键 (—CONH) 伸缩振动范围, 证明羊毛角蛋白膜中含有大量酰胺键的多肽分子结构, 并以α-螺旋型构象为主。羟甲基纤维素钠膜的红外光谱如图8b所示, 1 582.1cm-1处为羟甲基基团的特征吸收峰, 3 597.3cm-1处的吸收峰, 表明是羟甲基纤维素钠中—OH的振动峰, 此处振动峰的吸收强度比较大, 是由于羟甲基纤维素钠中的—OH基团比较多。由复合膜的红外光谱图8c对比图8a和图8b可以看出:羊毛角蛋白膜的1 650.0、1 537.5cm-1酰胺Ⅰ和Ⅱ带的强吸收峰明显向低波数偏移至1 643.8、1 414.2cm-1, 且吸收峰趋向平缓, 同时3 434.1cm-1酰胺键 (—CONH) 伸缩振动特征吸收峰也向低波数偏移至3 291.1cm-1。图8b中1 582.1cm-1和3 597.3cm-1处的特征吸收峰消失, 这是由于羊毛角蛋白分子与羟甲基纤维素钠分子之间形成氢键缔合, 纯角蛋白和羟甲基纤维素钠分子结构均发生改变, 同时证明了复合膜组分分子间存在分子水平的强烈相互作用, 在交联剂戊二醛作用下, 复合膜内部实现良好的分子间结合, 纯角蛋白膜得到充分改性, 复合膜材的各性能得以改善。

2.8 X-射线分析

由文献[22]可知羊毛角蛋白在2θ为6°和18°有2个较平缓的特征衍射峰, 内部存在结晶结构, 羟甲基纤维素钠膜在2θ=21°有强衍射峰, 在2θ=15.5°有弱衍射峰, 说明其有2种结晶结构的存在。若复合膜中各组分没有相互作用, 则在膜中会有各自的结晶区, 衍射图谱会相应表现为各组分按混合比例简单的叠加。由图9a可以看出:角蛋白/CMCNa/戊二醛复合膜衍射图谱中在2θ为4.6°和7°出现2个明显尖锐的特征衍射峰, 结晶度较为集中突出。相比纯角蛋白和CMCNa发生了较大变化, 原有组分衍射峰消失。如果角蛋白、CMC-Na与戊二醛没有相互作用或作用较弱, 复合膜中将会出现各自组分的结晶区域, XRD图谱将会出现各自的衍射峰。添加戊二醛的复合膜体系, 因戊二醛的交联改性作用, 改变原有组分的结晶状态, 分子间形成强烈的相互作用, 导致膜的内部结构存在新的结晶区域, 且结晶度较大, 以此说明戊二醛交联改性的成功。由图9b可以看出:角蛋白/CMCNa/山梨醇共混膜的XRD图谱, 由于山梨醇的增塑效果, 与角蛋白和CMCNa形成强烈的氢键作用, 破坏了原有组分的晶体结构, 角蛋白与CMCNa原有的衍射峰消失, XRD曲线比较平缓, 没有特别突出的衍射峰, 结晶度不大。以上分析证明复合膜各组分之间具有很好的相容性, 存在强烈的分子水平相互作用。由剪纸称重法得出结晶度:角蛋白/CMCNa/戊二醛复合膜>角蛋白/CM-CNa/山梨醇共混膜。

a.羊毛角蛋白膜的FTIR曲线;b.CMCNa的FTIR曲线;c.角蛋白/CMCNa/戊二醛复合膜的FTIR曲线

3 结论

结构蛋白 篇8

蛋白质的三维结构预测问题实质上是在巨大解空间中寻找最优解的问题。本文基于AB非格点模型, 采用改进的细菌觅食算法 (Bacteria Foraging Optimization, BFO) 对蛋白质三维结构进行了预测。实验结果表明, 本文方法可以得到相应蛋白质链的近似最优构型。

2 AB非格点模型

AB非格点模型是一种利用神经网络的蛋白质预测模型。在AB非格点模型中, 氨基酸残基类型用一系列二进制变量ζ1, …, ζn表示, 若第i个残基是A, 则ζi=1, 若第i个残基是B, 则ζi=-1。蛋白质预测问题可以转化成在解空间找到合适的末端键角θi (-π, π) (i=2, …, n-1) 使得分子内势能函数φ (θ) 达到最小值的约束最小值问题:

3 基于改进BFO的蛋白质三维结构预测

BFO是一种仿生随机算法, 虽然该算法有诸多优点, 但在解决高维问题时仍存在早熟问题。本文将交叉和变异算子引入到标准BFO算法的繁殖操作中, 提高算法的收敛性能和寻优速度。然后将改进后的BFO算法应用到蛋白质三维结构预测, 以确定末端键角θi (i=2, …, n-1) 。算法具体步骤如下:

Step1:初始化算法参数, 包括细菌种群大小N、细菌的移动步长C、细菌最大前进次数Ns、趋化算子次数Nc、繁殖算子次数Nre和迁徙算子次数Ned。

Step 2:随机初始化菌群位置, 并设置循环变量。

Step 3:进入标准BFO算法的趋势循环执行趋势化操作。

Step 4:进入繁殖循环, 执行改进繁殖操作。首先, 将按式 (1) 计算出的适应度函数值按从小到大排序, 选出最优细菌作为精英细菌。然后, 按式X1 (i) =λX (i) + (1-λ) X (best) 将适应度较差的N/2个细菌与精英细菌进行杂交生成N/2个新细菌, 其与未进行交叉操作的N/2个细菌组成新的子细菌群X1' (i) , 其中λ为[0, 1]间均匀分布的随机数。再次, 按式X2 (i) =X (i) +Y对适应度值较好的N/2个细菌进行变异操作, 生成N/2个新细菌, 其与未进行变异操作的N/2个细菌组成新的子细菌群X2' (i) , 其中Y服从标准正态分布。最后, 将子细菌群X1' (i) 和X2' (i) 中适应度值最优的前N个细菌挑选出来替换原细菌群。

Step 5:入标准BFO算法的迁徙循环执行迁徙操作。

Step 6:如果没有满足终止条件, 则返回Step 3;否则, 退出算法, 得到最优解。

4 实例分析

为了验证本文中的蛋白质三维结构预测方法的有效性, 使用国际上常用的算例-斐波拉切数列进行预测。为了比较, 这里还使用了PERM算法进行预测。改进BFO算法的参数设置如下:细菌种群大小N=40、细菌的移动步长C=0.05、细菌最大前进次数Ns=3、趋化算子次数Nc=40、繁殖算子次数Nre=5和迁徙算子次数Ned=5。实验结果如表1所示。从表1中可以看出, 相对于PERM算法, 本文算法得出的最优能量值更接近于目前被公认最优的PERM+共轭梯度法的能量值, 且在一定范围内序列长度越大, 本文算法的预测效果越好。

5 结语

为了克服传统BFO易早熟的缺陷, 本文使用交叉和变异算子改进传统BFO算法的繁殖操作, 并将其应用在基于AB非格点模型的蛋白质三维结构预测问题中。实验结果表明, 与其他方法相比, 本文方法不仅可以得到相应蛋白质链的近似最优构型, 而且对于长序列预测有一定的优势。

摘要：本文首先将交叉和变异算子引入到传统BFO算法的繁殖操作中, 以克服标准BFO易早熟的缺陷。然后基于AB非格点模型, 将改进后的BFO应用在蛋白质三维结构预测问题中。实验结果表明, 与其他方法相比, 本文方法不仅可以得到相应蛋白质链的近似最优构型, 而且对于长序列预测有一定的优势。

关键词：细菌觅食算法,蛋白质三维结构,预测

参考文献

[1]高冶.基于二级结构的蛋白质三维结构预测方法研究[D].海南大学 (硕士学问论文) , 2013 (04) .

结构蛋白 篇9

自从1987年S.John[1]和E.Yablonovitch[2]分别提出光子晶体的概念,光子晶体这种介电常数成周期性变化的材料得到广泛关注。这主要是因为光子晶体会使入射入其中的电磁波受到调制而形成带隙结构,这种带隙结构称为光子带隙,又称光子禁带。此外,光子晶体还具有光子能带、光子局域、反常折射等特点。光子晶体的研究曾经两度被Science杂志评为年度自然科学领域中十项重大突破之一。

自然界中存在很多天然的光子晶体结构,例如蝴蝶翅膀上的绒毛、很多种鸟类的羽毛、有些甲壳虫的外壳等,在电子显微镜下都能观察到光子晶体结构。尤其有一种叫蛋白石的宝石受到广泛关注,这种石头在光照下,从不同角度能够观察到斑斓的色彩。在电子显微镜下观察,蛋白石是由很多几百纳米微球在空气中密堆积的三维有序阵列,呈面心立方(FCC)结构,所以将这种结构称为蛋白石结构,如图1(a)所示。反蛋白石结构如图1(b)所示,顾名思义就是蛋白石的反演结构,是由很多几十到几百纳米的空气球在某种材料中密堆积成三维有序阵列。反蛋白石结构光子晶体是一类重要的光子晶体,其制备材料广泛、存在完全光子带隙,而且表现出很多特殊的结构性质,比如具有大的比表面积、连通的孔洞结构等。基于这些特性,反蛋白石结构光子晶体可进行自发辐射的调制、能量传递的调制、增大物理及化学反应速率、外场调控带隙变化,可应用于传感器、激光器、显示设备、光催化、医疗检测设备、存储器等。

1 反蛋白石光子晶体的制备方法及其光子带隙

1.1 反蛋白石光子晶体的制备方法

目前已开发出各种各样制备光子晶体的方法,包括胶体自组装、微加工技术、多束激光全息图案等,但高效高质量生产反蛋白的方法较少。制备反蛋白石光子晶体比较广泛的是模板法[3],分为3步:第一步,利用微球以自组装法得到蛋白石光子晶体;第二步,对蛋白石光子晶体进行处理,填充前驱体溶液再进行处理;第三步,将蛋白石模板去除[4]。还有一种模板法分为两步,就是将前驱体溶液与微球配制成混合液,用协同自组装技术直接制备出前驱体溶液填充的蛋白石光子晶体,处理后去除其中的蛋白石结构,这种方法简化了制备反蛋白石光子晶体的步骤。制备反蛋白石光子晶体的模板法简单易行,但制作出来的样品可能有裂缝,产生裂缝主要有两方面原因:一是蛋白石模板本身存在缺陷,或者蛋白石模板在填充过程中产生的开裂;二是通过煅烧或者其他方式除去模板后样品收缩造成的开裂[5]。

根据模板法的填充手段,可将其分为电化学沉积、电化学聚合、溶胶-凝胶、共沉积、化学气相沉积、电泳沉积、纳米颗粒沉积、化学镀、原子层沉积等方法。早期工作中SiO2和TiO2用溶胶-凝胶渗透到蛋白石结构中,通过高温去除蛋白石结构制备成反蛋白石结构,此后多种无机材料CdS、CdSe等和铁电材料ZnO、BaTiO3[6]、BiFeO3[7]等相继被制成反蛋白石光子晶体。光子带隙在红外区的硅和锗的反蛋白石光子晶体可用化学气相沉积法以及电化学沉积法制备,胶体反蛋白石光子晶体可用电化学聚合法制备。近几年报道了很多利用液相沉积法改性处理反蛋白石结构[8],用还原法得到Ag、Au、Pt等负载的反蛋白石光子晶体结构,以及利用溶胶-凝胶法稀土离子掺杂的材料也被制备成反蛋白石结构[9]。与其他光子晶体相比,反蛋白石光子晶体制备材料选择更广泛,容易负载多重功能。

1.2 反蛋白石光子晶体的光子带隙

通过测试样品的吸收光谱、透射光谱、反射光谱均可以得到反蛋白石光子晶体的光子带隙,前提是需要质量高的样品。

反蛋白石结构光子晶体中空气小球以面心立方的形式紧密排布于某种折射率材料中,空气球与球间有连通孔洞,材料与空气的折射率不同,就会产生布拉格反射。

由布拉格衍射修正后得到带隙计算公式:

式中:λPBG表示带隙的中心波长,D表示FCC的(111)面中2个相邻空气球球心间的距离,neff、nx、nair分别表示反蛋白石的有效折射率、材料的折射率、空气的折射率,φ表示材料所占的总比例[10,11,12,13,14,15]。从式(1)和式(2)可见,反蛋白石光子晶体材料的有效折射率容易调节,只要构成反蛋白石光子晶体框架的材料折射率与周边介质(一般为空气)折射率的比值大于2.8,就易实现完全光子带隙。

2 反蛋白石光子晶体的应用

2.1 自发辐射的调制

反蛋白石光子晶体是目前研究最广泛的一类光子晶体,具有光子晶体所具有的特性,如光子能级、光子带隙、光子局域。抑制与增强自发辐射一直以来是人们面临的难题,光子带隙概念提出后,这个问题得到了有效解决。当自发辐射的原子处于光子带隙内,自发辐射的频率与光子带隙频率相吻合时,自发辐射的概率大大降低,有效地抑制了自发辐射,利用光子晶体的光子带隙可进行自发辐射调制。很多研究表明,当辐射跃迁能量落在光子带隙内,由于光子带隙中光子态密度减小,发光将受到抑制;在光子带隙边缘,光子态密度增大,发光增强。另外反蛋白石光子晶体的薄壁结构和连通的孔洞结构与传统的材料不同,能够有效抑制激光辐照引起的热效应,而且能量传递只能沿着薄壁,因此一些不必要的传递过程将会受到抑制。Martore等首先于1990年报道了染料的发射与光子带隙重叠时,染料的荧光衰减变慢,寿命变长[15]。据此人们开始研究光子晶体对自发辐射的调制作用,利用反蛋白石对自发辐射的调制,可用于传感、激光发射、显示等方面。宋宏伟等[16]制备了YVO4∶Eu3+反蛋白石光子晶体,利用光子带隙的移动和自发辐射寿命的变化实现了高灵敏度的折射率传感,表明反蛋白石光子荧光晶体在高灵敏度传感方面有潜在的应用价值。Yang Zhengwen等利用CeO2∶Er3+,Yb3+反蛋白石增强了近红外的上转换发光[17,18]。Qiu Jianbei等制备了Bi4Ti3O12∶Yb、Er反蛋白石光子晶体,其用980nm激光照射发出很强的548nm的绿光和640nm的红光,当光子带隙位于发光峰位置时,发光峰的强度被强烈抑制,利用反蛋白石光子晶体的这种特性可制备发光颜色可调的激光器[19,20]。

反蛋白石光子晶体属于折射率小于2的弱耦合介质,光子态密度对总的自发辐射速率的调制程度较小,因而自发辐射寿命几乎不随光子禁带位置而改变,而有效折射率的调制导致光子晶体中稀土离子的自发辐射寿命变长[21]。宋宏伟等用YVO4∶Eu3+反蛋白石样品与YVO4∶Eu3+无蛋白石结构的样品做了对比,发现反蛋白石样品比粉末样品的自发辐射寿命长,而且与光子禁带的位置无关。这主要是由于荧光物质的颗粒尺寸低于发射光的λ/4,此时电偶极子跃迁的辐射寿命不仅取决于荧光物质的折射率,也取决于周边媒介的局域场修正。宋宏伟的试验[16]中YVO4∶Eu3+反蛋白石样品的有效折射率为1.26,对比样品折射率为1.72。

辐射寿命可表示为:

虚腔模型中:

实腔模型中:

式(3)中:τrad为辐射寿命,f(ED)表示电偶极子强度,λ0表示真空波长,neff表示有效折射率。假设f(ED)不变,根据理论计算得出反蛋白石样品的辐射寿命比薄膜样品的辐射寿命增加了2.6倍,表明反蛋白石结构样品的辐射寿命变长主要是由于有效折射率的减小[16,21]。

反蛋白石结构有助于增强稀土掺杂材料的上转换发光。宋宏伟等制备了NaGd(WO4)2∶Yb3+、Tm3+反蛋白石光子晶体,测量其上转化发光谱和下转换发光谱,并与破坏掉反蛋白石结构的NaGd(WO4)2∶Yb3+、Tm3+的上转换发光谱和下转换发光谱进行比较,在反蛋白石结构中上转换发光强度占上转换发光和下转换发光总强度的38%~66%,而对比样品仅占5%~22%,表明反蛋白石结构大大提高了上转换发光效应。980nm激发光下Yb3+的激发能量可以转化成3部分:(1)紫外和可见光范围的上转换发光;(2)近红外的下转换发光:(3)基质的材料热能。通常,上转换发光与下转换发光的竞争关系主要由基质的晶格结构、基质和掺杂的Tm3+、Yb3+决定。如图2 所示,宋宏伟的实验中反蛋白石结构的3H4—3F4跃迁增强,3F4—3H6跃迁减弱,增强了交叉弛豫3H4+3H6→3H5+3F4过程,而对比样品的3H4—3H5、3H5—3F4的无辐射弛豫过程较强。当Tm3+的掺杂浓度固定为0.5%时,随着Yb3+的浓度增加,上转换发光比率提高,这是因为能量传递增强;当Yb3+固定在20%时,随着Tm3+的浓度提高,上转换发光比率降低,这是交叉弛豫过程改变造成的。值得注意的是,在改变浓度的过程中,NaGd(WO4)2∶Yb3+、Tm3+反蛋白石样品的上转换发光强度比同样掺杂浓度的对比样品的上转换发光强度强[22]。由此可见,反蛋白石光子晶体能够抑制辐射跃迁和非辐射弛豫,增强稀土掺杂材料的上转换发光。

图2 980nm光激发下NaGd(WO4)2∶Yb3+、Tm3+样品的上转换与近红外发射光谱:不同Tm3+和Yb3+掺杂浓度的反蛋白石样品(IOPC)(a);不同Tm3+和Yb3+掺杂浓度的参考样品(REF)(b)[22]Fig.2 The upconversion luminescence and near-infrared emission lines of the NaGd(WO4)2∶Yb3+/Tm3+samples under the same 980nm excitation:The IOPC samples with the changed doping concentration of Tm3+and Yb3+(a);The REF samples with the changed doping concentration of Tm3+and Yb3+(b)[22]

2.2 能量传递的调制

将发光材料嵌入反蛋白石光子晶体中,或将发光材料制备成反蛋白石光子晶体,当光子晶体的带隙与发光材料的发射光谱重叠时,发光材料的能量传递会受到调制。刘震东等制备了光子带隙位置为532nm的Eu3+、Tb3+共掺的SiO2反蛋白石光子晶体[23],在365nm激发下的发射谱表明,Tb3+的特征峰在489nm(5D4—7F6)、543nm (5D4—7F5),而Eu3+的特征峰在588nm(5D0—7F1)、594nm (5D0—7F1)、613nm(5D0—7F2)、621nm (5D0—7F2)、652nm (5D0—7F3)、685nm(5D0—7F4)、699nm (5D0—7F4)。由图3可看出,反蛋白石光子晶体中Tb3+的543nm发光峰强度弱于无光子带隙的无序样品的发光峰,而反蛋白石结构的Eu3+的613nm的发光峰得到增强。反蛋白石结构的SiO2∶Eu3+、Tb3+的能量传递以Tb3+为供体、Eu3+为受体[24]。Tb3+从激发态到基态通过两种机制:荧光发射和能量传递,这两种机制可表示为:

式中:A表示基态受体,D*表示激发态供体,A*表示激发态受体,D表示基态供体[23,25]。式(6)和式(7)表示两种机制互相竞争。在反蛋白石光子晶体中,光子带隙抑制了Tb3+本身543nm的发光,却促进了能量从Tb3+到Eu3+的传递,增强了613nm的发光。这说明光子带隙能够增强供体和受体之间的能量传递[23]。

Yan Dong等在Yb3+、Er3+、Tm3+掺杂的Y2Ti2O7反蛋白石光子晶体中也观察到光子带隙对能量传递的调制。Yb3+、Er3+、Tm3+掺杂的Y2Ti2O7反蛋白石光子晶体的光子带隙中心位置处于650nm时正好抑制Er3+的659nm上转换发光,却促进Er3+能量向Tm3+转移,使Tm3+的蓝光上转换增强[25]。2013年刘震东等继续报道了SiO2∶Eu3+、Tb3+反蛋白石光子晶体,当SiO2∶Eu3+、Tb3+反蛋白石光子晶体的光子带隙与给体的主要发射峰重合时,给体的自发辐射受到抑制,此时能量传递作为给体从激发态迁移到基态的另一条途径却得到增强,从稳态荧光光谱上表现为受体的发射增强,从衰减曲线及荧光寿命观察到给体的荧光寿命缩短[26]。

2.3 增大物理及化学反应速率

反蛋白石光子晶体的结构特殊,因此具有特殊的结构特性,其具有大比表面积、高孔体积,物质在光催化反应过程中能够得到更大的吸附和迅速的扩散。光催化是有机污染物在光照射下,通过催化剂实现分解,是最活跃的研究热点之一,采用光催化技术有望利用太阳能进行无二次污染的彻底分解污染物[27]。反蛋白石结构应用于光催化有3方面优势:(1)在光子禁带边缘,光子的传播伴随着群速度的强烈降低,也就是所说的慢光子,如果慢光子的波长与催化剂的光吸收区域的波长有交叠,那么由于增加了光学的有效路径长度使光催化吸收效率增加;(2)反蛋白石光子晶体具有较大的比表面积、连通的孔洞结构、弯曲的表面,这些特殊结构有利于增强光催化效率;(3)反蛋白石的多重散射效应可以使光子在传播过程中多次散射从而增加光程,提高光催化性能[27,28,29]。Ozin等[29]发现TiO2反蛋白石光子晶体的光催化活性比一般的TiO2的光催化活性高,这是因为其慢光减少了不必要的反射损失。吴俊等制备了TiO2反蛋白石光催化剂,利用液相沉积法对其表面进行了改性处理,改性后光催化活性明显提高[8]。Fabrizio Sordello等制作了Pt负载的TiO2反蛋白石和Pt负载的TiO2大孔无序结构的模板,研究反蛋白石对光催化的作用,实验证明由于反蛋白石光子晶体带隙边缘的慢光效应能够提高光催化的速率[30]。

光在反蛋白石光子晶体中会发生布拉格衍射和多重散射[31],能够增加光在电极中的传播距离,而且其有序的大孔结构可增大表面的吸附面积。据此将反蛋白石光子晶体结构应用于染料光敏化太阳能电池中,可提高光子俘获效率。Yoong Tok等制备了TiO2反蛋白石结构,并将其应用于染料敏化太阳能电池,当孔径为288nm的TiO2反蛋白石结构作为光阳极和吲哚染料敏化剂时,电池的功率转换效率可达到2.22%[3]。Zhang Shuai等制备了聚合物胶体反蛋白石,并将其应用于准固态染料敏化太阳能电池,其具有较高的功率转换效率,带隙为690nm的聚合物凝胶电解质实现了平均电功率转换效率为3.85%,高于参考样品10%[14]。单一孔径反蛋白石结构作电极已经多次被报道,2015 年Jung Woo Lee和Jun Hyuk Moon首次成功制作了双层两种孔径的反蛋白石结构电极的染料敏化太阳能电池,多层反蛋白石结构结合介孔的高吸附密度和大孔的散射,不仅有利于增强光电转换效率,而且有利于增强层与层间的物理接触。双层两种孔径的反蛋白石结构电极如图4所示,大孔层(Macro-pore IO)为孔径215nm(光子带隙为580nm)或250nm(光子带隙为680nm)的TiO2反蛋白石结构,介孔层(Mesopore IO)为孔径70nm(光子带隙为190nm)的反蛋白石结构。以这种双层的反蛋白石结构作为电极的染料敏化太阳能电池中,效果最好的是孔径为250nm的反蛋白石结构作为大孔层,最大电流密度达到13.98 mA/cm2,最大效率达到6.46%,比215nm的电流密度高5%,这是因为实验用的N719染料本身在580nm的吸收率就比较高,而在680nm吸收率较低,孔径为250nm的反蛋白石结构的680nm的光子带隙捕获了光子,使染料的吸收增强[32]。

反蛋白石结构大的表面积、有序网状结构、可控的孔径大小,能够使气体分子在结构中快速扩散、气体的电子快速转移,从而有效提高气敏性能,可用于气体探测器。Xie Yi等制备了三维ZnO-CuO反蛋白石结构,此结构在310 ℃下可以检测出人体呼出气体中的丙酮,即使浓度低也能准确检测到,并指出当Zn∶Cu的比值为1∶1时检测效果最优[33]。

2.4 外界环境响应材料

当外界环境条件(包括温度、湿度、pH值、光强、电场、磁场等因素)改变时,可引起光子晶体内有效折射率发生改变,从而使光子带隙位置发生变化。如果光子带隙的位置和宽度能够随着外部参数变化而改变,那么这种光子晶体被称作可调谐光子晶体。可调谐光子晶体的概念由Figotin于1988年提出。利用光子晶体在外界环境条件发生改变导致光子带隙位置改变,1996年Asher等报道了光子晶体化学智能传感材料。近几年反蛋白石结构外界环境响应材料得到了广泛研究[34]。Xing Huihui等用液晶弹性体制备了反蛋白石结构的热响应薄膜,成功用温度诱导使反蛋白石薄膜的结构发生可逆变化,这是由于温度的变化使液晶弹性体的分子取向发生变化,改变了反蛋白石孔径的大小,当外界温度从30 ℃升到140 ℃时,样品的光子带隙会产生约50nm的红移[35]。2010年J.Shin等用光聚合水凝胶制备了pH值快速响应光子晶体传感器,响应时间在10s左右,而且传感器的寿命可长达5个月以上[36]。2011年李珩等报道了聚吡咯反蛋白石光子晶体,利用聚吡咯的电致响应特性,通过施加不同的氧化还原电位,可以实现聚吡咯反蛋白石光子晶体在氧化态和中性态之间的可逆转变,两种状态下的光子带隙、导电性、浸润性都可发生变化[37]。由此可见反蛋白石光子晶体在生物传感器、光学显示器、医疗及安全监测、光电材料等领域有巨大的应用前景。

3 结束语

反蛋白石光子晶体已经受到越来越多科技工作者的关注,其涵盖了光、电、催化、传感、显示、检测等众多领域,目前反蛋白石光子晶体的制备已经能满足一些传感器、太阳能电池等的实际应用,但限制反蛋白石光子晶体发展的主要问题仍是寻求制备大面积、高质量、低成本的反蛋白石光子晶体薄膜的方法,解决了这一问题,反蛋白石光子晶体的实际作用将得到极大的发挥。

摘要：反蛋白石结构光子晶体因具有完全光子带隙、制备材料广泛、特殊的周期结构、大的比表面积和连通的孔洞结构,近年来在自发辐射的调制、提高光催化反应速率和染料敏化太阳能电池反应速率等领域成为研究热点之一,并且在光、电、催化、传感、显示、检测等领域有着巨大的应用价值。介绍了反蛋白石结构光子晶体的基本概念及制备方法,阐述了反蛋白石结构在材料自发辐射的调制、能量传递的调制、促进物理化学反应、外界环境响应材料等方面的作用及其应用。