天然橡膠中蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)及熱變性*

王春潤(rùn),王 妍,常美玲,劉 榮,常 明,張 勇,于宏偉,徐元媛**

(1. 河北科技大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院,河北 石家莊 050035)

天然橡膠(NR)是一類天然高分子化合物,主要以順-1,4-異戊二烯為主體,同時(shí)也含有一定量的蛋白質(zhì),這也是NR與合成橡膠的一個(gè)區(qū)別[1-2]。蛋白質(zhì)對(duì)NR硫化及力學(xué)性能有一定的影響[3]。NR中的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物可以促進(jìn)橡膠硫化,提高橡膠的定伸應(yīng)力,此外蛋白質(zhì)還可以提高NR的熱老化等性能。蛋白質(zhì)含量對(duì)天然橡乳中橡膠粒子穩(wěn)定性也有一定的影響[4]。蛋白質(zhì)與NR分子鏈間存在一定的相互作用力,通過相互作用力將不同分子鏈纏結(jié)到一起,蛋白質(zhì)作為鏈間交聯(lián)點(diǎn)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著蛋白質(zhì)的去除,橡膠粒子間交聯(lián)點(diǎn)減少,交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致橡膠交聯(lián)密度降低,交聯(lián)程度降低。而隨著使用溫度的升高,NR中蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞,因而會(huì)進(jìn)一步影響NR的使用性能。但由于傳統(tǒng)檢測(cè)方法(包括:氣相色譜法、液相色譜法、質(zhì)譜法及核磁共振譜法)的局限性,NR中蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)及熱變性相關(guān)研究少見報(bào)道。中紅外(MIR)光譜具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)研究[5-6],而變溫MIR光譜[7-8]及二維MIR光譜[9]可以原位開展蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的熱變性研究。因此本項(xiàng)研究采用三級(jí)MIR光譜(包括:MIR光譜、變溫MIR光譜及二維MIR光譜)分別開展NR中蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)及其熱變性研究,為我國(guó)NR的應(yīng)用及改性研究提供重要的科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

NR:醫(yī)用止血膠管,江蘇省常州市金利乳膠制品有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

Spectrum 100型中紅外光譜儀:美國(guó)PE公司;Golden Gate型單次內(nèi)反射ATR-FTIR附件、WEST 6100+型ATR-FTIR變溫控件:英國(guó)Specac公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

紅外光譜實(shí)驗(yàn)以大氣為背景,每次對(duì)于信號(hào)進(jìn)行8次掃描累加,測(cè)定頻率范圍4 000～600 cm-1;測(cè)溫范圍為293～393 K,變溫步長(zhǎng)為10 K。NR的MIR光譜數(shù)據(jù)獲得采用Spectrum v 6.3.5軟件;NR二維MIR光譜數(shù)據(jù)獲得采用TD Version 4.2軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 NR結(jié)構(gòu)MIR光譜研究

采用一維MIR光譜開展了NR結(jié)構(gòu)研究,結(jié)果見圖1。

波數(shù)/cm-1(a) 一維MIR光譜

波數(shù)/cm-1(b) 二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜

波數(shù)/cm-1(c) 四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜

波數(shù)/cm-1(d) 去卷積MIR光譜圖1 NR結(jié)構(gòu)MIR光譜(293 K)

表1 NR結(jié)構(gòu)MIR光譜數(shù)據(jù)及解釋1)

2.2 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)MIR光譜

NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括:α-螺旋結(jié)構(gòu)、β-折疊結(jié)構(gòu)、β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)[12]。其中,α-螺旋結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最普遍出現(xiàn)的螺旋結(jié)構(gòu);β-折疊結(jié)構(gòu)是由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中多肽鏈不連續(xù)幾個(gè)區(qū)域構(gòu)成的;β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最短的連接;無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)則是非重復(fù)性的殘基構(gòu)象。采用MIR光譜分別開展了NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)研究,結(jié)果見圖2。

波數(shù)/cm-1(a) 一維MIR光譜

波數(shù)/cm-1(b) 二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜

波數(shù)/cm-1(c) 四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜

波數(shù)/cm-1(d) 去卷積MIR光譜圖2 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)MIR光譜(293 K)

由圖2(a)可知,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13],NR蛋白質(zhì)β-折疊及β-轉(zhuǎn)角的兩種二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的吸收頻率分別為:1 632.70 cm-1和1 663.35 cm-1。進(jìn)一步研究NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜和四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜,結(jié)果見圖2(b)和(c),沒有獲得更多有價(jià)值光譜信息。最后研究了NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的去卷積MIR光譜,如圖2(d)所示,其中α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率包括:1 656.00 cm-1(να-螺旋-1-去卷積)和1 653.20 cm-1(να-螺旋-2-去卷積);β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率包括:1 639.58 cm-1(νβ-折疊-1-去卷積)、1 631.99 cm-1(νβ-折疊-2-去卷積)、1 628.00 cm-1(νβ-折疊-3-去卷積)、1 624.18 cm-1(νβ-折疊-4-去卷積)和1 620.03 cm-1(νβ-折疊-5-去卷積);β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率包括:1 695.11 cm-1(νβ-轉(zhuǎn)角-1-去卷積)、1 687.40 cm-1(νβ-轉(zhuǎn)角-2-去卷積)、1 683.84 cm-1(νβ-轉(zhuǎn)角-3-去卷積)、1 673.71 cm-1(νβ-轉(zhuǎn)角-4-去卷積)和1 663.46 cm-1(νβ-轉(zhuǎn)角-5-去卷積)。無(wú)規(guī)則卷曲二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率包括:1 649.79 cm-1(ν無(wú)規(guī)則卷曲-1-去卷積)和1 643.06 cm-1(ν無(wú)規(guī)則卷曲-2-去卷積),相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表2。研究發(fā)現(xiàn),NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的去卷積MIR光譜的譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的一維MIR光譜、二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜及四階導(dǎo)數(shù)MIR光譜。

表2 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)MIR光譜數(shù)據(jù)及解釋1)

2.3 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)變溫去卷積MIR光譜

采用變溫去卷積MIR光譜,進(jìn)一步開展了溫度變化對(duì)于NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)影響的研究。

2.3.1 NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)變溫去卷積MIR光譜研究

采用變溫去卷積MIR光譜研究溫度變化對(duì)于NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)影響的研究,結(jié)果見圖3。其相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表3。由圖3和表3可知,隨著測(cè)定溫度的升高,蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲二級(jí)結(jié)構(gòu)ν無(wú)規(guī)則卷曲-1-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了明顯的紅移,而ν無(wú)規(guī)則卷曲-2-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變。ν無(wú)規(guī)則卷曲-1-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度略有降低,而ν無(wú)規(guī)則卷曲-2-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度不變。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),隨著測(cè)定溫度的升高,蛋白質(zhì)β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)νβ-折疊-1-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了明顯的紅移,νβ-折疊-2-去卷積、νβ-折疊-3-去卷積、νβ-折疊-4-去卷積和νβ-折疊-5-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變。νβ-折疊-1-去卷積、νβ-折疊-3-去卷積和νβ-折疊-5-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度不變,而νβ-折疊-2-去卷積和νβ-折疊-4-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度略有降低。

波數(shù)/cm-1圖3 NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)去卷積MIR光譜(293～393 K)

表3 NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)變溫去卷積MIR光譜數(shù)據(jù)

2.3.2 NR蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)變溫去卷積MIR光譜

采用變溫去卷積MIR光譜開展溫度變化對(duì)于NR蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)影響的研究,結(jié)果見圖4,相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

波數(shù)/cm-1圖4 NR蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)去卷積MIR光譜(293～393 K)

由圖4和表4可知,隨著測(cè)定溫度的升高,α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)να-螺旋-1-去卷積和να-螺旋-2-去卷積對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率沒有規(guī)律性改變,να-螺旋-1-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加,而να-螺旋-2-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度則進(jìn)一步降低。而β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)νβ-轉(zhuǎn)角-5-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了明顯的紅移,而νβ-轉(zhuǎn)角-1-去卷積、νβ-轉(zhuǎn)角-2-去卷積、νβ-轉(zhuǎn)角-3-去卷積和νβ-轉(zhuǎn)角-4-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變。νβ-轉(zhuǎn)角-1-去卷積、νβ-轉(zhuǎn)角-2-去卷積、νβ-轉(zhuǎn)角-5-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度不變,而νβ-轉(zhuǎn)角-3-去卷積、νβ-轉(zhuǎn)角-4-去卷積對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度略有增加。相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表4。以吸收強(qiáng)度作為蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的相對(duì)含量的基礎(chǔ),研究發(fā)現(xiàn),隨著測(cè)定溫度的升高,蛋白質(zhì)β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)含量略有增加,蛋白質(zhì)β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲二級(jí)結(jié)構(gòu)含量略有減少,而蛋白質(zhì)α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)含量基本不變。

表4 NR蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)變溫去卷積MIR光譜數(shù)據(jù)

2.4 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)二維MIR光譜

NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)同步二維MIR光譜如圖5所示。

波數(shù)/cm-1(a) 平面圖

(b) 立體圖圖5 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)同步二維MIR光譜

由圖5可知,分別在(1 650 cm-1,1 650 cm-1)和(1 665 cm-1,1 665 cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰,分別歸屬于蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)在(1 650 cm-1,1 665 cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰,則進(jìn)一步證明蛋白質(zhì)α-螺旋及β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)相互作用。進(jìn)一步研究NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)異步二維MIR光譜如圖6所示。

波數(shù)/cm-1(a) 平面圖

(b) 立體圖圖6 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)異步二維MIR光譜

由圖6可知,在(1 650 cm-1,1 665 cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰。相關(guān)光譜數(shù)據(jù)及解釋見表5。根據(jù)NODA原則[14-19]及表5可知,隨著測(cè)定溫度的升高,NR蛋白質(zhì)β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)最先改變,且變化早于α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)并沒有發(fā)現(xiàn)NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)的二維MIR光譜信息。研究[20-24]認(rèn)為,熱擾動(dòng)因素下,NR蛋白質(zhì)無(wú)規(guī)則卷曲及β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)則相對(duì)較為穩(wěn)定。熱擾動(dòng)因素下,蛋白質(zhì)β-轉(zhuǎn)角二級(jí)結(jié)構(gòu)改變則是整個(gè)NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)改變的關(guān)鍵步驟。

表5 NR蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)二維MIR光譜數(shù)據(jù)及解釋

3 結(jié) 論