本文選題：單分子力譜 + 多巴�。� 參考：《南京大學》2017年博士論文

【摘要】：由于潮濕表面的水化作用、高鹽分以及酸堿度的影響,人工合成的粘附材料在潮濕表面的應用范圍受到了很大限制,并且粘附效果也大打折扣。而海洋生物貽貝可以通過足絲將自身牢牢固定在海洋中的礁石、海床甚至移動的船舶表面。研究發(fā)現(xiàn),起到這種固定作用的是一種翻譯后修飾的特殊氨基酸——多巴。實驗證明,多巴不僅可以吸附在多種化學屬性不同的固體表面上,還可以通過與鐵離子形成配位鍵,在足絲表面形成一層起保護作用的角質層。利用表面力測量儀,Waite等人對貽貝足絲蛋白的粘附機理以及多巴與鐵離子配位機制有了較為系統(tǒng)的研究。但由于表面力測量儀測量范圍以及力學分辨率等因素,在單分子層面,多巴與固體表面的相互作用、影響多巴吸附能力的物理、化學因素以及多巴與金屬離子配位機制等問題尚未研究清楚�；谠恿︼@微鏡的單分子力譜技術已經被廣泛應用于測定蛋白質力學性質、供體-受體相互作用以及化學鍵強度等科學實踐中。利用單分子力譜技術可以表征單個多巴分子與不同固體表面的結合情況,以及表面原子結構、多巴苯環(huán)上取代基、多巴周圍電荷情況等物理化學因素對多巴與固體表面粘附能力的影響。利用本實驗室最近發(fā)展的"多魚鉤"單分子力譜手段,多巴分子與鐵離子的配位情況可以被高效的測量出來。我們單分子層面的研究結果,不僅解釋了貽貝足絲蛋白與固體表面吸附的分子機理以及影響吸附能力的環(huán)境因素和基本規(guī)律,還為設計新型仿生材料、無機材料表面改性以及表面粘合劑提供了分子層面的指導。第一章,簡述了基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術原理以及貽貝足絲蛋白粘附機理、當前研究現(xiàn)狀以及存在的問題。第二章,介紹了利用"多魚鉤"單分子力譜方法研究單個多巴分子與不同化學屬性固體表面的粘附行為以及影響因素。通過將多巴分子連接在一段高分子長鏈上,我們可以高通量的測得多巴與不同表面的吸附力。研究發(fā)現(xiàn),多巴與九種不同的有機或無機表面在1000 nm/s的拉伸速度下解離力都在60-90pN。這表明,多巴可以與多種不同類型的表面有很強的吸附作用。此外,通過構建多巴與固體表面解離過程的自由能譜,進一步揭示了多巴與這些基板的結合方式。這些實驗結果揭示了多巴強大吸附能力的分子機制。利用單分子力譜實驗測得的多巴與基板解離的動力學參數(shù),結合蒙特卡洛模擬計算,可以定量估計出高分子中多巴含量與高分子黏附強度之間的關系。計算結果表明當多巴含量較低時,多巴與表面的結合強度隨著多巴含量增長迅速增強,而當多巴含量較高時,這種快速增強的趨勢則不明顯。這解釋了在貽貝足絲中,多巴的含量大約都在10%。本章的實驗結果定量的預測了多巴含量對多巴與不同表面的粘附強度,為設計新型含多巴的表面吸附材料提供實驗依據(jù)。第三章介紹了材料表面原子結構對多巴吸附能力的影響。我們選擇金紅石(110)、(011)、(111)和(100)四種晶體表面作為研究對象,通過化學方法將多巴胺用一段聚乙二醇高分子連接在AFM探針上面進行單分子力譜測量。單分子力譜實驗結果證明,即使對于化學結構完全確定的晶體表面,多巴仍然可以以多種相互作用模式與這些表面結合。多巴與這些表面的結合力在40-800 pN(1000 nm/s拉伸速度下),并且結合力的大小與這些表面的原子結構有著很大關聯(lián)。本章的研究揭示了接觸面局部的化學環(huán)境,可以很大程度影響多巴的粘附能力。本章的研究結果對多巴與界面相互作用原理以及多巴粘附材料的應用提供了分子層面的指導。第四章討論了貽貝足絲蛋白中賴氨酸與多巴的協(xié)同性吸附。研究貽貝足絲蛋白序列可以發(fā)現(xiàn),多巴周圍往往富含帶正電荷的賴氨酸。實驗證明,多巴與賴氨酸有著協(xié)同性吸附的效果,但是二者協(xié)同吸附的機理尚不清楚。在本章的研究中,首先用化學方法合成賴氨酸-多巴、甘氨酸-多巴二肽,并分別將這些二肽通過聚乙二醇分子連接在原子力顯微鏡探針上,利用單分子力譜方法測量這些二肽與二氧化鈦、云母基板的相互作用。單分子力譜實驗結果表明,當賴氨酸側鏈中的氨基暴露出來時,賴氨酸-多巴二肽對云母和二氧化鈦基板的吸附力有明顯提高,而當賴氨酸側鏈上的氨基被保護起來時,二肽的吸附力則沒有明顯加強。同時,這種協(xié)同作用與短肽的序列有關,當二肽序列變?yōu)槎喟?賴氨酸時,并不能產生協(xié)同吸附的效果。通過分析短肽的結構,我們認為這種協(xié)同吸附效果的差異是由于在不同的二肽中,分子內受力分布不同導致的。本章的研究結果解釋了貽貝足絲蛋白的協(xié)同性吸附作用,為人工黏附材料的設計提供了新的啟發(fā)。第五章介紹了關于多巴與鐵離子配位作用的研究。在貽貝足絲蛋白外包裹著一層角質層。角質層中含有大量的多巴-鐵離子配位結構。這種結構可以在提供足夠韌性的同時,又可以有效的耗散能量,保護貽貝足絲蛋白核心不會被外力扯斷。實驗結果證明,多巴和鐵離子可以形成單位配、二配位和三配位結構。形成何種配位結構受溶液環(huán)境pH以及鐵離子濃度共同調控。我們首先將多巴化學交聯(lián)在透明質酸長鏈上,通過加入氯化鐵溶液,制成透明質酸-多巴-鐵離子(HA-DOPA-Fe3+)納米顆粒。通過原子力顯微鏡探針釣起單個的HA-DOPA-Fe3+納米顆粒,進而測量多巴與鐵離子的結合情況。通過改變溶液pH和鐵離子濃度,從而研究二配和三配位情況下多巴與鐵離子的結合力。本章的實驗結果對從分子機制上理解生物體中配位鍵對生物材料力學性質的影響,并可以為未來合成新型功能仿生材料提供參考。本文詳細研究了貽貝足絲蛋白中多巴對不同材料的粘附能力以及多巴與鐵離子的配位作用。本文的研究結果不僅解釋了貽貝足絲蛋白對各種表面的強力吸附作用,還對新型仿生材料的設計提供了新的思路。
[Abstract]:In chapter 1 , the mechanism of molecular force spectrum analysis based on atomic force microscopy has been widely used in the determination of adhesion between multiple bar molecules and solid surfaces , and the mechanism of surface atomic structure , the surface modification of the donor - acceptor and the coordination mechanism between dopa and metal ions have not been studied . In this chapter , the synergistic adsorption of L - lysine - dopa and glycine - dopa is discussed in this chapter .
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q51;Q66

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本文編號：2100760