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聚苯胺抗菌、抗黏附作用的理论及实验研究

作　者: 田继权
导　师: 王伯初
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 聚苯胺黏附分子吸附能分子动力学
分类号: R96
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自然界中广泛存在生物黏附的现象,自二十世纪八十年代以来,人们就开始关注生物黏附的机理,并用于开发药物传递系统且取得了一定的成绩。对生物黏附机理的深入研究,将为医学、新药开发、生物材料等领域提供新的研究思路和方法。对生物黏附阻断的原理及其相关新技术、新方法的研究,具有重要的学术价值及广阔的应用前景。由于海水的高流动性,海洋生物中的黏附现象比较普遍和典型。本文以海洋生物分泌的DOPA(3,4-二羟基苯丙氨酸,多巴)粘附单元为研究对象,此分子被认为是海洋生物黏附的关键,并普遍存在于海洋生物中,如海洋细菌,硅藻,贻贝和藤壶等。这些海洋污损生物会附着在船底或水下设施,造成船舶寿命缩短,水下设施腐蚀,带来巨大的经济损失。常规的防污方法存在破坏海洋生态环境,防污期效短等缺点,因此如何有效防除附着生物一直是一个世界性的难题。研制开发新型环保的海洋防污技术和材料,已成为当前海洋防污领域的研究热点。本文从防污涂料阻断海洋生物黏附的角度出发,综合运用了分子动力学、分子生物学以及生物化学的相关知识,建立理论计算模型,从分子水平上探讨聚苯胺阻断DOPA等黏附分子的相关机理研究,为探讨聚苯胺的抗菌,抗黏附提供有力的理论依据。同时,通过挂板实验,研究聚苯胺对海洋细菌和硅藻黏附的抑制作用,为探讨聚苯胺的抗菌,抗黏附提供有力的实验依据。具体研究内容和结果如下:①采用量子化学密度泛函理论,对海洋生物分泌粘液中的酪氨酸(Tyr)及其氧化物DOPA、DOPA醌(DOPA的氧化物)、DOPA二联体(两个DOPA发生氧化偶联反应的产物)和聚苯胺三种主要结构成分模型(本征态,单极化子,醌式双极化子)的性质进行了理论研究。电荷控制的反应中,正负电荷互相吸引,且所带正负电荷越多,相互作用可能越大,吸附能也就越大。计算结果表明,Tyr、DOPA、DOPA二联体的OH-(约-0.2 ~ -0.25e)以及DOPA醌的O=(约-0.36e)官能团负电性很高(图2.1),是主要的吸附活性中心[1,2,3]。亲电(亲核)敏化指数(Fukui)是指受亲电(亲核)试剂攻击的可能性大小,是研究有机化合物的亲电或亲核反应性及确定分子活性部位的有效方法。图中蓝色图像部分为DOPA等受亲电进攻时各原子的电荷密度变化,密度越大即蓝色图像越大,发生亲电反应的可能性越大。可以看出,Tyr、DOPA、DOPA二联体的苯环要比DOPA醌的苯环易受亲电攻击(图2.2).聚苯胺上的N原子是主要活性中心。聚苯胺本征态结构的N原子主要带正电,苯环带负电,单极化子和醌式双极化子结构电荷分布与本征态正好相反,N原子主要带负电,而苯环带正电(图2.3)。②采用分子动力学模拟方法,将聚苯胺的三种主要结构(本征态,单极化子,醌式双极化子)分别模拟构建三种不同的表面,研究黏性分子DOPA、DOPA醌、DOPA二联体及Tyr与三种表面的相互作用。计算结果表明,在本征态表面,各黏附分子吸附能大小比较为:DOPA醌>DOPA二联体>DOPA>Tyr,其原因可能是本征态的N原子主要带正电, O=负电性要大于OH-,所以DOPA醌的吸附能最大。Tyr只有一个酚羟基,吸附能最小。在单极化子和醌式双极化子表面,DOPA二联体>DOPA >Tyr> DOPA醌。(图2.22)其原因可能是由于两种极化表面的N原子由于被质子化,N原子主要带负电,此时作为主要活性中心的OH-和O=的吸附作用都减弱了。从图2.10可以看出,经过动力学平衡后,DOPA分子的苯环发生较大的倾斜,此时吸附能的贡献可能来自于黏附分子苯环与表面苯环间的相互作用。根据DOPA和DOPA醌的亲电进攻敏化指数Fukui(-),DOPA醌苯环的活性最小,所以DOPA醌的吸附能最小。(图2.2)③采用分子动力学模拟方法,建立贻贝黏附蛋白四个大分子(Mefp-1, Mefp-1’Mefp-3, Mefp-5)与三种表面相互作用的“双层结构”模型,对它们的相互作用能进行了系统研究,其中Mefp-1’是将Mefp-1中的DOPA替换成DOPA醌。研究表明,Mefp-1, Mefp-3和Mefp-5在本征态表面的吸附能最小,Mefp-1’在单极化子表面吸附能最小,(图3.2)再次表明DOPA在本征态表面的吸附能最小,DOPA醌在单极化子表面吸附能最小,不同的黏附分子在不同结构表面吸附能有很大的不同,可作为阻断黏附的出发点。④通过在实验室挂板,观察聚苯胺导电涂料对海洋细菌和硅藻的抗黏附作用。结果显示,聚苯胺板上3天后对海洋细菌黏附的最低阻断率为51%。2天后对硅藻的阻断率为96.00%,10天后对硅藻的阻断率为71.63%,25天后为63.32%,70天后为56.61%。这说明聚苯胺具有抗菌、抗黏附的功能。但随着试验时间的延长,聚苯胺抗菌抗黏附的效果会逐渐降低。其原因可能是细菌或海藻将黏附分子进行转化,获得在聚苯胺表面最佳的吸附方式。根据计算模拟结果和实验结果可知,聚苯胺具有抗菌抗黏附的功能,本征态聚苯胺对以DOPA为主要黏附分子的细菌或海藻,抗黏附作用最明显,而掺杂态聚苯胺(单极化子)对以DOPA醌为主要黏附分子的细菌或海藻,抗黏附作用最明显。随着时间延长,聚苯胺抗菌抗黏附的效果降低,主要是由于DOPA等黏附分子之间根据聚苯胺结构不同,进行转变,形成最有利的吸附结构。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 问题的提出  10-11
  1.2 选题的意义、研究内容及技术路线  11-14
    1.2.1 选题的意义  11-12
    1.2.2 研究内容  12
    1.2.3 技术路线  12-14
2 生物黏附分子与聚苯胺表面相互作用的模拟  14-35
  2.1 前言  14
  2.2 生物黏附分子和聚苯胺重复单元性质的理论研究  14-24
    2.2.1 生物黏附分子性质的理论研究  14-17
    2.2.2 聚苯胺三种主要结构重复单元性质的理论研究  17-18
    2.2.3 聚苯胺模型建立  18-24
  2.3 相互作用计算  24
  2.4 结果与讨论  24-34
  2.5 本章小结  34-35
3 Mefp 蛋白与聚苯胺三表面相互作用的理论研究  35-39
  3.1 引言  35
  3.2 研究方法  35-36
  3.3 结果与讨论  36-38
  3.4 本章小结  38-39
4 聚苯胺导电涂料的抗菌、抗黏附实验研究  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 实验材料和实验方法  39-46
    4.2.1 实验试剂及仪器  39-43
    4.2.2 供试菌株的制备  43
    4.2.3 供试菌株的保藏  43-44
    4.2.4 菌悬液的制备  44
    4.2.5 测试细菌试样的制备  44
    4.2.6 活细菌总数测定  44
    4.2.7 室内挂板阻断海洋细菌黏附实验  44-45
    4.2.8 室内挂板阻断硅藻黏附实验  45
    4.2.9 叶绿素a 的测定  45-46
  4.3 结果与讨论  46-49
    4.3.1 室内挂板阻断细菌黏附实验  46-48
    4.3.2 室内挂板阻断硅藻黏附实验  48-49
  4.4 本章小结  49-50
5 主要结论与后续工作建议  50-52
  5.1 主要结论  50-51
  5.2 后续工作建议  51-52
致谢  52-53
参考文献  53-56
附录  56-71
  A. 文献综述  56-71
    参考文献  68-71
  B. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  71

聚苯胺抗菌、抗黏附作用的理论及实验研究

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