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.pdf

1、胞內(nèi)冰的生成和生長對細(xì)胞冷凍損傷的研究有著至關(guān)重要的意義。要充分了解胞內(nèi)冰對細(xì)胞的傷害作用，除了冰晶的生成和生長，還需要研究胞內(nèi)冰與冷凍保護(hù)劑(cryoprotectiveagent，CPA)、胞內(nèi)蛋白和細(xì)胞膜的相互作用，而作為這一系列研究的基礎(chǔ)，必須首先分析冷凍保護(hù)劑水溶液的結(jié)構(gòu)和動力。以甘油為CPA，小鼠卵母細(xì)胞為模型細(xì)胞，修正了Karlsson胞內(nèi)冰生長模型，并利用分子動力學(xué)方法對CPA—水二元溶液和CPA—水—氯化鈉三元溶液進(jìn)行

2、了模擬。 提出了一種求解變組元體系成核溫度的方法，并聯(lián)合細(xì)胞脫水方程，研究了胞內(nèi)溶液均相成核溫度隨時間的變化。發(fā)現(xiàn)甘油—水—氯化鈉三元溶液均相成核溫度的下降值△Th與平衡凝固點(diǎn)的下降值△Tm呈現(xiàn)如下的關(guān)系：△Th=1.17△Tm。利用該關(guān)系和軟沖突修正方程，修正了Karlsson擴(kuò)散控制胞內(nèi)冰生長模型。并利用修正后的模型預(yù)測了模型細(xì)胞玻璃化過程中的臨界冷凍速率和臨界濃度。預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，且修正后模型的預(yù)測值明顯要優(yōu)于Ka

3、rlsson模型的預(yù)測值。進(jìn)一步研究表明，當(dāng)最終的晶體體積分?jǐn)?shù)大于0.1時，必須考慮軟沖突對胞內(nèi)冰生長的影響。 分析了CPA—水二元體系和CPA—水—氯化鈉三元體系中氫鍵的結(jié)構(gòu)和動力。發(fā)現(xiàn)在二元和三元體系中僅存在O—H…O類型的氫鍵。水中O原子(OH2)的氫鍵能力明顯強(qiáng)于甘油分子中O原子(01、02和03)的氫鍵能力。平均每個OH2原子參與的氫鍵數(shù)目隨甘油濃度的增加而減少，而平均每個01、02和03原子參與的氫鍵數(shù)目隨甘油濃度的

4、變化沒有明顯的變化規(guī)律。水分子中H原子的氫鍵能力略小于甘油分子中H原子的氫鍵能力，但與O原子不同，H原子的這種差別相當(dāng)小。平均每個H原子參與的氫鍵數(shù)目隨甘油濃度的變化幾乎不變。分子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：隨甘油濃度的增加，平均每個甘油分子參與的氫鍵數(shù)目有降低的趨勢，但是考慮到偏差，差別并不明顯；隨甘油濃度的增加，平均每個水分子參與的氫鍵數(shù)目緩慢減少。動力分析結(jié)果表明：隨甘油濃度的增大，氫鍵截?cái)嘧韵嚓P(guān)函數(shù)的松弛時間和生存周期均呈現(xiàn)增大的趨勢；水分

5、子之間氫鍵相互作用的周期小于甘油分子與水分子之間氫鍵作用的周期，表明甘油分子和水分子之間的氫鍵比水分子之間的氫鍵更牢固。甘油的存在對Na+離子和Cl-離子的水合結(jié)構(gòu)并沒有產(chǎn)生太大的影響。 根據(jù)氫鍵結(jié)構(gòu)和動力的分析結(jié)果，從微觀角度分析了CPA降低水溶液的冰點(diǎn)。加入CPA后，平均每個水分子參與的氫鍵數(shù)目減少以及CPA分子與水分子之間氫鍵相互作用的周期大于水分子之間氫鍵作用的周期是CPA降低水溶液冰點(diǎn)的微觀機(jī)理。為了進(jìn)一步從量的角度探

6、求CPA降低水溶液的冰點(diǎn)與溶液微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，提出了一種新的參數(shù)——?dú)滏I受體數(shù)目與供體數(shù)目比。研究表明：在較低的CPA濃度下，溶液平衡融化溫度Tm與水分子氫鍵受體數(shù)目與供體數(shù)目比φw呈線性關(guān)系；隨CPA濃度的增大，Tm與φw的線性關(guān)系逐漸破裂，而Tm與甘油分子氫鍵受體數(shù)目與供體數(shù)目比φg呈線性關(guān)系。φw與Tm和φg與Tm的線性關(guān)系成立的濃度范圍與采用的偏差容忍度有關(guān)。采用2K的偏差容忍度時，在所有氫鍵準(zhǔn)則和溫度下，二元和三元溶液中均存在