环境中纳米形态铝化合物与生物大分子作用机制研究

摘要

环境生物体中不同形态的铝在土壤以及生物组织的表面进行着复杂的化学、物理和生物反应，使其结构、形态和毒性发生变化。铝不仅对植物产生毒害，对动物体内的一些基础代谢也具有干扰作用，老年痴呆症、帕金森综合症、贫血病、乳腺癌等上述疾病已被证实与铝的化学行为有着千丝万缕的联系。近来研究发现，纳米形态铝化合物作为一类环境中可能存在的真实形态，由于其特殊的纳米尺寸，能够引起生物中毒，而被进一步认为是一类环境污染物。因此，研究不同形态的纳米铝化合物对生命体的毒害作用，在环境科学和生命科学的基础研究中具有重要的意义。 在生理条件下，铝离子、纳米铝氧化物及氢氧化物可能为环境和生物体系中铝的存在形态，因此本论文在分子水平上对Al(Ⅲ)、纳米Al13、纳米a-Al2O3，纳米γ-Al2O3和纳米γ-AlOOH粒子与生物大分子如血红蛋白分子、小牛胸腺DNA分子、鲑鱼精DNA分子和过氧化氢酶的相互作用开展了深入研究。研究分为溶液中的相互作用与固/液界面吸附作用两方面，研究结果有助于了解不同形态铝化合物在模拟生理条件下对相关生物大分子的作用方式、作用位点、主要作用力模式以及生物大分子构象变化的影响等信息。主要内容如下: (1)利用紫外-可见吸收光谱、普通荧光光谱、瞬态荧光光谱、同步荧光光谱和圆二色谱法等方法，研究了离子态Al(Ⅲ)和纳米Al13对血红蛋白的相互作用机理，并通过理论公式计算出结合力常数，结合位点以及相互作用力类型，研究表明纳米Al13使血红蛋白结构趋于松散，而Al(Ⅲ)使血红蛋白结构发生聚合，且纳米Al13对血红蛋白的影响明显强于Al(Ⅲ)。通过X射线衍射、傅里叶红外光谱以及热重分析的方法研究了血红蛋白在纳米a-Al2O3，纳米γ-Al2O3和纳米γ-AlOOH粒子上的吸附作用。血红蛋白主要以静电吸引力和少量的共价键吸附在纳米粒子上，以外层吸附为主，并形成少量内层吸附。三种纳米粒子对血红蛋白的吸附模式均相同，为自发的多层吸附非均相吸附，吸附能力为纳米γ-Al2O3＞纳米a-Al2O3＞纳米γ-AlOOH，吸附后血红蛋白的部分a-螺旋的构象转变为β-折叠的构象形式。 (2)利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、粘度实验、熔点实验、红外光谱、拉曼光谱与圆二色谱法方法，研究了离子态Al(Ⅲ)和纳米Al13对小牛胸腺DNA分子和鲑鱼精DNA分子的作用模式、作用位点、作用力及由其引起的DNA构象变化，发现纳米Al13与Al(Ⅲ)主要与DNA分子磷酸根（基团）以静电作用力相结合，并且对碱基对产生影响，但在碱基对上的结合位点明显不同。在界面吸附实验中，X射线衍射、傅里叶红外光谱以及热重分析的方法表明小牛胸腺DNA分子主要以静电吸引力自发的吸附在三种纳米粒子表面，但在a-Al2O3和γ-Al2O3表面除了静电吸引力外还存在少量的由配位作用形成的内层配合物，在γ-AlOOH粒子表面形成外层配合物，不同温度时不同粒子的吸附模式和吸附能力有所不同。 (3)利用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、同步荧光光谱、三维荧光光谱、傅里叶红外光谱与圆二色谱法方法，研究了离子态Al(Ⅲ)和纳米Al13对过氧化氢酶作用模式、作用位点、作用力及构象变化，发现纳米Al13与Al(Ⅲ)嵌入过氧化氢酶内部色氨酸残基处使其较多的暴露于疏水环境中，导致电子状态发生变化;主要作用发生在氨基酸残基的O、N和C等位点。X射线衍射、傅里叶红外光谱以及热重分析的方法表明过氧化氢酶分子主要以静电吸引力自发的吸附，在纳米a-Al2O3，γ-Al2O3粒子上形成的内层配合物，而在γ-AlOOH纳米粒子上为外层吸附。可导致过氧化氢酶二级结构发生变化，由分子间聚合结构转变为分子内聚合结构。 本论文的创新之处在于:关注到纳米形态;研究了长期以来被人们忽视的在生理条件（中性条件）下不同形态的铝化合物对体内功能性生物大分子的相互作用机制;在分子水平层面上，以现代分析表征为手段，系统的进行了研究和比较。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 环境中铝的化学行为及生物毒性

1．1．1 土壤固态体系中铝的形态分布

1．1．2 环境液态体系中铝的形态分布

1．1．3 环境中纳米形态铝化合物

1．1．4 生命体系中铝的形态分布

1．1．5 环境中不同形态铝的生物学效应和毒害作用

1．2 常见的功能性生物大分子

1．2．1 血红蛋白分子

1．2．2 脱氧核糖核酸分子

1．2．3 过氧化氢酶分子

1．3 不同形态铝化合物与生物大分子相互作用的研究方法

1．3．1 不同形态铝化合物溶液与生物大分子相互作用研究

1．3．2 纳米形态铝粒子与生物大分子的界面／吸附作用研究

1．3．3 理论计算

1．4 本论文的研究内容和研究意义

第2章 不同形态铝化合物与血红蛋白相互作用研究

2．1 Al(Ⅲ)和纳米Al13与牛血红蛋白的相互作用研究

2．1．1 实验部分

2．1．2 结果与讨论

2．1．3 结论

2．2 不同形态铝纳米粒子对血红蛋白的界面／吸附及相互作用研究

2．2．1 实验部分

2．2．2 结果与讨论

2．4．3 小结

第3章 不同形态铝化合物与脱氧核糖核酸相互作用研究

3．1 Al(Ⅲ)和纳米Al13与小牛胸腺DNA、鲑鱼精DNA相互作用研究

3．1．1 实验部分

3．1．2 结果与讨论

3．1．3 小结

3．2 不同形态铝纳米粒子对脱氧核糖核酸的界面／吸附作用研究

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 小结

第4章 不同形态铝化合物与过氧化氢酶相互作用研究

4．1 Al(Ⅲ)和纳米Al13与过氧化氢酶相互作用的研究

4．1．1 实验部分

4．1．2 结果与讨论

4．1．3 结论

4．2 不同形态铝纳米粒子对过氧化氢酶的界面／吸附及相互作用研究

4．2．1 实验部分

4．2．2 结果与讨论

4．2．3 小结

第5章 总结

5．1 结论

5．2 创新之处

参考文献

在读期间发表的学术论文及成果

致谢