核碱基@酮基/羟基辛酸钠囊泡及其耐盐性研究

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囊泡是指双亲分子的疏水尾链相对而形成的闭合球形双分子层。因为其独特的双层膜核壳结构使其备受关注且应用前景广阔。近年来研究发现水溶液中不易形成囊泡的单组分简单单链双亲分子(single-chain amphiphiles,SCAs)如单烷基磷酸(酯)盐、烷基硫酸(酯)、烷基磺酸(酯)等,在一定条件下也可自发形成囊泡结构,其形成机理与脂肪酸囊泡的“酸皂二聚体”模型相似。由于许多脂肪酸及其衍生物类SCAs具原始相关性,因而将其作为囊泡构筑单元应用于探索生命起源的前细胞体膜模型具有独特的优势。然而,多数SCAs囊泡体系的耐盐性差,易沉淀和解体,无法满足RNA等遗传物质的催化和折叠等严重依赖高浓度的钠镁离子的要求。作为RNA结构单元的核碱基(PNB),其共轭刚性平面结构中含有丰富的成氢键基团(氨基)。与某些SCAs类脂肪酸衍生物一样,PNB也具有原始相关性,极可能是早期地球上前细胞体的构筑单元。那么,SCAs类脂肪酸衍生物构筑的膜结构(囊泡)和共存的PNB如何以特定方式聚集在一起产生更复杂的化学实体?二者的相互作用可赋予SCAs囊泡哪些特性?这些都是前生命化学起源场景中的重要问题,本文对此进行了研究。本文选取酮基辛酸钠(SKO)和羟基辛酸钠(SHO)这两种脂肪酸衍生物类弱酸/盐型SCAs模型,首先考察了 PRB与SKO/SHO在水中的相互作用和二者的聚集行为;研究了 PNB@SKO/SHO囊泡的构筑、表征和形成机理,以及其耐盐稳定性。以期加深对脂肪酸衍生物类SCAs自组装行为的认识,为生命起源中前细胞体的探索提供信息,同时也为SCAs囊泡的应用提供依据。本文的主要研究内容和结论如下:(1)SKO可显著提高核PNB在水中的溶解度,且对PNB有荧光猝灭作用。SKO囊泡体系的临界囊泡聚集浓度(CVC)为13.6mM,仅是同碳数脂肪酸体系的十分之一,PNB的加入将SKO在水中的CVC降低了 22%~42%。PNB与SKO囊泡的结合率为7%~12%,大小接近于与脂肪酸胶束体系的结合率,顺序为U<A<G<C。除G@SKO囊泡的粒径(307 nm)略有增大,多数PNB@SKO囊泡的粒径范围为176~188 nm,与未加入和核碱基的囊泡体系(172 nm)相比几无变化。PNB@SKO囊泡的膜厚约为2.05~2.16nm,烷基链呈倾斜构象,具有共轭刚性平面结构的PNB分子通过氢键(N—H…O)、疏水作用力及π-π相互作用等非共价作用力定位于囊泡的倾斜双层。这项工作加深了对生物小分子(核碱基)与脂肪酸衍生物类SCAs相互作用的认识,也为二者的囊泡复合体系在前细胞体模拟中的应用提供了依据。(2)HOA囊泡的形成浓度(8~150mM)及pH(3~10)范围非常宽,具有优越的抗稀释性能和pH适应性。HOA在水中的临界囊泡聚集浓度(CVC)为8 mM,调节体系pH值升高,体系的CVC值也会增大,且二者呈正比关系。浓度变化对囊泡粒径的影响很小,均分布在200 nm左右。SHO囊泡对于PNB具有增溶作用,显著提高了其在水中的溶解度。PNB与SHO囊泡的结合率为4%~28%,大小顺序为G<A<U<C。PNB@SHO囊泡的粒径均在200 nm左右,粒径和形貌与增溶核碱基前无变化。碱基U和A对囊泡膜厚的改变不明显,而碱基C和G的引入使囊泡双层膜的厚度减小了约0.3nm。核碱基与SHO二者间的分子间氢键(N—H…O)是PNB@SHO囊泡复合体形成的主要驱动力。SHO囊泡和PNB@SKO囊泡为单组份SCAs囊泡提供了案例,拓宽了对脂肪酸衍生物类SCAs聚集行为的认识。(3)核碱基通过形成氢键的方式与SCAs分子相互作用,显著提高了囊泡体系的耐盐稳定性。核碱基的嵌入使得SHO囊泡对金属Mg2+的耐盐稳定性从不足2 mM升高至30~50 mM,提高了一个数量级;PNB@SKO囊泡体系的耐盐稳定性更高达600~1000mM金属Mg2+或1600mM金属Na+,比同类SCAs类囊泡体系高1~2个数量级。这为其作为前细胞体模型进行遗传物质复制提供了必备前提。
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