魔芋葡甘聚糖螺旋微观构象及性质研究

论文摘要

葡甘聚糖（Konjac Glucomanan,简称KGM）是魔芋植物中存在的一种水溶性极好的、高分子量多糖,具抗肿瘤、提高机体免疫力等功能。螺旋结构是多糖性能与生物活性的基石,螺旋微观构像变化是其性能与生物活性变化的原因。国内外关于KGM螺旋结构的研究,仅发现了螺旋结构的存在而没有深入分析其形成规律及稳定机理,更没有深入探讨不同外场条件下螺旋微观构像的变化,对不同外界条件下KGM螺旋微观构像及溶液行为认识的缺乏已成为制约KGM深加工及生物活性调控的瓶劲。本文尝试通过现代分析手段结合分子模拟等方法研究KGM分子螺旋形成机理、稳定性及其氢键位点,单螺旋分子链水化膜特点,不同外场如离子离场、微波场、超高静压场下KGM螺旋微观构像的变化规律,初步探索其螺旋结构及其形成机理,旨在为解决KGM生物功能活性调控提供结构基础,特别是一些有关天然生物大分子螺旋结构形成原因的科学问题提供新的方法。主要研究结果:1葡甘聚糖分子螺旋结构形成机理KGM分子构象是一种非典型的螺旋结构,乙酰基是维持KGM分子螺旋结构的重要基团,KGM分子聚合度显著影响其螺旋结构的形状与稳定性,真空中对分子链构象影响最大的非键合作用力是静电作用,而水溶液中氢键对分子链构象的影响最大,温度对螺旋结构具有一定的可逆破坏作用,至341K时螺旋结构完全消失,分子链呈现无规线团结构。温度降低时,螺旋结构部分恢复。2脱支链葡甘聚糖单链螺旋构象为研究支链对KGM分子螺旋结构的影响规律,及脱支链KGM分子链构象形态。采用分子动力学模拟的研究方法发现支链是影响KGM分子螺旋结构特征的重要基团,脱支链KGM分子链的螺旋构象是由局部的折叠片段组合而成;脱除支链后的KGM的构象更稳定,且真空中对分子链构象影响最大的非键合作用力仍是静电作用,水溶液中氢键能对分子链构象的影响最大;当温度高于343K时脱支链KGM的螺旋构象消失,分子链呈现直链伸展状态。3葡甘聚糖单螺旋分子链水化膜为研究水溶液中葡甘聚糖单链螺旋分子链周围的水分子分布及其在水溶液中的优势构象,采用分子动力学模拟方法对左、右螺旋分子链的水化膜、势能值、氢键网络进行研究对比。结果表明左旋单螺旋分子链的水化膜、KGM势能值及与水分子形成的氢键网络均优于右旋单螺旋分子链,左旋单螺旋分子链是葡甘聚糖在水溶液中的优势构象。4葡甘聚糖-硼砂复合物构象利用分子动力学模拟与实验相结合的方法从分子水平上研究了水溶液中葡甘聚糖（KGM）与硼酸根离子复合物的形成.对分子内配合物进行了模拟研究,体系的能量、径向分布函数和均方根位移变化的结果表明, KGM与Borate离子可形成分子内螺旋型配位复合物,硼酸根离子通过与KGM中的Man、Glu中C6上的-OH及O5形成氢键形成复合物,氢键是维持复合物稳定的主要非键合作用力;温度对复合物的螺旋构象影响较小,复合物可能通过螺旋链聚集排列方式形成凝胶。5不同溶液环境下KGM螺旋构象采用分子动力学模拟与圆二色性、旋光性相结合的研究方法研究不同碱土金属离子、pH值溶液对魔芋葡甘聚糖（KGM）分子螺旋结构的影响规律及稳定性机理。结果表明金属离子溶液中KGM分子链形成的螺旋腔增大,但仍保持了完整的螺旋构像,H+对KGM构像的影响较小,而OH-使KGM部分螺旋分子链解开,呈直链伸展构像。金属离子通过改变溶液体系的静电势分布,而对KGM螺旋微观构像进行调节,H+对KGM分子链的非键合作用力没有显著影响,而碱性溶液中OH-显著增强了氢键对分子链构象的影响程度。采用分子动力学模拟与圆二色性、旋光性相结合的方法是研究溶液中KGM螺旋结构的一种有效手段。6微波处理对KGM溶液行为及凝胶性能的影响探讨微波处理条件对KGM凝胶强度、凝固点、特性粘度、胶率收缩率和旋光性的影响。结果表明,在33%输出功率,1min微波辐照后,KGM的凝胶强度和特性粘度略有上升,随着时间的延长,开始呈直线下降趋势。而66%、100%输出功率下,各项物理指标均随时间呈直线下降趋势。微波处理使部分螺旋结构被破坏,微波对KGM的溶液行为及凝胶性能具有显著影响。7超高静压处理对KGM螺旋结构与性质的影响研究超高静压压处理对KGM-刚果红络合物、圆二色谱、拉曼光谱、质构性质如粘附力、凝胶强度及粘性的影响。研究结果表明高压处理有助于KGM与刚果红的络合,处理后KGM与刚果红的特异性氢键结合作用显著增强,经高压处理后络合物的λmax与KGM浓度仍呈一元二次方程关系,高压处理保留了KGM的螺旋结构,同时高压处理对KGM的凝胶性能没有显著改变,即KGM对高压处理有显著的稳定性。

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摘要

Abstract

第一章引言

1 本课题的研究背景、意义及主要工作

2 多糖构象及其研究方法

3 分子模拟概述

4 葡甘聚糖结构与溶液构象研究进展

5 超高静压在生物大分子领域上的应用

参考文献

第二章葡甘聚糖分子螺旋结构形成机理及稳定性研究

0 前言

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

1.2.1 KGM 的纯化

1.2.2 KGM 溶液旋光性分析

1.2.3 分子模型的建立

1.2.4 分子模型的预优化

1.2.5 真空中分子动力学模拟

1.2.6 周期边界条件下分子动力学模拟

2 结果与分析

2.1 聚合度对分子链形状的影响

2.2 不同聚合度下葡甘聚糖链的能量变化曲线

2.3 乙酰基对单链形态和稳定性的影响

2.4 分子链的非键合作用力分析

2.5 温度对螺旋构象的影响

3 讨论

4 参考文献

第三章脱支链葡甘聚糖单链螺旋构象的研究

前言

1 方法

1.1 分子模型的建立

1.2 分子模型的预优化

1.3 真空中分子动力学模拟

1.4 周期边界条件下分子动力学模拟

2 结果与分析

2.1 支链对分子链构象的影响

2.2 支链对分子构象能量的影响

2.3 聚合度对分子链形状的影响

2.4 不同聚合度下葡甘聚糖链的能量变化曲线

2.5 动力学模拟过程构象变化趋势

2.6 分子链的非键合作用力分析

2.7 温度对构象的影响

3 讨论

4 参考文献

第四章葡甘聚糖单螺旋分子链水化膜研究

前言

1 方法

1.1 分子模型的建立

1.2 模型优化

1.2.1 溶剂环境能量优化

1.2.2 系统能量优化

1.2.3 位置限制分子动力学模拟

1.2.4 全系统分子动力学模拟

1.3 数据处理方法

2 结果与分析

2.1 体系均方根位移

2.2 水分子径向分布函数

2.3 不同构象体系势能

2.4 氢键位点及数量

3 讨论

4 结论

5 参考文献

第五章水溶液中葡甘聚糖-硼复合物形成的分子模拟

前言

1 方法

1.1 KGM 分子模型的建立

1.2 硼酸根分子模型的建立与优化

1.3 分子对接

1.4 分子动力学模拟

1.5 KGM-硼砂复合物溶液的制备

1.6 KGM-硼砂复合物溶液旋光性分析

1.7 KGM-硼砂复合物溶液圆二性分析

2 结果与分析

2.1 复合物体系的能量变化

2.2 复合物体系回转半径

2.3 硼酸根离子均方根位移

2.4 硼酸根离子与KGM 分子间的径向分布函数

2.5 复合物微观形态与分子间作用力分析

2.6 温度对复合物构象的影响

3 结论与讨论

4 参考文献

第六章不同溶液中KGM 螺旋构象研究

前言

1 方法

1.1 KGM 模型的建立与预优化

1.2 溶液分子动力学模拟

1.3 KGM-金属离子溶液的制备

1.4 不同pH 值KGM 溶液的制备

1.5 KGM 溶液圆二色谱的测定

1.6 KGM 溶液旋光性分析

2 结果与分析

2.1 金属离子溶液中KGM 分子均方根位移

2.2 酸碱性溶液中KGM 分子均方根位移

2.3 金属离子溶液中KGM 分子回转半径

2.4 酸碱性溶液中KGM 分子回转半径

2.5 溶液体系势能

2.6 KGM 微观构像及非键合作用力分析

2.7 KGM 圆二色谱

2.8 KGM 溶液旋光度

3 讨论

4 参考文献

第七章微波处理对KGM 溶液行为及凝胶性能的影响

前言

1 材料与方法

2 结果与讨论

2.1 微波辐照对KGM 凝胶强度的影响

2.2 微波辐照对KGM 特性粘度的影响

2.3 微波辐照对KGM 胶液收缩率的影响

2.4 微波辐照对KGM 凝固点的影响

2.5 微波辐照对KGM 旋光度的影响

2.6 微波辐照对圆二色性的影响

3 总结与讨论

4 参考文献

第八章超高静压处理对KGM 螺旋结构与性质的影响

前言

1 材料

2 方法

2.1 刚果红实验方法

2.2 圆二色谱测定

2.3 拉曼图谱测定

2.4 凝胶样品质构测定

2.5 样品超高静压处理

3 结果与分析

3.1 刚果红实验

3.2 圆二色谱图

3.3 拉曼光谱

3.4 质构仪数据分析

4 总结与讨论

参考文献

第九章结论

1 葡甘聚糖分子螺旋结构形成机理

2 脱支链葡甘聚糖单链螺旋构象

3 葡甘聚糖单链螺旋分子链水化膜

4 葡甘聚糖-硼砂复合物构象

5 不同溶液环境下KGM螺旋构象

6 微波处理对KGM溶液行为及凝胶性能的影响

7 超高静压处理对KGM螺旋结构与性质影响

致谢

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