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0 引言
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皮革是一种天然高分子材料,受温度、湿度、光等环境因素影响,其主要成分胶原蛋白容易发生氧化和水解,分子的空间结构被破坏,从而导致皮革物理化学性质改变。古代皮革在墓葬复杂埋藏环境的长期影响下,微观结构发生了巨大变化,物理机械性能降低。因此,研究胶原蛋白的微观结构对于了解古代皮革的劣化具有非常重要的意义。
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胶原蛋白具有完整的四级空间结构[1]:一级结构是指多肽链中氨基酸的排序,其基本顺序是Gly-X-Y,通常X为脯氨酸(Pro),Y为羟脯氨酸(Hyp),其结构式如图1所示;二级结构是指肽链主链的局部空间结构,主要表现形式有α螺旋、β折叠和无规卷曲。三级结构是指多肽链中各种二级结构进一步折叠盘曲形成的一定规律三维空间结构。四级结构是指亚基之间通过非共价键结合形成的聚合体结构。三股螺旋结构是胶原蛋白特有的结构形式[2],氢键是维持胶原分子螺旋结构稳定性的主要作用力[3]。古代皮革发生劣化,维系胶原蛋白结构稳定的氢键断裂,螺旋结构解螺旋,可以通过施加外界扰动的方式来获取胶原蛋白结构信息。
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图1 胶原蛋白多肽链主要序列Gly-Pro-Hyp结构式
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Fig.1 Gly-Pro-Hyp structural formula of the main sequence of collagen polypeptide chain
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氢氘交换即氘代,是一种很好的扰动方式。因氢氘交换速率与蛋白质结构密切相关,其常被用于蛋白质的结构研究。氢氘交换往往与其他分析技术相结合来发挥作用,如质谱、核磁共振等。早在20世纪50年代Linderstrøm-Lang等就认识到了蛋白质中氢原子和重水中氘原子的交换现象[4],并通过氢氘交换反应来研究蛋白质结构。此后,氢氘交换逐渐被应用于蛋白质的结构研究。鉴于氢氘原子质量数之间存在的差异,氢氘交换质谱法在蛋白质研究中得到了广泛的应用,包括对蛋白质构象[5]、蛋白质的结构和动力学[6]、蛋白质折叠[7]等方面的研究。随着核磁共振技术的不断发展,其也与氢氘交换反应相结合,用于蛋白质结构研究中[8]。氢氘交换反应已用于一些膜蛋白[9]、无序蛋白[10]等蛋白质的结构研究中,但其用于古代皮革胶原蛋白的结构研究却未见报道。
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将蛋白质浸入重水溶液中,不稳定的氢原子会与氘原子发生交换[11]。不稳定的氢原子包括蛋白分子主链酰胺键中氨基的氢原子和与侧链上氧原子、氮原子、硫原子相连的氢,而那些与碳原子结合的氢不会发生交换。在组成胶原蛋白的18种氨基酸中,苏氨酸、酪氨酸等氨基酸侧链虽然含有与氧原子相连且可被置换的氢原子,但其数量在胶原肽链中所占比例太小,故只考虑主链氨基的氢氘交换。甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸残基含量很高,但脯氨酸与羟脯氨酸为环状亚氨基酸,其相应残基中没有可被氘原子置换的主链酰胺氢。甘氨酸所占比例最高且可以提供酰胺氢,因此在胶原蛋白中,甘氨酸的主链酰胺氢(图1中红色的氢原子)成为了氢氘交换反应的主要对象。
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氢氘交换速率受多种因素影响,包括温度[12]、pH[13]、氢键和溶剂可及性[14]。在相同的温度、溶液pH条件下,主链氨基氢原子氢氘交换的速率主要取决于氢键和溶剂可及性。暴露在外侧、与溶液密切接触且未形成氢键的主链氨基氢原子交换速率快,那些参与形成氢键或者处于蛋白内部的残基区域的氢原子的氢氘交换速率就非常缓慢[15]。故在相同外界条件下,在一定时间内不同蛋白质发生氘代程度的不同取决于氢氘交换速率的不同,反映了蛋白质结构的差异。
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本研究利用氢氘交换技术(HDX)结合傅里叶红外光谱技术(FTIR),对现代皮革、人工老化皮革和古代皮革的微观结构进行了研究,通过胶原蛋白特征吸收峰的位置以及氘代率来评估古代皮革的劣化程度,探究古代皮革在劣化过程中胶原蛋白微观结构发生的变化。
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1 材料与方法
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1.1 实验材料
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现代皮革样品(New leather)为市售植鞣牛皮革。人工老化皮革样品(Aged leather)为自制。古代皮革样品(编号Old1)为战国时期(公元前475年—前221年)皮革制品,出土于荆门郭家岗M1号战国墓,由荆门博物馆提供。古代皮革样品(编号Old2和Old3)为战国时期皮革制品,出土于荆州夏家台M258号战国墓,由荆州博物馆提供。
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氢氧化钠,分析纯,国药集团化学试剂有限公司。氢氧化钙,分析纯,天津市光复精细化工研究所。硫酸铵,分析纯,生工生物工程(上海)股份有限公司。重水,分析纯,青岛腾龙微波科技有限公司。
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1.2 样品制备
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人工老化皮革样品是由现代皮革样品经老化处理而成,具体老化方法参照Sebestyén等[16]所使用的人工皮革样品老化方法。先将现代皮革裁剪成4cm×4cm大小样品,浸泡在质量分数为4%的Ca(OH)2和0.5%的NaOH混合溶液中,温度25℃,2d后取出,用1%浓度硫酸铵溶液漂洗,然后浸泡在去离子水中直至pH值为中性,最后将样品放入120℃烘箱4d后取出,放置温度20℃、湿度55%的恒温恒湿箱中,1d后取出备用。
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1.3 氢氘交换反应
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将少量现代皮革、人工老化皮革以及古代皮革样品分别放入离心管中,加入2mL氘水使样品完全浸入。所有样品在25℃恒温水浴锅中放置20d。相同条件下用蒸馏水分别处理各个样品作为水浴对照样。所有样品在恒温恒湿条件保存直到测试。
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值得注意的是,实验条件的选择对实验结果很重要。随着温度的降低,分子动能和扩散速度变小,氢氘交换速率会减缓。研究[17]表明,当温度从25℃降低至0℃,氢氘交换速率会降低约14倍;故选取25℃作为氘代反应温度。在一些可溶的氘代有机物的制备过程中,为使体系中氘代尽量完全,其氘代反应时间设为一周[18]。胶原蛋白与其他蛋白质不同,其特征氨基酸脯氨酸与羟脯氨酸为环状亚氨基酸,且占有较高的比例。这两种氨基酸在肽链中无法提供可被氘原子置换的酰胺氢,一定程度上降低了胶原蛋白对氘代反应的敏感性。综合以上分析,为尽可能使样品氘代完全,将氘代反应时间设置为20d。
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1.4 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)
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取少量样品在红外灯下烘烤干燥后用研钵磨碎,采用溴化钾压片法对皮革样品进行分析测试。利用美国Nicolet公司生产的Nicolet 8700傅里叶变换红外光谱仪,数据采集参数分辨率为4cm-1,扫描次数为32次,扫描范围为4 000~1 000cm-1。自动进行水气校正、平滑。使用Origin软件对红外谱图进行处理,对胶原蛋白酰胺A带进行高斯函数拟合分峰。
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2 结果与讨论
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2.1 红外光谱谱图分析
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图2为现代皮革样品与其水浴对照样品的红外光谱图,可以看出,两者胶原蛋白的特征吸收峰酰胺A带、酰胺B带、酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带、酰胺Ⅲ带峰位基本一致。人工老化皮革和古代皮革的水浴对照样的特征吸收峰峰位也未发生变化,说明在此实验条件下蒸馏水处理没有对胶原蛋白结构产生影响,相应特征吸收峰的位置不会改变。在本实验中氢氘交换是胶原蛋白酰胺A带特征吸收峰波数发生位移的唯一原因。
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胶原蛋白酰胺A带吸收峰位于3 424~3 320cm-1,主要与N-H伸缩振动有关[19]。图3为现代皮革与人工老化皮革氘代前后胶原蛋白酰胺A带红外光谱图。N-H伸缩振动可视为质量为μ的质点做简谐振动,振动吸收波数用双原子分子振动方程计算[20]见式(1)。
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图2 现代皮革样品与其水浴对照样品傅里叶变换红外光谱
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Fig.2 FTIR spectra of the modern leather sample and the water bath control sample
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图3 现代皮革与人工老化皮革氘代前后红外光谱图对比
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Fig.3 Comparison of infrared spectra of modern leather and artificially aged leather before and after deuteration
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式中,v为吸收波数(cm-1);k为振动力常数;μ为折合质量;。k只与核电荷与电子云密度有关,而与质量无关,故同种元素k值相同[20]。当分子中的某一原子被其同位素取代,其振动力常数k不变,但基团折合质量μ发生变化,从而使其特征波数v发生变化。由式(1)可得:
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N-D的折合质量μ2大于N-H的折合质量μ1,所以发生氘代反应后,其伸缩振动产生的酰胺A带吸收峰应向低波数方向移动。
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根据式(2)计算氘代后官能团的吸收峰位有时会与实际测试所得结果有较大差异,这个偏差有时达几百个波数,带来这种偏差的直接原因是由于计算时忽略了该官能团在分子中所处的化学环境[21]。N-D的伸缩振动吸收峰波数理论计算值为2 500cm-1左右,而实际所得的红外谱图中,N-D的伸缩振动吸收峰出现在3 400cm-1附近。氘代后样品的红外谱图在2 500cm-1处有微弱的吸收峰,这是氘代处理后残留于样品中微量重水的O-D的伸缩振动形成的[22]。
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从氘代结果来看,现代皮革氘代前后由N-H伸缩振动引起的酰胺A带波数没有发生位移,说明现代皮革未发生明显氘代反应。人工老化皮革样品氘代后酰胺A带波数发生了明显位移,吸收峰从3 412cm-1向低波数方向移至3 393cm-1,说明-NH基团有部分被置换为-ND基团,折合质量μ变大导致波数发生位移。从红外谱图分析可知,人工老化皮革比现代皮革更容易发生氘代反应,这与人工老化皮革中胶原蛋白结构被破坏有关。
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胶原蛋白中有多种类型的氢键,包括主链酰胺氢与羰基氧形成的N-H···O=C型氢键、水分子介导形成的氢键[23]等,这些氢键对维持胶原蛋白结构稳定有着重要作用。现代皮革不易发生氘代反应,说明其保持有致密的三螺旋结构,氢键缔合程度大,氘水难以进入其中置换相应的氢。Gly(甘氨酸)在组成胶原蛋白的氨基酸中体积最小,位于螺旋结构的中心轴位置[24],其酰胺氢是参与氢氘交换反应的主要对象。在相同外界条件下,与现代皮革相比,人工老化皮革对氘代反应更敏感,根据影响氢氘交换速率的因素可知,人工老化皮革胶原蛋白中主链酰胺氢的溶剂可及性以及其参与形成的氢键发生了变化。维系三螺旋结构稳定的氢键断裂,三股螺旋结构发生一定程度解体,位于螺旋结构中心的甘氨酸暴露出来,增大了骨架酰胺氢的溶剂可及性,加快了氢氘交换速率。
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图4为古代皮革样品Old1、Old2、Old3氘代前后的红外光谱图。古代皮革氘代后其酰胺A带均发生不同程度位移,说明古代皮革比现代皮革更容易发生氘代反应。古代皮革在劣化过程中,维持胶原蛋白三螺旋结构稳定的N-H···O=C型氢键以及水分子介导形成的氢键发生断裂,三螺旋结构发生一定程度解体,其空间构象变得紊乱、松散,导致酰胺氢相对暴露于氘水中,氘原子容易进入其中置换氢原子,如图5所示。氘代后样品Old1酰胺A带吸收峰由3 416cm-1向低波数移动至3 404cm-1,样品Old2由3 412cm-1移至3 405cm-1,样品Old3由3 409cm-1移至3 404cm-1,3个古代皮革样品中Old3吸收峰移动幅度小于Old1和Old2,说明其氘代程度小,三股螺旋构象相对保存完好,氘原子较难置换其中的氢原子。
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图4 古代皮革氘代前后红外光谱图对比
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Fig.4 Comparison of infrared spectra of ancient leather before and after deuteration
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图5 胶原蛋白氢键断裂及氢氘交换示意图
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Fig.5 Schematic diagram of hydrogen bond fracture and hydrogen-deuterium exchange of collagen
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2.2 氘代率分析
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在样品氘代后的红外谱图中,其酰胺A带为不对称的宽峰,由N-H与N-D的伸缩振动共同引起,通过将其分峰拟合,比较两者的相对质量分数来分析氘代反应,见式(3)。
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图6为皮革样品胶原蛋白酰胺A带分峰拟合图。其中红色实线为未分峰图谱,黑色虚线为分峰拟合图谱。因N-D相对折合质量μ大于N-H,故其中高波数拟合峰(左边虚线)归属为N-H伸缩振动吸收峰,低波数拟合峰(右边虚线)归属为N-D伸缩振动吸收峰。
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图6 皮革样品氘代后酰胺A带分峰拟合图
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Fig.6 Peak fitting graph of deuterated post-amide A band of leather samples
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酰胺A带不同化学键质量分数见表1。除少数氨基酸侧链上含有可被氘原子置换的氢外,发生氘代反应的氢原子大都为主链酰胺氢,故酰胺A带分峰拟合得到N-D质量分数可代表胶原蛋白中被氘原子置换的氢原子的比例,即氘代率。从表中可知,现代皮革氘代率最低,仅为32.09%,古代样品Old1、Old2、Old3氘代率较高,分别为76.48%、75.71%和65.87%。在相同外界条件下,氘代率与氢氘交换速率成正比,氢氘交换速率取决于胶原蛋白三螺旋结构的紧密程度以及酰胺氢参与形成氢键的完好程度。现代皮革氘代率较低,说明其三螺旋结构最为稳定,氢键未发生大量断裂,Gly深埋在三股螺旋的中心区,氘代反应难以置换出其中的氢,因此保存最为完好。研究表明,蛋白质骨架酰胺氢在二级结构中参与形成的氢键会阻碍氢氘交换过程[25]。胶原蛋白中氢键的断裂在很大程度上加大了酰胺氢原子的溶剂可及性,使得劣化皮革更容易发生氘代反应。人工老化皮革与古代皮革的氘代率较高,说明两者三螺旋结构均遭到了不同程度的破坏,维系螺旋结构稳定的氢键断裂,氢原子暴露在溶剂中,这些变化都有利于氘代反应的进行。
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氘代率越高说明胶原蛋白螺旋结构被破坏程度越大,皮革劣化越严重。在3个古代皮革样品中,Old3的氘代率最低,可以认为其劣化程度最低。人工老化皮革的氘代率与古代皮革相近,说明采用的模拟老化试验达到了预期目的。胶原蛋白的三股螺旋结构主要由肽链之间的氢键维持,氢键键能不高,在碱、热的作用下会发生断裂,导致其三螺旋结构逐渐解螺旋,变为疏松杂乱的无规卷曲构象。
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需要说明的是本实验中两个方面的原因也可能对结果造成误差:1)氘代条件对氘代程度的影响;2)水汽对红外谱图的干扰。氘代条件包括反应时间、温度等。在一定范围内,氘代时间越长,氘代程度越高。温度不同,氘代速率也会有很大的不同。保证氘代条件相同是结果具有可比性的前提。故所有样品氘代过程均在恒温水浴锅中进行,保持每个样品的氘代条件相同。采用溴化钾压片法,常常会因为溴化钾在研磨中吸附空气中的水汽对红外谱图产生干扰,故所有样品在测试之前都在红外灯下烘烤0.5h以上,尽可能降低水汽对红外谱图的影响。
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3 结论
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采用氢氘交换技术结合傅里叶红外光谱技术,通过特征吸收峰的位置和氘代率对现代皮革、人工老化皮革和古代皮革胶原蛋白的微观结构进行了研究。研究结果表明,现代皮革不易发生氘代反应,主要原因是现代皮革胶原蛋白中酰胺氢参与的氢键没有被破坏,保持有稳定的螺旋结构,氘水难以进入其中置换相应的氢。人工老化皮革和古代皮革样品对氘代反应更敏感,这是因为人工老化皮革和古代皮革在劣化过程中胶原蛋白结构发生变化,紧密的三螺旋结构解体,主链酰胺氢相对暴露,其中维持螺旋稳定性的氢键强度减弱并发生断裂。随着螺旋解体,活性基团之间的距离加大,更难以成键。
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相同氘代条件下,古代皮革氘代率最大为76.48%,而现代皮革氘代率仅为32.09%,其胶原蛋白结构最完好。三个古代皮革样品中Old3的氘代率最低,说明其三股螺旋结构被破坏程度最低,劣化程度也最低。氢氘交换结合傅里叶变换红外光谱技术适宜于研究劣化皮革胶原蛋白三螺旋结构,可用于评估古代皮革劣化程度。
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摘要
皮革文物由动物皮制作而成,是人类在认识和改造自然过程中留下的宝贵财富,是研究古代社会历史的珍贵实物史料。皮革作为一种天然有机高分子材料,其主要组成成分胶原蛋白易受保存环境影响发生变性劣化,研究胶原蛋白的微观结构对于了解古代皮革的劣化具有非常重要的意义。氢氘交换技术(HDX)基于蛋白质中不稳定的氢原子会与氘原子发生交换的原理常被用于蛋白质结构研究,但其用于古代皮革胶原蛋白的结构研究却鲜见报道。本研究采用HDX结合傅里叶变换红外光谱技术(FTIR),对现代皮革、人工老化皮革和古代皮革胶原蛋白的三股螺旋结构进行了分析和比较研究,通过特征吸收峰的位置和氘代率来表征胶原蛋白微观结构的变化。研究结果表明现代皮革胶原蛋白的三股螺旋结构保存完整,氘原子难以进入其中与主链氨基氢原子发生交换反应,氘代率为32.09%。而人工老化皮革和古代皮革在劣化过程中胶原蛋白主链酰胺氢的溶剂可及性以及其参与形成的氢键发生了变化,维系三螺旋结构稳定的氢键断裂,三股螺旋结构发生一定程度解体,位于螺旋结构中心的甘氨酸暴露出来,增大了骨架酰胺氢的溶剂可及性,结构变得松散不稳定,加快了氢氘交换速率,更容易发生氢氘交换反应。三个古代皮革样品中Old3的氘代率最低,氘代率为65.87%,其三股螺旋结构被破坏程度最小,劣化程度也最轻。与之前已报道的氢氘交换研究蛋白质结构的文献相比,在以下方面做出拓展:一是通过分析胶原蛋白特征结构,指出主链氨基氢尤其是甘氨酸的酰胺氢是与氘原子发生交换的主要对象。二是根据氢氘交换后相应基团质量数发生变化会引起伸缩振动频率的变化这一特点,选择傅里叶变换红外光谱中胶原蛋白的酰胺A带来作为氢氘交换反应的表征工具,通过特征峰的位置和氘代率来量化氢氘交换程度。本研究将氢氘交换技术与傅里叶变换红外光谱技术相结合,引入到皮革文物胶原蛋白结构的研究中,有助于深刻理解皮革文物劣化机理,为胶原蛋白微观结构的研究和皮革文物劣化程度分析提供了一种新的方法和研究思路。
Abstract
Leather cultural relics, made of animal skins, are treasures left by human beings in the process of understanding and transforming nature. These relics are meaningful historical materials that could be used to study the ancient society and history. Leather is a natural organic polymer material, the main component of which—collagen—is susceptible to denaturation and deterioration depending on the environment of its preservation. Therefore, it is of great significance to study the microstructure of collagen for understanding the deterioration of ancient leather. Hydrogen-deuterium exchange (HDX) technology is often used to study protein structures based on the principle that the unstable hydrogen atoms in proteins are exchanged with deuterium atoms, but its application to the study of the structure of ancient leather collagen has not been reported.In our study, HDX technology and Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry were used to analyze and compare the triple helix structure of the collagen in modern, artificially-aged and ancient leather. The changes of the collagen microstructure were characterized by the position of the characteristic absorption peak and the deuteration rate. The results show that the triple helix structure in modern leather collagen is intact, and it is difficult for deuterium atoms to enter and be exchanged with amino hydrogen atoms in the main chain, with the deuteration rate being 32.09%. However, during the deterioration of artificially-aged and ancient leather, the solvent accessibility of the amide hydrogen in the main chain of collagen increased, the hydrogen bond formed by the amide hydrogen changed, and the hydrogen bond maintaining the stable triple helix structure was broken. The triple helix structure was disintegrated to a certain extent and glycine at the center of the helix structure was exposed, increasing the solvent accessibility of the amide hydrogen in the main chain and the triple helix structure became loose and unstable. The hydrogen-deuterium exchange rate was accelerated and the hydrogen-deuterium exchange reaction was more likely to occur. Among the three ancient leather samples, the deuteration rate of old3 is 65.87%, which was the lowest, and the triple helix structure in old3 is the least damaged and the least deteriorated.Compared with the previously reported literature about the research on protein structure by hydrogen-deuterium exchange, our study expands in the following aspects: First, it is pointed out that the amino hydrogen in the main chain, especially the amide hydrogen of glycine, is the main object of exchange with deuterium atoms through the analysis of the characteristic structure of collagen; Second, the degree of hydrogen-deuterium exchange is quantified by the position of the characteristic peak and the deuteration rate according to the characteristic that the change of the mass number of corresponding groups after hydrogen-deuterium exchange will lead to the change of stretching vibration frequency, and the amide A band of collagen in Fourier transform infrared spectrometry is selected as the characterization tool of hydrogen-deuterium exchange reaction.The combination of HDX technology and FTIR spectrometry are introduced into our study of the collagen structure of leather cultural relics, which contributes to the deep understanding of the deterioration mechanism of leather cultural relics. It provides a new method and thought for the study of the collagen microstructure and the analysis of the deterioration degree of leather cultural relics.
Keywords
Hydrogen-deuterium exchange ; Ancient leather ; Collagen ; Microstructure ; Infrared spectrum
沪公网安备 31010102005301号