基于表面力仪的贻贝足丝蛋白粘附机理研究

发布时间：2017-06-11 10:05

  本文关键词：基于表面力仪的贻贝足丝蛋白粘附机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物粘附由于其相对于传统人工材料所特有的优势启发人们广泛地开展针对生物粘附系统的研究,并积极研制各种仿生或受生物启发的粘性材料。但是,目前仿生粘附材料的应用仍然受到很多限制,例如材料在潮湿环境中无法保持稳定的粘附状态。贻贝在高盐的海水中拥有稳定且多样性的吸附能力,这为人们开发防水粘性材料提供了一种完美的解决方案。研究表明,贻贝与表面的粘附是直接通过其足丝盘中分泌的足丝蛋白形成的,而这些蛋白所含有的氨基酸残基—3,4-二羟苯丙氨酸(多巴)在粘附中起关键作用。通常情况下,贻贝足丝蛋白的粘附性能与其中的多巴含量直接相关。在关于贻贝粘附的研究中,贻贝足丝蛋白的粘附机理是最基本的、也是最复杂的问题,目前仍没有形成清晰且完整的认知。对于这个问题的深入探索对设计粘附性能优异、环境适应性强且环保的人工粘性材料具有关键意义。本文通过实验方法对贻贝足丝蛋白的粘附机理进行了系统性研究,研究内容包括界面贻贝足丝蛋白的粘附机理,贻贝足丝蛋白与有机表面的粘附机理以及多巴-硼酸盐配合物在贻贝足丝蛋白粘附中的作用机制三个部分。实验方法主要使用表面力仪(SFA)直接测量在纳米尺度下贻贝足丝蛋白与表面之间的粘附能,或蛋白与蛋白之间的内聚能,并讨论环境溶液或表面的状态对蛋白粘附特性的影响。界面贻贝足丝蛋白粘附机理的研究对象选择Mytilus edulis贻贝分泌的Mfp-5,该蛋白含有高达27 mo1%的多巴含量。SFA实验显示,Mfp-5是目前已知粘附能力最强的贻贝足丝蛋白。在pH 2.6环境中,Mfp-5与云母表面之间的粘附能可达到-13.7 mJ/m2, Mfp-5与Mfp-5之间的内聚能可达到-2.5 mJ/m2。但是,当蛋白中的多巴被氧化成多巴醌后,蛋白与云母表面的粘附能力出现急剧下降甚至消失的现象。实验结果表明,Mfp-5与云母表面之间的粘附受蛋白中多巴残基的儿茶酚基团与云母表面的氧原子之间的双配位基型氢键主导,并再次证明贻贝足丝蛋白粘附对多巴及其儿茶酚结构的依赖性。但是,这种依赖性与多巴的含量不呈严格的正比关系,蛋白的粘附能力还与粘附发生时蛋白的分子构象有关。在蛋白之间的相互作用方面,Mfp-5与Mfp-3之间测得的粘附能表明Mfp-5在足丝盘中除了直接参与粘附,还是界面蛋白之间的中介。在pH5.5和pH 7.5的多巴氧化环境中,通过长时间接触两个Mfp-5分子层均可以发现强力的内聚能,该内聚能极可能是由多巴醌介导的蛋白间的共价键交联引起的。贻贝足丝蛋白与有机表面粘附的研究采用两种化学特性相异的自组装单分子膜(SAM)作为表面基底。SFA实验显示,在非极性疏水CH3-SAM表面上,三种贻贝足丝蛋白(Mfp-1,Mfp-3和Mfp-5)的粘附能分别在-4 mJ/m2～-9 mJ/m2之间。最强的粘附能出现在疏水侧链含量最高的Mfp-3中,而不是多巴含量最高的Mfp-5中。因此,所测得的粘附能由蛋白中的疏水残基与CH3-SAM表面上的烷基之间形成的疏水相互作用主导。而且,Mfp-3所具有的更强的粘附力还与其氨基酸序列C端非对称地分布有三个强疏水的色氨酸有关。此外,首次发现了表皮蛋白Mfp-1能够桥接两个化学特性不同的表面,体现了贻贝足丝蛋白粘附良好的自适应性。另一方面,在极性亲水OH-SAM表面上,贻贝足丝蛋白的粘附能均明显弱于它们与云母之间的粘附能。这种粘附弱化现象是因为蛋白中多巴的双羟基基团与OH-SAM表面上的头基不匹配,最终只能形成键能较弱、瞬态寿命较短的单配位基型氢键。该发现表明界面的几何构型对基于多巴的湿粘附有重要影响。多巴-硼酸盐配合物作用机制的研究结果显示,在含有0.1 M硼酸的pH 7.5缓冲液中,Mfp-5与云母表面之间存在可逆且依赖于表面接触时间的粘附力。当环境pH降至3后,Mfp-5的粘附能力与未经历易氧环境的状态相当,未发现明显的衰减,说明硼酸盐与蛋白中的多巴在中性pH环境中形成的多巴-硼酸盐配合物有效地抑制了多巴的氧化。通过使用苯基硼酸替换硼酸进行相同的实验,验证了在pH 7.5硼酸盐缓冲液中测得的粘附力来自于多巴与云母表面之间的氢键。硼酸盐的这种抑制多巴氧化,并实现蛋白在易氧环境中可逆粘附的能力是多巴与硼酸盐之间快速、可逆的络合反应以及多巴-硼酸盐配合物的解离特性共同作用的结果。同时发现形成多巴-硼酸盐配合物介导的粘附行为有两个必要条件,分别是压力以及中性或碱性pH环境。
【关键词】：生物粘附 贻贝足丝蛋白 多巴 Mfp-5 疏水相互作用 多巴-硼酸盐配合物
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34;Q811
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 研究背景及意义12-15
• 1.2 国内外研究现状15-27
• 1.2.1 氢键17-18
• 1.2.2 金属离子配位作用18-21
• 1.2.3 疏水引力21-22
• 1.2.4 多巴氧化及多巴醌介导的相互作用22-25
• 1.2.5 相互作用25-26
• 1.2.6 其他因素26-27
• 1.3 本文主要研究内容27-30
• 第二章 表面间相互作用测量方法—表面力仪(SFA)30-46
• 2.1 引言30-31
• 2.2 SFA测力原理31-38
• 2.2.1 法向力测量31-33
• 2.2.2 基于多光束干涉的表面间距测量33-37
• 2.2.3 表面曲率半径测量37-38
• 2.3 SFA 2000系统38-43
• 2.3.1 表面间距控制39-42
• 2.3.2 弹性系数测量42-43
• 2.4 云母表面制备43-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 贻贝足丝蛋白Mfp-5的粘附机理46-64
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验材料与方法47-50
• 3.2.1 Mfp-5萃取与提纯47-48
• 3.2.2 SFA配置48-50
• 3.3 实验结果50-56
• 3.3.1 Mfp-5与云母的粘附力50-51
• 3.3.2 Mfp-5与Mfp-5的内聚力51-52
• 3.3.3 环境pH值和离子强度对粘附的影响52-55
• 3.3.4 高碘酸盐氧化多巴对粘附的影响55-56
• 3.3.5 Mfp-5与Mfp-3的粘附力56
• 3.4 结果讨论56-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第四章 贻贝足丝蛋白与有机表面的粘附机理64-78
• 4.1 引言64-65
• 4.2 实验材料与方法65-67
• 4.2.1 贻贝足丝蛋白提纯65
• 4.2.2 自组装单分子膜表面制备65-66
• 4.2.3 SFA配置66-67
• 4.3 实验结果67-72
• 4.4 结果讨论72-76
• 4.4.1 贻贝足丝蛋白的拥挤效应72-73
• 4.4.2 贻贝足丝蛋白与CH3-SAM表面间的相互作用73-75
• 4.4.3 贻贝足丝蛋白与OH-SAM表面间的相互作用75-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第五章 多巴-硼酸盐配合物在贻贝足丝蛋白粘附中的作用机制78-94
• 5.1 引言78-80
• 5.2 实验材料与方法80-81
• 5.2.1 贻贝足丝蛋白提纯及SFA配置80
• 5.2.2 X射线光电子能谱80-81
• 5.2.3 二次离子质谱和光学显微镜81
• 5.3 实验结果81-89
• 5.3.1 硼酸盐对Mfp-5粘附的影响81-86
• 5.3.2 多巴-硼酸盐配合物的解离86-89
• 5.4 结果讨论89-91
• 5.5 本章小结91-94
• 第六章 总结与展望94-98
• 6.1 本文主要研究结论94-96
• 6.2 本文创新点96
• 6.3 未来工作展望96-98
• 致谢98-100
• 参考文献100-112
• 攻读博士学位期间科研成果112-113

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本文编号：441331