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研究生: 黃世昱
Huang, Shih-Yu
論文名稱: 具有鄰位氨基丙烷-2,3-二醇側鏈的綠色螢光蛋白發光團: 合成、性質及應用
GFP Chromophore with ortho-Aminopropane-2,3-diol Side Chain : Synthesis, Properties and Applications
指導教授: 宋光生
Sung, Kuang-Sen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 128
中文關鍵詞: 綠色螢光蛋白陽離子感測器星形膠質細胞螢光標籤二價銅離子催化合環反應
外文關鍵詞: GFP, cations sensor, Astrocyte markers, Copper-Catalyzed Annulation
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  • 綠色螢光蛋白發光團,從早期的發現、放光機制並類似物合成的探討,時至今日有越來越多在生物標記、螢光化學感測器上的應用。因diol基團在文獻中有與金屬離子結合的記載,所以我們利用glycidol將其引入鄰位胺基的綠色螢光蛋白類似物 (o-ABDI),得到化合物o-DHPBDI去探討其偵測金屬離子之性質。
    從實驗結果我們發現o-DHPBDI能感測到特定金屬離子Cu2+、Cr3+、Fe3+,於吸收光譜中有isosbestic point出現;並且在不同溶劑中會因化合物的free-form與complex的比例不同而放出不同顏色的螢光。從modified Stern-Volmer equation中我們得到o-DHPBDI對Cr3+、Fe3+之結合常數約落在104;Job’s plot的實驗結果則是呈現o-DHPBDI與Cr3+、Fe3+皆為1:1的鍵結比例。對於o-DHPBDI與金屬離子可逆性之探討,我們發現錯合物在滴定EDTA後,EDTA能將Cr3+、Fe3+從錯合物中抓回,即o-DHPBDI為一可逆的化學感測器。此外,在錯合物養晶的過程中,我們也發現o-DHPBDI會與Cu2+進行離子催化反應形成合環的產物。
    在Astrocyte的細胞實驗中,我們發現o-DHPBDI雖可以通過細胞進行染色,於共軛焦顯微鏡下呈現綠色顆粒螢光,但其放出的螢光強度不是太好,所以我們對其結構進行修飾得到化合物o-PDABDI希望藉此提高化合物進入細胞的數量,達到增強螢光的目的,從結果也可以看到綠色的螢光確實有增多的趨勢。對此初步的實驗結果,我們猜測這應該是化合物與離子或是離子-蛋白質巨分子之複合體結合所放出的螢光。

    We synthesis an ortho analogue of GFP chromophore (o-DHPBDI) which contains diol moiety, this compound can detect particular cations, such as Cr3+ and Fe3+, resulting in fluorescent emission at approximately 550nm decrease, while 430nm increase, these two fluorescence intensity and wavelength will effected by different solvents. We indicate the dual emmsion is caused by the ration of free-form and complex. Furthermore, according to X-ray single crystal, we found that o-DHPBDI will catalyzed by copper(II) forming annulation product.
    In this biological experiment, we use o-DHPBDI to dye the Astrocyte. although o-DHPBDI can go through the cell membrane and display the green fluorescence, its fluorescence intensity is relatively low. To improve this problem, we use acetic anhydride to get acetylated product (o-PDABDI) which is modifying by o-DHPBDI. To our delight, fluorescence intensity is relatively stronger. We postulate that fluorescence displayed inside the Astrocyte is casued by the binding of compound with ions or ion-proteins complex.

    中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 viii 目錄 ix 表目錄 xii 圖目錄 xiii 第I章. 緒論 1 I-1 綠色螢光蛋白的發現與發展 1 I-2 綠色螢光蛋白的結構與生物合成機制 2 I-3 綠色螢光蛋白的放光機制與光譜性質 4 I-4 綠色螢光蛋白發色團的有機合成 5 I-5 有機合成綠色螢光蛋白發色團的光譜分析 6 I-6 鄰位取代的綠色螢光蛋白發光團的合成 7 I-7 化學感測器之辨識原理與其應用 9 I-8 化學螢光感測器之相關機制探討 11 I-8-1 螯合誘導增強螢光 (CHEF) 11 I-8-2 順磁螢光猝滅 (Paramagnetic fluorescence quenching) 12 I-8-3 光誘導電子轉移 (photoinduced electron transfer, PET) 13 I-8-4 光誘導電荷轉移 (photoinduced charge transfer, PCT) 14 I-8-5 螢光共振能量轉移 (FRET) 15 I-8-6 激發態分子內質子轉移 (ESIPT) 16 I-8-7 聚集誘導發射 (AIE) 17 I-9 配位基與金屬陽離子之鍵結計量計算 18 I-10 配位基與金屬陽離子之結合常數計算 19 I-11 星形膠質細胞 (Astrocyte) 20 I-12 實驗動機 21 第II章. 結果與討論 22 II-1 利用綠色螢光蛋白衍生物偵測陽離子 22 II-1-1 綠色螢光蛋白衍生物o-DHPBDI之合成 22 II-1-2 綠色螢光蛋白衍生物o-DHPBDI合成機制探討 23 II-1-3 綠色螢光蛋白衍生物o-DHPBDI之基本光物理性質 24 II-1-4 化合物o-DHPBDI加入不同金屬離子之吸收、螢光放射光譜 25 II-1-5 化合物o-DHPBDI與Cu2+、Cr3+、Fe3+的鍵結計量計算 32 II-1-6 化合物o-DHPBDI與Cr3+、Fe3+之配位點探討 34 II-1-7 化合物o-DHPBDI與Cr3+、Fe3+之結合常數計算 42 II-1-8 化合物o-DHPBDI與EDTA對Cu2+、Cr3+、Fe3+之競爭行為 44 II-1-9 化合物o-DHPBDI於不同溶劑中之光物理性質 48 II-1-10 化合物o-DHPBDI滴定Cr3+、Fe3+於不同溶劑中 51 II-2 化合物o-DHPBDI於星形膠質細胞 (Astrocyte) 之作用情形 61 II-2-1 化合物o-DHPBDI於Astrocyte內之螢光顯微鏡呈像 61 II-2-2 化合物o-DHPBDI於Astrocyte內之共軛焦顯微鏡呈像 62 II-2-3 化合物o-PDABDI於Astrocyte內之共軛焦顯微鏡呈像 64 II-3 綠色螢光蛋白類似物與二價銅離子之催化反應 68 II-3-1 化合物o-DHPBDI與二價銅離子催化反應之可能反應機轉 68 II-3-2 二價銅離子催化反應之衍生物及其光物理性質探討 70 II-4 結論 74 第III章. 實驗儀器與步驟 75 III-1 實驗儀器及測量方法 75 III-2 鄰位綠色螢光蛋白衍生物之合成步驟 76 III-3 紫外-可見光光譜儀之測量、莫爾吸收係數計算 85 III-3-1 紫外-可見光光譜儀之測量 85 III-3-2 綠色螢光蛋白發光團類似物o-DHPBDI之莫爾吸收係數計算 85 III-3-3 o-DHPBDI滴定金屬離子之吸收圖譜變化 85 III-4 螢光光譜儀之測量、螢光量子產率計算 86 III-4-1 螢光光譜儀之測量 86 III-4-2 螢光量子產率標準液校正 86 III-4-3 螢光量子產率計算 86 III-4-4 滴定金屬離子之螢光放射圖譜變化 87 III-4-5 o-DHPBDI與金屬離子之鍵結計量計算 87 第IV章. 參考文獻 88 附錄 91

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