稀土离子对若干生物物质影响的拉曼光谱研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 赵雨 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2001 |
| 授予单位 | 中国科学院长春应用化学研究所 |
| 授予地点 | 长春应用化学研究所 |
| 关键词 | 稀土离子 拉曼光谱 二维拉曼 细胞质膜微囊 蛋白质 核酸 |
| 学位专业 | 物理化学 |
| 中文摘要 | 随着稀土在农业、畜牧业、工业及现代生物医学上的广泛使用，稀土元素将不可避免地通过各种途径进入人体。但稀土元素是否为人体必需元素目前并不清楚，研究稀土对许多生物功能的作用及其机理，阐明稀土进入体内后是有害?还是有益?成为一个迫切需要解决的基础性研究课题。而拉曼光谱技术较其他技术相比，在生物领域的研究中具有许多独特的优势，并己成为研究生物分子的一种有利工具。因此，应用拉曼光谱技术研究稀土离子对生物体系的作用便成为本论文的主要研究内容。目前，在稀土的生物效应研究中，拉曼技术的应用很少，本论文的许多工作都是国际上首次开展的。 一、细胞质膜微囊的拉曼光谱研究细胞质膜微囊被认为是细胞膜进行信号传递的部位，它由鞘磷脂、胆固醇、糖脂构成基本骨架。这一结构具有怎样的构象? 稀土离子对其构象有何影响? 这将是本论文试图解决的首要问题。我们针对由鞘磷脂、胆固醇、糖脂三者所形成的脂质体，首次应用拉曼光谱研究此三元膜的构象，同时研究稀土离子对此模拟膜的构象影响。结果表明：糖鞘脂、胆固醇的存在并没有改变鞘磷脂的0—C—C—N~+骨架构象，极性头仍然平行膜表面；随着胆固醇浓度上升，鞘磷脂脂双层有序性下降，流动性升高；糖鞘脂的加入，同样造成膜的有序性降低，流动性升高，与胆固醇不同的是，当糖鞘脂的浓度达到20 mol％时，膜的流动性最大。对于这种情况，我们认为，当糖鞘脂浓度大于20 mol％时，膜上将出现糖鞘脂 - 糖鞘脂这样的富集区，此时，糖鞘脂主要以自身聚集的形式存在于膜上，这一微区的形成将减弱糖鞘脂对邻近鞘磷脂的影响，对膜流动性的影响也将随之减弱。另外，糖鞘脂或胆固醇的存在，并不能影响对方对鞘磷脂构象改变的规律，这说明，二者在功能上是不拮抗的，它们在调节细胞膜的构象上起着相互补充的作用。稀土离子对鞘磷脂、胆固醇、糖鞘脂三者所形成的三元膜构象影响与对鞘磷脂双层膜的影响类似，即不改变鞘磷脂头基构象，但可造成膜的有序性降低，流动性升高。二、金属离子对牛血清白蛋白的作用结构的改变必将带来功能的变化，稀土离子生理作用的首要表现之一即是影响蛋白质的结构。本试验首次通过对加入稀土离子的蛋白质溶液的拉曼光谱进行分析，计算其二级结构，最终获得稀土离子对蛋白质二级结构的影响。我们具体分析了稀土离子Eu~(3+)和Dy~(3+)在不同浓度下(2.O * 1O~(-3)，2.0 * l0~(-4)，2.0 * 10~(-5)，2.0 * 10~(-8) mo1/L)对牛血清白蛋白的作用，结果表明牛血清白蛋白中18个酪氨酸都呈“暴露式”，即苯环上的0H基团是与溶剂H_2O分子形成氢键。稀土离子的加入没有改变酪氨酸的微环境。但色氨酸谱峰强度的改变说明：稀土离子加入蛋白中可能与暴露的色氨酸残基吲哚环作用，发生能量传递。我们应用拉曼光谱计算蛋白质二级结构的方法分别计算不同浓度稀土离子作用下牛血清白蛋白二级结构的变化，发现：牛血清白蛋白α -螺旋的含量随着稀土离子浓度的升高而降低，同时无规卷曲的含量逐渐升高。牛血清白蛋白氨基酸序列中共有3个色氨酸，分别为Trp-3、Trp-158和Trp-237。通过分析牛血清白蛋白的氨基酸序列，并且模拟牛血清白蛋白的二级结构，得知：当稀土离子浓度较低时，主要和Trp-3作用。随着离子浓度升高，稀土离子可能进一步和Trp-158发生作用，进而影响肽段的二级结构，使肽链的结构变得相对松散，刚性降低，α -螺旋的含量减少。三、应用二相关拉曼光谱研究稀土离子对血红蛋白和肌红蛋白的作用二维拉曼光谱作为一种较新的技术，在研究谱峰的细微变化方面具有独特优势。这一技术问世的时间只有几年，国内尚无文章发表。本试验主要研究在血红蛋白和肌红蛋白溶液中加入不同浓度的稀土离子，获得一系列共振拉曼光谱，对其进行二维分析，了解稀土离子对这两种蛋白的氧化态和自旋态的影响。结果表明，以稀土离子浓度作为微扰，稀土离子对血红蛋白和肌红蛋白结构的影响是十分微弱的，以至于常规的拉曼光谱无法检测到这种变化，而二维相关光谱却表现了其高分辨率的独特优势。通过一维光谱得知：稀土离子没有结合在卟啉核上，二维同步相关光谱和异步相关光谱表明：稀土离子加入血红蛋白中，使结构敏感峰发生了同步的变化，且这种变化明显先于其它峰的变化，这说明：稀土离子使卟啉核的大小以及电子云密度发生改变。由于血红蛋白由血红素分子和珠蛋白两部分组成，血红素分子的这种变化只能是它所处的肽环境发生变化导致的，即稀土离子作用于血红蛋白的珠蛋白。结合血红蛋白与稀土离子作用的荧光光谱我们认为：稀土离子对血红蛋白的作用主要是结合到肽链上，改变了血红素所处的肽环境，使血红蛋白结构的刚性增加，这可能还意味着血红蛋白形变能力的降低。Ca~(2+)和稀土离子对血红蛋白的作用是十分相似的，二者都不与血红素分子直接作用，而是通过肽链影响卟啉核的电子排布和卟啉核的大小。四、金属离子对DNA的作用二价金属离子与DNA结合可以造成DNA多种结构变化，有关稀土离子与DNA作用的研究很少，而应用拉曼光谱技术研究这种作用的工作迄今未见报道。本论文将应用拉曼光谱技术研究稀土离子与DNA的相互作用，试图找到稀土离子在DNA上的结合位点，同时也研究了一些金属离子与DNA的作用，并将二者加以比较。得到了以下结果：1．Eu~(3+)、Dy~(3+)、Pr~(3+)、Lu~(3+)等稀土离子与Ca~(2+)、Mg~(2+)一样主要与DNA的P0_2~-发生结合，并且这种结合对脱氧核糖也产生影响，但对碱基不产生影响。2．Ni~(2+)、Zn~(2+)不仅和DNA的磷酸基团结合，同时也与鸟嘌呤的N7结合，并影响DNA的主链构型，但B型构象依然存在。3．Cu~(2+)离子可以与DNA的磷酸基团、鸟嘌呤的N7结合，但与碱基的结合更强，对DNA结构的影响也更大，它不仅改变DNA的构象，使B型构象消失，还影响碱基的堆积和糖基的振动。4．Ce~(3+)首先通过断裂磷酸基团，进而影响碱基的堆砌，造成A—T间氢键断裂，DNA的A—T富集区趋于解链，B型构象消失，DNA双螺旋受破坏。并且由于核糖 - 磷酸键的断裂，使脱氧核糖的振动也发生改变。5．所研究的这些离子对DNA结构影响的能力顺序为：Ce~(2+)> Cu~(2+)>Ni~(2+)、Zn~(2+)> Eu~(3+)、Dy~(3+)、Pr~(3+)、Lu~(3+)、Ca~(2+)、Mg~(2+)。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-01-17 ; 2011-04-28 |
| 页码 | 132 |
| 源URL | [http://ir.ciac.jl.cn/handle/322003/34087]  |
| 专题 | 长春应用化学研究所_长春应用化学研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵雨. 稀土离子对若干生物物质影响的拉曼光谱研究[D]. 长春应用化学研究所. 中国科学院长春应用化学研究所. 2001. |
入库方式： OAI收割
来源：长春应用化学研究所
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