（物理化学专业论文）环肽优势构象的理论化学研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 环肽在自然界中广泛存在，具有较强的生物活性，多数可作为药物或者药物前体， 在生物体的生命活动中扮演着极其重要的角色。而环二肽是环肽成员中最小的一类化 合物，在自然界中普遍存在。环二肽具有二酮哌嚷结构，因此具有较高的稳定性。环 二肽特殊的空间构象使其具有明显的生理活性，在化学、药物化学、生物化学、生命 科学等领域具有很多潜在的应用价值，因此受到国内外许多化学家、生物学家和药学 家的关注。 本论文共包括五部分：( 1 ) 介绍了环肽定义、环肽分类、生物学意义、合成方法 以及环肽化学的研究现状，简要说明了整篇论文的布局与思路。( 2 ) 为了考察环二肽 的优势构象，用g a u s s i 趾0 3 程序b 3 l y 6 - 3 1 g ( d ) 对l o o 种环二肽进行了全参数优化 计算。( 3 ) 运用从头算h a r t r e e f o c k 方法在6 - 3 1 g ( d 1 水平上对线型二肽闭合成环二肽的 反应机理进行了研究，找到了九种二肽闭环反应的过渡态结构并用内禀反应坐标 ( 皿c ) 方法确定了其最低能量反应路径( m e p ) 。( 4 ) 用密度泛函b 3 l y p 和从头算 h f 两种方法在6 3 1 g ( d ) 水平上对5 种环肽作为受体，形成的3 4 种离子载体构象进行了 优化计算，发现了一些有趣的规律。( 5 ) 用密度泛函b 3 l y p 和从头算心两种方法对 c f d 犯- l e u g 1 y ) 4 2 进行了初步的探索研究。 用密度泛函b 3 l 开6 3 1 g r d ) 方法对环二肽首次进行了系统地理论研究。研究表 明，环二肽六元环的优势构象呈船式构象。初始构象分别选取六元环为椅式和船式构 象，经过全参数优化计算后，得到的优势构象均为船式。并从分子能量，分子轨道， 空间效应，热力学等方面分析了这种稳定构象的形成原因。在船式构象中，无论在分 子总能量还是核排斥能方面，都比椅式构象占优势；离域效应和超共轭效应也是其能 稳定存在的因素之一；而在空间上两个大的侧基都能占据近似平伏键的位置，即船头 船尾上两个最大的基团在空间上相距最远，这样可以使分子中各非键原子间的相互排 斥作用达到最小程度，进而分子能保持在较低的能量状态。 用从头算h a r t r e e f o c k 方法在6 3 1 g ( d ) 水平上研究了九个线型二肽前体闭合成环 二肽的反应机理。通过过渡态优化计算找到了此反应过程中的过渡态结构，并通过振 动模式分析发现有且只有一个虚频，用内禀反应坐标( c ) 方法确认该结构为真正的 过渡态结构，并同时确定了能量最低反应途径o 讧e p ) 。闭环反应的历程是线型二肽前 体通过单键的旋转使羧基的c 和氨基的n 逐渐接近，羧基上的0 h 脱去，同时c 和n 继 续接近至形成单键，接着氨基上的h 脱去，而后h 移向o h 与之结合成水，最后h 2 0 远 郑州大学硕士学位论文 离已形成的环二肽。此类环化反应，活化能垒不高，反应条件温和。 用密度泛函b 3 l y p 6 3 1 g ( d ) 方法对环肽离子载体进行了优化计算。当 叩，d 旺- a l a _ g l 咖，3 、钞c f d 犯一p r o g l y ) 3 ，4 和钞c ，。a l a ) 6 作为受体时，与阴离子f - 、c l + 、 b f 、i 以及阳离子l i + 、n a + 、k ? 、m 矿和c a 2 + 形成的络合物优势构象进行了优化计 算。通过研究得出如下结论：( 1 ) q 圮，0 ( 硝a - g l y ) n 与c 声如( p m g l y ) n 的络合物优势构 象对称性较高，有c 。对称轴。( 2 ) 钞c f d ( 灿a _ g l y ) 与妒? d ( p t 0 a y ) 。的络合物稳定性 较好。( 3 ) 主客体间的超分子作用( 如氢键) 、m l l l l i l c 轨道重叠布局数、全电子布 局数以及离子本身的性质等对络合物的稳定性都有贡献。 ( 4 ) 环肽秽c 如( a j a - g 姚，3 和钞幽( p m g 1 y ) 3 j 具有两性识别的潜能。 对环肽纠c f d 犯l e u g 1 y ) 4 二聚体，用从头算h a r 吮e _ f o c k 和密度泛函b 3 n t 两种 方法作了初步的优化计算。对砂c f d 一l 棚- g l y ) 4 】2 的理论研究表明，环肽 掣c f d l e u _ g l y ) 4 是可以自组装成二聚体的，无论从空间构象还是热力学上来说都是 有优势的。如果条件允许，它能自组装成纳米管结构，作为离子运输的通道。 关键词：环肽；环二肽；理论计算；优势构象；过渡态；离子载体；i i 己c 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t c y c l 叩印d d e st l l 8 ta r eak i n do fb i o l o 垂c a lm o l e c u l e s 惭t hc y c l i cc o n f 0 衄a t i o n s 诵d d ye ) 【i s t 证n a t i l r c m 柚yo ft l l c n la r ep m v i d e d 讯t hd i s t i l l c tb i o a c t i v i 虹e st h a tp l a ya 埘浏r 。l ei 1 1t 1 1 ec o t i r s eo f 正f 毫c y c j i cd i p e p t ：i d e sa 陀t h es i m p l e s tm 锄b e r si nt h em o s t c o n 瑚o nc y c l i cp e p d d e 缅面l yf o u n di i ln a t l 】r e c ”l i cd i p 印t i d e sl l a v ek 曲s t a b m t y b e c a l l s en l e i rs 仇1 懒t a k eo nt 1 1 ed i o x o p i l 7 e m z i n e 矗锄e w o r k b e c 籼eo fs p e c i a ls p a t i a l c o 蚯g u r a t i o n s ，c y c l i cp e p d d e sh “es h o w nb r o a dp o t e n 廿a l si i lm a n ya r e a si n c l u d i n g c h 鼬i s 仃y p h 锄a c 吼m c a l 曲髓i s 缸mb i o c k 缸d s 乜ma n dl i 龟s d e n c e s r 1 1 l eg o a lo f 也i sd i s s e r t a t i o nw a sf i v e f o l d ：( 1 ) c h a p t c r1i st 1 1 eo v e i 哪o f t l l i s d i s 8 e r t 撕o ni n c l u d i 】唱也e l l 咖d u c t i o na b o u tc o n c 印t so f c y d o p 印d d c ，b i o l o g i c a lm e a l l i n 岛 s y 玎曲e t i c a lm e t l l o d s ，i o n o p h o 瑚如dc y c l o p 印虹d en a n o t i l b eo fr e s e a r c hd “e l o p m ta t p r e s t ( 2 ) t os e a r c ht 1 1 ep r e f 打c dc o n f o 胁a t i o no fc y c l i cd i p 印d d e sb yq u a n t 吼 c h e l i s 乜ym e l l l o d 1 0 0c y c l i cd i p e p d d 嚣w e r es t i l d i 。dl l s i l 培g a _ i l s s i a n0 3p r o g r a m ( 3 ) 1 0 i d 础母出er e a c 6 0 nm e c h a n i 锄o fc y c l i z a t i o no fd i p e p t i d e ，m e 廿a n s i t i o ns t a t e sw e r e r e s e a r c h 以锄dc o 啦蛐e db yi r c l e 凼o d ( 4 ) t op r o b ec y c l o p 印酣e s 血a tc a nc o o r d i n a t e t om e t a li o i naw a y 也a t 枷c st l l ec o o r d 岫t i o ns i t e si ne n z y n l e sc o n f b 咖a t i o n ，3 4 c y c l o p 印t i d ei o n 哪h o f e sw e r cc a l c l l l 种e di nd e t a i l ( 5 ) t bc x p l o r em ec o n f o 珊a d o n i n f b r m a t i o no fc y c l i cp e 砸d en a n o t l l b e s ，t w on a n o m b e sw e r ep f i m a r i l ys n l m e dt h r o u g h 似on l e 也o d s t h ep r e f 打c dc o n f o m 撕o i l so fc y c l i cd i p 印拄d e sw e r e 五r s ts y s t e n l i c a l l ys t t l d i e du s i n g t h ed e l l 蓟t y 劬c t i o 砌r yb 3 l y pm e t h o da t 6 - 3 1 g ( d ) l e v e l t h es t n l c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fc y c i i cd i p e p t i d e sw e r er e v e a l e d ，m o s to fw h i c hh a v en o tb c c nc o n f i l l n e d u n t i ln o w o 盯s t l l d i e ss h o w e dt 1 1 a tt 1 1 es i x m 锄b 盯m 出c 砌器o f c y c l i cd i p c p t i d e sw 1 1 i c h w e r ec o m p o s e do fn a t u m ll a m i i l oa d dr e s i d l l e sa p p e a r e d 船b o a tc o n f 0 彻a t i o n s t h e i i n p o r t a l l tf 如t o r st l l a ti n n u c ec o n f b 力咀a t i o n so fc y c l i cd i p 印d d e s ，s u c ha sm o l e l a rt o t a l e i l e r g y n u c i e a rr 印u i s i o n 髓邮戮m o l e 砌a ro r b i t ，s p a t i a le m 斌s ，a n dr e a c t i v em e c h a l l i s m ， w e f ed i s c u s s e di nd e t a i l n l cr i n g c l o s l l r er e a c 蛀o n so fn i l l ed i 脚t i d e sw e r ei n v e s t i g a t e da th f 6 31g ( d ) 1 e v e l u s i n gg a u s s i a i l0 3p m g r a m b r a t i o na n a l 河sh a db e c nc a r r i e do u tt oc o n f i r i i lt 1 1 e i r i d e n t i t i e sa s 打a i l s i t i o ns t a t e s t h ei m r i n s i cr 髓c t i o nc o o r d m a t e r c ) m 甜1 0 dh a db e e n 郑州大学硕士学位论文 p e r f o m l e dt o s e a r c ht l l em i n i m l ne n q g yp a 血( m e p ) t h er 铭c t i o np 甜l sa r em a t o 跹b o x y l i cca n da m i n onb e 咖n ed d s eb y g 如西eb o n do fad t l ) e p b d e ，t h e n c a r b o x y l i cc o hb o n di s b r o k e na i l dca n dnb e c o m ec l o s c rt of o ms i l l 西eb o n d s e q u 髓t i a l l y ，f o l l o w i l l g 血e 锄劬h9 0 e s a w a y 如m 廿1 e 踟劬n ，姐d 丘n a l l y t l l e 锄j 1 1 0 h a i l dc a r b o x y l i co ha r ec o m b i n c dt oh 2 0 t h er e a 曲o na c t i v a t c 衄骂科i sn o tl l i 曲a n dt h e r e a c t i o nc o n d i t i o n so f t l l i sk i n do f 玎强c t i o n sa r em o d e r a t e t h ec ”l o p 印t i d ei o n o p h o r e sw e r ei n v e s b g a t e d 谢t 1 1d e 璐时f i l l l c t i o n a l 也e o r yb 3 l 忡 u 咖g ga 邺s i 蛆0 3 p r o g r a m c 弦肠【一a l a - g l y ) 】2 ，3 ，钞c ，口 ( - p r o - g 1 y ) 3 ，4 a i l d 掣c ，d 【犯一m a ) 6w e r e 协v e s t i 副 耐a sr e c e p t o r sf o rc 撕0 1 1 s 趾da n i o l l s 1 1 1 ec a t i o n si 1 1 c l u d e d f ，a 。，b r 一蛆di 。，a n dm ea n i o 璐w e f el i + ，n a + ，k + ，m 矿a n dc a 2 + s 帆el a w sa b o u t c o n f 0 册a t i o i l so f i o n o p h o r 鼯w e r cf o l 】n d 弧ec o n c l u s i o 璐黜f o l l o w i n g ：( 1 ) n e ya r eh i g l l s y m m “c a li o n o p i l o r 龉w t l i c hb e l 明gt oc p o i n t 掣枷印( 2 ) t h 鼯ei o n 叩h o r e sa r es t a b l e c o m p l e x e s ( 3 ) t h 唧眦m a n y 缸t o r s 恤t 础u e n c cm es t a b l i l 时o f t l l 船ei o n o p h o r e ss u c h a ss u p 锄o l e 砌a re f f t ( h y d 幻g e i lb o n d ) ，m l l l l i k e no v c r l 印p o p m a t i o n ，t o t a ld e c 仃o n p q 衄a t i o n 趾di 砌c 蝴e r i s t i c ( 4 ) 印c 王d ( 灿a _ g l 咖ja n d 掣c 王d 研。一g l y ) 3 一w e r ef b 1 d t ob en o v e l 锄p l l i - i o n o p h o r 豁w 1 1 i c hs h o ws t r o n ga m n i 矗e sf 砸b o t hc a t i o i 塔a l l da n i o n s t h ec y c l o p 印t i d en a n o n i b l e sa n d 掣幽 一l 饥- g 1 y ) 4 】2w e r ep m 撕l y 蛔v e s t i g a t e d 谢t l l t 、v om e m o d s ，幻加f f 如h a r 呐e - f o c ka i l dd e 时f i m c t i o n a lm e o r yb 3 u 伸m e m o d a sa 删n l l t ，纠c 肠犯一l e u 一0 l y ) 4c a i l 锄md i m e rb ys d 鹪s 衄1 b l i n gf o r c e nc a i lc a r r yi o 璐a sa n i o n i cc h a n n e l k e y w o r d s ： c y c l o p 印t i d e ； c y c l i cd i p 印t i d e ；t h 印枷c a lc a l 砌a t i o n ； p r c 向d c o n f o n 撕o n ；t r a n 鲕o ns t a t e ；i o l l o p h o r e ；m c 邦州大学硕士学位论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：界年色狍 2 口0 6 年弓月2 0 日 郑州大学硕士学位论文 第一章环肽简介 环肽是一种生物环状分子，环肽类化合物广泛存在于自然界中，一般具有较 强的生物活性，多数可作为药物或者药物前体，在生物体的生命活动中扮演着极 其重要的角色，因此成为药学家、生物学家、化学家研究的热点 1 ，2 1 。 1 1 环肽分类 对于所有的生物，从最简单的病毒到最高级的人，其组成都是蛋白质，这千 变万化的蛋白质全部是由相同的二十种天然氨基酸组成，这简单的二十种氨基酸 使蛋白质世界千姿百态。生物学家在对蛋白质的深入研究过程中，发现一类由氨 基酸构成但又不同于蛋白质的中间物质，这类具有蛋白质特性的物质被称作多 肽。生物化学家把多肽定义为：氨基酸之间通过酰胺键( 也称肽键) 连接起来的 化合物称为肽( p e p d d e ) 。蛋白质分子中，氨基酸之间是以肽键( p 印t i d e b o n d ) 相连的。肽键就是一个氨基酸的a 羧基与另一个氨基酸的a 氨基脱水缩合形成 的键。两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽，十个氨基 酸形成的肽叫十肽，一般地，将十肽以下的肽称为寡肽( o l i g o p e 叫d e ) ，以上者 称为多肽( p o l y p 删d e ) 或称多肽链。肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不 全，称为氨基酸残基。多肽链中自由氨基末端称为n 端，自由羧基末端称为c 端，命名从n 端指向c 端。 在自然界中起着重要作用的环肽一般可以分为两类，一类为纯环肽 ( h o m o d e t i cc y d o p e p 蛀d e ) ，全部由氨基酸组成并且严格按肽键成环的称均环肽： 另一类为杂环肽( h 曲瞰m e t i cc y c l o p e p 耐e ) ，主链由肽键组成，而以其他官能团 如二硫键、酯键、醚键、硫醚键等成环的以及含非氨基酸组分的假肽 ( d e p s i p 刚d e so rp e p t o l i d 嚣) 等都属于杂环肽j 。 根据环肽的环合方式又分为首尾相连环肽( h e a d - t o t a i l ) 、侧链和侧链相连环 肽( s i d e c h a i n t o s i d e c h a i l l ) 【5 j 、侧链和端基相连环觖( s i d e c h a i n - t o e n d ) 【6 1 、含 二硫桥的环肽( d i s l l ：丘d 争b 喇g e ) 1 7 8 】、以及含有其他桥连结构的环肽3 1 。 1 2 环肽生物学意义 随着对越来越多生命现象及蛋白质功熊认识的深入，以及对药物设计的前导 化台物和各种功能材料需求的扩大，人们更加关注具有特殊性质的多肽如环肽、 郑蝌大学硕士学位论文 变晶肽、肽样品库等。 在新的复杂多肽化合物中，环肽无论从何种意义上讲都可以说是最重要的一 种。多肽药物在治疗上的重要性，越来越引起广大药学工作者的重视。其特殊的 结构以及对酶降解的稳定性使得它的应用范围超出所有人的预料，特别是使用一 些特殊的方法得到某种指定结构的环肽时，人们发现其在药物、纳米材料、生物 离子通道及超分子自组装等领域有着极其广泛的用途【1 4 1 5 1 。 在植物、动物、低等海洋生物、微生物、细菌和病菌等都含有微量的环肽。 这些环肽的含量虽然低，但其中很多具有明显的生理活性。环肽及其类似物具有 多种多样的生物学功能，可以做为激素( h 0 m l o n e ) 、抗菌素( 黼i 甜c s ) 、毒 素( t o 】【i n s ) 、抗毒素( 加1 t i l 【o 垃1 s ) ，抗癌物以及抗病毒物等【1 6 j 。因此受到国内外 许多化学家、生物学家、和药学家的广泛关注，他们从自然界中提取到各种各样 有生理活性的环肽。早在2 0 世纪4 0 年代，g 羽】s e 就从细菌中分离出了第一个环 肽( 环十肽) 短杆菌肽( g 阚 i l i c i d i ns ) 帅。短杆菌肽具有抗格兰式阳细菌 的能力，而对抗格兰式阴细菌无效【l s l ；c a l l i 硼t i na 可保护细胞不被h 病毒 感染，具有防艾滋病作用【1 9 l 。以上化合物均是全部或部分由氨基酸组成的环肽 类化合物。另外，化学家们从下丘脑中分离得到的生长激素释放抑制激素 ( s o m a t o 咖r i l l ) 和黑色素释放激素( m r h ) 为环十四肽和环十八肽【2 0 】；具有抗 菌活性的缬氨霉素( v 甜i n o m ”i 1 1 ) 【2 j 】和思镰孢菌素( e n n i a t i l l s ) 瞄垮都是环状 缩醑肽，它们可以识别离子并通过天然膜和人工液膜体系，是离子的天然载体。 我国化学工作者也从天然产物中分离提取了许多有生理活性的环肽。周俊等 例从我国传统中草药中分离鉴定了7 0 余种环肽，其中从小红参中提取出来的两 个环肽对p 3 8 8 肿瘤显示较强的抑制活性。还有从真菌p e m d 】l i 啪s p 中分离的环 ( 色苯丙) 二肽具有植物生长调节剂的作用，从海鞘t r i d i d e l l m 啪s o l i d u m 中分 离得到的环肽d i d e m n i nb 具有抗肿瘤活性，在美国已进入临床试验【2 4 】。随着胰 岛素、环孢菌素a 等一些具有生理活性的环肽成功地应用于临床，环肽化学的 研究倍加受到关注。 1 3 环肽研究现状 正因为环肽有诸多生物学功能，环肽类化合物引起了化学家、药物学家和生 物学家的广泛关注，其研究方兴未艾。目前环肽的研究主要集中在以下几个方面： 1 3 1 从自然界中分离提纯有生物活性的环肽类化合物，鉴定其结构，分析其构 效关系，从而为环肽类药物的研制、开发提供理论指导【2 5 七7 1 。 2 郑州大学硕士学位论文 由于环肽的主链呈环状结构，具有一定的构象约束作用，其构象相对于线型 肽有一定的稳定性，其抗酶解能力比线型肽强。这一特点使环肽具有许多重要的 性质。药学家们发现具有生理活性的线型肽或其类似物经头尾或侧链环化后所得 环肽类似物限制了分子的构象，使其活性增强2 8 1 。生理活性构成了环肽化学的 一个重要方面，不断有新的生物活性环肽被发现并合成出来，许多环肽用于治疗 癌癣和艾滋病，对活性环肽的模拟也取得了很大进展。化学家们用模拟蛋白质和 其它一些受体的活性部位的结构，由此寻求蛋白质的构象与功能之间的关系。 1 3 2 环肽合成方法的研究【2 ”1 】以及天然环肽的全合成【3 2 彤】。 虽然许多直链肽体外具有很好的生物活性和稳定性，但是进入体内后活性很 快消失。因为体内环境复杂，存在各种各样的酶。直链肽在酶的作用下很快降解， 导致活性丧失。另外，直链肽在液相里的构象柔性使得不大容易符合受体的构象 要求。这些不利因素造成多肽药物仍有许多问题有待解决。为了得到生物活性优 秀半衰期长，受体选择性高的多肽，文献报道过很多多肽改造的方法，其中包括 将直链肽改造成环肽。这种大环分子具有明确的固定构象，能够与受体很好地契 合，加上分子内不存在游离的氨端和羧端使得对氨肽酶和羧肽酶的敏感性大大降 低。一般地说，环肽的代谢稳定性和生物利用度远远高于直链肽f 3 孵。 作为大环化合物，环肽的合成相对而言比较困难，且天然环肽的全合成对环 肽结构鉴定及多肽合成方法的促进有重要意义。环肽的结构特点以及它在化学及 药学上的优势引起了化学家们的兴趣，然而与线型肽相比，环肽的合成要困难得 多。环化反应属分子内反应，反应需在高度稀释的溶液中进行，但仍难以避免二 聚体及多聚体的生成，为克服分子间副反应，寻找可获得高产率、低消旋的环肽 合成方法已引起人们重视。 纯环肽的合成文献报道很多，主要有溶液合成法f 社4 5 】和固相合成法【4 伽两 种。溶液法是经典的合成方法，合成环肽可直接反应，即将脱保护后的线型肽前 体直接在缩合试剂的缩舍下成环，也可先将一端( 一般为c 端) 活化，然后成 环。c 端活化成环常用的方法有活泼酯法、叠氮法和混合酸酐法等。固相法合 成环肽是在树脂上环化，然后脱落下来，因而避免了分子问的二聚和多聚，反应 不嚣在高度稀释的溶液中进行，过量的缩合试剂及副产物可通过洗涤与过滤除 去。近年来随着较温和的正交保护策略的发展和有效的缩合试剂的出现以及分离 手段的不断发展，越来越多的人倾向用固相法合成环肽，尤其是用于中环肽的合 成。 1 3 3 对环肽类化合物构象的研究，从而辅助揭示复杂蛋白质的构象秘密【5 1 _ 5 4 1 。 1 9 6 9 年瑞典皇家科学家决定将那一年的年度诺贝尔化学奖授予英国的 郑州大学硕士学位论文 b a 砌n 和挪威的h a s s e l 两位化学家，以奖励他们对于构象研究所做出的巨大贡 献。本世纪4 0 年代h 船s c l 在极端困难的二战期间开始研究构象问题。5 0 年代初， b a r t o n 注意到了h 船s d 的工作，并认识到它的重要意义，也开始研究构象问题， 后来以构象分析为题发表了他的卓越见解。构象分析进展很快，迅速得到了化学 界的公认。因为构象的研究结果，对有机化学的发展起了极大的促进作用，从力 和能量的角度合理地安排了分子中的原子在空间的真实分布，不仅具有重大的理 论意义，而且为范德华力找到了具体的用武之地，奠定了构象异构的基础，对有 机合成有极重要的指导意义【耶】。 相对线性多肽而言，环肽的构象相对稳定、简单，可作为蛋白质优秀的模型 化合物研究蛋白质的构象及模拟蛋自质的活性区域。环肽本身的特殊构型给超分 子化学的研究提供了一个新的平台，根据需要可以在环肽骨架中引入b 一氨基 酸、d 一氨基酸、非天然氨基酸、二硫键及刚性的芳香基团，很方便地改造环肽 的构象，形成事先设计好的二级构象作为超分子化学研究的模型，因此环肽的超 分子化学的研究前景令人瞩目。 1 3 4 超分子识别作用 由于一些环肽类化合物是天然的离子载体，具有选择性识别离子并辅助其通 过天然膜和人工液膜体系的作用，环肽作为主体的超分子化学研究今年来取得了 一定进展【5 6 1 。 大环化合物如环肽5 ”、冠醚【6 2 删等可与碱金属和碱土金属离子形成配合 物，从而使之能溶于非极性溶剂，这类化合物通常称为离子载体，并在化学和生 命体系中有着广泛的应用。自然界中即存在着诸如v a l i n o m y c 血，瓤l l a m o n i d e ， e 协i a t i n 等天然离子载体，其生理功能通常被认为是通过形成阳离子配合物而实 现的【6 5 1 。由于这些化合物基本上都含有环肽或类环肽结构，因此以合成环肽作 为天然离子载体的模型物，研究其离子识别性能，对于理解生命体系中离子的运 输机制及其影响因素很有必要。 4 郑州大学硕士学位论文 黧 澄 n g u r1 1 环肽纳米管的离子跨膜运输 环肽的结构同大环超分子如冠醚、环糊精、杯芳烃等有所相似，容易形成氢 键网络，此外环肽还存在内在的构象约束，已经在超分子化学及分子识别方面引 起了人们的注意。胰岛素、催产素、抗体、真菌毒素等生理活性环肽结构的阐明 及成功合成使得环肽的药物化学发展迅速。胰岛素和环孢菌素a 等一些具有生 理活性的环肽已经成功地应用于临床。因此，环肽化学的研究倍受关注。 1 3 5 纳米管及离子传输 分子尺度的中空管状结构在化学、生物化学和材料科学中有广泛的应用。大 孔径的纳米管可以运输分子通过油质双层膜，把药物运输到活体细胞中，在抗过 敏和基因治疗等方面也有许多潜在的用途。但是设计规则而有特定内径并且具有 生理功能的有机纳米管仍然是一项很艰难的任务。化学合成的纳米管通常是由合 适的结构单元通过分子间氢键自组装而建立起来的，以环肽为结构单元的纳米管 因其具有离子传输的能力而受到特别的关注【删。组成纳米管的环肽主要由d 型 和l 型氨基酸交替连接成环。在这种结构里，酰胺n - h 被定向为垂直于大环平 面，而羰基则处于形成分子间氢键的有利位置。 早在1 9 7 4 年，s a n 廿s 等人【6 。7 】在d 、三交替多肽和a 、b 氨基酸交替多肽管状 螺旋( p - h d i c a l ) 的理论分析的基础上，提出了d 、三交替环肽和a 、p 氨基酸交 r吖分心“沁“釜取w簧k协吣g霄刀簧“协“g霞mn“执“各 郑州大学硕士学位论文 替环肽可以通过环状堆积而成为管状结构的预言。然而此类环肽由于自组装而溶 解性极差，早期的努力都以失败而告终【6 8 】。直到1 9 9 3 年，g h a d 埘及其合作者通 过电子显微镜、电子衍射、f t i r 和分子模型等研究手段的使用才证实了这一 预言，合成了第一个环肽自组装纳米管c y c l o ( 弘a l a _ g l u 口a l a g 1 n ) 2 】，实现了d 、 交替环肽的分子自组装【刚。 f i g u n1 2 环驮自组装成纳米管的过程 目前，很多研究小组都致力于这方面的研究，并成功实现了n 、b 氨基酸交 替环肽的自组装。但是与实验上成功地合成( 6 、8 、1 0 和1 2 个氨基酸残基) 环肽纳米管相比，对这些纳米管构象的理论研究却大大地落后了。只在1 9 9 7 年， g a i l e r 和f e i g e l 用半经验分子轨道a m l 方法计算了n 上有甲基取代的环肽 毋 c j d ( d ，三a l a 】8 和它的二聚体，并从能量上比较了平行堆积和反平行堆积两种模 型差别。后来，j i s h i 等人【7 l l 则用密度泛函理论研究了还没有合成出来的由g l y 和d 型a 1 a 组成的环八肽倒c 如 ( g l y - d a l a ) 4 】及其二聚体的平衡几何构型和性质， 成功的预测了其结构和自组装的可能性。而对于被发现的第一个自组装成多肽纳 米管的环肽叫c f 0 【( g l n d 越a _ g l u o 。越如】，则有几个研究小组对其进行了理论上 的研究。其中l e 丽s 【7 2 j 与他的合作者们对0 ，c f d ( g l n d a j a a u d - a ) 。】( n f l 4 ) 的单体计算了其电子结构( e i c c 鼢i cs t r i l c t u r e ) 和振动模式( v i b m t i o n a lm o d e s ) ， f l l k a s a l ( 1 l 与他的合作者们则计算了钞c f d 【( g l n - d 。a l 啪l u o a l a ) 2 】的能带结构，并 预言此纳米管是个半导体( ar 柚e r 、i d eb a n dg a po f a r o u n d4 e v ) 。 6 0 郑州大学硕士学位论文 北京师范大学化学系的陈光巨和他的合作者们【7 3 】则对已经合成的 掣c 肠【一p h e - 口m a ) 。】和司，c f d 仁一p h e - d - m e n 砧a ) 。】( n _ 3 6 ) 用半经验分子轨道a m l 方法( s 锄i 锄p i d c a lm o l c c i l l 盯o i b i t a la m lm e 山o d ) 和密度泛函b 3 l y p 方法进行 了系统地考察，研究了它们的几何构型以及自组装的动力( d r i v i i l gf o r c e ) 和取 代基、环大小对自组装过程的影响，所得结果不仅与已经发现的实验事实一致， 而且还得出如下结论：( a ) 一个非常好的环平面，而n h 和c o 基团与平面几近 垂直，纠c f d 伍p h e d - a 1 8 潮多肽自组装成纳米管时，侧基都是朝向外侧。( b ) 单 体沿着c 4 轴自组装的内在动力是氢键的形成。( c ) 而对于 秽c f d 【( - p h e - d m e n 枷a ) 4 】，由于甲基基团的空间位阻效应，只能形成二聚体。d 、 l 氨基酸交替和a 、b 氨基酸交替环肽的管状结构可以通过对交替的氨基酸残基 进行n 一甲基化而破坏。由于环肽b s h e e t 平面仅有方存在氢键，环肽自组装 为二聚体，这种d 、l 环肽二聚体的稳定性与氨基酸的组成有很大关系f 7 4 】。 环肽化学作为有机化学和生物化学的交叉研究领域，近年来得到了极大的发 展，随着对环肽的结构和性能研究的进一步深入，环肽将在超分子化学、生物有 机化学及药物化学等诸多领域得到更为广泛的应用。但由于环肽构象的不确定 性，环肽在超分子化学中的离子及小分子识别、离子及小分子的跨膜运输、手性 识别和不对称催化等领域的研究并没有取得特别大的进展，还有待于化学家们去 探索更好的体系。 13 6 环肽的生理活性 生理活性构成了环肽化学的一个重要方面不断有新的生物活性环肽被发 现并合成出来，许多环肽用于治疗癌症和爱滋病，对活性环肽的模拟也取得了很 大进展吼m l 。s o m a t o s t a 血( 生长激素释放抑制激素s s t ，f i g1 3 ( a ) ) 是从下丘脑 中分离得到的一种含有二硫键的环十四肽。s s t 具有广泛的内分泌和胃肠道功 能，不仅抑制生长激素的分泌，也抑制胰岛素和高血糖素的分泌。双环s s t 类 似物( f i g1 3 ( b ) ) ，静脉注射及臼服均能抑制胰岛素、高血糖素和生长激素的分 泌i 哪。环六肽秒幽 - p h e _ p m - p h e d - t 廿l y s - t 严】具有很高的s s t 活性，这个结 构被用作s s t 类似物设计的经典模型【7 8 l 。v o nr o e d 锄由此设计合成了一类含糖 氨基酸的环肽，其中f i gl 3 ( c ) 化合物显示了较好的s s t 括性 7 9 1 。 7 郑州大学硕士学位论文 ( a ) 1 4 本论文设计 ( b )( c ) f i g u n1 3 具有生理活性的环肽 1 4 1 环二肽构象的理论化学研究 对环二肽的优势构象进行量子化学计算研究，选取不同的初始构型，通过量 子化学计算得到其优势构象。研究结果发现，选取环二肽六元环的初始构型无论 是椅式构象还是船式构象，经过优化计算后，都得到船式构象。 1 4 2 线型二肽闭合成环二肽反应机理的理论化学研究 本部分对九个线型二肤闭合成环二肽的反应机理进行了研究，得到了其过渡 态结构，并用内禀反应坐标( m c ) 方法找到了最低鼯量反应路径( m e p ) 。 1 4 3 环肽离子载体的研究 以c y c f d ( a 1 a - g l y ) 。( n - 2 ，3 ) 和q 旧如( p r 0 一g 1 ( n 一3 ，4 ) 为例，用密度泛函 b 3 l y _ p ，6 3 1g ( d ) 方法分别研究了环肽与金属阳离子( 碱金属和碱土金属) 以及 卤素阴离子( f j c l 一，b r ，i ) 形成络合物的优势构象。 1 4 4 自组装纳米管的研究 环肽自组装成的纳米管是现代药学家、化学家们的研究热点。由于实验室条 件的限制，作者仅以掣c f 口瞄l 棚g 1 y ) 4 为基本单元自组装成二聚体的构象作一些 初步探索，希望能对研究其更多性质提供一些有用的信息。 郑州大学硕士学位论文 参考文献： 【1 w i p f p ，s y i l t i i 甜cs t i i d i 髑o fb i o l o g i c a l l y a c d v e m 耐q ，c l o 脚d d 髂，c 删m ”，1 9 9 5 ，9 5 ，2 1 1 5 2 1 3 4 2 】c l l 柚d 蛐p 娜a d ，b j o a 商v cc y c l i c 曲叫d c s ，脚f 试胛 1 9 9 5 ，i6 ( 1 ) ，1 5 1 1 “ 3 】唐艳春，田桂玲，叶蕴华，环肽合成方法的研究进展，府拳纪学笋掘2 0 0 0 ，2 1 ，1 0 5 6 - 1 0 6 3 【4 】王涛，向清样，李正凯等，环肽研究新进展，纪学毋君每应- 属2 0 0 2 ，1 4 ( 1 ) ，3 8 嘲g i l o nc ，a l i ed ，c i l m vm ，s d i n g 盯z ，b y kg ，b k b 咖ec y d i z 蚶o n ：an c wm c t i l o df o rc 触 n g c o n f b m a d o n a lc o n s 响i n t 锄p e p t i d 鸭脚加 鸭1 9 9 l ，3 l ，7 4 5 - 7 5 0 嘲s i 锄i 伽，i g n a c yz p 0 1 ，c f b n n 鲥叩a lp r d 鞋蚰c 嚣o fs c q u 锄d a l h g m 蚰忸“血eh j n g er c 舀o no fh u m 柚 i g a li m m 岫o g l o b u l i n m 0 1 钠l e zc 融m ，1 9 8 9 ，6 3 睁l2 ) 4 3 l _ 4 3 8 【7 】r a i l g 锄柏柚n ，h 耐d a sv ，k 盯l ei l ，c 删n o p b 锄罄，an o v c lf 吼i l yo f a r o m a t i c 蹦d g e dc ”虹n cc ”l i c p c 曲d e s ：s ”i l l 璐逸。删s 缸】c t u r c m o l 蜘l 盯r 哪i d o n ，柚dc 锄f o m m d o 衄ls t i l d j 嚣。j = 一耽c 椎聊i 岛c ，1 9 9 8 ，1 2 0 ( 1 2 ) ，2 6 9 5 - 2 7 0 2 【8 】m g 岫r h ，1 咖ta ，g 0 0 d m 锄m ，c o n 撕彻a l 柚a l y s 嚣o f m a t o s b 6 n 删a 。dc y c l i ch 戢印印啪b c 咖l a i n i g p e p “d 船i d l l 嚣， 掀c 删，1 9 9 8 ，4 l ( 7 ) ，2 6 8 6 - 2 6 9 2 9 】r a y m o n d 丸m u f p h y h a i 】l 【f k 珊g m e ip i n gl 嘶g ，j e 伍c yb i l l i “黔s ”廿1 e 菇s 蛐dc h a r t c l z 出o no f i o d o b z a m i d e 柚a 1 9 9 s ：p o t i a ln 2d o p a m i l l er e p t o ri m a g m ga g 锄峨上肘 吐c 触j ，l ，1 9 9 0 ，3 3 ( 1 ) ， 1 7 1 1 7 8 1o 】s h 删盯k ，助锄gl ，d 雠gt ，“，s y i i i l l 商s 锄db io j o g i c a la c d v i i yo f an o v c lm 劬y l a m i n 蚰 d g e d e l l k c p i l a i i i la n a l o g ( m a b e ) ：an c wr o u t ct oc y c l i cp 删d 嚣蚰dp 印6 d a m i m “c s ，z i 缸c 删，1 9 9 8 ， 4 1 ( 14 ) ，2 6 3 l - 2 6 3