本文選題：力化學(xué)　切入點(diǎn)：軟力化學(xué)　出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：化學(xué)反應(yīng)以反應(yīng)條件的不同通常可以分為熱化學(xué)、光化學(xué)和電化學(xué)。除此之外,力化學(xué)指的是通過機(jī)械力作用引發(fā)或者介導(dǎo)的一類化學(xué)反應(yīng)。近年來,隨著高分子力化學(xué)的發(fā)展,研究者開始可以設(shè)計和合成一系列的力化學(xué)響應(yīng)聚合物,廣泛應(yīng)用于力學(xué)傳感器、材料自修復(fù)和力催化反應(yīng)等方面。這些力化學(xué)反應(yīng)往往需要一個比較大的能量或者機(jī)械力密度,用以介導(dǎo)和影響共價鍵層面的化學(xué)反應(yīng)。在自然界中,力化學(xué)也起著非常重要的作用。特別是細(xì)胞層面上,機(jī)械力可以通過一些力化學(xué)過程轉(zhuǎn)變成生物化學(xué)信號應(yīng)答,這些過程通常發(fā)生在比較小的機(jī)械力下。與常規(guī)的力化學(xué)反應(yīng)不同,我們將這些非共價力化學(xué)反應(yīng)稱為軟力化學(xué)。然而,對于尚處于初生階段的力化學(xué)和軟力化學(xué),還有許多未知的領(lǐng)域等待發(fā)掘,還有許多未解決的疑難等待克服。本論文將分別從力化學(xué)和軟力化學(xué)角度,以基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術(shù)為基礎(chǔ),探索單分子力化學(xué)和軟力化學(xué)的本質(zhì),為解決力化學(xué)的基本問題提供理論指導(dǎo),推動力化學(xué)領(lǐng)域的縱深發(fā)展。本論文的主要研究內(nèi)容有以下四個方面:(1)高分子中碳碳雙鍵順反異構(gòu)的單分子力譜研究碳碳雙鍵(c=c)作為自然界中和高分子里普遍存在的最基本的化學(xué)鍵,在大部分的研究中,被認(rèn)為是機(jī)械力不敏感的分子。我們采用基于原子力顯微鏡的單分子力譜方法,發(fā)現(xiàn)通過對單個高分子施加一個1.7 nN左右的拉伸力,可以實(shí)現(xiàn)在室溫下碳碳雙鍵的順反異構(gòu)。我們通過自由基捕獲實(shí)驗(yàn)和量子化學(xué)密度泛函理論計算證明這個轉(zhuǎn)變是通過一個自由基中間態(tài)而實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為由于機(jī)械力拉伸方向與雙鍵方向不平行,拉伸不僅會提供一個平行分量來降低轉(zhuǎn)變能量勢壘,而且會有一個垂直分量促進(jìn)雙鍵的旋轉(zhuǎn),這個理論成功地給出在相對較低的拉伸力下觀測到這個熱力學(xué)"禁止"反應(yīng)的原因。(2)馬來酰亞胺-巰基鍵的單分子力譜研究馬來酰亞胺-巰基作為一對特異性的共價交聯(lián)分子應(yīng)用非常廣泛。但是由于會發(fā)生巰基交換和自身水解開環(huán),我們對于馬來酰亞胺-巰基鍵的力學(xué)穩(wěn)定性尚不清楚。我們采用基于原子力顯微鏡的單分子力譜方法,研究馬來酰亞胺-巰基鍵在機(jī)械力下的響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)馬來酰亞胺-巰基鍵在水相環(huán)境中的解離力要顯著地大于無水環(huán)境。為了進(jìn)一步探索在機(jī)械力作用下的馬來酰亞胺-巰基交聯(lián)產(chǎn)物的力化學(xué)反應(yīng)路徑,我們通過預(yù)開環(huán)實(shí)驗(yàn)和預(yù)拉伸實(shí)驗(yàn),證明了機(jī)械力可以極大地加速馬來酰亞胺-巰基在水相中的水解開環(huán)速率,達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。通過這樣一個力化學(xué)轉(zhuǎn)變,我們將原本需要100 h的水解開環(huán)反應(yīng)加速到了 1 s量級,顯示出了機(jī)械力對于化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變的強(qiáng)大前景。(3)配體-受體相互作用的單分子力譜研究細(xì)胞粘附分子作為生物體中最重要的一類受體蛋白,在生理環(huán)境下大都以同源二聚體的形式存在。然而,這種二聚化的深層分子機(jī)制仍然不為人所知。在此,我們提出了一個理論模型,用以理解多個配體與單個受體之間的成鍵解離行為。我們發(fā)現(xiàn)由于二聚化分子在解離過程中存在著配體再結(jié)合和配體交換的動力學(xué)過程,它介導(dǎo)的細(xì)胞粘附能力相比單體分子大大增強(qiáng)。隨后我們通過基于原子力顯微鏡的單分子力譜研究了一個二聚化的cRGD分子從整合素蛋白(α_vβ_3)上的解離,證實(shí)了我們的理論模型。我們的發(fā)現(xiàn)在單分子層面揭示了細(xì)胞粘附的成鍵強(qiáng)度通過二聚化機(jī)制增強(qiáng)的分子機(jī)理,是進(jìn)一步理解復(fù)雜細(xì)胞粘附行為的關(guān)鍵所在。(4)配體-細(xì)胞膜相互作用的單分子力譜研究T細(xì)胞受體CD3通過基于CD3胞內(nèi)段與細(xì)胞膜的相互作用,調(diào)控其結(jié)構(gòu)動力學(xué),進(jìn)而介導(dǎo)特異性的抗原免疫應(yīng)答,但是其中的結(jié)構(gòu)動力學(xué)尚未研究清楚。我們發(fā)展了基于單分子力譜的軟力化學(xué)方法研究CD3胞內(nèi)段的結(jié)構(gòu)動力學(xué)。在單分子層面上發(fā)現(xiàn),根據(jù)三個與細(xì)胞膜磷脂分子有著不同結(jié)合特性的功能化區(qū)域的開關(guān)狀態(tài),CD3胞內(nèi)段存在著基于多種構(gòu)象的動力學(xué)。這樣的一個基于磷脂結(jié)合的結(jié)構(gòu)變化動力學(xué)可以為T細(xì)胞受體的多功能信號提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.19
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本文編號：1635399