（有机化学专业论文）γ环肽纳米管的设计与自组装研究.pdf

y 一环肽纳米管的设计与自组装研究 摘要 自组装环肽纳米管在化学、生物学、材料学和医学等领域中具有广泛和潜在 的应用价值。设计和合成具有特殊结构和生物活性的多肽分子进行自组装的研究 在一定程度上已经取得了很大的进展。d ，l 0 c 环肽、p 环肽、6 一环肽、a ，丫- 交替 环肽和0 l ，交替环肽等都可以自组装形成纳米管，而对1 ，环肽的研究相对较少， 为完善1 ，环肽的理论研究及探索其应用价值，本论文主要针对1 ，一类型的环肽进行 了自组装研究。 1 环肽的设汁与直链六肽的合成 通过对3 氨基环己基甲酸单元的5 位羟基成酯侧链的修饰，在一定程度上解 决了丫多肽的溶解性问题。通过液相多肽片段缩合法，成功地合成了两类直链丫一 六肽。目标环肽2 6 、2 7 的合成还在进一步研究中。 2 环肽2 5 、5 2 的白组装研究 对非对称性环肽2 5 发生自组装的条件进行了摸索，该环肽在t c e h e x a n e 体系中能形成相对稳定的凝胶，成功地实现了环肽2 5 的自组装。对其进行f t - i r 、 t e m 、s e m 和计算模拟的研究表明该环肽在该体系中能够自组装形成直径约为 6 5n m 的右手螺旋的纳米纤维( 纳米绳) ，在环肽纳米管的研究中该类报道极为 罕见。通过对彳 同多肽进行对比实验，推断环肽进行自组装的主要驱动力是环肽 分子间氨键的形成。 c 3 对称的环肽5 2 在t c e h e x a n e 体系中也形成了相对稳定的凝胶，t e m 研 究显示该环肽可以自组装成具有较大长宽比的纳米纤维，直径约为7 1 0 n m 。 关键词： 3 - 氨基环己基甲酸y 环肽自组装凝胶纳米管 i i i d e s i g na n ds e l f - a s s e m b l yo fc y c l i c y - p e p t i d en a n o t u b e s a b s t r a c t s e l f - a s s e m b l i n go fc y c l o p e p t i d eb u il d i n gb l o c k si n t on a n o t u b u l a ro b j e c t sh a s b e c a m ea ni m p o r t a n ta r e ao fr e s e a r c hi nb o t hn a n o s c i e n c ea n ds u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y , d u et ot h e i rt r e m e n d o u sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nc h e m i s t r y , b i o l o g y , m e d c i n e sa n dm a t e r i a l ss c i e n c e d ，l - 0 l - c y c l o p e p t i d e ，1 3 - c y c l o p e p t i d e ，6 - c y c l o p e p t i d e ， a a l t 吖一c y c l o p e p t i d ea n df t - a t - - c y c l o p e p t i d ec a ns e l f - a s s e m b l ei n t on a n o t u b e s t h es e l f - a s s e m b l i n gc y c l i c7 - p e p t i d en a n o t u b e sw e r er a r e l yr e p o r t e d i no r d e rt o s u p p l yt h ef u n d a m e n t a ll a wo ft h es e l f - a s s e m b l i n gc y c l o p e p t i d ea n dt oe x p l o r et h e i r a p p li c a t i o n s ，t h es e l f - a s s e m b l yo fc y c l i c7 - p e p t i d ew a sr e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 t h ed e s i g no fc y c l i c7 - p e p t i d ea n ds y n t h e s i so ft h e i rl i n e a rh e x a p e p t i d e s t h es o l u b i l i t yo ft h ep e p t i d e sw a st os o m ee x t e n ti m p r o v e db yc o n n e c t i n gs i d e c h a i n sw i t ht e gg r o u p s t w ok i n d so fl i n e a r 1 , - h e x a p e p t i d e sw e r es y n t h e s i z e d t h r o u g hl i q u i dp h a s ep e p t i d es y n t h e s i s t h es y n t h e s i so fc y c l i c7 - p e p t i d ei sb e i n g f u r t h e re x p l o r e d 2 s t u d i e so ns e l f - a s s e m b l yo fc y c l o p e p t i d e s2 5a n d5 2 i nt h ep r o c e s so fe x p l o r i n gt h ec o n d i t i o n so ft h es e l f - a s s e m b l i n go fc y c l i cy p e p t i d e a c o l o r l e s sg e lw a sf o r m e di nt c ew i t h2 3 m mc o n c e n t r a t i o no f c y c l o p e p t i d e 2 5 e q u i l i b r a t i n ga g a i n s th e x a n e v i a v a p o r - p h a s e d i f f u s i o n t h e c y c l o p e p t i d ew a ss e l f - a s s e m b l e di n t or e l a t i v e l yh o m o g e n e o u s ，r i g h t - h a n d e dh e l i c a l ， a n dt u b u l a rn a n o f i b e r sw i t ha b o u t6 5 n md i a m e t e rb ya n a l y s i so ft e ms t u d y f t - i r a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s u p p o r t e dt h er i g h t h a n d e d h e l i c a la s s e m b l i e s r a r e l y r e p o r t e di nt h er e s e a r c ho fs e l f - a s s e m b l i n go fc y c l i cp e p t i d e b yc o n t r o le x p e r i m e n t o fd i f f e r e n tp e p t i d e s ，t h em a j o rf a c t o rr e s p o n s i b l ef o rt h es e l f - a s s e m b l i n gs t r u c t u r e si s b e l i e v e dt ob et h ei n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e n b o n d i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep e p t i d e b a c k b o n e s i v c y c l i cp e p t i d e5 2w a sa l s of o r m e dam i i k yg e la n ds e l f - a s s e m b l e di n t o n a n o f i b e r sw i t hb i g g e ra s p e c tr a t i oi nt h es a m es o l v e n ts y s t e m k e yw o r d s ：3 - a m i n o c y c l o h e x a n e c a r b o x y l i ca c i d ，c y c l i ct - p e p t i d e ，n a n o t u b e , ， s e l f - a s s e m b l y , g e l v 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师朱槿研究员和邓金根研究员指导 下进行的研究t 作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得任何大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作的同志对奉研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在中国科学院成都有机化学研究所读书期间在导师 指导下取得的，论文成果归成都有机化学研究所所有，特此声明。 第章自组装环肽纳米管的研究进展 第一章自组装环肽纳米管的研究进展 刖蟊 自组装是生物体系形成各种各样细胞或渡细胞层次结构的一个过程。在自组 装过程中，原子、分子、粒子和其它基本单元在系统能量的驱动下具有组装成功 能性结构的能力。自组装也指如果体系拆分成相应的亚单元，在适当的条件下， 这些亚单元会混合重新形成完整结构。例如蛋白质合成、由骨胶原蛋白和羟磷灰 石所构成的胶原纤维的有序排列，d n a 的复制、转录、逆转录等都属于自组装 过程。生物体系的自组装有四个显著的特点：1 生物体系仅仅需要较少的信息 就可以由很小的次级单元形成很大的有序功能体。2 这种组装的作用力是比较 弱的非共价相互作用，因此在需要的时候可以离解而重新组合达到纠错效果。3 这种组装是通过次级单元的识别而进行的，因此不可能出现小相容的结构。4 这 样的一个过程是一个非常高效的合成。因为次级单元识别是非常准确的，所以合 成也是非常精确的【l 】。研究者借豁生物体系的这一现象，设计并合成次级单元， 构筑具有特殊的物理和化学性质的功能组装体，探求其在新催化剂、超分子药物、 具有生物相溶性的组织功能材料方面的应用，最终实现人工合成新颖、稳定和具 有特殊功能的材料。 自组装过程不仅仅局限于生物体系，化学体系中晶体的生长、人t 双层类脂 膜的自发形成、l b 膜的形成都是自组装现象；材料科学中的手性生物传感器、 液晶相的形成也是自组装现象。 第一节自组装环肽纳米管的发展由来 纳米管冈其具有特殊的形状和性质以及它们在化学、生物学、材料学和医学 等领域中的广泛和潜在的应用前景，引起了研究者的广泛关注。通过分子自组装 方法合成有机纳米管已成为热门的研究领域之一。借鉴生物体系的白组装现象， 近年来，化学家们制备许多具有特殊结构的有机小分子，它们能通过自组装形成 稳定的纳米管道结构。 自组装有机纳米管【2 1 可以通过以下四种方式形成：( 1 ) 折叠式分子卷曲成中 y h 肚* * * * 5 自d # r 空的螺旋状结构( 幽1 1 a ) ：( 2 ) 棍棒状分子组装成筒状的分子束结构( 图i lb ) ： ( 3 ) 环状分子堆砌成连续管状结构( 图i - i c ) ；( 4 ) 扇形或契形分子形成碟片状 子结构继而堆积成柱结构( 图i l d ) 。 lb l 妻雠多 圄1 1 自组装有机纳米管的四种方式 这些中空的微管结构吼在天然蛋向质的聚集体中存在如抗生素短杆菌肚 a ( a n t i b i o t i cg r a m i c i d i na ) 在质膜中折叠成o - 蝶旋管状结构：霍乱病毒素的舡 蝶旋a 结构b ：烟草花叶病毒( t m v ) 的外壳蛋白等。目前，人t 合战的有机 纳米崔多采取环状分子堆积方式，困为其便于控制纳米管的孔径，孔狰又是影响 纳米管在其施用方面的重要参数之 。 实现环状分子堆积方法最有效途径之一就是多肚纳米管的自组装。环状多肽 作为设计的日标分子，具有很多优势，如构成多肚的基本单元氨基酸，在自然界 中广泛存在，且u ，以产生多样性环境如极性、酸性、碱性、硫水性、亲电、亲核 等，易于设训和嫁接具有特殊性质的新分子，从而使得其组装伴也具有特赇的功 能。此外，多肽的酰胺基酬f n h c o ) 可以自我互补形成分子间氯键，若环与环之 间通过分子间氧键小断霍j j u 延仲进而构建成纳米管结构。此外，环肽成为自组 装岍究的热点，更主要的是同为它们具f 潜神：的庸j l j 价值，可于跨膜离子通道、 生物传感器、蛋白质台成模板等，甚垒- ，用十抗生素、抗菌素、抗病毒和药物的 传递等，近几年还有报道环肽纳米管nj 以作为新型的生物材制。 第章自组装环肽纳米管的研究进展 第二节自组装环状多肽纳米管的研究进展 1 2 1 环状多肽纳米管 1 、d ，l q 一环肽纳米管 1 9 7 4 年，d e s a n t i s 等人( 3 】通过理论分析由偶数个d ，l 氨基酸交替组成的环 肽显示出构象上等价的b 类型的二面角，能通过骨架间( b a c k b o n e - b a c k b o n e ) 氢 键相互作用形成空心柱状组装体。随后l o r e n z i 小组【4 】对此进行了尝试。他们合 成了很多由d ，l - 氨基酸交替组成的环肽如：c y c l o 一【- ( l v a i d v a l 一) n 一】 ( n = 2 ， n = 2 5 ，n = 4 ，n = 3 ，) c y c l o - 一( l l e u d l e u ) 3 一】和c y c l o 十( l p h e d p h e ) 3 - 】，但是这 些环肽的溶解性都很差，不溶于一般的常用有机溶剂，仅能溶于强极性溶剂三氟 醋酸中，其中环肽c y c l o _ 【( l - w a l d v a l 一) 3 一】和c y c l o - 【- ( l p h e d p h e ) 3 一】仅溶于三 氟醋酸和氯仿或二氯甲烷的混合溶剂。在三氟醋酸的极性溶剂中，所形成的氢键 不稳定，因而不能监测到所预想的管状结构，但从i r 研究发现该类环肽在固态 下能够形成较强的分子间氢键。 1 9 9 3 年，g h a d i r i 小组得到了第一个真正意义上的环肽纳米管【5 1 。他们合成 了一个由d 和l 氨基酸交替组成的环八肽c y c l o 十( l g i n d = a l a l g l u d a l a ) 2 一】 ( 1 ) ，使用质子控制自组装过程的策略，将该环肽溶于氢氧化钠水溶液中，再通 过三氟醋酸调节该肽溶液的p h 值，使得该肽形成了棒状结晶。通过透过扫描电 镜( t e m ) ，电子衍射( e d ) 等手段发现该八肽在结晶状态下形成了空心的管道 结构，内径约为7 a ，上下两个环肽分子间的距离为4 7a ；通过f t - i r 证实该组 装体采取的是b 折叠( 1 3 s h e e t ) 结构( 见图1 - 2 ) 三国一一= 、 l 图1 - 2c y c l o ( l g i n d a l a l g i u d a l a ) 2 一】的结构及组装方式。 y 一环肽纳米管的设计与自组装研究 1 9 9 4 年，该小组使用相同的策略合成了环十二肽c y c l o 十( l - g i n - d a l a l g l u d a l a ) 3 一】，电子显微镜和电子衍射分析表明该肽自组装形成了直径约为1 3 a 的 纳米管道【6 1 ，也是第一次从实验上证实了可以通过改变氨基酸的个数简单地调控 纳米管的内径。 同年，该组报道了第一个自组装的跨膜离子通道。环八肽c y c l o ( t r p d l e u ) 3 - g i n d - l e u 一】( 2 ) 可以在脂类双分子膜中自发地组装成透过膜通道结构吲 ( 见图l 一3 ) ，并且有很好的离子传输能力。其组装的主要驱动力是分子间氢键 和亲脂性侧链与类脂的疏水相互作用。这种环肽形成的离子通道对钠离子和钾离 子的传输能力都大于1 07 i o n s s ，可以与天然的抗菌素g r a m i c i d i na 相媲美。 进一步地研究表明环十肽c y c l o - - ( t r p - d l e u ) 4 g i n 。d l e u 】在膜中自组装形成的 内径为l o a 纳米管对葡萄糖有高效的传输能力【8 1 ，也是第一例由人丁合成的对中 性物质葡萄糖具有高效透过能力的跨膜通道。同时，实验也证实了可以通过改变 氨基酸侧链的性质来调节环肽组装体的各项性能，带亲水性侧链的环肽可以在水 溶液中自组装，带亲脂性侧链的环肽倾向于在膜中自组装。 2 图1 3c y c l o 一【- ( t r p d l e u ) 3 一g i n d l e u - 】结构及其在膜中的组装方式。 为了研究环肽的组装方式及其组装过程的热力学，研究者做了大量的工作。 1 9 9 4 ：圭1 z ，l o r e n z i d 、组9 1 合成了间隔性氮甲基化环六肽缈，d ( l - m e n l e u d l e u ) 3 一】，x 一晶体衍射研究表明该环肽在同态中通过反平行的t 3 s h e e t 氡键形成了 二聚体。首次提供了多肽纳米管在原子水平上的重要信息，并且通过n m r 研究 表明该二聚体在氘代氯仿中的缔合参数是8 0 m 一。 4 ，吣n锊“留熙粼躐渊湫滋力uu沁锊”“”u留 继l o r e n z i 小组研究后，g h a d i r i t j 、组又设训了一类选掸性_ 甲基化的环肚 c y c o f - l p h e - d 一n - a i a - ) 4 】( 33 ( 见图l 一4 ) ，对其液相和同相的二聚体进行丁 研究 “i 。x - 单晶衍射表明该肽组装于臣成了一个内往为7 8a 、外往为1 1a 的二聚 休( 见圉i 5 ) 。进一步的核磁和红外州究表明该舭在小同的溶剂中自组装形成= 聚4 奉时可以使体系的能量降低40 56k c a lm o l 。 上p 钆张渺可。p ”谊燃怒扩 咚帝善一防 。b 3 图i - 4 c y c l o - ( - l - p h e - d m c n a l a 一) 4 】的结构驶组装方 圈1 5 c y c l o - 【( l - p h e d - n - a l a - ) 4 的晶体结构 n 此究荩础1 ，g h a d i r i 小组x 相继撤道了通过共价捕获的办法使得i v - 甲 基化坪肽的二聚体更加稳定”】。由于通过非共价键所形成的自组装体在动力学 上的小稳定而限制了其应用，为了解决这难题，他们合成了侧链f 带有职键或 一 y 目* h b 自n # 究 巯基的婀炎环肽分别通过烯烃置换和二硫键合的办法，形成了热山学和动山学 f 都稳定的圆筒形的1 3 s h e e t 二聚体( 见图l 一6 ) 。此方法的优点是环肽亚单元自 组装形成_ 聚体的同时，也指i i 了共价键的形成取向。 堪 图1 6g h a d i r l 小组共价连接的 l 甲基化环肽的二聚体 在咀上研究基础上，2 0 0 4 年u n d 6 n 小组首次报道了通过立体化学控制白 组装纳米管形成的新策略。他们合成了c y c l o 十( d - g i n - l - t i e d - g l u - l - t i e ) 2 - 】( 4 ) 和c y c l o _ 【_ ( l - g i n - d - t i e - l - g l u - d - t i c ) 2 ，1 ( 5 ) ( t i e 为三级亮氨酸) 两个且为对映体 的环肚( 见圈1 7 ) ，对其自组装进行了研究结果表明这两个环肽自身不能 自组装，h 有将两个环肽混合在一起才能组装成多肚纳米管。 吲i 7 环肚4 和5 的结构及其l 主【装方式 ，梦他 逝 啄 飞羁i v 擎亿 翅 睬 文，一 潞嚣 白组裴环肽纳米管引起了人们广泛的兴趣，主要是刚为它具有潜在的麻心价 值，班定其成硐的两个罩要参数：一是纳米管的内释二是纳米管的表血化学。 | j i l 卉可通过调节氨基酸的个数来简单调拌后者可通过所选择氪基酸的种娄驶其 序州来渊控，此外义发展r 一个新方法，就是通过麸价的办法将台成的大分子嫁 接到组装体的表面，即形成了纳米管为核心，多聚物为点架的共轭体n 2 0 0 5 年，b i e s a l s k i 小组合成九山d 一和l 氨基酸交替组成的环八肚( 6 ) ( 见图i 一8 ) ，此环八状的特征是在其赖氢酸单元的侧链氩基i ：引入特殊的基团， 这些摹团是用作原子转移自山基多聚化投术( a t r p ) 引入人分子的反麻位点。 在二氟醋酸水体系下该环戕自纽装成纳米管，原子力显微镜( a f m ) 研究表明该 纳米管的直张约i7 n m 艮良约10 0 - 5 0 0 n m 。以此纳米管为模板在水溶剂下， 加 n 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 单伴和聚合添加剂便形成了虾月女- p n i p a m 纳 米管a f m 研究表明该共轭纳米管的高度约1 2 n m ，长度约6 0 一i o o n m 。纳米管殴 度减矩的原冈是多聚侧链的高密度导致丁环肽纳米管的解组。 6 匿1 - 8b i e s a l s k id , n 合成的i _ _ = 啵及环肽p n i p a m 的组装方a 为了克艇这些缺点，2 0 0 6 年b o r n e r 小组报道了一种新方法，即将多聚 大分子阿先通过a t r p 技术连接到环肚分子上，形成多聚物- 王1 、肽大分子( 7 ) ( c o i l - r i n g - c o i l ) ( 见图i ，9 ) ，将此日标化台物在审温条件下经= 氟醋酸处理肝 在d m f t h f 体系中形成纤维状的纳米管高度约l4 n m ，宽度5 n m ，长度约 2 0 0 3 0 0。这类纳米管拥有官能化的外部以及中空的内部，这对离子或分了通 y 目n 纳米骨h 自“# 道的麻用打下坚实的基础，该小组还在继续研究设计这类环他纳米管，使其具有 功能化的内部以便于形成具有选择性、识别性的通道模拟生物材料。 叮v - r 幽。蘩囊 而 飞c 二零 图i 一9b o r n e r 小组合成的环肤7 及其组装力式 2 0 0 6 年g h a d i r i 小组 1 ”又报道了带有四个具有阳离子性质的i 4 ，5 ，8 萘四甲酸二酰砸胺侧链( n d i ) 的环八肽( 8 ) ( 见圈1 - 1 0 ) ，该环舭在无氧、 还原性条件f ，在连二孵硫酸钠的氘代水中，自组装成具有电于离域性质的纳米 纤维。a f m 研究表明这些纤维与由孤立环肽所形成的纳米管j t 寸一致长约儿 亓个纳米高度约2 - 3 n m 。在窜温下，将其暴露于空气中甚垒两个月都小发生改 变，证实r 诙纳米管的高度稳定性。此外近红外( n i r ) 饼究表州环肽纳米管 的目架结构投自组装过程均促进了电荷离域的n d i 阴离子自由基的堆叠。此研 究在生物材料和光电材料等倾域具有潜在的麻用价值。 图l - 1 0g h a d i r i 小组合成的环肽8 驶其组装方式 第章自组装环肽纳米管的研究进展 2 、一环肽纳米管 1 9 7 2 年，h a s s a l l 提出由a 氨基酸和1 3 氨基酸交替组成的环四肽可以通过骨 架分子问氢键相互作用形成中空筒状结构【1 7 】。1 9 7 4 年，k a r l e 小组【1 8 】合成了环四 肽c y c l o - 【- ( l - s e r ( o - t - b u ) - 夕一a l a - g l y 一夕一a s p ( o m e ) ) - ，对其进行了晶体衍射研究， 也只是部分证实了这一假设。晶格中环肽单元采取环形结构并且上下依次堆 积，但是四个酰胺基团中仅有两个参与形成了分子间氡键。，仅氨基酸和1 3 氨基 酸混合环肽的纳米管组装体的设计还有待于进一步去证实。相对酗环肽而言，夕 环肽增加了一个c h 2 单元，减少了环状分子的张力，使其具有更大的弹性调节 其平面构型以便于堆积管状结构。 1 9 9 7 年s e e b a c h 小组【1 9 峙艮道了全部由b 氨基酸构成的环四肽也能自组装形 成管道状结构。由于它们高度的难溶性，不能对其进行x 单晶衍射研究，进而 发展了使用x 粉末衍射手段研究自组装体。x 粉末衍射研究表明在固态时四肽 c y c i o 一【一( 夕3 - ( s ) 一h a i a ) 4 一】( 9 ) 、c y c l o 一【一( 3 - ( s ) 一h a l a 一夕一( r ) - h a i a ) 2 - 】( 1 0 ) 和 c y c l 0 1 - ( p 3 一( s ) 一h a i a ) 2 一( 夕3 一( r ) - h a i a ) 2 一】( 1 1 ) 可以自组装形成类似于某些叶环肽 纳米管的管状结构，上下堆积的一对分子间形成了四根非线性的氯键( 见图 1 1 1 ) 。 h r 村、h n 义斟h _ 。一 o 气户。 义斟h 蓁蒸蓁 o h 旷n h n、 o 气户o n h 心吖， h l l o 1 1 图1 1 ls e e b a c h 小组1 3 环肽及其组装方式 9 群襻舻 y 耳n 目* * * 自纽装* 究 1 9 9 8 年，g h a d i r i 小组台成丁c y c l o - ( - 日3 - h t r p ) 4 一】( 1 2 ) 、r y c l o 【( 03 一hr 巾 日一h l e u h 一1 利c y c l o - 【( 一d - h l e u ) 4 1 - - + 环肽。他们发现c y c l o 一【( - p3 一l i t r p ) 4 - 】， * y c l o 一 ( 一b i h t r p - 8 一h l e u ) 2 一】可以在双艋膜中自组装形成管道状结构( 见图 i - 1 2 ) ，而环肚e y c l o f ( s3 一h l e u ) 。一】由于杵； 解性较箍小能形成管道。单通道电导 数据表明环从1 2 对钾离子的传输速率高达19 x 1 0 7 i o n s s 1 ，其传导能力高于 娟轩茼肽a 。此外环肽1 2 和c y c l o 【( 1 33 一h t r p b3 一h l e u ) 2 】h 架上的所有酰胺 官能团趋向是一致的，n - l i 稚l 羰基处于相反的两个方忆使得环肽单元具有偶 极性质进而使得其管状通道的组装体表现出较大的偶极效应使得谊纳米管在 电学领域具有潜在的应用价值。 1 2 图1 1 2g h a d i r i 小组口- 环肚1 2 的结构、管道模型及其在膜中的组装万式 2 0 0 6 年，f u j i m u r a 等人1 2 1 1 设并合成了由反式2 氨基环己基甲酸( 帅m a c h ) 所构成的环状三肽( 1 3 ) ( 见图1 - 13 ) 。t e m 研究表明在二氟醋酸甲醇或 二氟醋酸一水体系中，该环肽形成棒状的结晶体，宽度86 0 n m ，长度3 0 0 8 0 0 n m 。 宽度分析显示其分布主要在3 0 4 0 n m 。该组装件具有较大的偶极距吲而可能麻 用于质子、电子或离子的鼙传递介质。 、。， 之：、 譬4 分。鲒峥舻略 1 3 图l i3f u j i m u r a 小组b 胡、肚1 3 的结构度优化结构 q“”g r”g箍瓣8“弧弧弧oq“弧弧弧o * 自m 装h 米管时 究m * 同年，他们又撤道了由毗哺娄糖氢基酸所构成的新一类目环肽( 1 4 ，1 5 ) 口2 _ ( 见图i 1 4 ) 。引入吡哺环删链既可以改善日环肚的溶解性，又可雌修饰环“ 组 装体的外表面。研究表州在二氟乙醇己日| 或毗啶己腈体系中馥煲环肚叮以成功 地形成纳米尺寸的棒状结晶体。通过圆一色潜( c d 谱) 和n m r 研究了其自组 装过程。电了衍射( e d 谱) 研究表明环肽分子间距离为48 a 。此外，环二肚( 1 4 ) 蟛战的组装体具有较高的长盥比。叩长度夫十2p m ，而宽度少于4 0n m ，此数据 也说叫r 柱状组装件巾分子问的堆叠非常稳定。 ：。3 f j 。，| 产9 。 、 。藩 r o k 1 5 j ；i 囊乞扣 妒黪： ；气- 图i 1 4g h a d i r i 小组b 环肽1 4 1 5 的结构发相席优化结构模型 随后，j a g a n n a d h 等人川台成了由峨呋喃炎精氨基酸( c 一f s a a ) 干ud h g l y 所组合的i 3 琊肽( 1 6 、1 7 ) ( 见图l 一15 ) 诅：非极性c d c l 3 - c c l 4 可以形成棒状纽 装4 ； _ 。f t - i r 研究证寅两个环肽均采取平行的8 s h e e t 方式，n o e 研究表叫环肽 通过川根分了剖氧键进行耵牛元间的同种堆叠，即f s a a - f s a a b - h g l y b - h g l y ( 见h 卜1 6 ) 。 鼹 l 。 参三逡眷三嚣 图l - 15 日硝、戕1 6 ，1 7 结构成组装模 图1 - i 6b 一环从1 7 的n o e 研究所推导的堆积模型 3 、a y 混合环肽纳米管 2 0 0 3 年，g r a 巾小组# 4 l 报道了由u - 氨荩酸和v - 环己基甲酸( y a c h ) 交替 组成的混合叫、六肽( 1 8 ) 的自组装。他们台成t e y e t o - 【( 1 足3 d - ) l a c h d _ m 。n a l a 3 1 1 c y e l o 一 d - p h e 一( i r ，3 m e n y - a c h 3 ( 见囤l - l7 ) ，该类环肤具有两个而，即。 而和y 而。为了研究该类环肚纳米管的可行性及热动力学性质，他们通过氯甲基 化的办法锁定环的一个血，阻止该面进步形成氧键，从而咀二聚体的形式存在。 通过n m r 、f i ：i r 、m s 和x 一衍射他们发现这种环肽能够通过h 架一架的氧键形 成二二聚体。该二聚体以反半行的b s h e e t j j 式在分子间形成六个氧键。x 晶体衍 射有山地证实了筒状一聚体的形成( 见图1 1 8 ) ，孔径约为4 ，3 a ，i 司时五个氯仿 分于以氧键的形式键合到环舭目禁h 其中一个处丁- 聚体的中心扎腔中，从而 也袭l 纠r 该纳米管的内部具有疏水性质，这璺归功于y a c h c 2 位置的怛甲基。 随后，该小组叉合成， 系州的谚类纠、八肚 ”i ，可以形战孔径约为7 a 的管状 聚体，并发现氯键比y y 氯键型稳；。 ： 。y 飘 “h “ 1 8 l ；卫句 k ! 冀o i ； 型! ! 坐+ f | 扎一一 ”“。“ f 怼巢 飞5 焉毯。一 。夺一 图l 一1 7g r a n j a 小组合成的n ，y 一环肚及其二聚体的组装方式 图i - 18 g r a n j a 小组台戚的- ，v - 环肽的晶体结构 2 0 0 5 年，该小组又报道了两种小阃环肽阃可以形成杂二隳体”“。他们分别 台成了含有v 环戊基甲酸( y a c p ) 和y 一环己基甲酸( y - a c h ) 的环六肽- 两 个环肽( i1 ) 混合在氯仿溶剂中，形成丁无色的棱形单晶x - 中晶衍射研究表 叫a ，y 环肽的杂一聚体的形成( 见网1 1 9 ) ，两个环以反半行日s h e e t 的玎式 在其。由】问形成六根氢键，二聚体沿着a 轴方向紧密堆积：每个晶体单元还包含 两个氯仿分子，一个位于杂二聚僻= 的内部空腔，另个处于二聚体间的小定位置。 1 。：) l j - r x i i i t - ( v。垮二 _ 錾ll 一1 9 g r a n j a 小组台成的c - 一，y 一环脯的杂二聚体的晶体结构 棒啦挚橼。 y4 纳* k * 自日# 日 r 年该小组还于挝道了扎径最小的a ，y 一环肚纳米管”i ，并且进一步让实 了氧键比y - y 氯键稳定。他们合成，环脯。) c 如【( lm e n - a l a - d - t - a c h ) 2 - 】和 c y c l o ( d - p h e l - n - r a c h ) 2 - 】h n m r 研究显示不管环肽q 佑【( l 一”a i a _ u - d f - a c h ) 2m c c h c d c l 3 中的浓度如何变化，其y - a c h 的n 一1 t 化学位移保持币变，表 明该环肽小能形成二聚体：i r 谱中3 3 6 6 c m 处的酰胺n h 质子峰也进一步证实了 环肽间没有形成氯犍。在c c i 。c d c i3 溶剂体系f ，对坪肚c y c 如f ( d p h e l - n - r - a c h ) 2 - 1 做浓度变换的。h n m r 实验，结果表叫在非极性溶剂中可以形成- 聚体， 其集台常数为1 5 m 。x 一单晶衍射研究进步证实其= 聚体的明确结构( 见幽 1 - 2 0 ) ，环肽分子以反平行的b - s h e e t 方式进行堆积，中间形成四根氡键。 幽卜2 0o r a n j a j 、组台成的口- y - 环肚的杂二聚体的晶体结构 4 、6 一环肚自组装成纳米管 2 0 0 1 年，d o r y 小组对并种环肽自组装形成的纳米管进行了理论上的研究， 他们发现o - 或y 环肽所形成的纳米管道没有偶极存在而目一或6 一环肽所形成 的纳米管道呻l 存在偶檄。根据这个结果他们设计并合成了一系列的6 - 多肽。x + 单晶衍射研究表明由5 氨基3 烯一戊酸残基组成的环二肽( 1 9 ) ( 见图i - 2 1 ) 可 以自组装成矩形的中空管道结构，环月女分子内形成一个b 一转角( 1 3 一t u r n ) ，此外 的2 3 的酰胺官能| 刿参与形成分子间氧键。为了避免分子内氧键，他们又设计了 由5 - 氨基2 ，烯一戊酸残基组成的环二肽( 2 01 ( 见图1 2 0 ) ，该环肽采取了刚性的 营状结构+ 所有酰胺键取向一致，并且平行于c ，对称轴。x 一单晶衍射研究表埘 谚环从u 以纽装成具有较强偶极性的管道结构。 “飞。 d 、，t 。j 1 9 同1 2 i 环肽1 9 ，2 0 搜其分别所形成的纳米管( a 和b ) 2 0 0 4 年，d o r y 等人【”i 又报道，环肚1 9 可以在向列液晶中组装成微米尺寸 的 边形的管道结丰句，这也是使用液晶作为自组装媒介的首次报道。s e m 清楚 显示该管道内部有空腔，且表面平滑，终端带有很多小孔。由于没有微光束的 x r a y 衍射仪，无法得到环肽的精确组装方式，所以对其进行了算机模拟研究 ( 见图i - 2 2 ) 结果显示该组装体存在两种氯键，即沿着管方m 的环胺分子间氧 键( 省内氯键) 和管间氯键，由环肚分子上下堆积所形成的纳米管再进行高级序 列的虮装从而形战孔径较大的六边形管道。极化光谱和红外光谱的研究也进步 址实了该模型的可行性。 辚蝴聃 礁胁，凝幽 撼萨甲砩 粝峨褥谚秽褥 图1 2 2d o r y 小组台成的 一蚪从组装方式发管道组装模型 y n * * 的& ”自m q f r 5 、基于胱氨酸的环状肽纳米管 1 9 9 9 午，r a n p a n a t h a n 等人发现叩使对称性较羞的环肽也能通过目架一目 架问的氧键自组装形成纳米管道结构。他们台战了一系列含有胱氢酸残基咀硫 键和直链烷烃为桥的仅含两个肽键的环肽，并发现这种环肽也能自组装形成纳米 管道结构( 见图i 2 3 ) 。 啭；蔷t - 矿 e 。竹i p 了、 一7 麓3 + i ；o 矿 吲l - 2 3 含二硫键环肽的组装方式 2 0 0 1 年，该d 、组又报道了系列胱氨酸蝶烷太分子的自组装】。该类环分子 ( 2 t ) 特征是个四面体c 连接着荫个大环，每个环中有一弯曲的具有柔韧性的 s - s 键。x 冲晶衍射表明该双螺环分子接近于平而构型，通过分于闻氧键垂直堆 叠自组装成一对孪生的双纳米管，为终端开口的中空管道，孪生管间填充着无序 的并罩剂分了( 见图l - 2 4 ) 。 图i - 2 4 胱氧酸蝶烷结构发晶体结掏 十自m * g 自$ * n r m 6 、基丁丝氨酸的环状多肽纳米管 1 9 9 8 年一k a t i e 等人口“合成t系列的禽有丝氨酸和苯环、毗啶环的i8 元 环状缩肚( 2 2 ) ( 图i 一2 5 ) ，x - 单晶衍射表叫该炎环状肽接近于f 血构犁，通过苯 王 = - 毗啶环或蚍啶环- 吡啶环问的哑相互作用自组装成管状结构( 图i 一2 5 ) ，芳环 交锗十【珥个相邻管道之问，环半茁i 间的距离约为3 5 a 。此外水分子又以分子 问氧键桥粱的形“进步稳定了筒状堆秘体。芳环问的 相且作用为主要的组 装力。但是h 霄有苯环的环肽小能自组装彤成管道结构原刚是环割架上所有的 羰基朝外，n h 键朝内，所以形成了层与层间的堆积而非垂直堆积成管状结构。 而吡啶环中的氮原子可与n - i - i 键的h 形成分子内氢键从而增加r 大环分子的 川性，有利于管状堆积。 黎密。蘩 x = c h 、 ；毒一一o o “”q 1 ；：h 。 q t = = 争= = ，圳q 哥_ 1 t d h h 啪r 椰日+ q = q = o “。m “，一q ，t q = = ：，m q 一t 。“ q = 每= = o j o o m q f x = n 1 图12 5k a r l e 小组环肽结构、晶体结构及组装方 7 ，杂虾多从纳米管 2 0 0 3 年g h a d i r i 小组m q m 道r类新的含有1 , 2 ，3 二氢唑杂纠、环脑2 3 的自 y ”女纳臂k ”b 自d * ”r 组装体，环肽2 3 实际上是一类混台环肽。在该分子中由于三氮唑杂环垂 直于环平面，冈此该肚组装成的纳米管道内腔的富含n 电子。x 单晶衍射表明， 环肽2 3 在同态利通过骨架架f 司f f , j 氧键自组装形成了包结一个溶剂分了的开 口纳米管道( 见图1 - 2 6 ) 。质谱帛i 核磁共振研究表明，环肽2 3 在气相和液相均 能白纽裟。 r n 拶目、，。 o 掣k 。h 1 丫飞亲；、 “人目吒o r n 瓣 图1 2 6g h a d i r i 小组合成的。一e 混合环肽2 3 驶其自组装形成的纳米管道 1 22 环肚纳米管的应用与前景 环肽纳米管具有特殊空间结构和奇特的电子和光学等性质，有许多潜在的 麻用价值。可用于电子器件和光电材料脚”肄。可作生物的跨膜离子通道、生物 传感器等也可用于生物抗菌素3 7 , 3 8 1 、细胞毒素、抗璀h 。啪药物的传递等。 f e r n a n d e z l o p e z 等p ”报道了基于多肚纳米管结构的抗菌试剂。这种结鞫的 药剂优先作用于细菌膜而币是哺乳动物细胞( 如苹兰氏阴性和葡萄球菌素等) ， 结台扁增加了膜的渗透性，破柳、跨膜离子势，达到快速杀菌的只的。 对于机体而占，大多数药物分子是外来物质通常细胞膜上小存在载体蛋 白或通道蛋白协助它完成跨膜转运，环肽纳米管的设计策略使得我们可以根据代 转运分子大小，设计尺寸台适的环肚它跨越脂质双分子层形成孔道运输难以 转运的药物分子通过此通道进入细胞或组织，这对开发临床药物搜提高药物的生 物利用度降低药物的小良反应都有着重要意义。 随着环肽纳米管表面化学研究的h 趋深入在环肽侧链上引入富电子基刚， 发生电子离域或产生荧光信号h 】l 等特殊的光电性质，从丽使得其在光电劓料利电 子器件上具有广泛而潜在的应用价值。 第- 一章自组装环肽纳米管的研究进展 第三节小结 随着超分子化学以及生物学的的发展，人们设计和合成了许多具有特殊结构 和生物活性的多肽分子，对其进行的自组装研究在一定程度上已经取得了很大的 进展。环肽纳米管因为其尺寸可调，管外环境和管内环境可修饰，使得多肽纳米 管在生物、医药和材料等领域具有更广阔的应用前景。