藻类物质生化结构的测试及其表征

论文摘要

生物体的生长,发育,分化和繁殖等所有活动都需要能量。能量是生命赖以生存的基础。对于水体中的藻类物质更是如此。维持生命活动的能量主要有两个来源:1)光能（太阳能）;2)化学能。然而这两种能量都不能直接为生物体所利用,光能需要通过光合作用转化为ATP（光合磷酸化）,化学能需通过生物氧化转变为ATP（氧化磷酸化）,ATP再通过水解和磷酰化反应,释放出存储在高能磷酸键中的能量供给生物体使用,而本身则变成ADP（AMP）;ADP又可以通过光合磷酸化或氧化磷酸化重新变成ATP。ATP和ADP之间的相互转换,是连接光能和化学能的纽带,是生物利用光能或者化学能的基本分子机制。研究表明影响ATP合成的主要因素有溶液温度,溶液pH值,光照强度和长度,磷的浓度,而这些因素恰恰也是决定水体发生水华现象的主要因素,作为生物体中重要的供能物质ATP/ADP,它们的循环速率可以从某个角度上反映生物细胞新陈代谢的涨落程度。因此从微观角度研究载能物质ATP/ADP的结构特征,以及他们在能量转换过程的结构变化原因和位能变化趋势,有助于我们从分子层面上更好地理解影响藻类物质生长繁殖的各种宏观表象,也为我们研究生物体的生命活动提供了新的视野。本文采用NMR,IR,UV技术对ADPNa2,ATPNa2分子进行测试,对两者的测试结果进行比较,并应用价键理论（VB）和分子轨道理论（MO）对试验结果进行分析;根据NMR测试原理,电负性经验公式及Pauling的键能估算公式,建立了化学位移和化学键能之间的函数关系,有利地证明了物质结构决定物质性质,性质反映结构,结构与能量之间存在重要关联的化学思想;在已知ATP各原子电荷分布的前提下,对化学位移,电荷分布和化学键键能之间的关系进行阐述,并提出三者之间的定性和定量关系,再次将物质的结构变化与能量转移关联起来;应用已知的电荷分布值,利用静电排斥理论对ATP—ADP水解过程进行理论分析,指出断键位置的必然性;利用化学热力学原理及Pauling的共振论从共振键和混乱度两个方面对ATP的水解过程进行阐述。综上可知,ATP之所以能够成为生物体内重要的载能分子,不仅与其特殊的成键方式有关,并且还与原子之间的净电荷分布及静电吸引有密切关系。其前线轨道决定了ATP具有较高的位能和活性,容易水解释放出分子内部的自由能,转化为低位能、混乱度更大的ADP和Pi,从而供给生物体所需能量。由于ATP在结构及功能上的特殊性,被人们称为生物体的“能量货币”,而ATP—ADP循环也成为了生物体重要的能量交换方式。作为研究生物分子的重要测试手段——31P NMR和IR技术不仅精确地描述了ATP和ADP的空间结构,还为我们从微观角度揭示了物质能量在转化过程中所遵循的化学原理,为我们研究细胞在新陈代谢过程中的微观结构发生改变,生化活性发生变化,能量转移和热力学宏观行为之间的内在关系提供了一种研究方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究工作背景
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水体富营养化的成因及水华暴发的相关因素
• 1.2.2 水体富营养化的危害及其防治
• 1.3 本文研究目的和内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 紫外吸收基本原理
• 2.1.2 红外吸收基本原理
• 2.1.3 核磁共振基本原理
• 2.2 样品的选择
• 2.2.1 样品指标及分子结构式
• 2.2.2 样品选用原因及可行性分析
• 2.3 实验方法及仪器
• 2.3.1 紫外测试
• 2.3.2 红外测试
• 2.3.3 核磁共振测试
• 3 实验结果及分析讨论
• 3.1 紫外光谱测试结果
• 3.2 红外光谱测试结果
• 3.3 核磁共振测试结果
• 3.3.1 氢谱
• 3.3.2 碳谱
• 3.3.3 磷谱
• 3.3.4 影响磷谱测试的主要因素
• 4 微观结构与宏观能量关系探讨
• 4.1 化学位移与键能的定量关系
• 4.2 红外伸缩振动频率与反应热之间的定性关系
• 4.3 原子净电荷的宏观和微观表征
• 5 ADP-ATP 循环系统能量转换机理的研究
• 5.1 分子前线轨道分析
• 5.2 原子电荷分布分析
• 5.3 化学热力学和PLAULING 共振论分析
• 5.4 静电斥力分析
• 31P NMR 的应用'>6³¹P NMR 的应用
• 6.1 反应动力学研究
• 6.2 反应机理的研究
• 6.3 活体细胞能量的研究
• 6.4 人类器官生物能量的研究
• 7 生物体内合成ATP 机制浅谈
• 7.1 ATP 的合成途径
• 7.1.1 ATP 产生于光合作用
• 7.1.2 ATP 产生于发酵或无氧呼吸
• 7.1.3 ATP 产生于呼吸作用
• 7.2 氧化磷酸化作用的偶联机制
• 7.2.1 化学学说
• 7.2.2 化学渗透理论
• 7.2.3 区域化质子势
• 7.2.4 蛋白质构型变化学说
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录