大气压等离子体与细胞分子结构相互作用机理的反应分子动力学模拟

论文摘要

大气压低温等离子体（Cold Atmospheric Plasma,CAP）呈现出的高效率、低能耗、安全可靠、无污染以及可直接用于生物体组织等优势,使其在生物医学领域应用前景广阔。其中包含的大量活性成分在与生物组织相互作用过程中起到关键作用。然而,由于目前的实验检测手段难以探究等离子体活性组分与生物体相互作用的微观机制。因此,从分子生物学层面对CAP与生物细胞相互作用的机理研究显得尤为重要。本文借助反应分子动力学,从化学反应角度深入探索等离子体中活性组分在致病菌灭活过程中的作用,从微观层面表征活性粒子作用效果,以及等离子体处理后细菌内部发生的一系列功能和结构变化。这有利于为CAP灭菌技术和相关灭菌机理的发展和完善提供支撑。本文的主要内容包括以下几个方面:（1）综述了CAP在生物医学领域的应用背景,整合并分析了国内外在CAP灭菌方面的研究现状以及实验推断出的灭菌机制。介绍了反应分子动力学模拟在生物医学领域关于探究灭菌微观机制的可行性。运用模拟软件Materials Studio对系统模型进行创建并优化其分子结构,为开展反应分子动力学模拟的相关研究奠定基础。（2）运用反应分子动力学模拟的方法探究了不同种类ROS（即O、OH、H02、H2O2）对酵母菌细胞壁骨架结构β-葡聚糖（S.cerevisiae β-glucan,SCG）分子的破坏作用。结果表明,ROS与SCG结构进行夺氢反应,使结构中的化学键断裂（即C-O、C-C）,从而导致酵母菌细胞壁的破坏。其中,O、OH吸引结构上的H原子,活性较高,易断裂C-C键和葡聚糖支链结构上的单糖;HO2、H202被结构夺氢,反应效率较高,易断裂C-O键,主要通过破坏糖苷键使葡聚糖的链式结构瓦解。分类描述了各种ROS在SCG结构不同位置造成的破坏路径,发现单糖结构较糖苷键更容易被破坏。通过数据分析,对比了不同ROS对SCG破坏的特性和效果,其中O活性最强,OH次之,HO2和H2O2由于作用方式不同活性较弱。并且ROS之间的相互转化会一定程度上影响到反应效率。将分子模拟结果与相关实验现象相互验证,在原子水平上阐述了等离子体中ROS对真菌细胞壁破坏的微观机理。（3）采用不同浓度等级（即5、10、20、30、40、50）的OH自由基与金黄葡萄球菌菌膜骨架结构多聚β-6-N-乙酰氨基葡萄糖胺（Poly-β-1-6-N-acetylglucosamine,PNAG）分子进行反应分子动力学模拟。结果发现OH自由基不仅能破坏化学键导致PNAG分子结构的断裂,还可以与PNAG分子发生OH加成反应,形成新的化学结构。随着OH自由基浓度的升高,反应效率先升后降,仿真中会出现许多新的破坏单糖的反应路径。当OH的浓度等级达到50时,会造成对糖苷键的破坏。并且C-C键的破坏率先迅速增长后逐渐平缓,而C-O键破坏率的增长呈现出先平缓后增速的趋势,但是C-C键断裂的数量和比例都远高于C-O键,C-N键几乎不被OH破坏。OH与结构发生加成反应主要位于R基,尤其是-NH2。随着OH浓度增加,会出现在糖苷键位置的OH加成反应。在原子水平上全面探究ROS与生物结构之间相互作用的反应路径和反应效率,可以从微观层面上为探索等离子体物理特性与灭菌效果之间的联系提供理论支撑,进而指导等离子体在生物医学领域的应用,促进等离子体医学研究的发展。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 立题依据及研究意义

1.2 大气压低温等离子体

1.2.1 等离子体概述

1.2.2 低温等离子体中的活性成分

1.3 大气压低温等离子体在生物医学领域的应用

1.4 大气压低温等离子体灭菌的微观机理

1.4.1 生物学效应

1.4.2 灭菌机理

1.4.3 分子模拟方法在灭菌机理研究中的应用

1.5 本课题的研究内容

第二章分子动力学模拟基本原理及仿真模型构建

2.1 分子动力学模拟方法

2.2 ReaxFF力场

2.3 系统模型构建

2.4 本章小结

第三章活性氧与真菌细胞壁SCG分子不同结构相互作用的微观机理

3.1 SCG分子模型的构建

3.1.1 模型介绍

3.1.2 模拟参数

3.2 活性氧对SCG分子不同结构的破坏路径

3.2.1 β-1,3-葡聚糖中单糖的破坏

3.2.2 β-1,3-葡聚糖中糖苷键的破坏

3.2.3 β-1,6-葡聚糖中单糖的破坏

3.2.4 β-1,6-葡聚糖中糖苷键的破坏

3.3 不同种类活性氧对SCG分子破坏的数据分析

3.3.1 ROS引发夺氢反应的分类统计

3.3.2 ROS破坏SCG化学键的分类统计

3.3.3 ROS破坏SCG单糖和糖苷键结构的分类统计

3.3.4 ROS破坏SCG主链和支链结构的分类统计

3.4 本章小结

第四章不同浓度羟基自由基诱导破坏细菌菌膜PNAG分子的微观机理

4.1 PNAG分子模型的构建

4.1.1 模型介绍

4.1.2 模拟参数

4.2 不同浓度羟基对PNAG分子破坏的微观路径及数据分析

4.2.1 不同浓度OH破坏PNAG分子的基础破坏模式

4.2.2 不同浓度OH破坏PNAG分子的阶梯反应路径

4.2.3 不同浓度OH破坏PNAG分子的数据统计与分析

4.3 不同浓度羟基与PNAG分子加成反应的微观路径及数据分析

4.4 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 崔静娴

导师: 张远涛

关键词: 大气压低温等离子体,反应分子动力学模拟,活性粒子,细胞分子结构,相互作用机理

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,生物医学工程

单位: 山东大学

分类号: R318

总页数: 72

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大气压等离子体与细胞分子结构相互作用机理的反应分子动力学模拟

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