原子力显微镜在蛋白单分子结构与功能研究中的应用-分析化学.PDF

第34 卷 分析化学 （FENXI HUAXUE ） 评述与进展 第5 期 2006 年5 月 Chinese Journal of Analytical Chemistry 735 ～ 740 原子力显微镜在蛋白单分子结构与功能研究中的应用 1，2 1 朱 杰 孙润广# （西北农林科技大学生命科学学院，杨凌7 12100 ） 2 （陕西师范大学物理学与信息技术学院生物物理与生物医学工程研究室，西安7 10062 ） 摘 要 原子力显微镜（AFM ）以其超常的信噪比、空间分辨率和灵活的探测环境使得单个蛋白分子能在生 理条件下成像，在蛋白单分子结构与功能研究中得到广泛地应用。论文介绍了AFM 在分子马达、光合蛋白、 分子伴侣等蛋白表面结构表征中的应用；AFM 在蛋白单分子表面的粘弹性、电荷分布、分子间相互作用等物 理属性研究中的进展；总结了AFM 在蛋白分子功能研究和单分子操纵中的应用。 关键词 原子力显微镜，蛋白单分子，结构与功能，单分子成像，单分子力谱，评述 1 引 言 从细胞分裂到细胞运动，从生物代谢到免疫过程，所有已知的生物功能必须通过蛋白才能实现。基 因也必须经蛋白表达后才能显示出生物的各种遗传性状，生命可视为多层次的复杂的分子过程。对于 蛋白单分子如何运转和实现其功能、选择怎样的反应路径、蛋白间的相互作用，以及其结构的哪一部分 决定了蛋白行为的多样性等问题都是目前人们研究的热点问题［1］。由于x 射线晶体学、核磁共振及扫 描探针显微镜等技术的发展，目前已有万余种蛋白的三维结构测定达到了很高的分辨率，其中包括许多 重要的蛋白复合物，如细菌光合反应中心、线粒体 ［2 ，3 ］ ATP 合成酶等 。这些蛋白三维结构的解析对阐明 蛋白的功能及一些重要生物学问题的分子机制发挥了重要作用。原子力显微镜（AFM ）在生物大分子 结构的研究中具有明显优势［4 ］，它可在空气或各种近生理条件的溶剂体系中直接观测生物样品的表面 形貌和结构特征，这是其它化学和物理分析方法所无法企及的；实验的制样过程也相对简单；通过控制 成像力的大小并采用合适的成像模式不会引起样品分子的漂移和损坏，图像的可重复性很高；该仪器的 ［5 ］ 现场操作性好，能够连续监测生化反应的动力学过程，从而实现单分子的实时研究 。 2 原子力显微镜在蛋白单分子研究中的应用 2. 1 蛋白单分子外形的AFM 研究 AFM 是利用纳米尺寸的探针在样品表面进行逐级光栅扫描得到样品表面的形貌。AFM 拥有pN 级力灵敏度的探针位于悬臂的尖端和精密的反馈电路可精确控制压电换能器的0 . 1 nm 级的伸缩运动， ［4 ］ 因此生物样品可被探针准确探测到 。为了观察活体蛋白，必须为之提供一定的生理环境，可为水溶 ［2 ，5 ］ 性蛋白提供生理缓冲液，膜蛋白则可通过单分子膜技术将之插入脂双层中 。按照蛋白结构与功能 ［6 ］ 的不同，可将蛋白分成很多类型 ，本节主要介绍AFM 在典型功能蛋白结构研究中的应用。 2. 1. 1 旋转分子马达 F F -ATPase 利用跨膜质子梯度合成生物能量货币Adenosine triphosphate