溶液中两亲性相互作用导致的生物大分子与小分子结合过程的热力学研究

摘要

分子间两亲性相互作用特别是疏水亲脂相互作用是超分子化学系统中重要的弱相互作用之一,也是大分子小分子相互作用的重要驱动力之一。研究这种弱相互作用,对于深刻理解大—小分子结合体形成的机理和认识生命现象具有重要意义。但是,直接对复杂的生命体系进行研究是非常困难的,因此人们常常利用一些简单的理论模型作为研究对象。其中蛋白质是生物体中必不可少的基本物质,在生命活动中起着重要的作用,而血清白蛋白是血浆中具有广泛结合能力的蛋白质,因此研究有机小分子与血清白蛋白的相互作用,可帮助人们更深入地了解两亲性相互作用在生物大分子溶液中的重要性。另外环糊精及其衍生物同样可以用于生命现象的模拟,被认为是理论研究中重要的生物模型物质。
　　微量热方法是现代热力学和热化学研究中的重要方法,应用微量热法结合波谱学方法研究生物分子相互作用具有其独到之处,特别是分子间疏水亲脂作用的直接探测较为困难,而微量热法在此领域的研究中有着其它方法不可比拟的优势,已成为研究生物大分子与小分子之间的相互作用以及生物模型化合物的热力学性质方面的有力工具之一。
　　本课题在文献调研的基础上,运用微量热方法,通过对环糊精及其衍生物与一些小分子有机化合物、蛋白质与这些小分子化合物的相互作用的热力学的研究,来探讨生命体系中的物质结合和转化等变化规律,本论文介绍如下几个方面的工作:
　　1.布洛芬与人血清白蛋白和牛血清白蛋白的相互作用
　　298.15K下,应用等温滴定微量热法,确定了药物布洛芬与人血清白蛋白(HSA)和牛血清白蛋白(BSA)相互作用存在两类结合位点,应用 Langmuir吸附模型,通过非线性最小方差拟合得到了药物布洛芬与人血清白蛋白及牛血清白蛋白在两类结合位点体系的结合位点的数目,结合过程的焓变、熵变和吉布斯自由能变。结果表明:用两类结合位点模型可精确地模拟 BF与 BSA和 HSA的结合,所有的结合过程在本实验条件下都是自发的,药物与蛋白质的两类结合位点的形成均为焓熵协同驱动。
　　2.烷基糖苷(APG)与人血清白蛋白的相互作用
　　298.15K下,应用等温滴定量热法研究人血清白蛋白(HSA)与两种 APG表面活性剂(辛基葡萄糖苷和癸基葡萄糖苷)在 Tris– HCl缓冲溶液(pH=7.0)中的相互作用,结合 Langmuir吸附模型,通过非线性最小方差拟合得到了 APG与 HSA在两类结合位点体系的位点数,相互作用过程的焓变、熵变和吉布斯自由能变,并分析了两类结合过程的驱动力。
　　3.布洛芬与环糊精的相互作用
　　298.15K下,用滴定式微量热法研究了布洛芬分别与a-,b-,g-环糊精在Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.0)中的包合作用。实验测得了布洛芬环糊精包合物的实验稳定常数、形成过程的标准焓变、标准吉布斯自由能变及标准熵变等热力学参数。结果表明:布洛芬与a-,b-环糊精的包合过程是焓,熵协同驱动的过程,而g-环糊精与该药物包合则是熵驱动的。结合质子核磁共振实验得到的客体分子各氢原子化学位移变化,从微观结构上证实了热力学方法对包结过程的判断。
　　4.烷基糖苷(APG)与环糊精及其衍生物的相互作用
　　298.15 K下,用滴定式微量热法对两种烷基糖苷与 a-CD、b-CD、羟丙基-b-环糊精(H-b-CD)、甲基-b-环糊精(M-b-CD)的包合作用进行了研究。结果表明:辛基葡萄糖苷(C8G)与主体物质均生成化学计量比为1:1的包合物,癸基葡萄糖苷(C10G)与 a-CD、b-CD生成的包结产物的化学计量比既有1:1也有2:1,二者与H-b-CD、M-b-CD则只生成化学计量比为1:1的包合物,同时计算得到包合过程的各种热力学参数,由此得到主-客体物质生成包合物的驱动力也各有不同,表明了客体物质对主体物质有一定的分子识别功能。
　　5.3-对壬基苯氧基-2-羟基丙基三甲基溴化铵与环糊精及其衍生物的相互作用
　　在298.15K下用微量热法研究了 a-、b-、g-环糊精、M-b-CD、H-b-CD与3-对壬基苯氧基-2-羟基丙基三甲基溴化铵(NPB)在水溶液中的包合作用。并计算出了包合过程的稳定常数和各种热力学参数。实验表明:环糊精与NPB形成稳定的包结产物,其中a-CD与NPB形成化学计量比为1:1和2:1的包结产物,b-CD、g-CD、M-b-CD、H-b-CD与NPB仅有1:1的包结产物存在,除了NPB与γ-CD生成包合物为焓熵协同驱动之外,其它包合物的形成均为焓驱动过程。
　　本工作主要是应用等温精密微量热技术、核磁共振技术对生物分子模型化合物-环糊精以及蛋白质等生物大分子与生物小分子的相互作用进行了研究。为主-客体分子间的弱相互作用以及生命体内分子之间的弱相互作用的研究提供了重要的新的参考理论依据和数据信息,对深刻理解这些在生命体系中起重要作用的弱相互作用具有参考价值。

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目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 蛋白质与小分子的相互作用

1.3 环糊精与小分子的相互作用

1.4 量热学

第二章 布洛芬与人血清白蛋白和牛血清白蛋白的相互作用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4本章小结

第三章 烷基糖苷与人血清白蛋白的相互作用

3.1 引 言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 布洛芬与环糊精的相互作用

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 烷基糖苷与环糊精及其衍生物的相互作用

5.1 引 言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 3-对壬基苯氧基-2-羟基丙基三甲基溴化铵与环糊精的相互作用

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间已发表和待发表的学术论文

致谢