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不同pH值下二价离子对DNA凝聚的影响

【摘要】:DNA凝聚及电荷逆转在生命科学、高分子物理、医学应用等领域中发挥着重要作用。在溶液中,DNA的凝聚依赖于溶液中抗衡离子的化合价,要引起DNA凝聚通常需要化合价大于等于三的阳离子。然而,细胞中最常见的小型抗衡离子,如Na~+,K~+,Ca~(2+)和Mg~(2+)等小于三的金属阳离子,它们在一般情况下不能使DNA凝聚。我们发现通过改变溶液的pH值,能够使二价金属阳离子导致DNA发生凝聚。我们通过单分子磁镊(MT)实验,明确地证明了通过改变溶液的pH值,可以使Mg~(2+)和Ca~(2+)引起DNA凝聚。当溶液的pH值处于5-8时,二价离子作用后的DNA处于自由舒展状态。当溶液的pH值约为4时,DNA处于不稳定的过渡状态,也就是自由舒展到凝聚态的过渡。当溶液的pH值约为3时,DNA处于稳定的凝聚状态,而此凝聚过程是可逆的,可通过对溶液pH值的调控来完成。同时我们还发现,在低pH下,随着二价离子浓度的增加,DNA的凝聚力(Fc)先增加后减小,发生解凝聚。我们通过原子力显微镜(AFM)也证实了DNA的凝聚形态与pH值的依赖关系。再者我们通过动态光散射实验(DLS),发现二价抗衡离子引起DNA临界凝聚时的DNA的电泳迁移率约-1.0×10~-44 cm~2 V~(-1)s~(-1),这对应于约中和DNA的89%的电荷。比曼宁理论二价抗衡离子约中和DNA的88%的电荷多了大约1%,这对于在低pH溶液中通过二价抗衡离子导致DNA凝聚也是有效的。最后我们用Langevin动力学的粗粒化模型模拟pH值对DNA凝聚的影响,发现模拟结果与实验结果一致。

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