【摘要】：眾所周知,離體的生物細(xì)胞在常規(guī)方式下難以實(shí)現(xiàn)長期保存。就目前而言,低溫保存是最常見的長期保存方法。低溫保存技術(shù)廣泛應(yīng)用于胚胎干細(xì)胞、珍稀動植物種質(zhì)資源、基因資源的長期保存以及人體器官和組織的移植等,是對生命科學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)影響的關(guān)鍵技術(shù)。低溫保存的首要目標(biāo)是盡可能地減小低溫?fù)p傷,添加低溫保護(hù)劑是抑制低溫?fù)p傷的有效手段。海藻糖作為最常見的天然保護(hù)劑之一,在低溫或脫水等極端環(huán)境下,能夠維持生物膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性,具有十分優(yōu)越的生物膜穩(wěn)定效果。然而,在海藻糖類保護(hù)劑應(yīng)用日漸廣泛的背后,其穩(wěn)定作用的內(nèi)在機(jī)理仍然未知,嚴(yán)重制約了低溫保存基礎(chǔ)理論和低溫保存技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此,分析海藻糖與生物膜的微觀相互作用,探究海藻糖對生物膜穩(wěn)定作用的分子機(jī)制,具有極其重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。首先,本文對不同濃度的海藻糖水溶液進(jìn)行了分子動力學(xué)(MD)模擬,并對溶液微觀結(jié)構(gòu)、動力學(xué)特性和氫鍵特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn),海藻糖分子的糖苷鍵二面角不易發(fā)生扭曲變形,其相對剛性的分子結(jié)構(gòu)是海藻糖能夠發(fā)揮保護(hù)作用的基礎(chǔ)。同時,海藻糖具有很強(qiáng)的形成氫鍵的能力,能夠與水形成氫鍵并破壞水分子的局部四面體結(jié)構(gòu),降低水分子的平動和轉(zhuǎn)動速度,進(jìn)而抑制冰品成核和生長。據(jù)此本文提出“抑制成核效應(yīng)”穩(wěn)定機(jī)理:通過降低溶液側(cè)結(jié)晶趨勢,緩解磷脂膜側(cè)脫水的趨勢,從而避免生物膜脫水損傷,起到穩(wěn)定生物膜的作用。其次,本文建立了不同組成的海藻糖/水/POPC膜體系,通過控制水合程度來模擬生物膜脫水環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn),海藻糖能夠代替水與磷脂分子相結(jié)合,從而提高單個磷脂分子平均面積,降低雙層膜厚度和�；溣行虺潭�,降低各基團(tuán)移動性,抑制磷脂膜向凝膠態(tài)的轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果證實(shí)了“水替代效應(yīng)”、“體積效應(yīng)”以及“玻璃化效應(yīng)”假說,并在原子層面對其具體作用方式進(jìn)行了闡釋。此外,海藻糖分子能夠調(diào)節(jié)磷脂頭部偶極的分布,進(jìn)而影響膜表面電荷分布,改變電荷敏感型保護(hù)物質(zhì)或有害粒子的作用環(huán)境,據(jù)此本文提出“電荷調(diào)節(jié)效應(yīng)”保護(hù)機(jī)理。進(jìn)一步研究表明,升溫條件下,海藻糖的穩(wěn)定作用不僅體現(xiàn)在對靜態(tài)結(jié)構(gòu)的改善,更體現(xiàn)在升溫前后動態(tài)波動幅度的降低。最后,本文對機(jī)械應(yīng)力作用下的海藻糖/水/POPC雙層膜體系進(jìn)行了MD模擬,研究發(fā)現(xiàn),橫向壓縮性應(yīng)力的施加與脫水效果類似,而橫向拉伸性應(yīng)力則與提高水合程度類似。拉伸性應(yīng)力作用下,海藻糖對膜的主要穩(wěn)定機(jī)理是水替代效應(yīng)。然而,壓縮性應(yīng)力作用下,由于磷脂頭部暴露的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)不足,水替代效應(yīng)受到限制,此時海藻糖的主要作用機(jī)理是“水滯留效應(yīng)”:當(dāng)海藻糖含量較高(nTRE:nPOPC=1)時,磷脂頭部結(jié)合的水分子中有20%以上同時與附近海藻糖形成氫鍵,因此這部分水分子相當(dāng)于被磷脂和海藻糖分子形成的籠形空間捕獲,不易擴(kuò)散到溶液中,磷脂頭部水合層更加穩(wěn)定。本文揭示了海藻糖發(fā)揮水替代效應(yīng)、體積效應(yīng)和玻璃化效應(yīng)的分子機(jī)制,并分別從溶液側(cè)微觀結(jié)構(gòu)、磷脂頭部偶極分布以及水合層穩(wěn)定性的角度出發(fā),提出抑制成核效應(yīng)、電荷調(diào)節(jié)效應(yīng)和水滯留效應(yīng)作用機(jī)理。以上幾種效應(yīng)互不沖突,同時存在,只是不同的情況下各自能發(fā)揮的程度有所差異。本文的研究為海藻糖保護(hù)劑的優(yōu)化使用提供了數(shù)據(jù)支持和理論參考,對新型低溫保護(hù)劑和保護(hù)工藝的設(shè)計(jì)具有一定的啟示意義。
【圖文】：

低溫?fù)p傷的環(huán)境中，應(yīng)密切關(guān)注生物膜的狀態(tài)。逡逑在冷凍－戫溫或干燥－復(fù)水過程中，生物膜可能發(fā)生一系列不可逆的形態(tài)變化，其結(jié)逡逑構(gòu)和功能足Ａ能保持完整足影響細(xì)胞低溫保＃存活率的關(guān)鍵Ｗ素之一。如下圖１．３所不，逡逑－５邋－逡逑

邐海藻糖對生物膜穩(wěn)定作用的分子動力學(xué)研究邐逡逑隨著溫度和水合程度的變化，，生物膜將呈現(xiàn)不同的相態(tài)。當(dāng)水合程度較高（如水／磷脂分逡逑子個數(shù)比超過３０：１的ＰＯＰＣ膜）且處于相變溫度以上時，脂質(zhì)－水懸浮液中存在兩相：逡逑水／磷脂分子個數(shù)比約為３０：１的層狀相以及純水構(gòu)成的主體相；當(dāng)水合程度較低或達(dá)到逡逑凍結(jié)溫度時，主體水相消失，僅存在層狀相；當(dāng)溫度低于脂膜的液晶一凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變溫度逡逑７；時，脂膜由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)［９１。逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB66

【參考文獻(xiàn)】

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1 周新麗;劉建峰;張紹志;陳光明;;生物材料凍干保護(hù)劑的熱分析[J];制冷學(xué)報;2008年05期

2 張玉華;籍保平;凌沛學(xué);孟一;;海藻糖和透明質(zhì)酸對膜脂雙層的保護(hù)及其作用機(jī)制[J];食品科學(xué);2007年08期

3 權(quán)國波,韓穎,劉秀珍,馬恩普,劉安,靳鵬,曹偉軍;預(yù)凍溫度和凍干機(jī)擱板溫度對冷凍干燥紅細(xì)胞的影響[J];中國實(shí)驗(yàn)血液學(xué)雜志;2004年03期

4 權(quán)國波,韓穎,劉秀珍,劉安,靳鵬,曹偉;保護(hù)液的玻璃化狀態(tài)對紅細(xì)胞冷凍干燥保存后回收率的影響[J];中國實(shí)驗(yàn)血液學(xué)雜志;2003年03期

5 馬曉翠,邱陽,黃力新,林克椿,聶松青;海藻糖對膜脂液晶相到六角相變溫度的影響[J];生物物理學(xué)報;2001年01期

6 劉占杰,華澤釗,陶樂仁,劉寶林;不同保護(hù)劑濃度和不同降溫速率對脂質(zhì)體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響[J];低溫工程;2000年06期

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1 張寧;低溫保護(hù)劑抑制冰晶生成的機(jī)理研究[D];大連理工大學(xué);2013年

2 陳聰;胞內(nèi)冰生長的理論分析及保護(hù)劑溶液氫鍵特性的MD模擬[D];大連理工大學(xué);2009年

本文編號：2682391