超分子化学课程

1、第第2章章 生命中的超分子化学生命中的超分子化学与与生物生物模拟模拟Nature that framed us of four elements,Warring within our breasts for regiment,Doth teach us all to have aspring minds:Our souls ,whose faculties can comprehendThe wondrous architeculties of the world,Still climbing sfter knowledge infinite,And always moving as the

2、restlesss spheres,Will us to wear ourselves and never rest,Until we reach the ripest fruit of all.大自然赋予我们四种元素,在我们的内心不断交战,只为达成一致,要启迪我们具有奋发精神:我们的灵魂,定能领悟宇宙万物那非凡的构造,也能够测量出每个行星的轨迹,不断想知识的高峰攀登,像永不停歇的地球一样前行,决心让我们经受考验,永不言弃,直到我们收获最丰硕的果实克里斯托弗马洛 设计超分子化学的灵感和起源来自于生物体中发现的化学现象引言引言1、自然界经过长时间的进化发展出了丰富的物种。这些物种中存在着高度专一

3、的、具有选择性和协同性的化学体系，它们有些是不可思议的复杂，有些又是绝妙的简单。2、它们能使生命体系存在于这个世界，并且可以进食、呼吸、繁殖和对外界刺激有所响应。3、在生物化学中，超分子的主体是酶、基因、免疫系统的抗体和离子载体的接受位点。客体是底物、抑制剂、辅助药物或者抗原。所有这些物质表现出超分子化学的性质，这些性质绝大部分依赖于超分子相互作用，例如配位（离子-偶极）键，氢键以及范德华力等。因此，生物体系是生物体系是一个很好的超分子体系。一个很好的超分子体系。4 4、在超分子科学的研究中，在超分子科学的研究中，向自然界中向自然界中的生物学习的生物学习一直是该领域中一个非常一直是该领域中一个

4、非常重要的方向。重要的方向。 功能模拟：功能模拟：模拟诸如酶催化的有机化学反应，或者金属阳离子和底物分子如O2的传输等生物过程。 结构模拟：结构模拟：如模拟荷叶、稻叶、蝉的翅膀以及水黾的腿等。 人们目前所进行的分子和超分子化学与它们的生物化学相似体相比无论是在广度、深度还是功能性等方面都还有很大的差距。正是由于这种差距的存在，才使得我们有了更大的动力和决心去向自然界学习并探索更复杂的非生物相似体，来模拟它们的结构和功能，从而真正发展出可以产生变化或者拥有自然界不存在的性质的合成体系。生命中的超分子化学生命中的超分子化学主要内容生物化学中的碱金属阳离子生物化学中的碱金属阳离子四吡咯大环化合物的特

5、征四吡咯大环化合物的特征植物光合作用中的超分子植物光合作用中的超分子血红蛋白吸收和运输氧血红蛋白吸收和运输氧辅酶辅酶B12神经传递素和荷尔蒙神经传递素和荷尔蒙DNA生物化学中的自组装生物化学中的自组装1、生物化学中的碱金属阳离子、生物化学中的碱金属阳离子01膜电位03超分子相互作用的本质02膜传输03超分子器件膜电位沃克（John Ernest Walker），英国化学家，1941年1月17日生于英国约克郡哈法克斯。由于对形成三磷酸腺苷的酶催化过程作出解释，获1997年诺贝尔化学奖。约翰约翰沃克沃克 - 科研科研 沃克1969年在牛津大学获得博士学位，后在美国和巴黎的大学承担研究项目。他的获奖

6、研究是在剑桥大学医学研究委员会分子生物实验室中进行的。他于1974年进入该研究室工作，并于1982年成为高级化学家。20世纪80年代初，沃克开始研究三磷酸腺苷合酶大多数生物的主要产能分子，这种分子有助于三磷酸腺苷这种化学能量载体的合成。 博耶(PaulD.Boyer)，美国生物化学家，1918年7月31日生于美国犹他州普罗沃。在研究产生储能分子三磷酸腺苷(ATP)的酶催化过程有开创性贡献而与沃克共获了1997年诺贝尔化学奖。三磷酸腺苷是所有生物细胞新陈代谢过程的“燃料”。1918年10月8日出生于丹麦莱姆维发现了一种被称为钠钾激活的三磷酸腺苷钠钾ATP酶(Na+K+ATPase)。而与博耶和沃

7、克共获1997年诺贝尔化学奖 。斯科在哥本哈根大学攻读医学，并于1954年在奥胡斯大学获得博士学位，后留校任教。这种三磷酸腺苷酶是在动物细胞的质膜中发现的，起着钠(Na+)、钾(K)交换泵的作用。他对载离子酶的研究是以阿兰霍奇金爵士和R凯恩斯的研究工作为基础的。 詹斯詹斯斯科斯科ATP是4价的，被碱金属或碱金属离子中和。ATP能够长时间地储存能量，它还可以被传输到身体上需要能量的任何地方进行耗能反应，植物太阳能量光合作用动物和人类获取 Na+/K+-ATP酶是一种膜传输酶，作为消耗ATP过程的一部分，Na+/K+-ATP酶将碱金属离子Na+ 和K+从细胞的一侧传输到另一侧。它非常有效地将Na+

8、 从细胞内提取出来，传输到细胞外，这与优势浓度梯度相反；同时，K+被传输到细胞内。因此，细胞内流质有着高的K+浓度，而细胞外流质有着高的Na+浓度。人体能量存储和释放均和碱金属-（三磷酸腺苷）ATP酶有关H2PO4 - +Mg2+G0=-35KJ/molATP释放能量脱磷酸化生成ADP和磷酸二氢根，Mg2+起催化作用ATPADP细胞膜内外碱金属离子的不均衡分布是非常重要和必要的特征，将导致跨膜电位，神经细胞的信息传递就是利用跨细胞电位差。 细胞膜两侧的实际电荷分离数量是非常小的（膜两边的M+的数目是相等的）。原则上，我们可以分离膜两侧的Na+和Cl-得到电位差，但是要分离电荷相反的离子需要大得

9、多的能量，因为它们之间存在很大的静电作用力。事实上，由于碱金属离子的不同特征，它们产生的化学电位足以产生所需的信号。膜传输耶鲁大学细胞生物学系系主任曾获得多种荣誉，包括哥伦比亚大学的露依莎格罗斯霍维茨奖、拉斯克基础医学奖（2002年）、费萨尔国王奖。他在耶鲁大学取得硕士学位，在哈佛获博士学位。詹姆斯E罗斯曼托马斯聚德霍夫，德国生物化学家，以研究突触传递知名。自1986年以来聚德霍夫博士的研究已经阐明了许多主要的蛋白介导突触前功能。2013年，他曾获拉斯克基础医学奖。兰迪舍克曼是加州大学伯克利分校的细胞生物学家，曾任美国国家科学院院刊主编。1992年当选美国国家科学院院士。2002年与詹姆斯罗思

10、曼因对细胞膜传输的研究获拉斯克基础医学奖。兰迪舍克曼磷脂生物膜（宽5 6nm）的简图 细胞是两亲性分子，包括亲水的磷酸盐头部和一个长长的脂肪链尾巴。在体内的水性环境中，亲水的头部伸向周围的介质（氢键，偶极相互作用），而有机尾部却被排斥指向内部 (任何物质想要穿透细胞膜就必须穿越这种脂溶性区域 )碱金属离子如何通过细胞膜进行传输？碱金属离子如何通过细胞膜进行传输？一些亲脂性的载体传输细胞膜内的亲水性通道传输离子传输跨越生物膜的机制：(a)载体,(b)通道,(c)门通道离子通过细胞膜的传输机制载体传输缬氨霉素的化学结构式 通过载体机制的离子传输要求载体配体不但能够选择性地络合金属离子，而且使它能够

11、避开膜的亲脂区域，这种离子运载体就叫做离子载体。 （由L-缬酸氨，D-羟基异戊酸（D-hydroxyisovaleric acid）， D-缬氨酸，L-乳酸）四种氨基酸残基重复三次组成的一种环状缩氨酸 缬氨霉素K+络合物的立体结构 缬氨霉素对K+有选择性是因为它们能够自己折叠产生一个刚性的近似八面体的羧基氧原子序列，作为受体恰好和K+大小相配。.疏水的碳基氧原子和中心K+相互作用，引起亲脂的异丙基指向外侧，形成一个主要由烷烃构成的外壳。剩下的酰胺基就像拉链一样，利用分子内氢键将壳关闭，确保K+通过细胞膜时，封闭在亲脂的壳内。缬氨霉素结构及载体机制膜传输的启示：脂质体纳米粒作为眼用载体的独特优势

12、甘勇课题组设计研究了一种新型双阳离子型核壳脂质体纳米粒(DLCS-NP)。采用薄膜分散水化-挤膜法，直接将旋干的脂质膜与分散的壳聚糖纳米粒(CS-NP)混悬液水化，自组装形成核壳结构的阴离子脂质体纳米粒(LCS-NP)，随后利用阳离子N-1-(2,3-二油酰基) -N,N,N-三甲酰丙烷甲基硫酸盐与磷脂双分子层的亲和作用，在LCS-NP表面形成正电荷磷脂修饰层，形成DLCS-NP。该具有独特双阳离子型核壳脂质体纳米粒，能够显著延长载体角膜滞留时间，提高细胞摄取量，并具有一定的溶酶体逃逸能力，取得了理想的体内外眼表基因转染效果，为眼表疾病的基因治疗开辟了新途径张华民研究员领导的研究团队在液流电池

13、非氟离子传导膜研究方面取得新进展。该团队通过在非氟离子传导膜内部构建交联网络，大幅度提高了非氟离子传导膜在液流电池运行环境下的选择性和稳定性，为高性能非氟离子传导膜的研发，提供了一条新思路。相关结果在线发表在Advanced Functional Materials （/10.1002/adfm.201500284）上。该研究结果被Editor选为“very important and very urgent”paper储能技术研究部在液流电池非氟离子传导膜方面取得了系列研究进展，原创性的提出“离子筛分传导”机理，并对非氟离子传导膜的构效关系、传输机理作了系统深

14、入的研究 （Energy Environ. Sci. 2013, 6, 776; 2012,5, 6299; 2011,4, 1147; 2011 4,1676; ChemsusChem 6 (2013) 328; J. Mater. Chem. A, 2014,2,9524;Chem. Commun 2014, 50, 4596; Sci. Rep. 4, 4016; DOI:10.1038/srep04016）。该成果是在前期工作基础之上取得的又一项新进展。 高等植物钾离子跨膜运输机制研究进展高等植物钾离子跨膜运输机制研究进展钾是植物生长发育所必需的矿质元素之一。钾吸收调控在生理学及分子生

15、物学方面已取得了很多研究成果，综述了近年来钾素的吸收、方面的研究进展。近年， 随着分子生物技术的发展和应用，在高等植物钾离子跨膜运输机制的研究取得一定进展并对钾离子转运体的结构、 生化特性、生理功能等进行了研究。最大离子通道RyR1三维结构清华大学医学院颜宁研究组与生命学院施一公研究组、以及英国mrc分子生物学实验室sjors scheres研究组合作在自然（nature）期刊在线发表题为“structure of the rabbit ryanodine receptor ryr1 at near-atomic resolution”（兔源ryr1的近原子分辨率结构）的研究长文，揭示了目前已

16、知最大离子通道ryanodine受体ryr1的三维结构，为理解其功能提供了重要线索。 钙离子是生命体中最为丰富的阳离子之一，也是细胞信号传导中重要的第二信使，参与调控肌肉收缩、细胞分泌、神经信号传递等重要生命过程。在正常情况下，细胞质中的钙离子浓度维持在100 nm左右的低浓度，而内质网（或肌肉组织肌质网）中的钙离子浓度却高达mm级，是细胞内的“钙库”。在肌肉细胞中，当细胞外或者肌质网中的钙离子释放到细胞质时，会引发肌肉的收缩反应。这一过程称为肌肉兴奋收缩偶联，是骨骼肌及心肌运动的分子基础。而负责将钙离子从肌质网快速大量释放到胞浆中的是一种称作ryanodine受体（ryanodine rec

17、eptor，简称ryr）的高通量钙离子通道。 Nature Science 超分子器件超分子器件u 自然界中复杂的光生物过程诸如：光合作用、视觉机理，这些自然界精巧的光化学反应和光功能都是在天然的超分子体系内进行的，但我们对它们的结构，有序排列、力能学和动力学等方面的奥秘了解的甚少u 近年来受到广泛重视的分子电子学研究的兴起以及光电子功能材料的出现，不仅要求从机理上对存在的种种问题给以阐明，而且还要获得具体可用的实际材料 要求科学家们设计、制造出人工体系模拟上述过程，研究其作用机理，以满足人类不断增长的多种需要，而超分子光化学分子器件的研究提供了一个良好的模型体系u “器件”是指各种具有不同功

18、能的元件经组装后用来完成特定复杂功能的组合件，概念延伸到分子水平，就形成了分子器件u分子器件的研究最近十几年才得到迅速的发展，主要得益于以下各科学领域的研究突破： n 分子器件v分子器件与超分子光化学 探测显微技术的迅速发展（ Binnig and Rohrer，1986，物理学诺贝尔奖） 超分子简单易行的合成方法的实现（ Pederson, Cram, and Lehn，1987，化学诺贝尔奖） 生物系统的光合成工作原理的阐明（Deisenhofer, Huber, and Michel ，1988，化学诺贝尔奖）和ATP的合成（Boyer, Skou, and Walker， 1997，化

19、学诺贝尔奖） 均相和多相体系中的热和光致的电子转移反应机理研究的巨大进展（Marcus ，1992，化学诺贝尔奖） (物理)从上向下(top-down)方法内在局限性, (化学)自下而上(bottom-up)方法优点u超分子化学超分子化学：研究超出于分子实体之外的化学，主研究超出于分子实体之外的化学，主要是研究那些通过分子间非共价键相互作用而组织起要是研究那些通过分子间非共价键相互作用而组织起来的化学物种所表现的物理、化学以及生物特性和行来的化学物种所表现的物理、化学以及生物特性和行为的科学为的科学u超分子光化学超分子光化学：研究超分子物种与光作用而产生研究超分子物种与光作用而产生的的光物理、

20、光化学以及光生物特性和行为的科学光物理、光化学以及光生物特性和行为的科学n 超分子光化学LLLLM笼状化合物(cage type system)HHG主客体系(host-guest system)旋转体(rotaxanes system)联锁体(catenanes system)ABCD共价键联结的四元体系(covalently-linked molecular components)Fig.2. Schematic represention of five types of supramolecular speciesp 超分子体系的种类受体底物络合或分子间键超分子识别催化传递分子器件多分子

21、有序集合体化学调控光化学调控电化学调控超分子光化学分子器件Fig.3. Schematic representation of relationship between supramolecule and molecular devicesp 超分子光化学与分子器件的关系v超分子光化学分子器件n光能转换分子器件n荧光分子传感器n分子开关n分子机器u超分子光化学分子天线或导线：具有光电转换或光致电子转移功能的分子器件u其主要是通过电子给体光敏剂电子受体三元或多元体系超分子在光的作用下发生电荷分离来实现u这也是光合作用机理中最基本的过程n 光能转换分子器件hQPCe-e-Q.-PC.+Fig.4.

22、 Q-P-C triad supramolecular system and schematic diagram of trimer charge separationFig. 5. Schematic representation of an artificial photosynthetic membrane. The lipid bilayer of a liposome vesicle contains thecomponents of a light-driven proton pump: a vectorially insertedtriad leads to transport

23、of hydrogen ions into the liposome interior,establishing a proton motive force. The membrane also contains avectorially inserted ATP synthase enzyme. The flow of protons out of the liposome through this enzyme drives the production of ATP.n 方法简便方法简便n 灵敏度高灵敏度高n 选择性高选择性高n 响应时间快响应时间快n 可现场测定（荧光成像技术）可现场测

24、定（荧光成像技术）n 利用光纤可远距离检测利用光纤可远距离检测超分子光化学荧光分子传感器在各种离子检测技术中具有突出的优点：n 荧光分子传感器Fig. 6. Main aspects of fluorescent molecular sensors for cation recognition.Fig. 7. Schematic illustration of various structures of fluoroionophores.Fig. 8. Principle of cation recognition by fluorescent PET sensors.Fig. 9. vari

25、ous structures of fluoroionophores.超分子光化学分子开光就是通过光诱导超分子光化学分子开光就是通过光诱导电子转移、能量转移等使超分子发生结构变电子转移、能量转移等使超分子发生结构变化而使其具有开光作用的分子器件：化而使其具有开光作用的分子器件：u光控磁开关u基于电子转移的光控开关u基于光诱导分子构型变化的开关n 分子开关u光控磁开关Fig. 10. Photoswitch of magnetic interaction.（diarylethene)u基于电子转移的光控开关基于电子转移的光控开关Fig. 11. Light-driven dethreading

26、of pseudorotaxanes by excitation of a photosensitizer P as (a) an external reactant (MeCN or H2O, roomtemperature), (b) a stopper in the wire-type component (EtOH, room temperature), and (c) a component of the macrocyclic ring (H2O, roomtemperature).u基于光诱导分子构型变化的开关基于光诱导分子构型变化的开关Fig.12. The photoindu

27、ced inclusion of 4,4-bipyridine(45) inside the cavity of the azobenzene-capped cyclodextrin derivative 44(H2O, pH 7.2, 298K).The 4,4-dicarbonylazobenzene unit is attached to two of the primary oxygen atoms of the cyclodextrin derivative 超分子光化学超分子光化学分子机器就是在光分子机器就是在光的驱动下能够执行类似机械运动功能的驱动下能够执行类似机械运动功能的超分子体系：的超分子体系：u分子