幾種典型生物高分子與水相互作用的單分子研究.pdf

1、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。對于生物高分子（如蛋白質(zhì)、DNA等）來說，水是它們賴以生存的環(huán)境，對其保持穩(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，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，這使人們無法單獨(dú)考慮水對于高分子結(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)研究水對于這類高分子結(jié)構(gòu)的重要作用。<

2、br>　　本論文采用單分子力譜、基于QM的理論模型、以及分子動力學(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，研究了非水溶劑對于DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過UV-Vis吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNA在99％醇類溶劑中時，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

3、劑作用變?nèi)?，?dǎo)致DNA的穩(wěn)定性也降低。通過對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，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，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)變平臺的縮短;當(dāng)甲醇含量繼續(xù)上升至70％時，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D

4、NA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。又通過重水中的單分子力譜研究發(fā)現(xiàn)，重水對于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)變平臺過程中并沒有發(fā)生氫鍵的破壞。這將為過拉伸態(tài)DNA的結(jié)構(gòu)爭議提供了一個有力的證據(jù)。
　　在第三章，研究了非水溶劑對于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過單分子力譜研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)從

5、水中拉伸至非極性有機(jī)溶劑中時，由于最外層的溶劑化層受到破壞，它將會發(fā)生解折疊，形成一個無規(guī)卷曲的聚多肽鏈。這一現(xiàn)象隨后被I278從水中拖曳到辛烷中的分子動力學(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)驗結(jié)果，提出了一種新的QM-WLC模型并用它來擬合這些曲線。擬合結(jié)果表明，當(dāng)持續(xù)長度lp為單個氨基酸結(jié)構(gòu)單元的長度0.38 nm時，它能夠很好地描述蛋白質(zhì)的單鏈彈性行為。隨后通過對一個典型的蛋白酶系統(tǒng)ClpX的氨

6、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，通過對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。通過對比PLLA

7、在水和辛苯（兩者均是不良溶劑）中的力曲線，發(fā)現(xiàn)在PLLA鏈和水之間并沒有特殊的相互作用。然后提出了一個新的QM-FRC模型并用來擬合這些力曲線。擬合結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元長度lb等于PLA的一個重復(fù)單元長度0.36 nm時，PLA的本征彈性可以很好的被該模型描述。而在良溶劑中時，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)分布以無規(guī)卷曲的構(gòu)象存在。
　　總之，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)/DNA被拖曳