荧光增强型杯[4]芳烃及卟啉衍生物与蛋白质、金属离子相互作用的光谱研究

摘要

超分子化学是一门处于现代化学、材料科学和生命科学交汇点的新兴学科，三十多年来发展迅猛，方兴未艾。它使化学工作者的研究视野由单个分子拓展至分子组装体，为新物质与新材料的研究拓展了崭新的空间。
　　超分子作用的核心特征是分子识别。它不仅是分子组装的基础，同时对于理解和揭示高级特异性生物过程，如酶或受体与底物的结合、抗原和抗体的作用、神经信号传导和细胞识别等生命现象具有重要意义。本论文从超分子作用的视角，运用紫外光谱法、荧光光谱法为主要手段，结合傅立叶变换红外光谱法、圆二色谱法、核磁共振谱及分子模拟技术，研究了(1)两亲的meso-四(4-羟基苯基)卟啉与人血清白蛋白的相互作用;(2)两类杯[4]芳烃分子（单层水溶性磺化杯[4]芳烃和多层荧光增强型杯[4]芳烃）与蛋白质、有机分子和金属离子的结合作用。
　　第一章杯芳烃以其独特的结构和易于衍生化等特点而成为继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物。本章简介了杯芳烃的结构、特点，并对杯芳烃及其衍生物在蛋白质、金属离子和有机分子识别领域的研究进行了综述。此外，本章简要介绍了卟啉分子与蛋白质相互作用的研究进展。
　　第二章采用荧光光谱、紫外吸收光谱为主要手段，结合傅立叶变换红外光谱、圆二色谱及分子模拟技术研究了meso-四(4-羟基苯基)卟啉(THPP)与人血清白蛋白(HSA)的结合作用。荧光光谱和紫外吸收光谱表明meso-四(4-羟基苯基)卟啉(THPP)与人血清白蛋白(HSA)发生结合作用，疏水作用是主要的结合驱动力，聚集作用是影响二者亲和力的重要因素之一。基于福斯特共振能量转移理论求得两者之间的距离约为4nm。傅立叶变换红外光谱和圆二色谱法显示meso-四(4-羟基苯基)卟啉的结合引起人血清白蛋白构象的变化，使得α-螺旋的含量减少。利用分子模拟探讨了结合模式，即meso-四(4-羟基苯基)卟啉借助疏水作用部分插入到亚域ⅢA(SubdomainⅢA)的结合位点Ⅱ(SiteⅡ)。
　　第三章运用紫外吸收光谱和荧光光谱法，研究了meso-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉(TMPyP)与水溶性磺化杯[4]芳烃(pTSC)、磺丁醚-β-环糊精(SBE-β-CD)分别在pH0.8和pH7.0条件下的结合作用。由光谱法结果分析得出pTSC、SBE-β-CD与TMPyP的结合作用分别为外部静电结合与疏水包结作用。进而利用NMR和静电势分析方法阐明了其作用机理。利用pH0.8条件下，磺化杯[4]芳烃和磺丁醚-β-CD环糊精对质子化的H4TMPyP6+型体和中性H2TMPyP4+型体之间动态平衡的不同取向的拉动作用，首次得到质子化的TMPyP与pTSC的稳定结合物，同时发现，SBE-β-CD仍然优先与TMPyP的中性型体结合。此外，通过β-CD系列衍生物的比较研究，证实了SBE-β-CD上的负电协同效应，结合作用的强弱顺序与负电基团的电性强弱顺序相一致，即磺丁醚β-环糊精(SBE-β-CD)＞羧甲基-β-环糊精(CM-β-CD)＞羟丙基β-环糊精(HP-β-CD)＞β-环糊精(β-CD)。通过非线性拟合及Benesi-Hildebrand方程求得磺化杯[4]芳烃(pTSC)、磺丁醚-β-环糊精(SBE-β-CD)与TMPyP的结合常数，两种主体分子均以1∶1的结合模式与TMPyP结合。
　　第四章借助荧光光谱法研究了三种杯[4]芳烃衍生物，即四羧苯基杯[4]芳烃(TCPC)、1，3-二羧苯基杯[4]芳烃(BCPC)和四苯基杯[4]芳烃(TPC)与细胞色素c在DMF溶剂中的相互作用。其结合亲和力的强弱顺序为TCPC＞BCPC＞＞TPC，反映了对羧基数目的显著依赖性，表明静电作用可能是结合物形成的主导性驱动力。TCPC及BCPC与细胞色素c形成的结合物的结合常数分别为3.15×106 Lmol-1和5.85×105 Lmol-1。由于TCPC的发射光谱与细胞色素c的吸收光谱有重叠，并且二者的作用距离为5.6 nm，因此，有效的能量转移是发生荧光猝灭的原因。分子模拟揭示了结合物形成的可能机理，即静电作用驱动TCPC或BCPC至细胞色素c表面，而范德华作用使之平行取向于细胞色素c的疏水裂隙。
　　第五章以荧光光谱法、紫外光谱法研究了上缘苯环扩展的杯[4]冠-4系列衍生物的光谱特征及其与金属离子的结合作用。研究结果表明:(1)随着杯[4]冠-4由单层增加至四层，其上缘空穴加深，荧光强度增强;(2)金属离子的结合可引起三层和四层杯[4]冠-4的荧光改变，对单层和双层杯[4]冠-4则无稳定的荧光变化;(3)在双层杯[4]冠-4上缘引入取代基团(R=-CH3，-F或-CN)后，可引起双层杯[4]冠-4母体的荧光发生不同程度的改变。但金属离子的结合对取代前后的双层杯[4]冠-4均不能引起稳定的荧光变化。
　　第六章通过荧光光谱法初步研究了上缘羧苯基修饰、下缘多醚链取代的杯[4]芳烃对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Hg2+、Fe3+、Ag+、Zn2+、Ca2+、Mg2+和Na+的选择性识别作用。利用静态猝灭公式和非线性拟合法计算了结合常数，通过等摩尔连续变化法测定了结合比。结果表明，该取代杯[4]芳烃对Cu2+、Pb2+有较高的选择性识别能力，形成配合物的结合比为1∶2，而其对应单体与Cu2+、Pb2+无相互作用，阐明了杯[4]芳烃的功能化修饰基团之间的协同作用对其选择性识别的重要性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 杯芳烃的结构特点

1．3 杯芳烃与蛋白质的相互作用

1．3．1 作为蛋白-蛋白相互作用的抑制剂

1．3．2 对蛋白质的分离提取

1．3．3 蛋白质“指纹识别”研究

1．3．4 与蛋白质作用的其他研究

1．4 杯芳烃对金属离子和有机分子的识别作用

1．4．1 对金属离子的识别

1．4．2 对有机分子的识别

1．5 卟啉与蛋白质的相互作用

1．6 本文的立题背景，研究内容及主要创新点

1．6．1 立题背景

1．6．2 研究内容

1．6．3 主要创新点

参考文献

第二章 meso-四(4-羟基苯基)卟啉与人血清白蛋白相互作用的光谱及分子模拟研究

2．1 引言

2．2．实验方法

2．2．1 仪器和试剂

2．2．2 紫外、荧光光谱测定

2．2．3 傅立叶变换红外光谱测定

2．2．4 圆二色谱测定

2．2．5 分子模拟

2．3 结果和讨论

2．3．1 THPP的中性型体与HSA的结合作用

2．3．2 pH对THPP和HSA结合作用的影响

2．3．3 THPP与HSA结合常数的计算

2．3．4 HSA内源荧光的猝灭研究

2．3．5 HSA与THPP分子间的能量转移

2．3．6 THPP结合诱导的HSA二级结构变化

2．3．7 分子模拟研究

2．4 结论

参考文献

第三章 meso-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉与磺化杯[4]芳烃及磺丁醚-β-环糊精作用模式的光谱研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 紫外、荧光光谱测定

3．2．3 静电势分析

3．3 结果和讨论

3．3．1 pH0．8时TMPyP的平衡移动及两种结合模式

3．3．2 环糊精衍生物的静电协同作用

3．3．3 TMPyP与pTSC和SBE-β-CD作用的等摩尔连续变化法求结合比

3．3．4 结合常数的计算

3．3．5 TMPyP与SBE-β-CD结合的HNMR证据

3．3．6 结合优先性的静电势分析

3．4 结论

参考文献

第四章 新型羧苯基取代杯[4]芳烃与细胞色素c结合作用的光谱研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 荧光光谱测定

4．2．3 圆二色谱测定

4．2．4 分子模拟

4．3 结果和讨论

4．3．1 TCPC、BCPC及TPC与细胞色素C结合亲和力的比较研究

4．3．2 细胞色素C对TCPC的荧光猝灭机理

4．3．3 TCPC与细胞色素C的能量转移

4．3．4 TCPC与细胞色素C结合作用的可见区圆二色谱

4．3．5 分子模拟研究

4．4 结论

参考文献

第五章 杯[4]冠-4系列衍生物的金属离子识别作用研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 荧光光谱测定

5．2．3 紫外光谱测定

5．2．4 七种杯[4]冠-4衍生物的荧光量子产率测定

5．3 结果和讨论

5．3．1 七种杯[4]冠-4衍生物的荧光光谱特征及荧光量子产率的测定

5．3．2 七种杯[4]冠-4衍生物的金属离子识别作用的荧光光谱

5．3．3 三层、四层杯[4]冠-4衍生物的金属离子识别作用的紫外光谱

5．3．4 结合常数的计算

5．4 结论

参考文献

第六章 基于上下缘修饰杯[4]芳烃的金属离子荧光传感初步研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 实验方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 金属离子对杯[4]芳烃衍生物的荧光光谱的影响

6．3．2 等摩尔连续变化法测定结合比

6．3．3 结合常数的计算

6．3．4 杯[4]芳烃衍生物的单体对金属离子的识别作用

6．4 结论

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

攻读博士期间发表的论文

致谢

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