2012年湖南省创新实验申请书-姚湘筱.doc

附件4：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项 目 申 报 表项目名称:蛋白质超二级结构的有机小分子化合模拟学校名称中南大学学生姓名专 业性 别入 学 年 份姚湘筱材料学女2010周兆芳化学升华班女2010杨润泽化学化工男2010余世伦化学升华班男2010周晶化学升华班男2010指导教师徐海职称副教授学科专业生物化学学生曾经参与科研的情况余世伦，2011年国际化学年全国化学趣味实验设计大赛二等奖姚湘筱，2011年国际化学年趣味实验设计大赛优秀奖周兆芳，2011年国际化学年趣味实验设计大赛优秀奖杨润泽，2011年国际化学年趣味实验设计大赛优秀奖指导教师承担科研课题情况1、 国家自然科学基金青年项目（19万元）：利用包氢富勒烯研究富勒烯化学的反应，2011.1-2013.12;2、 中央科研基本业务费中南大学前沿重点项目（20万元）：有机高分子光电功能材料2010.6-2012.12;3、 长沙市科技计划“313高端人才引进计划”特别专项，总经费100万元, 2011.5-2013.4. 项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题1、项目研究合成一类可用于模拟合成蛋白质-螺旋的寡聚酰胺单体，并提出应用所得单体进一步模拟合成-螺旋和-“发夹”模体 2）合成-螺旋模拟分子的三聚酰胺结构单元以4-氨基水杨酸，4-硝基水杨酸以及对硝基邻甲氧基苯甲酸甲酯为原料，通过设计一系列酯化、烷基化，还原，酰胺化等反应，可得到两种作为合成-螺旋模拟分子的三聚酰胺结构单元，这两种三聚芳香酰胺的侧链分别在2位于3位，这两种蛋白质alpha螺旋的模拟物是全新的两种化合物，可以进行有关蛋白质抑制性的测试。有关合成反应路线设计如图2所示。由图可知，所有的合成步骤均为比较经典的化学反应，特别是酰胺缩合反应，氢化反应等重复多次，反应条件也比较简单，可行性较高。 图3，两种不同侧链的三聚芳香酰胺的合成路线. 2）制备多种发卡模体的蛋白质超二级结构模拟物进一步利用各种二酸来偶联前边的三聚酰胺以制备-发卡模体这一蛋白质超二级结构模拟物。其中一个二酸与三聚芳香酰胺偶联如图4所示。此外，本课题还将利用其他各种刚性二酸例如菲二酸，吡啶二酸以及柔性二酸例如己二酸分别与三聚芳香酰胺进行耦合，这样可能可以得到各种具有两个alpha-螺旋模拟物之间呈不同角度的“发卡”模体，并可与各种蛋白质“发卡”超二级结构进行匹配试验，研究有关蛋白质抑制剂效果。图3：以二酸17进行酰胺化反应后“发卡”模拟物分子18,19.2、实验目的1）本研究旨在通过设计合成含有五元杂环的小分子化合物，并通过添加取代基模拟螺旋的残基和控制弯曲角度从而实现螺旋的模拟合成。2）改善小分子化合物的溶解特性,同时使得化学合成在蛋白质模拟领域的应用范围得到拓宽。3）对蛋白质模拟合成及其在新药尤其是在癌症用药开发方面起到指导作用。3、实验内容利用酰胺缩合反应,制备各种带不同侧链的三聚芳香酰胺化合物,可用于模拟alpha-螺旋这一蛋白质二级结构;并利用二酸与这些三聚芳香酰胺化合物相偶合,得到蛋白质”发卡”模体的模拟化合物。4、要解决的主要问题本实验围绕含有五元杂环的小分子化合物实现螺旋的模拟合成而展开，鉴于实验中所涉及的溶解问题和5-6-5环的启发，改善小分子化合物的溶解特性。本领域的研究拟解决以下几个关键的科学问题：1) 反应路线问题，以4-氨基水杨酸和4-硝基水杨酸为原料，通过设计一系列酯化、烷基化，还原等反应，得到作为合成-螺旋模拟分子的结构单元，进一步设计合成螺旋和-发卡模体模拟物的路线，最终得出合理可行的总反应线路图。2) 反应条件问题，实验过程中要保证反应体系的稳定，尤其是产物较活泼敏感的反应，要严格无水无氧。3) 反应物的溶解问题，为保证产率，须将所有固体反应物完全溶解后方可开始反应，除无机盐类催化剂外，还需要选择合适的溶剂国内外研究现状和发展动态如今，利用有机小分子模拟蛋白质alpha螺旋二级结构是研究的热点，但是对蛋白质超二级结构模体的模拟的还没有任何报导。与此同时，蛋白质-蛋白质之间基于特定靶点的相互作用已经被证实与包括癌症、艾滋病（AIDS）、二型糖尿病等在内的疾病的发病机制有关， 这使其成为当今医药、化学等领域的研究热点，而能够破坏特定蛋白质间相互作用的小分子的模拟合成为探索治疗上述一系列疾病的方法提供了可能和方向。本研究使得化学合成在蛋白质模拟领域的应用范围大大拓宽，并对蛋白质模拟合成及其在新药开发反面的应用做出贡献。本课题旨在合成一类可用于模拟合成蛋白质-螺旋的寡聚芳香酰胺单体1，并提出应用所得单体进一步模拟合成-螺旋2和-“发夹”模体3。一类简单的基于寡聚芳香基团4的合成支架分子可以有效模拟一条2所包含的侧链。基于4的精确的易于功能化的支架分子，表现出有效的阻断一些目标螺旋或蛋白质，如携钙蛋白，病毒的融合蛋白gp41，位于肿瘤抑制剂直接的复合物p53和其调控蛋白MDM2，细胞凋亡调整复合物Bak/Bcl-xL。通过该类4模拟物的合成及其结构的研究，有望得到一系列蛋白质“发卡”模体模拟小分子并提供一种在包括3在内的蛋白质超二级结构模拟合成中控制分子不同弯曲角度的新方法；这些“发卡”模体的模拟将有很大的应用前景，对于攻克癌症、老年痴呆、艾滋病等于蛋白质相互作用相关的疾病方面有巨大的潜能。蛋白质就是生物体内与各种生命活动紧密联系在一起的一类生物大分子，其生物功能的实现在于其存在一级、二级、三级和四级结构。-螺旋是蛋白质最常见的二级结构，-螺旋和模体在蛋白质的相互作用过程中起着重要的作用，因此可以根据一些感兴趣的功能蛋白的结构，模拟得到一些相应的蛋白质抑制剂，从而在开发出具有潜在治疗作用的化合物 1-5 。两条-螺旋通过一个中间物质连接起来形成了蛋白质超二级结构模体（motif）。近年来在许多蛋白质的二级结构和功能研究中，发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被成为模体（motif）。两条-螺旋通过一个短环状分子按照一定的空间位置连接起来形成的蛋白质超二级结构成为-发夹模体（alpha-alpha hairpin motif简称AAHM）。AAHM是球蛋白中十分常见的超二级结构，同时在转运蛋白中也大量存在。由于这种蛋白质超二级结构分子大小范围不大，同时螺旋之间相连的环所形成的角度变化范围也不会很大，所以在氨基酸序列中一类稳定的结构往往会重复出现。选择不同的中间体（kinks）作为连接两条螺旋，得到的分子中两条-螺旋轴的角度会有很大的不同。Chabbert等学者分析了存在于可溶性蛋白质中的螺旋-X螺旋（helix-x-helix）模体,发现由单个不同的中间体连接的两条螺旋之间的夹角的范围是0到160。在可数自然界存在的多螺旋蛋白中，两条螺旋的角度是由自然形成和-发卡模体中的侧链互补所决定的，例如GCN4, gp-41 和interleukin-2（如图1）中的两条螺旋之间都呈现出不同的夹角-1。图1多螺旋蛋白：A）GCN4，B）gp41 N-末端，C）IL-2，内含多种“发卡”型蛋白质超二级结构。参考文献：1 H. Yin, A. D. Hamilton, Angew. Chem. 2005, 117, 4200; Angew. Chem. Int.Ed. 2005, 44, 4130.2G. J. Gabriel, G. N. Tew, Org. Biomol. Chem. 2008, 6, 417.3J. K. Murray, S. H. Gellman, Biopolymers 2007, 88, 657.4J. A. Patch, A. E. Barron, Curr. Opin. Chem. Biol. 2002, 6, 872.5 D. J. Parks, M. R. Player, Front. Drug Des. Discovery 2007, 3, 5.6.Deville, J.; Rey, J.; Chabbert, M., Proteins-Structure Function and Bioinformatics 2008, 72 (1), 115-135.7.Lupas, A. N.; Gruber, M., Fibrous Proteins: Coiled-Coils, Collagen and Elastomers 2005, 70, 37-+.8.Keller, W.; Konig, P.; Richmond, T. J., Journal of Molecular Biology 1995, 254 (4), 657-667.9.Chan, D. C.; Fass, D.; Berger, J. M.; Kim, P. S., Cell 1997, 89 (2), 263-273.10.Thanos, C. D.; Randal, M.; Wells, J. A., Journal of the American Chemical Society 2003, 125 (50), 15280-15281.本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩该课题是徐海老师在耶鲁大学从事博士后工作时课题组一个重要的子课题，课题的思路和可行性分析等前期调研工作已经有了相当的基础。蛋白质有机小分子模拟的方法比较成熟，类似的工作已经在多个高水平杂志上有多篇论文发表。发卡模体的模拟研究中，目前，我们在苯环3位上取代基修饰的模拟化合物的合成与表征已经完成，小组完成的相关论文正在投审中。苯环上2位上的取代基修饰还正在进行中。待完成的主要任务是综合2位和3位所得一系列的有机小分子化合物，做进一步的生物活性的对比。项目的创新点和特色1、基础方面：本课题的指导教师徐海副教授具有着蛋白质模拟化学的良好基础，其博士后导师，现牛津大学校长Hamilton教授是小分子模拟蛋白质二级结构这一领域的开创者；通过他的指导，大大提高了本课题的基础条件， 其导师的研究小组已经在包氢富勒烯的合成与检测方面做出了许多世界领先的科技工作，有关的成果已经发表在欧洲有机化学等国际权威期刊上。2、前景方面：实验所得的蛋白质“发卡”模体的模拟将有很大的应用前景，对于攻克癌症、老年痴呆、艾滋病等于蛋白质相互作用相关的疾病方面有巨大的潜能。这将使得化学合成在蛋白质模拟领域的应用范围大大拓宽，并对蛋白质模拟合成及其在新药开发反面的应用做出贡献。项目的技术路线、进度安排及预期成果提出对应的-螺旋1、项目的技术路线合成寡聚酰胺单体设备安装，材料准备提出对应的-“发夹”模体总结研究成果，发表论文小分子的生物活性的检测与筛选偶联前边的三聚酰胺制备-发卡模体这一蛋白质超二级结构模拟物2、研究进度全部研究计划在二年内完成，具体如Table1所示：Table1. 年度研究计划表时间主要研究工作2011.62011.12仪器设备安装，试剂采购和方法准备；进行三聚芳基酰胺的前体化合物的合成，并对这些化合物进行基本的结构表征。2011.122012.12全面开展由各种二酸化合物与三聚芳基酰胺的合成，并对其产物的晶体结构和蛋白质抑制活性