太赫茲（THz）光譜在生物大分子研究中的應用（二）

4 THz 光譜在水環境中生物分子研究的應用

    水對于生物分子發揮其功能有著至關重要的作用，但長期以來，由于實驗儀器和研究方法的局限，水分子與生物大分子的相互作用難以觀察. 90年代后期，隨著THz-TDS技術開始應用于生物學研究領域，研究人員發現THz對生物分子中的水非常敏感，THz光譜可檢測少量溶劑誘導的生物分子-水分子界面的集體水分子網絡動力學變化. 這為研究生物分子與水的相互作用提供了新的手段及啟示.

    在對水環境中糖類的研究中，Havenith等^[25]發現THz 可以作為一種探測溶質-誘導變化的靈敏探針. 以p-鍺-激光為THz光源在2.3~2.9THz 范圍內研究乳糖的光譜特征，將水和乳糖粉的吸收與整體吸收相比較，可以看出乳糖溶液的吸光度要比前兩者大. 分子動力學模擬（CHARMm力場）表明這是因為氫鍵重排動力學在水合作用下發生了改變. 溶劑化糖類的THz 光譜顯示水分子的數目與糖類動態耦合，并在其周圍形成了動態水合層. 動態水合層與溶質接觸的氧原子數目和糖類生物功能有關^[13]

    水在蛋白質的結構和動力學上起著非常重要的作用. Xu等^[26]利用THz-TDS研究牛血清蛋白溶液中與蛋白質功能相關的集體運動，通過減少水的干擾，發現牛血清蛋白溶液的摩爾吸收隨濃度變化不大，這與比爾定律相符. Born等^[27]利用THz 光譜技術來探討蛋白誘導下泛素的快速溶劑化動力學，通過對幾個泛素特殊位點突變體進行吸光譜測定，確定蛋白質表面的動態水化層厚度至少是18 埃，這遠遠超過了由散射方法觀察到的靜態水化層（3埃）. 該研究還發現，側鏈截斷會使蛋白質結構的柔性增加、剛性降低，從而產生更多自由狀的動態水合層. 他們還利用THz 光譜技術研究了低水合態下模型肽的溶劑化^[28],發現如果單位溶質的水分子數少于18~20，THz 光譜吸收就會急劇下降. 該現象是肽-水分子網絡運動被破壞的特征，并有力支持了激活該運動需要最少量結合水的假說.

    不同狀態的水，其吸收THz 射線的方式也不同，因此研究人員可以直接觀測到蛋白質對其周圍水分子的影響作用. Havenith等^[29]在蛋白質對溶劑的影響距離及影響方式的問題上進行了探討，通過THz 光譜技術對溶劑化動力學、動態水化層厚度進行研究，發現蛋白質周圍溶劑化層的相互重疊會導致λ蛋白的THz 吸收產生非單調趨勢. 分子動力學模擬顯示，蛋白質溶劑化層中的水與其距離10埃的自由水有著不同特征. 在水化層相互重疊等高蛋白濃度之處的計算所得數據和實驗結果一致，都顯示其吸收光譜有非單調性變化. 蛋白質對水分子網絡運動的影響距離在20埃以上，這遠大于理論長度. THz實驗表明一個蛋白質可以影響1000個水分子. 該研究小組^[30]還利用THz 技術測量溶劑化蛋白質，以便研究生物大分子周圍的動態水合層. 發現與濃度相關的THz 吸收系數會隨著溶質誘導的溶劑化動力學改變，并受蛋白質濃度和動態水合層厚度的影響.

    THz 吸收可作為溶液中蛋白質濃度的函數，用以研究蛋白質和水之間動態耦合. 在高濃度的蛋白質-水溶液中，隨著蛋白質濃度的增高，THz 吸收光譜以近似線性趨勢降低^[26]. 在低濃度的蛋白質-水溶液中，蛋白質濃度與吸光率呈現非線性變化，蛋白質溶劑化層重疊和自由水消失表明了蛋白質稀溶液的轉變^[29]. 計算機模擬也可以用于研究鄰近生物分子表面的水分子動力學和結構. Whitmire等^[31]使用標準模式分析生物大分子力場模型，并計算諧函數近似值下的THz吸收光譜. Ebbinghaus等^[29]使用分子動力學模擬計算偶極波動.水分子的平移和旋轉擴散可作為以蛋白質和水分子間距、氫鍵動力學的函數. Havenith研究小組通過模擬水分子的這一特性，得以深入研究生物分子和鄰近水的動態耦合^[32].

5 結語

    THz 以其對生物分子的特征吸收、高靈敏度、寬帶性等優點，為人們提供了一種研究生物分子結構及相關動力學、分子與環境相互作用的新方法. 目前關于THz 波段在生物學中的光譜和成像研究正處于一個飛速發展的時期，研究者們已在生物分子指紋圖譜的獲得、無標記生物探測以及水環境與分子的相互作用等方面做出了一些初步的研究成果. 但THz 作為一種新興的光譜分析檢測手段，與已經成熟的其他光譜技術相比仍難免存在著一系列問題，它在實驗技術和理論分析技術方面仍有待完善. 在實驗技術方面，由于THz 波的波長限制了THz 成像系統的空間分辨率，要在生物樣品 (如生物細胞或生物組織) 上加一層控制材料是很困難的；目前大多數脈沖實驗獲取數據時間較長，對于生物樣品可能會有樣品的變性問題；一般光導天線輻射的THz 源有效頻率較低,使得一些物質結構信息不能在譜圖中得到充分的反映；另外,現有的THz 時域光譜系統及成像系統的設備還比較昂貴,信息處理過程也很復雜,有待進一步微型化和實用化. 在理論分析方面，有效的數據處理和圖譜分析方法仍需要進一步探索，光譜數據也需要不斷積累以利于研究THz光譜與分子結構之間的關系. THz 涉及到物理學、化學以及生物學等多學科的交叉與融合，隨著研究的不斷深入，該技術與多種學科之間的交叉勢必會更加深入. 相信隨著THz 技術的發展，它將在許多領域都展現出巨大的應用價值.

參 考 文 獻
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