（高分子化学与物理专业论文）多肽选择性吸附材料的设计与机理研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t h eg r a d u a t es c h o o lo fn a n k a lu n i v e r s i t y f o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fs c i e n c e d e s i g no fs e l e c t i v ea d s o r p t i o nm a t e r i a lo fp e p t i d e s a n ds t u d yo fi n t e r a c t i o nm e c h a n i s m c a n d i d a t e ：j i h o n g l i s u p e r v i s o r ：p r o f z h iy u a n s p e c i a l i t y ：p o l y m e rc h e m i s t r y d e p a r t m e n to fc h e m i s t r y n a n k a iu n i v e r s i t y t i a n j i n3 0 0 0 7 1 ，er c h i n a o c t o b e r2 0 0 7 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：力弓z 缸 ) 叩年佐月q 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 隽圮彳 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 1 1 。“ 一。 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密 a 2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) ( 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：夕蠡珈 ? 7 年b 只￥ 摘要 蛋白质多肽是一类重要的生物活性物质，由于这类物质大多存在于复杂的体 系中，因此针对它们的分离研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。目前， 应用高选择性吸附材料是实现分离这类物质的一种重要手段。本论文围绕一种 从尿毒症患者血液中分离出来的中分子寡肽w r g c 硎( v w - 8 ) ，进行了选 择性吸附剂的设计和吸附机理的研究。 首先，针对v w - 8 的结构特征，设计并合成了一系列疏水型吸附剂，通过吸 附试验、核磁技术和分子模拟方法从分子水平考察这些聚合物与八肽v w - 8 的相 互作用机理。结果显示，端基t r p 是v w - 8 与吸附剂的重要作用位点，而且当配 体中同时具有疏水和静电作用基团时，吸附剂对v w - 8 的吸附能力显著提高。 然后，以二烷基胺修饰聚丙烯酰胺作为配体探针，利用模型多肽v w - 8 和 c w - 4 ( c t w w ) ，通过核磁、园二色、分子模拟以及等温微量热滴定方法( i t c ) 考察多肽结构对相互作用的影响，结果表明多肽的二级结构对吸附选择性具有 重要影响。 最后，我们首次将s p r 技术用于吸附剂配体的筛选及吸附剂选择性的评价。 合成了一系列聚丙烯酰化氨基酸的高分子配体，通过将多肽v w - 8 固载到s p r 的芯片上，考察了不同配体与v w - 8 的结合情况，筛选出了对v w - 8 具有较好吸 附效果的配体结构p n a p h e 。然后，通过将p n a p h e 固定在s p r 芯片上，考察 该配体对不同多肽的选择性。建立了一种新的吸附剂筛选方法。 同时，我们还结合n m r 技术，对聚丙烯酰化氨基酸类高分子配体与v w - 8 的相互作用机理进行了分析，从而丰富配体结构与多肽v w - 8 作用相关性的信 息，为今后建立配体数据库，进行高选择性的吸附剂设计提供了理论指导。 关键词：吸附剂，多肽，作用机理，计算机模拟，n m r ，s p r a b s t r a c t p r o t e i n sa n dp e p t i d e sl i ef mi m p o r t a n tt y p eo fb i o a c t i v es u b s t a n c e s u pt on o w , s e l e c t i v ea d s o r b e n t sh a v e b e e ne f f i c i e n t l yu s e dt os e p a r a t ea n dp u r i f yt h e s es u b s t a n c e i nt h i sp r o j e c tw em a i n l ys t u d i e dt h es t r u c t u r eo fa d s o r b e n t sa n dm e c h a n i s mo f i n t e r a c t i o nb a s e do na n o l i g o p e p t i d ew r o c t w w ( v w - 8 ) ，w h i c hw a s a m i d d l e - m o l e c u l a rt o x i np e p t i d es e p a r a t e df r o mu r a e m i ap a t i e n t ss e 1 l , m 。 f i r s t ，b a s e do nt h es t r u c t u r eo fv w - 8 ，as e r i e so fh y d r o p h o b i ca d s o r b e n t s 谢m d i f f e r e n t h y d r o p h o b i cg r o u pw a sd e s i g n e d n 圮i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mw a s i n v e s t i g a t e db ya d s o r p t i o ne x p e r i m e n t s ，n m ra n d m o l e c u l a rs i m u l a t i o no n a m o l e c u l a rl e v e l t h er e s u l t sd e r n o n s l r a t c dt h a tt h et e r m i n a t e dt r pw a st h em a j o r b i n d i n gs i t e ，a n dt h el i g a n d 、i t l lh y d r o p h o b i ca n dc h a r g e dg r o u pc o u l di n c r e a s et h e a d s o r p t i o nc a p a c i t ys i g n i f i c a n t l y t h e n ，t h ep e p t i d ev w - 8a n dc w - 4w a sc h o o s e da s p e p t i d em o d e l 1 1 1 e d i a r y l a m i n e - m o d i f i c dp o l y a c r y l a m i d ew a su s e da sap r o b et oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to f p e p t i d ec o n f o r m a t i o no nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np e p t i d ea n da d s o r b e n t 、i mm e t h o d o fn 伽艮c d ，m o l e c u l a rd o c k i n ga n di t c t h ed a t as h o w e dt h es e c o n d a r ys t r u c t u r e o fv w - 8p l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h es e l e c t i v ea d s o r p t i o n f i n a l l y , s p rw a sf i r s t l ye x p l o r e dt os c r e e na n de v a l u et h el i g a n do fa d s o r b e n tf o r p e p t i d e s a s e r i e so fm a c r o m o l e c u l a rl i g a n d sw i t ha m i n oa c i dg r o u pw e r ep m p a r e dt o i n t e r a c t 、析也v w - 8 v w - 8w a si m m o b i l i z e do nc h i p st os c r e e nt h el i g a n d s t h e n , t h e p n a p h ew h i c hw a sc h o o s c da se f f i c i e n tl i g a n dw a si m m o b i l i z e do nc h i p sw a su s e d t oe v a l u et h es e l e c t i v i t yo fp e p t i d e s a c c o r d i n gt ot h e s ep r o c e d u r e s ，an e wm e t h o dt o s c r e e nt h el i g a n do fa d s o r b e n t sw a ss e tu p m e a n w h i l e , t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e np e p t i d ea n dm a c r o m o l e c u l a r l i g a n d s 、) l ，i t l la m i n oa c i dg r o u pw a si n v e s t i g a t e db yn m r t h e d a t aw a sc o n t r i b u t e dt o t h eu n d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r eo fl i g a n da n di n t e r a c t i o n 、析t l l p e p t i d e s t l l i sr e s e a r c hp r o v i d e dat h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no f s e l e c t i v ea d s o r b e n t s k e y w o r d s ：a d s o r b e n t , p e p t i d e ，i n t e r a c t i o nm e c h a n i s m ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，n m r , s p r i v 目录 第一章绪论1 第一节多肽蛋白质识别位点的研究现状1 第二节高选择性吸附分离材料的研究现状2 1 2 1 亲和吸附剂2 1 2 2 分子印记聚合物“3 第三节分子间弱相互作用3 1 3 1范德华力v 6 1 3 2 氢键一一”“”6 1 3 3 静电相互作用0 0 0gg geooooo ooo0 0 0 8 1 3 4 疏水相互作用9 1 3 5 芳香体系的相互作用1 0 第四节分子间相互作用的研究方法1 1 1 4 1 弱相互作用的实验研究方法1 1 1 4 1 - 1 多维核磁共振技术0 0 0 000000 0000 00 1 2 1 4 1 2 表面等离子共振1 3 1 4 1 ：3 等温滴定量热一0 0 qoooo o q q o oo oo 1 5 1 4 2 弱相互作用的理论研究方法o o o o oo 1 7 1 4 2 1 量子力学方法1 7 1 4 2 2 分子力学法1 7 1 4 2 3 分子对接1 9 第五节多肽受体设计的策略2 1 1 5 1 利用生物技术的分子设计0 0 0o o o o b oo o o 2 1 1 5 2 分子合成法2 1 1 5 2 1单纯氢键作用的人工受体o o oo o o 2 2 1 5 2 2 疏水型受体o o o o o o o bgogoo b qoo o 2 3 1 5 2 3 离子结合氢键型受体o o ooo o o o ooooo o oo o o 2 5 1 5 2 4 配位作用的受体o o oo o o 2 6 第六节课题的提出v 2 7 参考文献k 2 9 作用机理研究3 6 - 3 6 3 7 3 7 2 2 1 1 试剂一3 7 2 2 1 2 仪器设备3 8 2 2 2 水溶性疏水聚合物的合成和表征3 8 2 2 2 1 卅丁基聚丙烯酰胺( n b p a l l ) 的制备与表征3 8 2 2 2 2 聚合物p b e n l 的制备与表征4 0 2 2 2 3 聚合物p b e n 2 的制备与表征4 3 2 2 2 4 聚合物p b e n 3 的制备与表征4 5 2 2 3 交联吸附剂的制备4 8 第三节线性聚合物与八肽v w 一8 相互作用的n m r 研究4 8 2 3 1 实验方法4 9 2 3 1 1 仪器4 9 2 3 1 2 样品的制备4 9 2 3 1 3 核磁滴定4 9 2 3 1 4 二维核磁4 9 2 3 2 结果与讨论5 0 2 3 2 1 八肽重水溶液核磁谱图归属5 0 2 3 2 2 疏水聚合物与八肽r 一8 的二维核磁分析5 2 2 3 3 3 核磁滴定实验5 3 第四节交联吸附剂与八肽v w 一8 相互作用的研究5 5 2 4 1 实验方法o q 0 0 00 5 5 2 4 1 1 仪器5 5 2 4 1 2 静态吸附实验5 5 2 3 2 结果与讨论5 6 第五节分子模拟研究5 8 2 5 1 实验部分5 9 2 5 1 1 吸附剂分子模型的构建5 9 2 5 1 2 八肽分子模型的构建5 9 2 5 1 3 八肽与吸附剂片段结合能的计算5 9 2 5 2 结果与讨论0 0 0 0 0 0 o i - o o o o o oo q o o o o o o ooo o 5 9 2 5 2 1 分子模型的建立5 9 2 5 2 2 相互作用机理的研究0 0 00 0 0 6 0 第六节本章小结6 2 参考文献o o o ooboooo o o 0 0 000000 0 0 0 000oiooooo o g 6 4 第二章附录：”6 6 第三章多肽吸附剂选择性吸附机理的研究6 8 第一节前言6 8 第二节模型体系的确立6 8 3 2 1 目标多肽的选择o o oq ”g o go o o 6 8 3 2 2 聚合物的选择6 9 第三节四肽的核磁归属及构象的测定7 0 3 3 1 实验方法0 0 00 0 0 7 0 3 2 1 1 核磁共振实验7 0 3 3 1 2 园二色实验7 1 3 3 2 结果与讨论o o o 7 1 3 3 2 1 四肽c 霄- 4 的核磁谱图归属o o o oooooooooo m 0 7 1 3 3 2 2 化学位移标志法识别四肽的构象7 3 3 3 2 3园二色测定四肽的构象o o o oooooooo 001000booo o g 7 5 第四节聚合物的制备与表征”0 0 00 0 0 7 7 3 4 1 所需试剂与仪器7 7 3 4 1 1 试剂“”7 7 3 4 1 2仪器设备7 7 3 4 2 线性二烷基胺修饰聚丙烯酰胺的合成和表征7 7 3 4 3 交联二烷基胺修饰聚丙烯酰胺的制备和表征7 9 第五节多肽与聚合物相互作用的研究o o ooobooo 000g o q 8 1 3 5 1 实验部分8 2 3 5 1 1n 脓实验q o oo o o o o ooqoo ooo o 8 2 3 5 1 2 静态吸附实验8 2 3 5 1 3z e t a 屯势p h 滴定实验8 2 v i i 验”8 2 3 5 2 结果与讨论! o 00 i 8 3 3 5 2 1 吸附实验8 3 3 5 2 2 相互作用位点的研究q l i d q ogoo o o o o o o o 8 4 3 5 2 3 相互作用力的研究8 6 3 5 2 4 多肽构象对相互作用的影响8 8 第六节多肽与聚合物热力学性质的研究8 9 3 6 1 实验方法9 0 3 6 2 结果与讨论9 1 3 6 2 1p h 值对v w 一8 与d m a p a m 相互作用的影响9 1 3 6 2 2 p h 值对c w 一4 与d m a p a m 相互作用的影响9 2 3 6 2 2 聚合物形态对相互作用的影响9 3 第七节本章小结9 5 参考文献9 7 第四章多肽配体的筛选及相互作用研究9 9 第一节前言9 9 第二节氨基酸类高分子配体的制备与表征1 0 0 4 2 1 所需试剂与仪器1 0 1 4 2 1 1 试剂“! 一1 0 1 4 2 1 2 仪器设备1 0 1 4 2 2 丙烯酰氯的制备1 0 2 4 2 3n 一丙烯酰化的氨基酸单体的制备和表征1 0 2 4 2 3 1n - 丙烯酰化苯丙氨酸的制备和表征1 0 2 4 2 3 2n 一丙烯酰化亮氨酸的制备和表征1 0 3 4 2 3 3n 一丙烯酰化组氨酸的制备和表征1 0 4 4 2 3 4n 一丙烯酰化硝基保护精氨酸的制备和表征1 0 5 4 2 3 5n 一丙烯酰化天冬氨酸的制备和表征1 0 7 4 2 4 氨基酸类高分子配体的制备和表征1 0 8 第三节表面等离子共振法对相互作用的研究1 1 2 4 3 1 试剂及仪器1 1 2 4 3 2 实验方法1 1 2 4 3 2 1v w 一8 耦联芯片的制备o o o o o 0 0 0 o0 0000o o0 1 1 2 4 3 2 2 聚丙烯酰化苯丙氨酸耦联芯片的制备1 1 2 4 3 2 3 、，1 r 一8 与氨基酸类聚合物相互作用分析1 1 3 4 3 2 4 芯片再生条件0 0 00 0 0 1 1 3 4 3 2 5 数据处理o o oo o o 1 1 3 4 3 3 结果与讨论1 1 4 4 3 3 1 多肽芯片的制备1 1 4 4 3 3 2 氨基酸高分子配体的筛选1 1 5 4 3 3 3 吸附选择性的研究1 1 8 4 3 3 4p n a p h e 与、，1 一8 相互作用动力学测定1 2 0 4 3 3 5 离子浓度对p n a p h e 与w - 8 相互作用的影响1 2 1 第四节n m r 对相互作用的研究1 2 2 4 4 1实验方法：1 2 2 4 4 2 结果与讨论1 2 2 4 4 2 1v w - 8 在水溶液中的核磁归属 o oqooo ta 1 2 2 4 4 2 2n 豫结果解析”1 2 4 第五节本章小结_ 1 2 8 参考文献0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 000000000 1 2 9 第五章全文结论1 3 0 附录：攻读博士期间论文发表情况。1 3 2 致谢”一j ”1 3 4 第一章绪论 第一章绪论 一类重要的生物活性物质，这类物质无论是在酶 的高选择催化特性，遗传信息的传递、表达与调控，还是在人类的医疗健康等 生命活动中都起到至关重要的作用。由于这类物质大多存在于复杂的体系中， 因此针对它们的分离研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。近年来，涉 及这一领域的研究主要包括：多肽、蛋白质的分离纯化：致病毒物的清除等等1 1 j 。 “难度大、成本高”，这是包括美国m i t 著名教授d a n i e li c w a n g 在内的， 活跃在生物工程领域里的专家对生物分离技术现状的评价。蛋白质和肽类由于 具有多样性、易变性和复杂性等特点，对分离技术提出了很高的要求。因此， 深入研究材料与蛋白质和多肽间的相互作用，通过对弱相互作用的调控，提高 材料的高选择性成为目前吸附材料的主要发展方向。 高选择性吸附剂设计的本质依赖于对非键相互作用力的充分认识。本章将 着重介绍多肽、蛋白质相互作用中所涉及的作用位点、弱相互作用力的研究现 状，以及研究蛋白质多肽相互作用的主要研究手段和目前广泛用于多肽识别的 人工受体。 第一节多肽蛋白质识别位点的研究现状 很长一段时间，人们对于蛋白质一蛋白质相互作用始终存在这样一种认识， 即酶一底物及其抑制剂、抗原一抗体、激素一受体等蛋白质复合体的形成，是 相互作用的两个分子间整个互补界面的相互作用，是整体空间构象的识别和契 合，也就是说：两者的结合涉及较大的一个空间：参与结合的氨基酸残基必然 不是线性肽段，而是在一级结构相距较远，但又共同构成一个适合于结合的立 体结构，上述认识在众多的蛋白质复合体中得以证实1 2 巧】。随着对蛋白质一蛋白 质界面研究的关注，很多文献着重报道了蛋白质相互作用中结构【6 q o l ，能量【8 1 1 1 ， 电性互补性【5 】及蛋白质一蛋白质相互作用动力学等方面的内容。 近年来蛋白质相互作用研究的一个重要突破在于蛋白质表面“热点”( h o t s p o t s ) 的确定，所谓的“热点 是位于或接近蛋白质一蛋白质界面几何中心的 一个约6 0 0 a 2 的区域，如图1 所示。构成“热点”的残基对蛋白质一蛋白质复合 物的稳定性起重要的作用【1 2 15 1 。w e l l s 及其同事通过丙氨酸突变荷尔蒙对受体作 用数据库的筛选研究了单个氨基酸残基对蛋白质一蛋白质结合能量的影响。通 过绘制结合自由能的变化a a g 发现，改变某些残基对蛋白质的亲和行为影响较 多肽选择性吸附材料的设计和机理研究 第一章绪论 大，而热点周围的氨基酸残基则对蛋白质复合物的稳定性贡献较小1 16 1 。同时研 究还发现在热点区域起作用的残基中t r p 、p h e 以及a r g 这三个氨基酸对于结合 能的贡献最大，这与g e y s e n 的研究结果【1 刀不谋而合。o e y s e n a 认为：结合的两 个分子间少数几个关键基团的弱相互作用提供了结合能的绝大部分；含有与结 合有关的几个关键基团的线性短肽可以模拟蛋白质折叠的抗原决定簇。 1 4 0 t r a c e 图1 1图1 1 蛋白质( 酶) 热点结构示意图 f i g u r e1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fap r o t e i n ( e n z y m e ) i n t e r i o r , e x t e r i o r , a n dh o ts p o t 第二节高选择性吸附分离材料的研究现状 随着生物技术的不断发展，在研究多肽和蛋白质的结构与功能时，一个必不 可少的环节是要将其从成千上万种复杂的混合物中分离出来，并得到高纯度的 样品。因此，近年来对于氨基酸、多肽和蛋白质的分离纯化技术已经发展成为 生物技术中的一个重要分支。目前具有高选择性特点的分离纯化的材料主要包 括亲和吸附剂和分子印迹吸附剂。 1 2 1 亲和吸附剂 亲和吸附剂可以广泛地应用于多种物质的分离，它的分离原理是基于分子 间静电、氢键、疏水相互作用以及金属配位作用基础之上的综合分子识别。亲 和配体包括生物特异性配体( b i o s p e e i f i el i g a n d s ) 和仿生物特异配体 2 多肽选择性吸附材料的设计和机理研究第一章绪论 ( p s e u d o b i o s p e c i f i cl i g a a d s ) 。这些配体既可以是一些生物活性物质，如酶和底物， 抗体和抗原，激素和受体，核酸的互补链段，多糖与蛋白质复合体等配对体中 的一方，也可以是人工合成的结构。由于这类配体与目标分子问具有专一性识 别作用，因此该方法成为制备特异性吸附材料最直接的方法。目前，应用该方 法已经成功设计出对酶，核酸，抗体抗原，氨基酸，蛋白质等具有专一性识别 功能的生物材料【1 8 - 2 2 。 由于抗体十分昂贵且容易变性，因此生物特异性配体吸附剂的应用有很大 的局限性。而采用仿生物特异配体的亲和吸附剂显示出极大的优势。自从1 9 6 8 年首次报道葡萄球菌核酸酶的纯化以来，仿生物特异配体亲和吸附剂已经成为 分离生物活性物质的主要手段之一。常用的仿生物特异配体包括染料分子、金 属离子、疏水性氨基酸及一些人工配体。 1 2 2 分子印迹聚合物 分子印迹技术是将要分离的目标分子与交联剂在聚合物单体溶液中进行共 聚制备得到颗粒介质，然后利用洗脱或萃取的方式除去包埋在介质中的目标分 子，从而得到分子印迹聚合物( m i p ) 。在这种交联聚合物中形成了在三维空间大 小，形状以及功能配体都与模板分子互补的分子印迹微腔，可以将目标分子的 空间结构保持“印迹”或留下“记忆”。这种分子印迹聚合物又被形象的称为“塑料 抗体”或“人工抗体”，可实现对模板分子的特异性识别。这种特异性可以和多克 隆抗体相媲美。目前，分子印迹技术在蛋白质和多肽的吸附材料的制各中取得 了一些进展，但是限于蛋白质多肽的溶解性，对这类分子的印迹方法还需要进 一步的改进【2 3 之引。 分子印迹聚合物可以高选择性地吸附混合物中的印迹分子，但制备分离材料 之前必须获得待分离物质的纯品。如果纯品难于得到或价格昂贵，那么印迹方 法将难于实现。 第三节分子问弱相互作用 分子间相互作用包括成键相互作用( 共价键、离子键等) 和非键相互作用 ( 非共建键) 两大类。其中非键相互作用虽然不涉及键的断裂和生成，作用强 度较成键作用小得多，但是在生物过程中非键相互作用却起着举足轻重的作用。 诸如蛋白质的折叠、酶和底物的识别、酶反应、多蛋白复合物的组装、免疫学 3 多肽选择性吸附材料的设计和机理研究第一章绪论 的抗原一抗体的结合、细胞内和细胞间的信号传递、基因信息的储存和处理、 神经转换信号的感应、细胞识别等生命运动都源于蛋白质分子间的特异性弱相 互作用。分子间的弱相互作用主要包括静电力、氢键、范德华力、兀一兀相互作 用与疏水相互作用等。 表1 1 列出了生物分子间不同弱相互作用在水溶液中的强度。尽管孤立的非 共价键都很弱( 4 - 2 0l d m 0 1 ) ，很容易断裂或变形，但是当大量非共建键协同作 用时，如d n a 分子的双股螺旋之间，蛋白质分子残基之间的作用，体系能量会 显著降低。弱相互作用的这种协同特性导致分子之间可以通过多个弱相互作用 的合力，形成具有一定方向性和选择性的强作用力，成为超分子形成、分子识 别和分子组装的主要驱动力。 表1 1 生物分子间四种弱相互作用( 水溶液) t a b l e1 1f o u rt y p e so fi n t e r m o l e c u l a rw e e ki n t e r a c t i o n sf a q u e o u ss o l u t i o n ) 事实上，弱相互作用的这种协同性不是随意发生在两个任意分子之间的， 而是两个特定分子间的专一性作用。早期e f i s h e r 曾用“模板”( t e m p l a t e ) 或“锁 与钥匙学说”( 1 0 c ka n dk e yt h o e r y ) 来描述这种专一性的结合，认为底物分子或 者底物分子的一部分像钥匙一样，专一性的嵌入酶的活性中心部分，也就是说 底物与受体的“互补性”。接受体对有机底物的成功识别，在于两者之间的精确互 补。底物与受体的互补性包括空间结构互补性和空间电学特性的互补性。菲舍 尔所描述的“锁钥关系”指的就是空间结构互补性。但f i s h e r 的概念有一定的局限 性，因为给体与受体的空间结构并非是僵硬的和一成不变的。1 9 5 8 年k o s h l a n d 提出了诱导配合( i n d u c e df i th ) ，p o t i l e s i s ) 的概念1 2 9 j ，模型如图1 2 ： 4 择性吸附材料的设计和机理研究 第一章绪论 o j 孥y谬 擎铲 图1 2k o l a n d 的诱导配合模型 f i g u r e1 2i n d u c e d - - f i th y p o t h e s i so fk o s h l a n d 这一概念指出在底物与受体相结合时，受体将采取一个能同底物达到最佳 的构象( b ) 。这个过程也被称为识别过程的构象重组织。这一概念的提出 了菲舍尔概念的不足。 蛋白质及多肽的分子识别是指蛋白质、多肽分子在符合特定的匹配条件下， 互作用产生协同效应，将多种弱相互作用的合力转化为强相互作用，从而 稳定、有效的相互作用，如图1 3 所示。 。罐。一- o - - c ， ”；州 蕊一0 - - - m n 乙，岬酬 一气? 爷一c 州3 c - 二t n d 唧嘣c t - _ k飞， t c h 。一a n d v - n d e 7 。j 、j ，。k 。 w l s ? ? ：、- - c h 3h 3 c 飞酗撇n 毒 二e 。是： 、：忙一咀0 s t a b l ec o m p l e x ；麟萋 ：，二。h 弋毒 j j 乌0 o o ，o 。j 孓r ，；? 二| | 秘零8 汪 警p 。h 乒 。文；卸叩 图1 3 多重弱相互作用协同效应示意图 5 多肽选择性吸附材料的设计和机理研究 第一章绪论 f i g u r e1 3s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fm u l t i p l ew e a ki n t e r a c t i o n s 1 3 1 范德华力 当两个不带电荷的原子靠近时，它们周围的电子云会互相影响，使电子位 置发生变化。核外电子位置的变化可能产生暂时的偶极矩，从而在附近的原子 上诱导出反方向的暂时的偶极矩，这两个偶极矩产生弱吸引，引起两个核的靠 近，这个弱的吸引力就是范德华作用。随着两个核的进一步靠近，它们的电子 云会互相排斥，最后在某一点上范德华力与排斥力精确地平衡，此时称两个核 处于范德华接触。 范德华作用主要包括静电力、诱导力、色散力和交换力，静电力来自永久 多极矩之间的相互作用，诱导力来自永久多极矩和诱导多极矩之间的相互作用， 色散力来自瞬间多极矩之间的相互作用，交换力是一种来自p a u l i 原理的排斥效 应；几种作用之间还可偶合产生如诱导色散偶合力，色散交换偶合力等。 一个原子允许其它原子核靠近地范围，称为范德华半径。每个原子都有其 特征的范德华半径，如在t r i p o s 力场中c 原子的范德华半径为1 7a ，n 原子的 范德华半径为1 5 5a 。分子的范德华作用区称为立体场，其作用范围一般小于8 a 。 1 3 2 氢键 由于肽自身结构的特点，如骨架上的羰基、氨基以及氨基酸残基上的羧基、 氨基、巯基等，在对肽的识别中氢键被广泛应用。 当氢原子与电负性大的原子( 如o ，n ) 以共价键结合时，其共用的孤电子 对明显地偏向电负性大地原子核，使氢原子带部分正电荷，导致这个带正电地 氢原子很容易靠近另一个电负性大地原子地外层孤电子对，发生相互吸引作用。 这种弱地相互作用称为氢键。氢键通常以d h a 表示，其中原子d 称为氢键 给体，原子a 称为氢键受体。在形成氢键的d h 和a 中，d 与a 是电负性大于 h 的原子，即c ，n ，o ，f ，p ，s ，c i ，s e ，b r , 和i ，并且受体必须有孤对电子。一般 来说，如果d 、a 的距离小于3 2 5 a ，氢原子地顶点角度大于9 0 0 ，就可以认为 有氢键生成。 随着d h 与a 上孤对电子形成的偶极矩的增长，氢键的强度也增强。而且， 当n ，o ，和f 分别作为氢键中的d 和a 时，氢键的强度最强1 3 0 】。除此之外，还有 一种宵型氢键，是指具有部分正电性的氢原子与不饱和的双键和三键电子间的 6 和机理研究第一章绪论 通常氢键可分成三种类型： ( a ) 单势阱型氢键( s i n g ：【e - w e l lh b o n d s ) ，也 称为强氢键；( b ) 无位阻氢键( 1 0 w - b a r r i e rh - b o n d s ，l b h b s ) ；( c ) 双势阱型 氢键( d o u b l e - w e l lh - b o n d s ) ，也称为弱氢键( 图1 4 ) 。其中单势阱型氢键是 指氢原子与两个氢键供体常见于o o 距离小于2 5 a 的短程强氢键，而双势阱型 氢键见于o o 距离约为2 8 a 左右的远程弱氢键。 。v e 一 图1 4 不同类型氢键的势阱 ( a ) 双势阱；( b ) 无位阻；( c ) 单势阱 f i g t u r e1 4 p o t e n t i a le n e r g yw e l l sf o rt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fh y d r o g e nb o n d s ： a ) t h ed o u b l e - w e l lp o t e n t i a l ，b ) t h el o w - b a r r i e rp o t e n t i a l ，c ) t h es i n g l e - w e l lp o t e m i a l 氢键和其它弱相互作用重要的区别是，氢键具有较强的方向性，研究发现 直线型的能量最大【3 2 1 。当受体含有一对以上的孤对电子或供体含有多个可形成 氢键的氢原子时能够形成三中心( “b i f u r c a t e d ) 或四中心( “t r i f u r c a t e d ”) 氢键 3 3 1 o 在水相中，普遍认为不存在独立的氢键作用1 3 4 3 5 】。例如，r e b e k 组研究发现 9 一乙基腺嘧啶与k e m p 三酰胺水溶性衍生物的结合强度与结合口袋中疏水基团 的表面积有关【3 6 1 。k o m i y a m a 等通过n m r 和紫外确定在水溶液中聚( 2 乙烯基 - 4 ，6 - - - 氨基1 ，3 ，5 三嗪) 可与嘧啶的衍生物形成有效的结合 3 7 , 3 引。结合强度 御，1 八c ，g ) 与主客体间形成氢键的数目一致。而相应的单体则不能形成氢键， 由此揭示氢键的形成依赖于聚合物的影响。m e i j e r 等合成了一种双官能化的脲基 三嗪，通过四重氢键和堆积的作用首次在水相中完成了双螺旋的结构的自组装 7 多肽选择性吸附材料的设计