水与氨基酸分子相互作用的中子散射和拉曼散射研究

论文摘要

水是生命之源。虽然从其化学式来看，水无疑是一种简单的化合物，然而，其独特的性质对于完成每个生物有机体的功能都具有重要的作用。尽管人们对于水的性质已经有过大量的研究，我们至今仍不能全部理解其独有的特性。英国曼彻斯特大学李济晨教授等人利用中子散射技术观测到冰的两种氢键的存在，此发现揭开了冰的研究领域的新篇章。重要的是，水分子在细胞环境中的行为看起来与在体水中有所不同。中子散射是研究含氢化合物的理想实验手段，因此，在过去的20年中，中子散射也成为研究水的有利工具。本文的所做的研究试图利用中子散射和拉曼散射探讨水分子与生物分子特别是氨基酸在分子水平上的相互作用。这项研究证明水分子在直接接触生物分子后具有与体水不同的动力学行为。非弹中子散射是种极好的实验手段，可广泛应用于分子及结构生物学。 氨基酸是最重要的生物体系之一。它被广泛用作蛋白质和缩氨酸在溶液中的状态及热力学行为的研究模型，尤其是用于预测其在经过结构简单迭加而衍生的生物体系的性质方面应用广泛。水与不同蛋白质官能团之间的相互作用使得蛋白质在溶液中保持稳定的折叠结构。由于蛋白质大分子的复杂结构，直接研究其与水分子的相互作用十分困难。因为氨基酸是蛋白质的基本结构单元，所以研究氨基酸-水分子的相互作用可以模拟蛋白质的某些特殊性质。在对生物化学制备的工业过程进行优化设计时，氨基酸在水溶液中的物理性质起着重要的作用。 每个氨基酸都有一个氨基和羧基官能团。各种氨基酸的区别在于其侧链R基的不同。在气相中，氨基酸大多以中性形式存在，而在溶液或固态中它们以两性离子NH3+-CH（-R）-COO-的形式存在。通过与周围的分子以氢键结合，氨基酸分子在生物介质中以相当稳定的两性离子状态存在。 拉曼设备是空间光谱分辨率为1微米的紫外—近红外共焦显微、多道模块式三级拉曼光谱仪，法国Jobin Yvon拉曼光谱公司，型号为JY-T64000。使用50倍长焦显微物镜将激光束汇聚到样品表面并收集散射光线。在我们的实验中使用氩离子激光器，激发波长是488nm。打到样品的激光功率低于3mW并且光谱捕获时间为200秒。所有的实验均在室温下进行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章：生命之水
• 1.1 自然界的水
• 1.2 冰
• 1.3 生命之水
• 第二章：水溶液中的蛋白质及氨基酸
• 2.1 蛋白质和氨基酸
• 2.2 疏水缔合作用
• 2.3 研究氨基酸和水相互作用的实验方法
• 第三章：中子散射技术
• 3.1 中子散射的优势
• 3.2 相干和非相干散射
• 3.3 弹性和非弹性散射
• 3.4 ISIS：世界最亮的散裂中子源
• 第四章：中子散射谱仪和拉曼光谱仪
• 4.1 TOSCA谱仪
• 4.2 eVS谱仪
• 4.3 拉曼光谱仪
• 第五章：光谱分析及样品制备
• 5.1 光谱数据分析的基本理论
• 5.2 实验样品的制备
• 第六章 水与氨基酸分子的相互作用
• 6.1 丝氨酸（serine）
• 6.2 甘氨酸（glycine）
• 6.3 丙氨酸（alanine）
• 6.4 巯基丙氨酸（cysteine）
• 6.5 脯氨酸（proline）
• 第七章 结论及下一步工作
• 参考文献
• 硕博期间发表的文章
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表