水中多环芳烃与DNA之间的相互作用及机制

摘要

多环芳烃(PAHs)被美国环保署(EPA)列为优先控制的一类持久性有机污染物。由于具有致癌、致畸和致突变性，且普遍存在于污染土壤、水体和空气中，PAHs的环境行为受到国内外广泛关注。众多资料表明，PAHs能被生物有机体吸收并在组织间分配;PAHs与生物质之间的相互作用已成为环境领域研究的热点之一。目前，物理作用支配下，在分子尺度上PAHs与生物质间相互作用如何？该研究开始受到关注;其中，可否利用荧光分析技术来揭示DNA与PAHs之间的相互作用？国内外相关资料仍很缺乏。
　　本论文以菲和芘为PAHs代表物，利用荧光分析技术探究了PAHs与DNA之间的相互作用及机制;利用荧光光谱分析技术和荧光猝灭滴定技术，研究了不同酸度情况下（酸度影响DNA的质子化过程）PAHs与DNA之间的结合规律，分析了质子化反应对DNA-PAHs结合能力的影响。主要研究结果如下:
　　(1)利用荧光分析技术，研究了DNA与菲和芘之间的相互作用。两种PAHs分别被DNA溶液滴定，通过激发-发射荧光矩阵光谱，测定了光谱强度变化和波长位移。结果证明，菲和芘能与DNA中碱基单元结合。然而，由于菲和芘之间的分子尺寸效应，两者反应的程度和机制存在差异。DNA能够显著导致菲荧光发射光的猝灭，然而其对芘的荧光猝灭效应较弱。菲与DNA通过一个作用位点、浓度单位上以1/1的方式进行结合，但由于DNA-芘分子间相互作用力非常弱，芘与DNA的结合能力较弱。进一步研究发现，虽然菲芘与DNA之间结合能力存在差异，但所增加的DNA均能够造成菲和芘发射波谱的蓝移。这表明DNA和菲、芘之间均形成不发光的复合物。该研究结果为揭示DNA扣PAHs分子之间的物理性相互作用提供了一种新手段。
　　(2) DNA能够通过静态猝灭的方式引起PAHs分子的的荧光猝灭，主要原因为二者之间形成了不产生荧光的复合物;在此基础之上，进一步探究了不同酸度影响下PAHs与DNA之间的结合规律。通过分析发射光谱的变化发现，随着酸度降低，DNA能明显地导致菲发射光谱蓝移，证实酸度能造成DNA碱基的质子化，从而可能影响PAHs与碱基之间的π-π电子堆积。进一步研究发现，在酸度较强的条件下，DNA不能有效地造成菲荧光猝灭，表明DNA分子外围的磷酸基质子化阻碍了菲与DNA内部碱基的结合。计算了荧光猝灭常数，得出猝灭常数遵循pH9.0(0.34)≈ pH7.0(0.36)＞pH3.0(0.26)的规律。结合位点的研究结果揭示，三种酸度条件下，DNA和菲的结合位点均是一，表明酸度条件并不影响DNA与菲的结合位点，仅通过碱性条件下脱质子化增强DNA与菲的结合效率（结合常数）。
　　本论文研究结果为寻求PAHs分子猝灭剂、评估PAHs的生物分子毒理、揭示PAHs与生物遗传物质之间的分子作用等提供了重要基础依据。

目录

声明

论文说明

Contents

摘要

ABSTRACT

Chapter ⅠIntroduction

1．1 Sources and Toxicity of PAHs

1．2 Physicochemical Property of PAHs

1．3 Major Route of DNA Exposure to PAHs

1．4 Analysis Technology Associated with the Present Work

1．4．1 Florescence Spectroscopy

1．4．2 UV-VIS Spectroscopy

1．5 Aims of the Present Study

Chapter Ⅱ Combination of Deoxyribose Nucleic Acid with Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Explored by the Fluorescence Micro Titration

2．1 Matedals and Method

2．1．1 Materials

2．1．2 Three-Dimensional Excitation-Emission Matrix of Phenanthrene and Pyrene

2．1．3 Fluorescence Quenching of PAHs by DNA

2．1．4 Statistical Analysis

2．2 Results and Discussion

2．2．1 Three-Dimensional Fluorescence Spectrum of PAHs

2．2．2 Changes in Fluorescence Intensity as Increased DNA

2．2．3 Changes in Fluorescence Spectra

2．3 Summary

Chapter Ⅲ Interactions of DNA with Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Affected by Acidity

3．1 Materials and Method

3．1．1 Materials

3．1．2 Interactions of PAHs with DNAat Different pH

3．1．3 Statistical Analyses

3．2 Results and Discussion

3．2．1 Three-Dimensional Excitation-Emission Matrix of PAHS at Different Acidities

3．2．2 Combination of PAHS with DNA at Different Acidities

3．3 Summary

Chapter Ⅳ Conclusions

4．1 Conclusions

4．2 Main Creative Points of This Work

References

Acknowledgements