本文選題：單分子力譜 + 多巴��； 參考：《南京大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：由于潮濕表面的水化作用、高鹽分以及酸堿度的影響,人工合成的粘附材料在潮濕表面的應(yīng)用范圍受到了很大限制,并且粘附效果也大打折扣。而海洋生物貽貝可以通過(guò)足絲將自身牢牢固定在海洋中的礁石、海床甚至移動(dòng)的船舶表面。研究發(fā)現(xiàn),起到這種固定作用的是一種翻譯后修飾的特殊氨基酸——多巴。實(shí)驗(yàn)證明,多巴不僅可以吸附在多種化學(xué)屬性不同的固體表面上,還可以通過(guò)與鐵離子形成配位鍵,在足絲表面形成一層起保護(hù)作用的角質(zhì)層。利用表面力測(cè)量?jī)x,Waite等人對(duì)貽貝足絲蛋白的粘附機(jī)理以及多巴與鐵離子配位機(jī)制有了較為系統(tǒng)的研究。但由于表面力測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍以及力學(xué)分辨率等因素,在單分子層面,多巴與固體表面的相互作用、影響多巴吸附能力的物理、化學(xué)因素以及多巴與金屬離子配位機(jī)制等問(wèn)題尚未研究清楚�；谠恿︼@微鏡的單分子力譜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)定蛋白質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、供體-受體相互作用以及化學(xué)鍵強(qiáng)度等科學(xué)實(shí)踐中。利用單分子力譜技術(shù)可以表征單個(gè)多巴分子與不同固體表面的結(jié)合情況,以及表面原子結(jié)構(gòu)、多巴苯環(huán)上取代基、多巴周圍電荷情況等物理化學(xué)因素對(duì)多巴與固體表面粘附能力的影響。利用本實(shí)驗(yàn)室最近發(fā)展的"多魚鉤"單分子力譜手段,多巴分子與鐵離子的配位情況可以被高效的測(cè)量出來(lái)。我們單分子層面的研究結(jié)果,不僅解釋了貽貝足絲蛋白與固體表面吸附的分子機(jī)理以及影響吸附能力的環(huán)境因素和基本規(guī)律,還為設(shè)計(jì)新型仿生材料、無(wú)機(jī)材料表面改性以及表面粘合劑提供了分子層面的指導(dǎo)。第一章,簡(jiǎn)述了基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術(shù)原理以及貽貝足絲蛋白粘附機(jī)理、當(dāng)前研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題。第二章,介紹了利用"多魚鉤"單分子力譜方法研究單個(gè)多巴分子與不同化學(xué)屬性固體表面的粘附行為以及影響因素。通過(guò)將多巴分子連接在一段高分子長(zhǎng)鏈上,我們可以高通量的測(cè)得多巴與不同表面的吸附力。研究發(fā)現(xiàn),多巴與九種不同的有機(jī)或無(wú)機(jī)表面在1000 nm/s的拉伸速度下解離力都在60-90pN。這表明,多巴可以與多種不同類型的表面有很強(qiáng)的吸附作用。此外,通過(guò)構(gòu)建多巴與固體表面解離過(guò)程的自由能譜,進(jìn)一步揭示了多巴與這些基板的結(jié)合方式。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了多巴強(qiáng)大吸附能力的分子機(jī)制。利用單分子力譜實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多巴與基板解離的動(dòng)力學(xué)參數(shù),結(jié)合蒙特卡洛模擬計(jì)算,可以定量估計(jì)出高分子中多巴含量與高分子黏附強(qiáng)度之間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)多巴含量較低時(shí),多巴與表面的結(jié)合強(qiáng)度隨著多巴含量增長(zhǎng)迅速增強(qiáng),而當(dāng)多巴含量較高時(shí),這種快速增強(qiáng)的趨勢(shì)則不明顯。這解釋了在貽貝足絲中,多巴的含量大約都在10%。本章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量的預(yù)測(cè)了多巴含量對(duì)多巴與不同表面的粘附強(qiáng)度,為設(shè)計(jì)新型含多巴的表面吸附材料提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。第三章介紹了材料表面原子結(jié)構(gòu)對(duì)多巴吸附能力的影響。我們選擇金紅石(110)、(011)、(111)和(100)四種晶體表面作為研究對(duì)象,通過(guò)化學(xué)方法將多巴胺用一段聚乙二醇高分子連接在AFM探針上面進(jìn)行單分子力譜測(cè)量。單分子力譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,即使對(duì)于化學(xué)結(jié)構(gòu)完全確定的晶體表面,多巴仍然可以以多種相互作用模式與這些表面結(jié)合。多巴與這些表面的結(jié)合力在40-800 pN(1000 nm/s拉伸速度下),并且結(jié)合力的大小與這些表面的原子結(jié)構(gòu)有著很大關(guān)聯(lián)。本章的研究揭示了接觸面局部的化學(xué)環(huán)境,可以很大程度影響多巴的粘附能力。本章的研究結(jié)果對(duì)多巴與界面相互作用原理以及多巴粘附材料的應(yīng)用提供了分子層面的指導(dǎo)。第四章討論了貽貝足絲蛋白中賴氨酸與多巴的協(xié)同性吸附。研究貽貝足絲蛋白序列可以發(fā)現(xiàn),多巴周圍往往富含帶正電荷的賴氨酸。實(shí)驗(yàn)證明,多巴與賴氨酸有著協(xié)同性吸附的效果,但是二者協(xié)同吸附的機(jī)理尚不清楚。在本章的研究中,首先用化學(xué)方法合成賴氨酸-多巴、甘氨酸-多巴二肽,并分別將這些二肽通過(guò)聚乙二醇分子連接在原子力顯微鏡探針上,利用單分子力譜方法測(cè)量這些二肽與二氧化鈦、云母基板的相互作用。單分子力譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)賴氨酸側(cè)鏈中的氨基暴露出來(lái)時(shí),賴氨酸-多巴二肽對(duì)云母和二氧化鈦基板的吸附力有明顯提高,而當(dāng)賴氨酸側(cè)鏈上的氨基被保護(hù)起來(lái)時(shí),二肽的吸附力則沒有明顯加強(qiáng)。同時(shí),這種協(xié)同作用與短肽的序列有關(guān),當(dāng)二肽序列變?yōu)槎喟?賴氨酸時(shí),并不能產(chǎn)生協(xié)同吸附的效果。通過(guò)分析短肽的結(jié)構(gòu),我們認(rèn)為這種協(xié)同吸附效果的差異是由于在不同的二肽中,分子內(nèi)受力分布不同導(dǎo)致的。本章的研究結(jié)果解釋了貽貝足絲蛋白的協(xié)同性吸附作用,為人工黏附材料的設(shè)計(jì)提供了新的啟發(fā)。第五章介紹了關(guān)于多巴與鐵離子配位作用的研究。在貽貝足絲蛋白外包裹著一層角質(zhì)層。角質(zhì)層中含有大量的多巴-鐵離子配位結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以在提供足夠韌性的同時(shí),又可以有效的耗散能量,保護(hù)貽貝足絲蛋白核心不會(huì)被外力扯斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,多巴和鐵離子可以形成單位配、二配位和三配位結(jié)構(gòu)。形成何種配位結(jié)構(gòu)受溶液環(huán)境pH以及鐵離子濃度共同調(diào)控。我們首先將多巴化學(xué)交聯(lián)在透明質(zhì)酸長(zhǎng)鏈上,通過(guò)加入氯化鐵溶液,制成透明質(zhì)酸-多巴-鐵離子(HA-DOPA-Fe3+)納米顆粒。通過(guò)原子力顯微鏡探針釣起單個(gè)的HA-DOPA-Fe3+納米顆粒,進(jìn)而測(cè)量多巴與鐵離子的結(jié)合情況。通過(guò)改變?nèi)芤簆H和鐵離子濃度,從而研究二配和三配位情況下多巴與鐵離子的結(jié)合力。本章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)從分子機(jī)制上理解生物體中配位鍵對(duì)生物材料力學(xué)性質(zhì)的影響,并可以為未來(lái)合成新型功能仿生材料提供參考。本文詳細(xì)研究了貽貝足絲蛋白中多巴對(duì)不同材料的粘附能力以及多巴與鐵離子的配位作用。本文的研究結(jié)果不僅解釋了貽貝足絲蛋白對(duì)各種表面的強(qiáng)力吸附作用,還對(duì)新型仿生材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
[Abstract]:In chapter 1 , the mechanism of molecular force spectrum analysis based on atomic force microscopy has been widely used in the determination of adhesion between multiple bar molecules and solid surfaces , and the mechanism of surface atomic structure , the surface modification of the donor - acceptor and the coordination mechanism between dopa and metal ions have not been studied . In this chapter , the synergistic adsorption of L - lysine - dopa and glycine - dopa is discussed in this chapter .
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q51;Q66

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本文編號(hào)：2100760