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生物小分子(如腺苷三磷酸ATP、谷胱甘肽等)在生命体内发挥着能量供应、氧化还原损伤的修复等重要作用,而单分子水平上识别、检测这些小分子能够对生命过程机理的揭示提供重要信息。纳米孔技术是一种操作简单、免标记的单分子分析方法。基于生物纳米孔α-溶血素与环糊精适配器的检测体系,目前可以检测核苷酸、金刚烷胺、氨苄西林等多种小分子,但是仍然有许多对于生命体重要的有机分子不能被现有的纳米孔体系所识别和检测。基于此,本文从天然β-环糊精出发,进行环糊精功能化修饰,并且作为适配器用于纳米孔检测技术来识别生物小分子,从而能够揭示酶动力学、单分子化学反应等方面的信息。1.设计并合成仿生人工受体选择性识别ATP、ADP与AMP从天然β-环糊精出发,进行6号位全取代修饰,经过碘代、叠氮基、氨基等中间产物,合成了人工受体全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ,其结构类似于线粒体ATP/ADP转运载体,并且作为适配器用于纳米孔实验中,发现ATP、ADP和AMP产生了不同的信号特征,并且与全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ的结合平衡常数差别较大。通过DOCK 6分子对接模拟软件,揭示了全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ与ATP、ADP、AMP的不同相互作用方式,三种分子使全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ小口端的修饰基团的收缩程度不同,从而产生不同的阻塞电流。三者与全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ之间存在的氢键和盐桥数目不同则导致了各自滞留时间的不同,从而能够在单分子水平上识别并检测与生命体内能量直接相关的分子。利用全-6-季铵基-β-环糊精Ⅰ适配器的识别能力,监测了 ATP在碱性磷酸酯酶作用下的水解过程,得到在水解过程中ATP、ADP、AMP的各自浓度,从而能够为今后用来评价酶活性或者酶抑制剂的性能奠定了基础。2.合成全-6-季铵基-β-环糊精Ⅱ选择性识别并检测氧化型谷胱甘肽在本体溶液中测定还原型谷胱甘肽(glutathione reduced,GSH)和氧化型谷胱甘肽(glutathione oxidized,GSSG)已经有许多报道。但是建立一种简单且免标记的方法特别是在单分子水平上识别GSSG和GSH仍然非常重要。本文从天然β-环糊精出发合成了全-6-季铵基-β-环糊精Ⅱ,并且作为α-溶血素纳米孔的适配器,在一定条件下,只有氧化型谷胱甘肽GSSG能产生特征性信号,而还原型谷胱甘肽没有响应,从而能够在单分子水平上识别并检测氧化型谷胱甘肽,线性范围是6.00-90.0 μM。另外,监测了在本体溶液中,氧化型谷胱甘肽与还原型谷胱甘肽之间的转换过程,并且揭示了氧化和还原反应各自对应的反应级数。接着通过将GSH与过量的过氧化氢(H2O2)分别加在纳米孔的两侧,直接在电流-时间曲线图中观察到二者在纳米孔中发生反应的事件,而且比在本体溶液中速度更快,也许是更低的反应活化能所致。这种现象的探究将会对纳米尺寸空间内的化学反应的研究具有重要意义。