（应用化学专业论文）氨基酸卟啉合成、自聚集行为及对生物分子识别的研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 把不同的氨基酸作为取代基引入卟啉环，利用他们带不同电荷、极性以及在中性 溶液中两性离子的特性，将其连在卟啉分子中可以改变卟啉化合物的受授性质，使氨 基酸卟啉的结构和性能更接近天然卟啉，使得整个卟啉分子对特定的蛋白质分子表现 出选择性识别。对氨基酸卟啉的聚集体结构和过程的研究，以及对特定分子的识别研 究有助于了解氨酰转移r n a 合成酶识别特定氨基酸的生物机理，对研究分子识别化 学中不同的作用模式也具有非常重要的意义。此课题的研究一直是仿生化学研究领域 中一个具有挑战性的课题。本文合成并系统的研究了氨基酸卟啉在不同体系中的聚集 行为及与生物分子间的识别研究。论文主要包括以下几个方面： 第一部分概述了氨基酸卟啉的研究意义、氨基酸卟啉的合成研究进展、卟啉化合 物自聚集行为及与生物分子间聚集行为的研究现状、卟啉特别是氨基酸卟啉对生物分 子的识别研究现状及本论文的研究主要内容及特点。 第二部分采用经典的a l d e r - l o n g o 法设计并合成了三种氨基酸卟啉化合物的中间 体，并进一步将不同氨基酸配体引入中间体的不同位置，合成了m e s o 四 4 ( b o c 苏 氨酸) 氨基苯基】卟啉( t a p p t h r - b o c ) 、不对称型5 一( 4 苏氨酸氨基苯基) 一1 0 ，1 5 ，2 0 。三( 4 氯代苯基) n l - 啉p t 1 1 r - t r i c l p p ) 和尾式卟啉5 4 - 犯色氨酸乙氧基) 苯基】一1 0 ，1 5 ，2 0 一三 苯基卟啉眵一t r p o c 2 一( t p p ) 】。利用核磁共振谱等手段进行了光谱表征，对不同取代位 置和不同取代氨基酸配体对氨基酸卟啉的光谱性能影响进行了研究。计算得出所合成 的卟啉有较高的荧光量子产率，并进一步讨论了实验过程中的影响因素。 第三部分利用卟啉在不同单一溶剂中单体与聚集体相互转化时，吸收光谱有所变 化的原理，计算p - t h r - t r i c l p p 及其中间体p - h 2 t r i c l n h 2 p p 的自聚集数和自聚集平衡 常数，根据计算结果比较p t h r t r i c l p p 和其中间体在不同单一溶剂中的自聚集能力， 发现7 t - t g 相互作用和氢键作用的综合效果使得p t h r - t r i c i p p 的聚集能力相比仅以矛7 r 相互作用为主的中间体p - h 2 t r i c l n h 2 p p 的增强很多。从而对p - t h r t r i c l p p 中引入的 修饰基团一苏氨酸对两种卟啉在极性溶剂中聚集作用力的影响作出理论解释。 第四部分分别研究了阳离子型氨基酸卟啉呻t h r - t r i c i p p 在阴离子表面活性剂 a o t 和阳离子表面活性剂c t m a b 溶液中的自聚集行为，利用荧光各向异性及表面 张力法考察了该卟啉在两种胶束内的传递过程。该卟啉在接近或者略高于c m c o 备界 胶束浓度 ) 时的a o t 和c t m a b 水溶液中均形成了h 型聚集体，而随着胶束溶液浓 氨幕酸卟啉合成、自聚集行为及对生物分子识别的研究 量, i i i i 皇曼墨詈皇詈詈鼍! 曼皇! 曼喜量詈曼詈詈曼毫暑! ! 曼詈曼曼詈! 皇鼍詈皇! 曼曼曼曼毫毫 度的增加逐渐转化成单体。但离子强度仅影响该卟啉在a o t 中聚集体数目；两个体 系的胶束浓度高于c m c 时，随着卟啉浓度的增加，h 型聚集体向单体转化。强酸对 该卟啉在a o t 溶液中有质子化效果，致使h 型聚集体向单体转化，再由单体形成j 型聚集体，导致了谱带的红移；但在c t m a b 溶液中强碱使该卟啉去质子化，使其由 h 型聚集体向单体转化。 第五部分通过分别研究p t h r - t r i c i p p 及其中间体p h 2 t r i c l n h 2 p p 对鸟嘌呤( g u a ) 的专一性识别，比较计算不同温度下p t h r - t r i c l p p 及其中间体分别与g u a 结合时的 静态猝灭常数。根据f 6 r s t e r 非辐射能量转移理论确定了p t h r - t r i c l p p 及其中间体与 g u a 的结合过程均属于非辐射能量转移。通过热力学参数的计算，确定在没有引入苏 氨酸基团的中间体p h 2 t r i c l n h 2 p p 与o u a 主要以静电引力相结合，而引入苏氨酸基 团后p t h r - t r i c l p p 与g u a 则以氢键和范德华力相结合。这就证明了卟啉环侧链引入 苏氨酸基团后与g u a 间的专一识别有一定的影响。 第六部分研究了a o t 以胶束形式存在下，阳离子型t a p p t h r - b o c 作为荧光光 谱探针用于含有三色氨酸( t r p ) 残基的牛血清白蛋i 兰t ( b s a ) 的定量测定中，此法检测 限低，有较好的选择性和灵敏度，用于实际样品的测定，结果满意。利用多种光谱并 结合b s a 性质实验探讨了t a p p t h r - b o c 与b s a 的结合机理，判断该体系的主要结 合作用力为静电引力。进一步利用荧光猝灭光谱研究了t a p p t h r - b o c 与b s a 中l t r p 残基的专一性识别。重点研究了不同温度下t a p p t h r - b o c 对l t r p 残基内源荧光的 猝灭机理和能量转移过程，根据热力学参数确定了两者之间专一识别的作用力类型为 静电引力，这与t a p p t h r - b o c 与b s a 之间反应机理的探讨结果一致。 关键词：氨基酸卟啉；聚集行为；分子识别；生物分子；光谱行为 i i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c s 谢证ld i f f e r e n te l e c t r i cc h a r g e ，d i f f e r e n tp o l a r i t ya n dt h e z w i t t e r i o n i cp r o p e r t yi nn e u t r a ls o l u t i o n ，t h ed i f f e r e n ta m i n oa c i dg r o u p sa ss u b s t i t u e n t sa r e i n t r o d u c e di n t op o r p h y r i nr i n g s ，s ot h a tt h ep r o p e r t yo fe l e c t r o nd o n a t i n ga n da c c e p t i n go f p o r p h y r i nc o m p o u n d sa r ec h a n g e d ，c o n s e q u e n t l yt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft h e ma r e c l o s e rt oc r u d ep o r p h y r i a s b a s e do nt h e s e ，t h ea m i n o a c i dp o r p h y r i nh a v er e c o g n i z e d s p e c i a lp r o t e i nm o l e c u l es e l e c t i v e l y t h es t u d yo nt h es t r u c t u r ea n df o r m i n gp r o c e s so f a m i n o - a c i dp o r p h y r i na g g r e g a t e s ，a n dt h ea b o v em e n t i o n e dm o l e c u l er e c o g n i t i o n ，w h i c hi s h e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ft h er e c o g n i t i o np r o c e s sb e t w e e na m i n o a c y lr n a s y n t h a s ea n ds p e c i a la m i n oa c i d t h e s ea r ei m p o r t a n tt ot h es t u d yo nd i f f e r e n tf u n c t i o n m o d e la b o u tm o l e c u l er e c o g n i t i o n t h i st o p i ci sac h a l l e n g e a b l ew o r ki nb i o m i m e t i c c h e m i s t r ya r e a i nt h i sp a p e r , t h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro fs y n t h e s i z e da m i n o a c i d p o r p h y r i n sw i t hb i o a c t i v i t yi nv a r i o u ss y s t e m sa n dt h em o l e c u l er e c o g n i t i o nb e t w e e n p o r p h y r i na n db i o m o l e c u l e sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r w e r ep r o v i d e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tp a r t ，t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dt h es y n t h e t i cr e s e a r c hs t a t u so fa m i n o a c i d ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u so na g g r e g a t i o nb e h a v i o ro fp o p h y r i nw e r ew e r ed e s c r i b e d b r i e f l y e s p e c i a l l y , t h er e s e a r c hs t a t u so nr e c o g n i t i o nb e t w e e na m i n o a c i dp o r p h y r i na n d b i o m o l e c u l ew e r er e v i e w e dm a i n l y t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i s p a p e rw e r ea l s oi n c l u d e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fa l d e r - l o n g om e t h o df o rt h ed e s i g nt h e s y n t h e s i so fd i f f e r e n tk i n d so fa m i n o - a c i dp o r p h y r i n si n t e r m e d i a t e sw a si n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ed i f f e r e n ta m i n oa c i dl i g a n d sw e r ei n t r o d u c e dt h ed i f f e r e n tp o s i t i o no f p o r p h y r i n i n t e r m e d i a t e s t h e s e a m n i o a c i d p o r p h y r i n s i n c l u d e dt e t r a - ( 4 一b o c t h r e o n i n e ) 一a m i n o p h e n y l 】p o r p h y r i n ( t a p p t h r - b o c ) ，5 一【4 一( t h r e o n i n e a m i n o ) p h e n y l 】 - 10 ，15 2 0 t r i 一( 4 一c h l o r o - p h e n y l ) a s y m m e t r i c a lp o r p h y r i n ( p t h r - t r i c i p p ) ，a m i n o a c i dt a i l e d p o r p h y r i n - 5 - p - ( l t r y p t o p h a n b r o e t h o x y l ) p h e n y l - 10 ，15 ，2 0 t r i p h e n y lp o r p h y r i np - t r p o c 2 - ( t p p ) 】t h es t r u c t u r e so ft h e s ea m i n o - a c i dp o r p h y r i n ss y n t h e s i z e dw e r ec h a r a c t e r i z e db y s p e c t r o s c o p i c m e t h o d s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ts u b s t i t u e n t g r o u p sa n dd i f f e r e n t i i i 氨摹酸卟啉合成、自聚集行为及对生物分子识别的研究 s u b s t i t u t i o np o s i t i o n so ns p e c t r u mb e h a v i o ro fp o r p h y r i a sw e r es t u d i e d t h e s ea m i n o a c i d p o r p h y r i n sh a v eh i g hf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d b a s e do nt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mw e r ec h a n g e da st h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e n m o n o m e ra n da g g r e g a t e ，i nt h et h i r dp a r t ，s e l f - a g g r e g a t i o nn u m b e ra n ds e l f - a g g r e g a t i o n c o n s t a n to f p t h r - t r i c i p pa n di t si n t e r m e d i a t ec o m p l e xa r ec a l c u l a t e di nd i f f e r e n tp o l a r i t y s o l v e n t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h es e l f - a g g r e g a t i o na b i l i t yo fp t h r - t r i c i p pa n di t s i n t e r m e d i a t ec o m p l e xw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es e l f - a g g r e g a t i o n a b i l i t yo f p t h r - t r i c l p pw h i c h b ei n d u c e d b y 巧- 7 t i n t e r a c t i o nf o r c ea n dh y d r o g e nb o n dw a s s t r o n g e r t h a ni t si n t e r m e d i a t ec o m p l e x 一- p h 2 t r i c l n h 2 p pw h i c hb ei n d u c e db y 加石 i n t e r a c t i o nf o r c e b a s e do nt h e s e ，t h ei m p a c to ns e l f - a g g r e g a t i o no f p t h r - t r i c i p pa n di t s i n t e r m e d i a t ec o m p l e xb yi n t r o d u c i n gm o d i f i e dg r o u p t h r e o n i n ew e r ee x p l a i n e d t h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro f p - t h r - t r i c l p pi nw a t e rs o l u t i o n s 晰t l la n i o n i cs u r f a c t a n t a o ta n dc a t i o n i cs u r f a c t a n tc t m a bw e r es t u d i e di nt h ef o u r t hp a r t ，r e s p e c t i v e l y t h e t r a n s f e rp r o c e s so ft h i sp o r p h y r i ni nt h e s es u r f a c t a n t sw a ss t u d i e db yf l u o r e s c e n c e a n i s o t r o p ya n ds u r f a c et e n s i o nm e t h o d s t h ep - t h r - t r i c i p pm o n o m e r sc a nc o n v e r ti n t o h a g g r e g a t e sw h i l e t h ec o n c e n t r a t i o no fa o ta n dc t m a ba r eh i g h e rt h a nt h e i rc m c ，b u t t h ea g g r e g a t e sc a nc o n v e r ti n t om o n o m e r sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n c e n t r a t i o no fa o to r c t m a b t h ei o n i cs t r e n g t hi n f l u e n c e st h ef o r m a t i o no fa g g r e g a t ei na o ts o l u t i o n ，b u tn o i n f l u e n c eo nt h a ti nc t 队bs o l u t i o n i na o to rc t mabs o l u t i o nw h i c hc o n c e n t r a t i o n w a sh i g h e rt h a nc m c ，h a g g r e g a t e sc a nc o n v e r ti n t om o n o m e r sa st h ec o n c e n t r a t i o no f p o r p h y r i ni n c r e a s i n g i ns t r o n ga c i dm e d i u m ，h a g g r e g a t e sc o n v e r t e di n t om o n o m e r sa n d f u r t h e rc o n v e r t e di n t oj - a g g r e g a t e sb e c a u s eo fp r o t o n a t e de f f e c ti na o ts o l u t i o n b u ti n a l k a l im e d i u m ，h - a g g r e g a t e so n l yc o n v e r t e di n t om o n o m e r sb e c a u s eo fd ep r o t o n a t e d e f f e c ti nc t m a bs o l u t i o n i nt h ef i f n lp a r t ，p t h r - t r i c l p pa n di t si n t e r m e d i a t ec o m p l e xa b o v em e n t i o n e di n s p e c i f i cr e c o g n i t i o nt og u aw e r es t u d i e d n es t a t i cq u e n c h i n gc o n s t a n t sb e t w e e ng u aa n d p - h 2 t r i c i n h 2 p po rp - t h r - t r i c l p pw e r em e a s u r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r eu n d e rt h e o p t i m u mc o n d i t i o na f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ep ha n di o n i cs t r e n g t h b yt h et h e o r yo ff 6 r s t e r n o n - r a d i a t i o ne n e r g yt r a n s f e r , t h ei n t e r a c t i o nw a ss i m i l a rt ot h en o n - r a d i a t i o ne n e r g y t r a n s f e r a c c o r d i n gt ot h et h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s ，t h em a i ns o r t s o fb i n d i n gf o r c e i v 济南大学硕士学位论文 i i i i b e t w e e n p h 2 t r i c l n h 2 p pa n dg u a c o u l db ej u d g e da se l e c t r o s t a t i cf o r c e ，b u tt h eb i n d i n g f o r c eb e t w e e na m i n o a c i dd e d v e dp o r p h y r i na n dg u aw a sv a nd e rw a a l sa n dh y d r o g e n b o n d i n gf o r c e s a l lt h e s er e s u l t sc l a r i f i e dt h a tp h 2 t r i c l n h 2 p po rp t h r - t r i c i p pc o u l d b i n dt og u aa n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h e r o n i n e ( r h r ) g r o u pi n f l u e n c e dt h es p e c i f i c r e c o g n i t i o nb e t w e e np - h 2 t r i c i n h 2 p pa n dg u a i nt h es i x t hp a r t ，t h ec a t i o n i cp o r p h y r i n 一- t a p p t h r - b o ca sf l u o r e s c e n c es p e c t r a l p r o b ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no fb s aw h i c hc o n t a i n e dl t r pr e s i d u e sw e r es t u d i e di na o t m i c e l l a rs o l u t i o n ah i g hs e n s i t i v i t ya n dw e l ls t a b i l i t ys y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n db eu s e dt o t h ed e t e r m i n a t i o no fp r o t e i ni nm i l kp o w d e ry i e l d i n gw i t l ls a t i s f a c t o r yr e s u l t s i na d d i t i o n ， 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 nt a p p t h r - b o ca n db s ai s s t u d i e d b y m u l t i - t e c h n i q u e s ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i n d i n gf o r c eo ft h i ss y s t e mw a s e l e c t r o s t a t i cf o r c em a i n l y f u r t h e r m o r e ，t h es p e c i f i cr e c o g n i t i o nb e t w e e nt a p p - t h r - b o c a n dl - t r pr e s i d u e si nb s aw a si n v e s t i g a t e db yf l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gs p e c t r u m t h e q u e n c h i n gm e c h a n i s ma n de n e r g yt r a n s f e rp r o c e s sb e t w e e nt a p p - t h r - b o ca n dl - t r p r e s i d u e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e dm a i n l y a c c o r d i n gt ot h et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r s ，t h em a i ns o r t so fi n t e r a c t i o nf o r c ec o u l db ej u d g e da se l e c t r o s t a t i cf o r c e ，w h i c h i si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h er e s u l tb e t w e e nt a p p t h r - b o ca n db s a k e y w o r d s ： a m i n o a c i d p o r p h y r i n ，a g g r e g a t eb e h a v i o r , m o l e c u l e r e c o g n i t i o n , b i o m o l e c u l e ，s p e c t r ab e h a v i o r v 济南大学硕士学位论文 物质全称及其简写对照表 全称简称 m e s o - 四一( 4 一硝基苯基) n l - 啉 m e $ o 一四( 4 氨基苯基) n t - 啉 m e s o 一四- 【4 - ( b o c 一苏氨酸) 氨基苯基 n l - 啉 5 - ( 4 一氨基苯基) - 1o ，l5 ，2 0 三( 4 - 氯代苯基) n l - 啉 5 一( 4 一b o c 一苏氨酸氨基苯基) 一1 0 ，1 5 ，2 0 - 三一( 4 - 氯代苯基) n t - 啉 5 - ( 4 一苏氨酸氨基苯基) - 1 0 ，1 5 ，2 0 三一( 4 氯代苯基) h i - 啉 四苯基卟啉 5 一( 4 一羟基苯基) 1 0 ，1 5 ，2 0 - 三苯基卟啉 5 ，15 一二- ( 4 - 羟基苯基) 1 0 ，2 0 - 二苯基卟啉 5 ，10 一二- ( 4 - 羟基苯基) 15 ，2 0 一二苯基卟啉 5 ，1 0 ，1 5 - 三一( 4 一羟基苯基) 一2 0 - 苯基卟啉 m e s o 一四( 4 一羟基苯基) 卟啉 5 - 4 一( 2 一溴乙氧基) 苯基】一l0 ，15 ，2 0 - 三苯基卟啉 5 一【4 - 犯一色氨酸乙氧基) 苯基】一l o ，1 5 ，2 0 - 三苯基卟啉 m e s o - 四一( n 甲基4 吡啶基) 卟啉 m e s o 一四- ( 4 - 羧基苯基) 卟啉 三磺基四苯基卟啉 m e s o 四( 4 一磺酸钠苯基) n l - 啉 叔丁氧羰基苏氨酸 双2 乙基己基硫代琥珀酸钠 十六烷基三甲基溴化铵 鸟嘌呤 色氨酸 牛血清白蛋白 人血清白蛋白 t n p p 搦p p 1 a p p - t h r b o c p - h 2 t r i c l n h 2 p p p - b o c - t h r - t r i c i p p p - t h r - t r i c l p p 1 1 p p p - o h t p p t a n s d h d p p c i s - d h d p p 删p p ， t h p p p - b r c h 2 c h 2 0 t p p p t r p o c 2 一( t p p ) t m p y p t c p p t p p s 3 t p p s 4 b o c - l t l l r a o t c t m a b g u a l - t r p b s a h s a 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：益亟丛 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：凹数 导师签名：论文作者签名：凶数导师签名： 济南大学硕士学位论文 1 1 氨基酸卟啉合成意义 第一章绪论 长期以来，从仿生学的角度出发，人工合成卟啉用来模拟天然卟啉化合物的各种 性能一直是人们感兴趣和研究的重要课题。同时在各领域得到了很好的应用并具有十 分广阔的发展前景，例如能源领域、医学领域、催化领域以及光谱探针应用【l 刮。除 了构筑生物系统模拟体外，卟啉的自身光电性质决定了其可以广泛应用于分子器件， 光动力治疗以及化学敏感器等领域【6 - 9 。 近年来，利用氨基酸对卟啉环进行修饰，能够获得结构和性能更加接近天然卟啉 化合物。一方面，由于天然卟啉，特别是金属卟啉都是被蛋白链所包围的，合成卟啉 的氨基酸衍生物作为卟啉蛋白超分子的简单模拟物是合乎逻辑的【l o 1 1 】，有学者甚至己 将卟啉与蛋白链连接起来【1 2 】。