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1、芳香酰肼折叠体聚合物的构建及其跨膜输送研究化学系 化学专业 指导教目录中文摘要Abstract关键词Keyword前言1.1 超分子化学1.2 生物膜1.3 膜蛋白1.4 天然小分子通道1.4.1 短杆菌肽A(Gramicidin A)1.4.2 两性霉素B(Amphotericin B)1.4.3 丙甲菌素1.5 人工合成跨膜输送体系1.5.1 人工载体1.5.2 人工跨膜通道 1.5.2.1 超分子自组装人工跨膜通道 1.5.2.2 单分子人工跨膜通道1.6 人工离子通道的表征方法-基于囊泡的荧光实验正文2.1 目标分子的设计与合成2.2 芳酰肼大环分子M-1至M-3的嵌膜能力研究2.3
2、实验部分参考文献致谢摘要：本论文主要是关于一类新型的超分子跨膜输送体系的研究介绍。从简单的超分子化学概念出发，基于组内以前的工作，我们设计并合成了一系列超分子的芳香酰肼大环体系，并进行了表征，最后还尝试对其跨膜输送效能进行了初步的尝试。关键字： 超分子化学，跨膜输送，大环，酰肼，芳香。Abstract:This dissertation is mainly about a new kind of supramolecular transmembrane system. From the ordinary conception of supermolecular chemistry, a ser
3、ies of aromatic hydrazide macrocycle molecules were designed and synthesized based on former work in our group. After proper characterization, we tried testing their tranmembrane transporting efficiency.Keywords: supermolecular chemistry , transmembrane transportation , macrocycles , hydriazide, aro
4、matic.前言1.1 超分子化学 “超分子化学”（supramolecular chemistry）一词最早出现在websters dictionary (1903) 中，早期化学家也用“分子层次之上的化学”、“非共价键的化学”和“非分子化学”等词语来描述这个领域。1978年，法国科学家Lehn首先引入了现代超分子化学的定义1。他将超分子化学定义为分子组装及分子间成键的化学。法国科学家Lehn、美国科学家Cram和Pedersen分别在分子识别、穴状化合物和冠醚方面的研究，为超分子化学的发展做出了开创性的工作，他们三人共同获得1987年诺贝尔化学奖2。2002年，Lehn又对超分子化学重新进
5、行了定义：用非共价键的方法使各组份发生分子间的作用，来发展高度复合的体系3。分子识别（molecular recognition）与自组装或自组织（self-assembly or self-organization）一直是超分子化学的两个重要研究领域。在广义上，超分子是由很多组分（一种或多种）通过自发的或者在非共价键作用的驱动下发生结合而形成具有不同于各组分功能的聚集体。这些聚集体可以是由一个分子包结（识别）另一个分子而形成的主-客体复合物，也可以是互补的组分通过自发的碰撞（自组装）而形成的高级结构。人类对于物质世界从无序到有序变化过程以及对生物细胞自组织过程的认识都使我们对这种变化过程产生
6、浓厚的兴趣，进而模拟这种过程来创造新的物质4。超分子自组装是一种或多种组分在多个非共价键的“编码”下自发地形成热力学稳定的聚集体。聚集体的结构取决于单体分子的结构，有机合成可以提供自组装的单体分子，而自组装可以产生有序结构的聚集体。自组装可分为静态和动态自组装，它是一种具有可逆性、并最终能达到平衡的过程，这样可以确保所形成的聚集体在热力学上是最稳定的，这也说明自组装体系具有自纠错能力。自组装通常在溶液中或界面上进行，这样可以使各组分自由的移动、碰撞和结合，并且各组分与体系所处环境间的相互作用也将影响自组装的结果。现阶段我们可以见到三种尺寸的组分可以发生自组装：分子水平、纳米级（胶体、纳米线和纳
7、米微球）以及宏观物质（从微米到厘米大小）5。基于自组装的理论成果，超分子化学家已经组装出各种结构的超分子6。1. 2 生物膜细胞是生命体系活动最基本的功能与结构单位。构成生物体的细胞中都有一层薄膜，细胞内外环境由这层薄膜分隔开来，从而生命活动可以获得稳定的生物环境，这层膜称为外周膜或者是细胞膜。众所周知，细胞内还有许多细胞器与亚细胞结构(例如：线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核及内质网等)，这些细胞内的细胞器或亚细胞结构同样需要膜系统来实现不同的功能，这样的膜称为内膜。所有构成细胞的外周膜与内膜统称为生物膜。生物膜在结构上有其特殊性，虽然不同的膜系统在组成成分上有一定区别，但所有膜系统都
8、是由磷脂分子、多糖及膜蛋白等多组分组装形成的超分子化学体系(Figure 1-1)7。Figure 1-1. A schematic diagram for the cell membrane构成生物膜的膜脂根据结构不同一般可分为三种类型：甘油磷脂(glycerophospholipid)、鞘脂(sphingolipid)以及胆固醇(cholesterol)。其中在生物体中占绝大多数的是甘油磷脂。一般认为，生物膜以甘油磷脂为主体骨架，鞘脂和胆固醇分散在主体骨架中，而在膜脂所形成主体骨架中还含有具有不同功能的膜蛋白8。甘油磷脂具有亲水的头基及两条疏水的尾链，因此磷脂分子自组装形成的脂双层结构的两
9、个外表面为亲水部分，而脂双层内部则为疏水部分。这样的结构形成生物膜，使得非极性小分子物质可通过自由扩散进出细胞，而极性物质(如：氨基酸、阴阳离子等)则很难通过自由扩散进出细胞，从而保证了细胞膜内外生物环境的稳定，使各种生物功能得以正常表达。传统理论认为，膜脂主要是对其内容物提供隔离保护及骨架支撑作用。普通的脂双层在没有外界力的作用下是不能渗透离子的，如钠离子、氯离子等，因为从膜亲水端开始穿过膜疏水性内部需要很大的能量9。1.3 膜蛋白分子离子等在细胞膜内外的传输是一个精确调节的生物过程。细胞维持正常的生理功能需要不断地从外界获取营养物质、同时各种生理活动代谢产生的物质也需要及时从细胞内部排除，
10、而且细胞需要维持内外渗透压等生物环境的稳定，因此在细胞膜中对应有特定的传输系统来调节细胞与环境之间的化学物质与化学信号，从而维持生命的稳定与信息的传递。通常，这些系统是由复杂的蛋白构成，也称为膜蛋白，其中占据主导地位的是通道蛋白和载体蛋白两种形态。因此在生物细胞中，阴阳离子、水、氨基酸以及糖类等具有生物活性的物质进出细胞膜都依靠具有跨膜输送能力的膜蛋白。膜蛋白起着内外通道的作用，并表现出极高的选择性与效率，在保持细胞内部正常的生理环境、生理信号的传导和活性物质的合成等方面有极其重要的作用10。在过去的几十年中，人们对跨膜蛋白的功能进行了大量的研究，对运输与选择性机制有了一定的了解，但是仍不足够
11、清楚。就目前所得出的结论来看，在细胞膜上实现这一过程主要有两种不同的机理：一类是通过被输送的物质在膜内(或膜外)与载体蛋白结合以后，载体蛋白携带者该物质运动到细胞膜的另一侧然后将物质释放释放，这类输送过程称为“载体”型输送，典型的例子是葡萄糖传递因子(GLUT 1 transporter)；另一种是膜蛋白在膜上形成的特殊“孔道”，物质经由该“孔道”出入细胞膜。与“载体”型输送相比，被输送物质是连续的通过“孔道”进出细胞膜，这一类型的输送可称为“通道”型输送，在生物体内典型的例子是钾离子通道蛋白(Figure 1-2)。Figure 1-2. A schematic diagram for th
12、e transport protein and channel protein.前面提到，由磷脂双分子层构成的细胞膜无法在无外加驱动力的条件下输送生物体系中的阴阳离子。因为在细胞膜上有大量具有特殊输送功能的膜蛋白，才使得这一过程变得高效而且专一。从生物体系中得到启发，化学家通过有机合成构筑特定结构的有机小分子来模拟通道蛋白的输送过程，这类分子能够通过携带或控制来选择性跨膜输送生物活性物质。这些研究可为物质跨膜输送的机理提供简单的模型，也有助于深入理解通道蛋白结构与功能的关系，并将为与通道蛋白相关疾病的治疗提供新的研究思路11。1.4 天然小分子通道天然的通道蛋白虽然在传输效率及选择性方面具有巨
13、大优势，但是其结构过于复杂，很难通过化学方法构筑相似结构进行模拟。同时，由于通道蛋白不能脱离生命体进行研究等原因，其在跨膜输送过程中的种种机理还并不清晰。然而与通道蛋白具有类似功能的天然小分子通道结构却简单很多(通常是一些短肽分子)，通过化学合成较容易得到结构与其类似的有机分子，并且对于天然小分子通道的研究更加全面透彻。目前，科研工作者主要以三类天然小分子通道为模板来设计人工合成的跨膜输送体系。第一类是短杆菌肽A12，第二类是制霉菌素或两性霉素B13，第三类是丙甲菌素14。下面就这三类天然小分子通道进行介绍。1. 4. 1 短杆菌肽A(Gramicidin A)Figure 1-3. A sc
14、hematic diagram for the gramicidin A.短杆菌肽A(gramicidin A)是从短芽孢杆菌(Bacillus brevis)的培养物中提取出的一种线状多肽，由15个氨基酸构成，其中包括交替排列的8个L型-氨基酸和7个D-氨基酸，这一结构特点使短杆菌肽A形成-螺旋结构。由于单个短杆菌肽A形成的螺旋结构其长度不足以穿过磷脂双层膜，所以其通常以二聚体的形式组装成为跨膜离子通道(Figure 1-24)。短杆菌肽A一般作为抗生物质使用，一般认为它的抗菌机理是通过在细菌细胞膜上形成跨膜的通道，从而改变细胞膜的通透性，使某些阳离子向膜的另一侧传输，从而使细菌的新陈代谢活
15、动受到抑制而死亡。短杆菌肽A对某些革兰氏阳性菌(Gram Positive Bacteria)有较好的抗菌效果，但对人体细胞同样有上述作用，故它的临床应用受到较大限制，一般制成药膏局部外用。1. 4. 2 两性霉素B(Amphotericin B)Figure 1-4. Models of amphotericin B function in phospholipid bilayers.由于制霉菌素(Nystatin)与两性霉素B(Amphotericin B, AMB)的结构作用机制基本类似，故此处以两性霉素B为例介绍这类天然小分子通道。两性霉素B是从节状链霉(Streptomyces nodosus)的代谢产物中提取的环状多烯类抗生素，它是由37个碳原子组成，含有7个共轭双键组成的刚性疏水结构和7个羟基的饱和烷基连组成的亲水的柔性结构，是一个环状内酯两亲性分子 (Figure 1-4)。两性霉素B与固醇类分子有较强的结合能力；同时，由共轭双键组成刚性疏水结构与固醇类分子间存在范德华力作用，这就使固醇类分子与两性霉素B的结合更加紧密。举例来说，两性霉素B与真菌细胞膜上的麦角固醇(Ergosterol)结合后会形成板状结构，4到12个这样的板状结构可以在细胞膜中自组装形成“桶-板”结构的跨膜通道。利用此特点，两性霉素B可以
