论文摘要
低温生物学是研究生物体在低温环境下表现出的各种生命现象的变化规律及其相互关系,以及实现对细胞、组织、器官乃至整个生物体在低温环境下长期保存的一门涉及生物学、化学、物理学和医学等领域的边缘交叉学科。低温生物学中的低温保存技术已经广泛地应用于工业、农业、医学、畜牧业等诸多领域。低温保存技术是通过人为地制造出低温环境,使具有活性的生物体暂时地减慢细胞代谢速率从而达到长期保存的目的。低温保存技术在发展过程中受到的最大阻碍就是低温损伤,因此研究者采用各种方法来减少或消除低温损伤带来的影响。其中,低温保护剂是最有效且被广泛采用的一种方式。然而,在低温保护剂的使用过程中,如果低温保护剂的使用量不足,则不能达到理想的低温保存效果：而如果低温保护剂的用量过多,则会对生物细胞造成损伤。因此,如何合理地选取低温保护剂的用量是一个始终困扰研究者们的难题。这主要是因为人们对于低温保护剂作用机理的认识还不是很清楚,因此很难设计出合理而有效的低温保护剂配方和使用方法。所以,对低温保护剂作用机理的研究,对于低温保护技术的改进和低温生物学的发展具有深远的意义,同时也是目前低温生物领域的科研人员所面临的重要难题。本文对四种不同类型的低温保护剂（包括：甲醇、乙二醇、甘油和二甲基亚砜）水溶液在不同的浓度和温度条件下进行了分子动力学模拟,并分析了各溶液体系的氢键统计特性和氢键动力学行为。研究发现,低温保护剂分子有助于抑制水分子之间的氢键作用,并且会通过氢键作用束缚越来越多的水分子,使溶液中“束缚水”的比例逐渐增加。这一结果对于解释低温保护剂水溶液在冻结过程中出现的未冻结水现象具有十分重要的意义。此外,研究还发现,随着低温保护剂水溶液浓度的增加,低温保护剂分子与水分子之间的氢键生存周期逐渐延长。这一结果则从另一个侧面说明了低温保护剂分子有助于通过氢键作用将水分子束缚住。这种未冻结水量与保护剂分子-水分子氢键作用之间的相关性,证明了低温保护剂分子通过氢键作用对冰晶抑制的直接原因。本文还进一步分析了溶液浓度和温度对低温保护剂水溶液中水分子自扩散运动的影响。结果显示,随着溶液浓度的增加和温度的降低,水分子的自扩散系数逐渐减小；并且水分子所具有的氢键数越多,它在溶液中的自扩散运动就越缓慢。这些现象都说明了低温保护剂分子通过氢键作用减缓了溶液中水分子的自扩散运动,进而抑制了水分子向晶核的运动趋势,并使其处于保护剂分子的周围,为玻璃化的形成提供了有利的条件。此外,本文还对低温保护剂水溶液的亲水性和疏水性团簇结构进行了分析,并从团簇结构的角度解释了保护剂分子对水分子扩散运动的抑制机理。研究发现,保护剂分子能够通过烃基间疏水性吸引作用形成团簇结构,并且这种团簇尺寸随着浓度的增加而不断增大。这种疏水性团簇结构能够有效地阻碍溶液中水分子的扩散运动,而这种团簇结构的生长又有利于分解水分子间通过氢键作用形成的团簇结构,从而能够有效地削弱水分子形成冰晶的驱动力。根据二甲基亚砜水溶液的氢键分析结果,本文还分析了几何准则和能量准则的合理性。两种氢键准则在氢键统计上都存在一定的不合理性,但是在一般情况下它们对结果的影响是可以接受的。然而,这两种氢键准则在氢键动力学特性的分析上却存在比较大的差异,这主要是因为能量准则缺少对分子间相对取向角的限制。因此,本文建议在对低温保护剂水溶液进行定量的氢键分析时应当采用几何-能量混合型氢键准则。