博士论文-生物相关体系中纳米尺度结构的SAXS研究

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题名	博士论文-生物相关体系中纳米尺度结构的SAXS研究
作者	邢雪青
学位类别	博士
答辩日期	2012
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	吴忠华
关键词	小角X射线散射生物相关体系纳米尺度结构
学位专业	凝聚态物理
中文摘要	生物体系中存在着丰富的纳米尺度结构，它们是生物体存在某些特殊生物功能或者生物特性的基础，研究这些纳米物质的结构有助于理解其生物功能。小角X射线散射（SAXS）技术专门研究物质内部纳米尺度结构。在国内，将SAXS技术应用到生物领域的研究相对较少。本论文选择五种代表性的生物体系样品，应用同步辐射SAXS技术对其纳米尺度结构进行较为详细的研究，具体内容有：; (1).溶液中耐温蛋白PeaT1随温度变化的结构演变研究。来自极细链格孢菌的蛋白激发子PeaT1展现出极高的耐温特性以及作为“绿色”农药的潜在生物应用。之前的SRCD实验表明，该蛋白质的二级结构随温度变化是可逆的。为了进一步阐述其耐温性机理，我们应用同步辐射SAXS技术研究了该蛋白质在溶液中的三维形状随温度的变化。应用从头算起算法从SAXS数据中重构出蛋白质颗粒在溶液中的形状.结果显示PeaT1蛋白质颗粒在溶液中呈长形，P2对称轴与长轴平行。随着温度的升高，蛋白质PeaT1 经历了“鹅颈瓶状”(25°C)，到 “壶状” (55°C)，再到“卵形” (85°C)形状的变化，并且温度降低后这些形状变化显示是可逆的。在溶液中PeaT1蛋白质颗粒以同源二聚体形式存在，即包含两个完全相同的分子，每一个分子都包含标记为F，NAC，T，以及UBA的四个结构域。对四个结构域的结构进行了预测。应用退火模拟算法编写的程序将预测的结构域结构重叠到我们通过SAXS计算的出来的形状中。结果发现，随着温度的变化，所有的结构域都发生了旋转和平移，只不过两个NAC结构域相对稳定，此稳定结构有助于该蛋白质的耐温性。形状变化信息为该蛋白质的生物功能与应用的进一步开发提供线索。; (2). 一种新型抗癌药物载体——聚乙二醇-磷脂酰乙醇胺（PEG-PE）自组装成的胶束颗粒的结构研究。PEG-PE胶束颗粒可以有效将疏水药物小分子包载进其疏水内核从而增强药效。近期研究发现，该胶束颗粒同样可以通过一步混合方法包载两亲性药物，然而对不同的药物分子具有不同的包封率以及释放方式。为了阐述两亲性药物在胶束载体中的存在位置，本研究中选择了三种两亲性药物进行实验，分别是阿霉素（doxorubicin），长春瑞斌（vinorelbine），以及拓扑替康（topotecan）。应用SAXS实验对载药胶束载药前后形状。尺寸，内部电子密度分布进行了研究。结果发现，该胶束颗粒在水溶液中呈球状，总的半径是9 nm，内部是半径为2 nm的疏水核，往外是厚度2 nm的亲疏水壳层（核壳分界层），最外面是聚乙二醇亲水链形成的亲水层。当药物装进胶束之后，胶束依然为球状，胶束以及其疏水核半径，亲疏水界面与亲水壳层的厚度都没有明显的变化。根据SAXS实验数据计算出空胶束载药前后的径向电子密度分布函数显示：胶束颗粒装载了药物之后，亲疏水壳层的密度明显增加，药物越多密度增加越大，内部和外部，尤其是疏水内核部分的密度没有改变。此结果得到了合作方同时进行的分子动态模拟结果的支持。这一研究成果更加明确指出了纳米胶束载体材料的选择以及抗癌药物的选择方向。; (3). 表面进行不同电荷修饰的金纳米颗粒引起膜结构与组成有关的拓扑转变的研究。将直径约为5 nm的金纳米颗粒表面分别修饰上SH(CH2)11COOH，SH(CH2)11SO3H，SH(CH2)11NCl3，和 SH(CH2)11NH2。前两种小分子在溶液中都带一个负，第三种小分子带三个正电荷，最后一种带一个正电。第五种金纳米颗粒表面不进行任何修饰。五种金纳米颗粒分别被标记为：Au_COOH，Au_SO3H，Au_N，Au_NH2，和Au。用三种磷脂分子（DOPC，DOPG，DOPE）做成三种不同组分的磷脂膜，作为简化的细胞膜：单独的DOPC（PC膜），DOPC:DOPG=4:1（PCPG膜），以及DOPE:DOPG=4:1（PEPG膜）。应用SAXS对三种磷脂膜，五种金纳米颗粒以及十五种膜与金纳米颗粒混合后的溶液进行了研究。结果发现只有表面修饰正电荷的金纳米颗粒才可以使磷脂膜成分中含有DOPE的磷脂双分子膜结构转变成反六角相结构，其他混合混合溶液中均没有六角相的出现，同时根据SAXS数据给出小角区衍射峰的位置以及振幅比例等信息计算出了六角相的二维密度分布。此外，使用共聚焦显微镜观察了不同修饰的金纳米颗粒引起不同膜发生渗漏的情况，作为SAXS实验的补充。此研究是理解纳米颗粒的生物毒性以及其在生物医药方面的基础研究。; (4). 汞污染引起人发内部的变化研究。汞是环境污染中最危险的污染之一。此处对汞污染引起人发结构的变化进行了研究。人发样品选自北京和贵州万山汞污染区。首先应用电感耦合等离子体质谱仪对两地发样中元素含量进行了检测，发现贵州地区人发中汞的含量比北京地区人发中汞的含量高很多倍。SAXS技术被用来探测头发内部结构的变化。在小角区域，比较了两个地区发样SAXS谱中8.8，6.7和4.5-nm三个衍射峰的区别。根据Ca2+元素的增加会增强4.5-nm衍射峰的强度以及增大对应的角宽度，确认了该4.5-nm衍射峰来自头发的细胞外基质（ECM）中的蛋白糖在核心蛋白质上的规则排列，Ca2+元素进入ECM之后与上面的负电基团相互作用导致了本取向排列的蛋白糖变得随机。然而过量的Hg含量导致了这一4.5-nm有序峰的消失，我们认为Hg元素进入头发后，也是进入了头发的ECM中， Hg元素通过与核心蛋白质中半胱氨酸含有的S元素结合使得核心蛋白质变性，从而导致与此有序结构对应的4.5-nm衍射峰消失。此4.5-nm衍射峰的消失可以作为人体过量汞污染的指示器。最后给出了一个超卷曲的头发内部结构模型以及可能的汞影响的作用机制。; (5). 蟋蟀牙齿内部的多级结构以及生物矿化研究。蟋蟀生性好斗，其战斗武器是其锋利且坚硬的牙齿。其牙齿结构以及可能的生物矿化令人饶有兴趣。本研究中应用同步辐射XRF，XRD，以及SAXS技术探测了蟋蟀牙齿中的元素分布，可能晶体结构以及散射体的尺寸分布。同时应用扫描电子显微镜直接观察了牙齿内部的纳米结构。结果显示蟋蟀牙齿内部含量最多的重元素是Zn。牙齿表面是如ZnFe2(AsO4)2(OH)2(H2O)4晶体化合物。而内部是如ZnCl2的结晶化合物，此晶体是生物矿化的，其存在形式是直径为纳米尺度，生长方向指向牙尖的纤维。由SAXS数据计算出牙尖部分纳米纤维的最可几直径26.6 nm，而平均直径是34.2 nm。而SEM中观察的纤维直径在150-200 nm之间。因此，将SAXS中计算出的直径在几十纳米分布的纤维称为微纤维，而将SEM观察直径在两百纳米左右的纤维称作中间纤维。由于SAXS谱中没有衍射峰出现，因此，微纤维是以无规的形式聚集成中间纤维的，形成了多级结构。最后给出了牙齿内部纤维存在形式的示意图。
语种	中文
学科主题	凝聚态物理
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/210220]
专题	多学科研究中心_学位论文和出站报告高能物理研究所_多学科研究中心
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	邢雪青. 博士论文-生物相关体系中纳米尺度结构的SAXS研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012.