海藻糖对生物膜稳定作用的分子动力学研究

发布时间：2020-05-26 20:51

【摘要】：众所周知,离体的生物细胞在常规方式下难以实现长期保存。就目前而言,低温保存是最常见的长期保存方法。低温保存技术广泛应用于胚胎干细胞、珍稀动植物种质资源、基因资源的长期保存以及人体器官和组织的移植等,是对生命科学和生态学领域有着深远影响的关键技术。低温保存的首要目标是尽可能地减小低温损伤,添加低温保护剂是抑制低温损伤的有效手段。海藻糖作为最常见的天然保护剂之一,在低温或脱水等极端环境下,能够维持生物膜结构和功能的完整性,具有十分优越的生物膜稳定效果。然而,在海藻糖类保护剂应用日渐广泛的背后,其稳定作用的内在机理仍然未知,严重制约了低温保存基础理论和低温保存技术的进一步发展。因此,分析海藻糖与生物膜的微观相互作用,探究海藻糖对生物膜稳定作用的分子机制,具有极其重要的理论和现实意义。首先,本文对不同浓度的海藻糖水溶液进行了分子动力学(MD)模拟,并对溶液微观结构、动力学特性和氢键特性进行了分析。研究发现,海藻糖分子的糖苷键二面角不易发生扭曲变形,其相对刚性的分子结构是海藻糖能够发挥保护作用的基础。同时,海藻糖具有很强的形成氢键的能力,能够与水形成氢键并破坏水分子的局部四面体结构,降低水分子的平动和转动速度,进而抑制冰品成核和生长。据此本文提出“抑制成核效应”稳定机理:通过降低溶液侧结晶趋势,缓解磷脂膜侧脱水的趋势,从而避免生物膜脱水损伤,起到稳定生物膜的作用。其次,本文建立了不同组成的海藻糖/水/POPC膜体系,通过控制水合程度来模拟生物膜脱水环境。研究发现,海藻糖能够代替水与磷脂分子相结合,从而提高单个磷脂分子平均面积,降低双层膜厚度和酰基链有序程度,降低各基团移动性,抑制磷脂膜向凝胶态的转变。研究结果证实了“水替代效应”、“体积效应”以及“玻璃化效应”假说,并在原子层面对其具体作用方式进行了阐释。此外,海藻糖分子能够调节磷脂头部偶极的分布,进而影响膜表面电荷分布,改变电荷敏感型保护物质或有害粒子的作用环境,据此本文提出“电荷调节效应”保护机理。进一步研究表明,升温条件下,海藻糖的稳定作用不仅体现在对静态结构的改善,更体现在升温前后动态波动幅度的降低。最后,本文对机械应力作用下的海藻糖/水/POPC双层膜体系进行了MD模拟,研究发现,横向压缩性应力的施加与脱水效果类似,而横向拉伸性应力则与提高水合程度类似。拉伸性应力作用下,海藻糖对膜的主要稳定机理是水替代效应。然而,压缩性应力作用下,由于磷脂头部暴露的氢键结合位点不足,水替代效应受到限制,此时海藻糖的主要作用机理是“水滞留效应”:当海藻糖含量较高(nTRE:nPOPC=1)时,磷脂头部结合的水分子中有20%以上同时与附近海藻糖形成氢键,因此这部分水分子相当于被磷脂和海藻糖分子形成的笼形空间捕获,不易扩散到溶液中,磷脂头部水合层更加稳定。本文揭示了海藻糖发挥水替代效应、体积效应和玻璃化效应的分子机制,并分别从溶液侧微观结构、磷脂头部偶极分布以及水合层稳定性的角度出发,提出抑制成核效应、电荷调节效应和水滞留效应作用机理。以上几种效应互不冲突,同时存在,只是不同的情况下各自能发挥的程度有所差异。本文的研究为海藻糖保护剂的优化使用提供了数据支持和理论参考,对新型低温保护剂和保护工艺的设计具有一定的启示意义。
【图文】：

细胞膜,复水,冻干,扫描图

低温损伤的环境中，应密切关注生物膜的状态。逡逑在冷冻－戫温或干燥－复水过程中，生物膜可能发生一系列不可逆的形态变化，其结逡逑构和功能足Ａ能保持完整足影响细胞低温保＃存活率的关键Ｗ素之一。如下图１．３所不，逡逑－５邋－逡逑

凝胶态,层状相,脂膜,程度

逦海藻糖对生物膜稳定作用的分子动力学研究逦逡逑随着温度和水合程度的变化，，生物膜将呈现不同的相态。当水合程度较高（如水／磷脂分逡逑子个数比超过３０：１的ＰＯＰＣ膜）且处于相变温度以上时，脂质－水悬浮液中存在两相：逡逑水／磷脂分子个数比约为３０：１的层状相以及纯水构成的主体相；当水合程度较低或达到逡逑冻结温度时，主体水相消失，仅存在层状相；当温度低于脂膜的液晶一凝胶态转变温度逡逑７；时，脂膜由液晶态转变为凝胶态［９１。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB66

【参考文献】