本文關(guān)鍵詞：幾種典型生物高分子與水相互作用的單分子研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：水是地球上最重要的物質(zhì)之一,是包括人類在內(nèi)所有生命生存的重要資源,也是生物體最重要的組成部分。對(duì)于生物高分子(如蛋白質(zhì)、DNA等)來(lái)說(shuō),水是它們賴以生存的環(huán)境,對(duì)其保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能具有至關(guān)重要的作用。近年來(lái),關(guān)于水和高分子之間的相互作用研究也一直吸引著人們的關(guān)注,但是這些研究都是基于水環(huán)境的,這使人們無(wú)法單獨(dú)考慮水對(duì)于高分子結(jié)構(gòu)的重要影響。因此,如果以純有機(jī)溶劑作為其微環(huán)境,就可以單獨(dú)研究水對(duì)于這類高分子結(jié)構(gòu)的重要作用。本論文采用單分子力譜、基于QM的理論模型、以及分子動(dòng)力學(xué)模擬作為主要研究工具,系統(tǒng)地研究了幾種生物高分子在非水溶劑中的單鏈拉伸行為,通過(guò)與水環(huán)境中的單鏈拉伸行為相比較,從單分子水平上詳細(xì)地揭示了水環(huán)境對(duì)于高分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要影響。在第二章,研究了非水溶劑對(duì)于DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)UV-Vis吸收光譜研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)DNA在99%醇類溶劑中時(shí),由于疏水作用的缺失,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在不同程度上失穩(wěn)。并且隨著極性降低,憎溶劑作用變?nèi)?導(dǎo)致DNA的穩(wěn)定性也降低。通過(guò)對(duì)DNA在純甲醇和甲醇/水混合溶劑中的單分子力譜研究發(fā)現(xiàn),在水中時(shí),DNA在水環(huán)境的保護(hù)下處于穩(wěn)定的雙螺旋狀態(tài)；隨著甲醇含量上升至50%時(shí),甲醇分子可以與DNA上的結(jié)合水分子形成氫鍵,從而使DNA失穩(wěn),這在力曲線上反映為“B-S”轉(zhuǎn)變平臺(tái)的縮短；當(dāng)甲醇含量繼續(xù)上升至70%時(shí),DNA鏈上大部分的結(jié)合水分子被甲醇分子“占據(jù)”,使DNA結(jié)構(gòu)進(jìn)一步失穩(wěn),在這種情況下,DNA以兩種狀態(tài)存在：失穩(wěn)的雙螺旋DNA和解螺旋的單鏈DNA；最后當(dāng)甲醇含量上升至90%至100%,DNA已經(jīng)完全變性成為單鏈DNA。又通過(guò)重水中的單分子力譜研究發(fā)現(xiàn),重水對(duì)于DNA的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有增強(qiáng)作用,此機(jī)理可能正是重水對(duì)于人體產(chǎn)生致命危害的原因所在。另外,DNA在重水中的“B-S”轉(zhuǎn)變平臺(tái)過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生氫鍵的破壞。這將為過(guò)拉伸態(tài)DNA的結(jié)構(gòu)爭(zhēng)議提供了一個(gè)有力的證據(jù)。在第三章,研究了非水溶劑對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)單分子力譜研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)從水中拉伸至非極性有機(jī)溶劑中時(shí),由于最外層的溶劑化層受到破壞,它將會(huì)發(fā)生解折疊,形成一個(gè)無(wú)規(guī)卷曲的聚多肽鏈。這一現(xiàn)象隨后被1278從水中拖曳到辛烷中的分子動(dòng)力學(xué)模擬所證實(shí),并詳細(xì)揭示了其在水/非極性溶劑界面的解折疊機(jī)理。基于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了一種新的QM-WLC模型并用它來(lái)擬合這些曲線。擬合結(jié)果表明,當(dāng)持續(xù)長(zhǎng)度lp為單個(gè)氨基酸結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度0.38 nm時(shí),它能夠很好地描述蛋白質(zhì)的單鏈彈性行為。隨后通過(guò)對(duì)一個(gè)典型的蛋白酶系統(tǒng)ClpX的氨基酸極性分布研究,發(fā)現(xiàn)該變性機(jī)理可能用于體內(nèi)的蛋白質(zhì)分子機(jī)器中。在該蛋白酶的入口處,存在一個(gè)極性/非極性界面,可以使蛋白質(zhì)在在分子馬達(dá)所產(chǎn)生的微弱力的作用下發(fā)生解折疊。此外,通過(guò)對(duì)聚多肽和水之間相互作用的單分子力譜研究,提出了水在蛋白質(zhì)長(zhǎng)期分子進(jìn)化中可能發(fā)揮了重要的作用。在第四章,研究了非水溶劑對(duì)于兩種聚乳酸的單鏈力學(xué)性能的影響。在辛苯中,左旋聚乳酸(PLLA)和外消旋聚乳酸(PDLLA)的本征彈性是一致的。通過(guò)對(duì)比PLLA在水和辛苯(兩者均是不良溶劑)中的力曲線,發(fā)現(xiàn)在PLLA鏈和水之間并沒(méi)有特殊的相互作用。然后提出了一個(gè)新的QM-FRC模型并用來(lái)擬合這些力曲線。擬合結(jié)果表明,當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元長(zhǎng)度lb等于PLA的一個(gè)重復(fù)單元長(zhǎng)度0.36 nm時(shí),PLA的本征彈性可以很好的被該模型描述。而在良溶劑中時(shí),由于高度規(guī)整性,PLLA鏈以α螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)象存在,而PDLLA鏈則由于鏈上的L型和D型單元的隨機(jī)分布以無(wú)規(guī)卷曲的構(gòu)象存在。總之,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)/DNA被拖曳穿過(guò)水/非極性界面時(shí),其超分子結(jié)構(gòu)都可以在一個(gè)微弱力的作用下發(fā)生解折疊/解螺旋。而當(dāng)變性結(jié)構(gòu)重新返回至水環(huán)境中時(shí),先前的折疊/螺旋結(jié)構(gòu)可以重新形成。這種基于水/非極性界面的變性方式不僅對(duì)于DNA、蛋白質(zhì)等高分子同樣適用,而且是個(gè)可逆過(guò)程。該變性方式簡(jiǎn)單易操作,過(guò)程綠色環(huán)保,并且結(jié)果可控,為將來(lái)變性分子器件的設(shè)計(jì)提供一個(gè)很好的思路。
【關(guān)鍵詞】：單分子力譜 非水溶劑 解折疊 極性/非極性界面 變性 量子力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：Q615
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-42
• 1.1 引言14-15
• 1.2 基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術(shù)15-21
• 1.2.0 原子力顯微鏡的工作原理15-17
• 1.2.1 單分子力譜技術(shù)17-19
• 1.2.2 單鏈分子判斷標(biāo)準(zhǔn)19
• 1.2.3 單分子彈性理論模型19-21
• 1.3 SMFS在納米機(jī)械化學(xué)中的應(yīng)用21-33
• 1.3.1 高分子單鏈本征彈性22-24
• 1.3.2 高分子與固態(tài)表面之間的相互作用24-26
• 1.3.3 超分子聚合物的組裝力測(cè)試26-30
• 1.3.4 分子馬達(dá)的力學(xué)測(cè)試30-33
• 1.4 水和高分子之間相互作用的SMFS研究33-40
• 1.4.1 聚乙二醇,聚丙烯酰胺以及聚乙烯醇33-34
• 1.4.2 透明質(zhì)酸34
• 1.4.3 聚異丙基丙烯酰胺34-38
• 1.4.4 脫氧核糖核酸38-40
• 1.5 本論文的思路40-42
• 第2章 水環(huán)境對(duì)于DNA結(jié)構(gòu)的重要作用42-57
• 2.1 引言42
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分42-44
• 2.2.1 材料和樣品準(zhǔn)備42-43
• 2.2.2 紫外-可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試43
• 2.2.3 單分子力譜測(cè)試43-44
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論44-55
• 2.3.1 非極性有機(jī)溶劑中的復(fù)性研究44-47
• 2.3.2 不同極性溶劑中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性47-48
• 2.3.3 純甲醇中的力譜48-51
• 2.3.4 甲醇/水混合溶劑中的力譜51-52
• 2.3.5 重水中的力譜52-55
• 2.4 本章小結(jié)55-57
• 第3章 水環(huán)境對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要作用57-81
• 3.1 引言57-58
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分58-59
• 3.2.1 材料和樣品準(zhǔn)備58-59
• 3.2.2 單分子力譜測(cè)試59
• 3.2.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬59
• 3.3 結(jié)果與討論59-80
• 3.3.1 I27_8在非極性有機(jī)溶劑中的變性59-63
• 3.3.2 QM-WLC模型擬合63-65
• 3.3.3 變性結(jié)果的驗(yàn)證65-66
• 3.3.4 變性的機(jī)理研究66-71
• 3.3.5 變性機(jī)理的應(yīng)用71-75
• 3.3.6 單分子水平上的熱力學(xué)分析75-80
• 3.4 本章小結(jié)80-81
• 第4章 水環(huán)境對(duì)于聚乳酸單分子鏈彈性的影響81-97
• 4.1 引言81-82
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分82-83
• 4.2.1 材料和樣品準(zhǔn)備82-83
• 4.2.2 單分子力譜測(cè)試83
• 4.3 結(jié)果與討論83-95
• 4.3.1 PLLA在不良溶劑中的力譜研究83-84
• 4.3.2 QM-FRC模型擬合84-87
• 4.3.3 PLLA在良溶劑中的力譜研究87-90
• 4.3.4 旋光異構(gòu)對(duì)于聚乳酸力譜的影響90-92
• 4.3.5 聚乳酸在酸、堿溶液中的力譜研究92-95
• 4.4 本章小結(jié)95-97
• 結(jié)論與展望97-100
• 致謝100-102
• 參考文獻(xiàn)102-119
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文11

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本文編號(hào)：372854