功能化石墨烯的酶学效应研究

【摘要】：石墨烯与氧化石墨烯在生物医学领域已有着广泛的应用，但它们与生物活性蛋白（如酶）之间的相互作用及其在酶工程中的应用等相关研究仍然较少。本论文主要研究了不同表面功能化的氧化石墨烯与蛋白酶之间的相互作用及其在酶工程中的应用，并且深入系统展开了对其作用机理的研究。 首先，我们合成了表面不同功能化的氧化石墨烯（GO-2k-l-PEG-NH2和GO-10k-6br-PEG-NH2），选择了三种非常重要并被广泛应用的丝氨酸蛋白酶（胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和蛋白酶K）作为酶的模型，研究表面不同修饰的氧化石墨烯对酶活性和稳定性的影响。结果显示GO-2k-l-PEG-NH2和GO-10k-6br-PEG-NH2能够选择性提高胰蛋白酶的活性达43倍以上，并能显著增强胰蛋白酶的热稳定性（在80℃可保留70%酶活性），而对同家族的胰凝乳蛋白酶和蛋白酶K则几乎没有影响。进一步的研究发现，上述两种修饰的氧化石墨烯能够特异性加强胰蛋白酶对磷酸化蛋白的降解。在此基础上，我们设计了一种新型的检测方法，能够快速、简便、准确检测混合蛋白样品中磷酸化蛋白的含量，其可以应用于有关胰蛋白酶的磷酸化蛋白分析方面。 针对上述现象，展开了机理研究和动力学研究。对上述聚乙二醇修饰的氧化石墨烯进行结构分析，通过一系列的实验，证明了末端氨基和石墨烯的二维结构对胰蛋白酶选择性加强磷酸化蛋白的降解起到了不可或缺的作用。动力学研究显示胰蛋白酶降解酪素的酶解反应可能符合底物抑制模型，末端氨基的聚乙二醇修饰的氧化石墨烯可能通过与蛋白酶和底物的共同作用从而拉近它们的距离，加强酶与底物的识别。这种对机理的深入研究不仅为以后纳米材料的人工设计积累了经验，而且开拓了纳米材料在酶工程上的应用前景。