天然橡膠中蛋白質二級結構及熱變性*

王春潤,王 妍,常美玲,劉 榮,常 明,張 勇,于宏偉,徐元媛**

(1. 河北科技大學 化學與制藥工程學院,河北 石家莊 050018;2.石家莊學院 化工學院,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,同時也含有一定量的蛋白質,這也是NR與合成橡膠的一個區別[1-2]。蛋白質對NR硫化及力學性能有一定的影響[3]。NR中的蛋白質分解產物可以促進橡膠硫化,提高橡膠的定伸應力,此外蛋白質還可以提高NR的熱老化等性能。蛋白質含量對天然橡乳中橡膠粒子穩定性也有一定的影響[4]。蛋白質與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到一起,蛋白質作為鏈間交聯點形成交聯網絡結構。隨著蛋白質的去除,橡膠粒子間交聯點減少,交聯結構被破壞,導致橡膠交聯密度降低,交聯程度降低。而隨著使用溫度的升高,NR中蛋白質二級結構會被破壞,因而會進一步影響NR的使用性能。但由于傳統檢測方法(包括:氣相色譜法、液相色譜法、質譜法及核磁共振譜法)的局限性,NR中蛋白質二級結構及熱變性相關研究少見報道。中紅外(MIR)光譜具有方便快捷的優點,廣泛應用于蛋白質二級結構研究[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二級結構的熱變性研究。因此本項研究采用三級MIR光譜(包括:MIR光譜、變溫MIR光譜及二維MIR光譜)分別開展NR中蛋白質二級結構及其熱變性研究,為我國NR的應用及改性研究提供重要的科學參考。

1 實驗部分

1.1 原料

NR:醫用止血膠管,江蘇省常州市金利乳膠制品有限公司。

1.2 儀器及設備

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

1.3 實驗方法

紅外光譜實驗以大氣為背景,每次對于信號進行8次掃描累加,測定頻率范圍4 000～600 cm-1;測溫范圍為293～393 K,變溫步長為10 K。NR的MIR光譜數據獲得采用Spectrum v 6.3.5軟件;NR二維MIR光譜數據獲得采用TD Version 4.2軟件。

2 結果與討論

2.1 NR結構MIR光譜研究

采用一維MIR光譜開展了NR結構研究,結果見圖1。

波數/cm-1(a) 一維MIR光譜

波數/cm-1(b) 二階導數MIR光譜

波數/cm-1(c) 四階導數MIR光譜

波數/cm-1(d) 去卷積MIR光譜圖1 NR結構MIR光譜(293 K)

表1 NR結構MIR光譜數據及解釋1)

2.2 NR蛋白質二級結構MIR光譜

NR蛋白質二級結構主要包括:α-螺旋結構、β-折疊結構、β-轉角結構和無規則卷曲結構[12]。其中,α-螺旋結構是蛋白質結構中最普遍出現的螺旋結構;β-折疊結構是由蛋白質結構中多肽鏈不連續幾個區域構成的;β-轉角結構是蛋白質結構中最短的連接;無規則卷曲結構則是非重復性的殘基構象。采用MIR光譜分別開展了NR蛋白質二級結構研究,結果見圖2。

波數/cm-1(a) 一維MIR光譜

波數/cm-1(b) 二階導數MIR光譜

波數/cm-1(c) 四階導數MIR光譜

波數/cm-1(d) 去卷積MIR光譜圖2 NR蛋白質二級結構MIR光譜(293 K)

由圖2(a)可知,根據文獻報道[13],NR蛋白質β-折疊及β-轉角的兩種二級結構對應的吸收頻率分別為:1 632.70 cm-1和1 663.35 cm-1。進一步研究NR蛋白質二級結構的二階導數MIR光譜和四階導數MIR光譜,結果見圖2(b)和(c),沒有獲得更多有價值光譜信息。最后研究了NR蛋白質二級結構的去卷積MIR光譜,如圖2(d)所示,其中α-螺旋二級結構對應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-折疊二級結構對應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-轉角二級結構對應的紅外吸收頻率包括:1 695.11 cm-1(νβ-轉角-1-去卷積)、1 687.40 cm-1(νβ-轉角-2-去卷積)、1 683.84 cm-1(νβ-轉角-3-去卷積)、1 673.71 cm-1(νβ-轉角-4-去卷積)和1 663.46 cm-1(νβ-轉角-5-去卷積)。無規則卷曲二級結構對應的紅外吸收頻率包括:1 649.79 cm-1(ν無規則卷曲-1-去卷積)和1 643.06 cm-1(ν無規則卷曲-2-去卷積),相關光譜數據見表2。研究發現,NR蛋白質二級結構的去卷積MIR光譜的譜圖分辨能力要優于相應的一維MIR光譜、二階導數MIR光譜及四階導數MIR光譜。

表2 NR蛋白質二級結構MIR光譜數據及解釋1)

2.3 NR蛋白質二級結構變溫去卷積MIR光譜

采用變溫去卷積MIR光譜,進一步開展了溫度變化對于NR蛋白質二級結構影響的研究。

2.3.1 NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構變溫去卷積MIR光譜研究

采用變溫去卷積MIR光譜研究溫度變化對于NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構影響的研究,結果見圖3。其相關光譜數據見表3。由圖3和表3可知,隨著測定溫度的升高,蛋白質無規則卷曲二級結構ν無規則卷曲-1-去卷積對應的吸收頻率發生了明顯的紅移,而ν無規則卷曲-2-去卷積對應的吸收頻率沒有規律性的改變。ν無規則卷曲-1-去卷積對應的吸收強度略有降低,而ν無規則卷曲-2-去卷積對應的吸收強度不變。實驗還發現,隨著測定溫度的升高,蛋白質β-折疊二級結構νβ-折疊-1-去卷積對應的吸收頻率發生了明顯的紅移,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-去卷積對應的吸收頻率沒有規律性的改變。νβ-折疊-1-去卷積、νβ-折疊-3-去卷積和νβ-折疊-5-去卷積對應的吸收強度不變,而νβ-折疊-2-去卷積和νβ-折疊-4-去卷積對應的吸收強度略有降低。

波數/cm-1圖3 NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構去卷積MIR光譜(293～393 K)

表3 NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構變溫去卷積MIR光譜數據

2.3.2 NR蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構變溫去卷積MIR光譜

采用變溫去卷積MIR光譜開展溫度變化對于NR蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構影響的研究,結果見圖4,相關數據見表4。

波數/cm-1圖4 NR蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構去卷積MIR光譜(293～393 K)

由圖4和表4可知,隨著測定溫度的升高,α-螺旋二級結構να-螺旋-1-去卷積和να-螺旋-2-去卷積對應的紅外吸收頻率沒有規律性改變,να-螺旋-1-去卷積對應的吸收強度增加,而να-螺旋-2-去卷積對應的吸收強度則進一步降低。而β-轉角二級結構νβ-轉角-5-去卷積對應的吸收頻率發生了明顯的紅移,而νβ-轉角-1-去卷積、νβ-轉角-2-去卷積、νβ-轉角-3-去卷積和νβ-轉角-4-去卷積對應的吸收頻率沒有規律性的改變。νβ-轉角-1-去卷積、νβ-轉角-2-去卷積、νβ-轉角-5-去卷積對應的吸收強度不變,而νβ-轉角-3-去卷積、νβ-轉角-4-去卷積對應的吸收強度略有增加。相關光譜數據見表4。以吸收強度作為蛋白質二級結構的相對含量的基礎,研究發現,隨著測定溫度的升高,蛋白質β-轉角二級結構含量略有增加,蛋白質β-折疊二級結構和蛋白質無規則卷曲二級結構含量略有減少,而蛋白質α-螺旋二級結構含量基本不變。

表4 NR蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構變溫去卷積MIR光譜數據

2.4 NR蛋白質二級結構二維MIR光譜

NR蛋白質二級結構同步二維MIR光譜如圖5所示。

波數/cm-1(a) 平面圖

(b) 立體圖圖5 NR蛋白質二級結構同步二維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)頻率處發現兩個相對強度較大的自動峰,分別歸屬于蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構。實驗在(1 650 cm-1,1 665 cm-1)頻率處發現一個相對強度較大的交叉峰,則進一步證明蛋白質α-螺旋及β-轉角二級結構間存在著較強的分子內相互作用。進一步研究NR蛋白質二級結構異步二維MIR光譜如圖6所示。

波數/cm-1(a) 平面圖

(b) 立體圖圖6 NR蛋白質二級結構異步二維MIR光譜

由圖6可知,在(1 650 cm-1,1 665 cm-1)頻率處發現一個相對強度較大的自動峰。相關光譜數據及解釋見表5。根據NODA原則[14-19]及表5可知,隨著測定溫度的升高,NR蛋白質β-轉角二級結構最先改變,且變化早于α-螺旋二級結構。實驗并沒有發現NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構的二維MIR光譜信息。研究[20-24]認為,熱擾動因素下,NR蛋白質無規則卷曲及β-折疊二級結構則相對較為穩定。熱擾動因素下,蛋白質β-轉角二級結構改變則是整個NR蛋白質二級結構改變的關鍵步驟。

表5 NR蛋白質二級結構二維MIR光譜數據及解釋

3 結 論