拟生命体液中生物大分子与小分子相互作用的热力学研究

摘要

热化学是研究物质的宏观性质的一种重要方法，它具有其它学科和方法不可代替的许多优点。微量热方法是现代热力学和热化学研究中的重要方法，对含有多种组分的生命体系溶液的热力学性质研究，比分光光度法等其他研究方法具有很多优势。因此，大量开展这方面的研究，对开拓物理化学的研究及应用领域、解决生命科学中许多复杂问题有着重要的理论意义和广阔的应用前景。 构成生命过程的基本单元是生物体内的生物分子之间的多种多样的相互作用，从分子水平上探究生命的本质即是对相应的生物分子间相互作用的表征，特别是类生命体系溶液中的生物大分子与小分子之间的相互作用，越来越受到人们的关注。二十一世纪是生命科学的世纪，应用微量热法结合波谱学方法研究拟生命体液生物大分子与小分子之间的相互作用，对人类探究生命的本质和揭示生命之奥秘具有非常重要的意义。 本课题是在文献调研的基础上，运用微量热方法测定了生物分子模型-环糊精以及DNA等生物大分子与生物小分子的相互作用的热力学参数，并利用核磁共振、紫外-可见分光光谱、圆二色谱等波谱学方法对其相应微观结构进行了表征。具体工作如下： 1.α-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体分子识别作用在298.15K下用纳瓦级滴定式微量热法研究了α-环糊精与丹皮酚(Paenol，简称：Pae)及其两种同分异构体(即：acetovanillone，简称：Ace与2-羟基5-甲氧基-苯已酮，简称：Hma)三种药物分子在水溶液中的相互作用，并利用核磁共振技术对α-环糊精分子与三种天然药物分子相互作用的微观结构进行了表征。结果表明，α-环糊精与三种药物分子的相互作用非常的弱，纳瓦级微量热计检测不到反应过程中两者相互作用的热信号。核磁数据分析结果显示：α-环糊精各质子的化学位移都因三种药物分子的加入发生了不同的变化，同时三种药物分子中苯环上的化学位移也因为α-环糊精的加入发生改变，这只能说明α-环糊精与三种药物分子之间有相互作用而不能确定为包结作用. 2.β-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体分子识别作用在298.15K下，利用微量热法研究了丹皮酚及其两种同分异构体与β-环糊精在水溶液中包结作用的热效应，并用核磁共振来表征包结物的形成。结果表明，β-环糊精对三种同分异构体具有明显的分子识别功能；β-环糊精与三种天然药物分子之间的作用是典型的主—客体包结作用，包结过程是焓熵共驱的过程。其中β-环糊精与Pae、Ace形成1∶1的包和物，然而与Hma形成1∶1和2∶1的混合物。核磁共振数据显示：有客体分子存在时，β-环糊精分子中H-3、H-5、H-6的化学位移确实发生了明显的变化，这说明β-环糊精与三种药物分子的作用是典型的包结作用。并且其中H-5化学位移变化最大，表明三种药物分子是从β-环糊精的小口端进入β-环糊精空腔的。 3.γ-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体分子识别作用在298.15K.下，用微量热法研究了丹皮酚及其两种同分异构体与γ-环糊精在水溶液中相互作用的热效应，利用核磁共振对其相互作用的微观结构进行了表征。实验结果表明，γ-环糊精对三种同分异构体也具有明显的分子识别功能。量热数据显示γ-环糊精与三种药物分子全部形成1∶1的包和物，γ-环糊精与Ace形成包和物的过程是焓熵共驱过程而与Pae及Hma却是焓趋过程。核磁共振数据表明γ-环糊精与Pae及Ace形成包结物，Hma与γ-环糊精的作用可能不是包结作用，其中Pae从γ-环糊精小口端进入γ-环糊精空腔，Ace却从大口端进入γ-环糊精的空腔。 4.小牛胸腺DNA-双子表面活性剂的相互作用在298.15K下，用纳瓦级滴定式微量热法研究了DNA与双子表面活性剂在纯水溶液中的相互作用，并利用圆二色谱对ctDNA二级结构进行测定。结果表明DNA与双子表面活性剂在纯水溶液中发生吸热反应生成DNA-表面活性剂聚集体，经紫外分光光度计进行的浊度测定证实了这种聚集体的生成，并且随双子表面活性剂分子中疏水链的增长聚合反应吸热增强。圆二色谱数据显示，小牛胸腺DNA溶液中加入所选Gemini活性剂后，ctDNA的二级结构发生改变，ctDNA构象由B-构象转向C-构象。 5.小牛胸腺DNA和核黄素及两种氨基酸的相互作用在298.15K下用纳瓦级滴定式微量热法研究了ctDNA和核黄素、D-(-)-对羟基甘氨酸及L-络氨酸的相互作用。结果表明：在纯水溶液中ctDNA与D-(-)-对羟基甘氨酸是3∶1结合，其结合过程是一熵驱动过程，却无法测定L-络氨酸与ctDNA作用的热力学数据。ctDNA圆二色谱表明，L-络氨酸与D-(-)-对羟基甘氨酸都能改变ctDNA二级结构。至于核黄素-ctDNA体系，结果显示：在纯水溶液和0.9％的氯化钠溶液中DNA与核黄素的作用非常弱微量热法检测不到热信号。在pH为7.4的Tris-HCl缓冲溶液中，二者作用力增强，并测定出二者以1∶20结合，并且其结合过程是焓驱动过程。紫外—可见分光光度法表明，在三种溶剂中DNA与核黄素之间存在相互作用，ctDNA的圆二色谱显示，在纯水中核黄素不能改变ctDNA的二级结构。 6.D-甘露醇与D-山梨醇在盐溶液中稀释焓的测定在298.15K下用等温微量热法测定了在D-甘露醇与D-山梨醇在氯化钠与溴化钾溶液中的稀释焓。对两种多元醇参与溶质-溶质，溶质-溶剂等弱相互作用的规律进行了探讨，重点在于讨论实测的这两种多元醇在一定温度下一定浓度范围的不同溶剂中二阶焓相互作用系数的变化及其影响因素。结果表明，在一定温度下，甘露醇和山梨醇无论在水溶液还是在盐溶液中，二阶焓相互作用系数的值均为正值。随盐溶液浓度的增大，二阶焓相互作用系数h2的值逐渐增大，而且D-山梨醇的增大趋势比D-甘露醇增大的趋势要大，在溶剂浓度相同时，溴化钾溶液中h2值比氯化钠溶液中的大。 本工作主要通过应用等温精密微量热技术、核磁共振、紫外分光光度法以及圆二色谱等波谱法对存在于生命体内的生物大分子即遗传基础物质-脱氧核糖核酸(DNA)与小分子之间的直接相互作用和生物模型分子即三种天然环糊精与天然药物分子相互作用进行了系统性的研究。为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信息，对于了解生物大分子的结构、功能，对于疾病预防和治疗，了解小分子对生命过程的调控机制，对于药物作用新靶点的发现、药物的分子设计、作用机理和药物的研究与开发，均可能具有一定的科学意义和应用价值。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及学位论文使用授权声明

前言

1绪论

2 α-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体的分子识别作用

3 β-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体的分子识别作用

4 γ-环糊精对丹皮酚及其两种同分异构体的分子识别作用

5小牛胸腺DNA-阳离子型双子表面活性剂的相互作用

6小牛胸腺DNA和核黄素及两种氨基酸的相互作用

7 D-甘露醇与D-山梨醇在氯化纳溶液中的稀释焓

8结论与展望

参考文献

主要缩写符号与对照

附录

致谢