【《L-脯氨酸及其多肽衍生物研究进展文献综述》3300字】

L-脯氨酸及其多肽衍生物研究进展文献综述1.1L-脯氨酸及其多肽衍生物的二级结构研究氨基酸作为组成生物体的重要有机小分子，结构中同时含有氨基和羧基两种官能团。在组成蛋白质的20种天然氨基酸中，L-脯氨酸作为一种非常特殊的氨基酸，是唯一一种成环氨基酸，其结构中不含有α-氨基，脯氨酸侧链与主链氮原子共价连接，形成吡咯环，限制了Φ扭转角，其环结构还影响了Xaa-Pro肽键的顺式/反式平衡，导致反式和顺式构象之间的自由能差较小（如图1.12所示）[164]。由L-脯氨酸形成的聚L-脯氨酸多肽，因其五元环上的δ-碳原子与相邻的另外的脯氨酸单元之间的空间位阻作用，致使Ψ扭转角转动受限，另外，由于聚L-脯氨酸多肽结构中的酰胺键的氮原子上缺少氢原子，聚L-脯氨酸多肽无法自身形成氢键（包括分子内氢键和分子间氢键），因此无法形成以氢键保持的如α-螺旋和β-折叠等二级结构[165,166]。图1.12（a）脯氨酸结构中的二面角，（b）脯氨酸顺式和反式构象[164]Figure1.12(a)Dihedralanglesinprolinestructure,(b)prolinecisandtransconformations[164]聚L-脯氨酸多肽根据环境的不同可以采用两种构象确定的二级结构：PolyprolineI（PPI）和PolyprolineII（PPII）螺旋结构[167-170]，这两种螺旋结构如图1.13所示。PPII螺旋是蛋白质中与α-螺旋和β-折叠并列的含量最丰富的二级结构之一[171-174]。聚L-脯氨酸多肽的两种二级结构具有明显不同的特征。左手PPII结构更为伸展，螺旋体的螺距约为9.0Å，每圈包含3.0个氨基酸残基，沿中心螺旋轴几乎具有理想的C3对称性，并且包含所有的反式酰胺键，其主要的主链二面角分别为Ψ=145°、Φ=-75°、ω=180°。右旋的PPI螺旋由所有顺式酰胺键组成，它们每圈产生的螺旋密度更高，间距约为5.4Å，每圈包含约为3.3个氨基酸残基，主链二面角分别为Ψ=160°、Φ=-75°、ω=0°。聚L-脯氨酸多肽不能提供氢键，因为沿着骨架形成的只有叔酰胺键。因此，聚L-脯氨酸多肽的二级结构不是通过分子内氢键而稳定的，而是通过相邻酰胺键之间的二级相互作用，如n→π*相互作用来稳定（图1.14）[165,175,176]。图1.13聚L-脯氨酸衍生物Ac-Pro15-NH2的PPII和PPI螺旋结构模型，其中PPII理想的二面角分别为Ψ=145°、Φ=-75°、ω=180°；PPI理想的二面角分别为Ψ=160°、Φ=-75°、ω=0°[166,177]Figure1.13ModelsofPPIIandPPIhelicaloligoprolineAc-Pro15-NH2generatedwithidealizeddihedralanglesΨ=145°,Φ=−75°,andω=180°forPPIIandΨ=160°,Φ=−75°,andω=0°forPPI[166,177]图1.14相邻的酰胺键之间的n→π*相互作用[165]Figure1.14n→π*Interactionbetweenadjacentprolylamidebonds[165]PPII螺旋结构在自然界中广泛存在，在信号转导、转录、免疫应答和细胞运动等生物学过程中发挥着重要作用[172,174,178]。此外，具有典型的[Pro-Hyp-Gly]n重复单元的胶原单链采用类似PPII的构象[179]。PPII螺旋也被认为是蛋白质在无序状态下的一种重要的与蛋白质折叠有关的局部构象[180]。许多针对PPII螺旋结构的研究都利用低聚L-脯氨酸作为模型系统，即使低聚L-脯氨酸链长较短，它们在水性溶液中也呈现稳定的PPII构象[181-183]。而在脂肪醇等较疏水的环境中，低聚L-脯氨酸通常采取PPI螺旋结构[184-186]，到目前为止，与PPII螺旋结构相比，针对PPI螺旋结构的研究报道较少，主要是由于PPI结构在生物体中的含量也较少，因此PPI螺旋还没有已知的生物学相关性。1.2L-脯氨酸及其多肽的功能化在脯氨酸的Cγ位上，一种简单的功能化低聚L-脯氨酸的方法引发了低聚L-脯氨酸作为分子支架的发展。羟脯氨酸羟基的烷基化通过醚键实现了功能化，但更多用途的官能团，如叠氮化物(N3-R)，很容易从商业上获得(4R)-羟脯氨酸。含低聚L-脯氨酸的4-叠氮脯氨酸（Azp）的功能化可以在溶液中或在固体载体上进行，可以通过一价铜催化叠氮化-炔环[2+3]加成（CuAAC）或通过还原和酰化进行[187,188]。1.2.1低聚L-脯氨酸多肽衍生物作为细胞穿透肽细胞膜是大分子或非生物分子转运的重要障碍。因此，具有细胞内靶点的治疗剂和显像剂的疗效依赖于对细胞膜的穿透。为此已经产生了许多分子工具：细胞穿透肽（CPPs），一个受到自然界中发现的策略启发的例子，应用了可以移位细胞膜的肽序列[189]。早期富含脯氨酸的多肽来源于天然多肽，如Bactenicin7和γ-Zein，它们采用类似PPII的结构[190,191]。尽管脯氨酸残基有适度的疏水性，但富含脯氨酸的CPPs通常保留在细胞内使用所必需的优异水溶性。通过在五元环的Cγ位修饰含有阳离子和疏水官能团的脯氨酸，可以增强细胞对低聚脯氨酸的摄取，从而可预测地产生高摄取的两亲性多肽[192-194]。Wennemers教授团队[195]将带有正电荷的胍基通过不同连接臂引入到低聚脯氨酸八聚体结构中，如图1.15所示，获得沿着PPII螺旋的主链规则排列的正电荷体系，研究了预组织电荷显示与未定义电荷显示对阳离子细胞穿透肽（CPPs）细胞摄取的影响。在不同癌细胞系上进行流式细胞术和共聚焦显微镜研究表明，阳离子电荷的预组织在侧向距离约为9Å时会增强细胞对CPP的吸收。图1.15CPPs的结构，CF=5(6)-羧基荧光素[195]Figure1.15StructureofCPPs,CF=5(6)-carboxyfluorescein[195]1.2.2低聚L-脯氨酸多肽衍生物控制金属纳米粒子形成贵金属纳米颗粒（NPs）具有独特的光学、电学和催化特性，这些特性高度依赖于它们的大小和形状。因此，控制纳米粒子的大小是其在成像、分子电子学和催化等领域应用的关键[196-198]。形成金属纳米颗粒的一种便捷方法是在添加剂存在的情况下还原金属离子，添加剂对于控制纳米颗粒的生长和稳定纳米颗粒的凝聚至关重要[199]。低聚L-脯氨酸多肽的刚性和易于官能化是理想的添加剂，可以用来研究分子支架添加剂的长度与所生成的金属纳米粒子的纳米性质的相关性[177]。Upert等人[200]将一系列不同长度的低聚L-脯氨酸多肽（6-聚体到24-聚体）官能化，每3个脯氨酸单元包含一个醛基，将它们作为添加剂在Tollens条件下形成AgNPs。在这项工作中，醛功能化的寡脯氨酸支架可以同时指导AgNPs的成核和生长。根据醛官能化低聚脯氨酸添加剂的长度不同，可以形成直径明显不同的AgNPs，且AgNPs的平均直径与寡脯氨酸支架的长度呈线性相关（图1.16）。图1.16（a）低聚脯氨酸序列的结构，重复单元n=2-8；（b）低聚脯氨酸的长度与相应的AgNPs的平均直径的相关性；（c）在重复单元为2、5和8时的低聚脯氨酸形成的AgNPs的TEM图像和粒径分布[200]Figure1.16(a)Structureofoligoprolineswithrepeatingunitsofn=2-8;(b)correlationofthelengthsofoligoprolines2-8withtheaveragediameterofthecorrespondingAgNPs;(c)TEMimagesandsizedistributionofAgNPsthatwereformedinthepresenceofoligoprolineswith2,5,and8repeatingunits[200]1.2.3低聚L-脯氨酸多肽衍生物用于超分子组装控制功能模块（如π-体系）进入大型有序体系的顺序是开发新材料（例如，用于有机电子）的关键[201,202]。π-体系和具有明确二级结构的肽之间的偶联是实现这一目标的有力工具，因为肽很容易通过模块化的合成路线获得，并且具有可调的发色团性质[203]。在众多由不同氨基酸形成的多肽中，低聚L-脯氨酸多肽不能自行自组装，而只是作为一个支架，用来控制π-体系的数量和空间预组织。Lewandowska等人[204]研究报道了利用大空间位阻的异丙基的苝-单亚胺（PMI）发色团在每三分之一的位置将低聚脯氨酸功能化，研究结构修饰对低聚脯氨酸自组装的影响（图1.17）。研究表明，这一系列功能化的低聚脯氨酸可以形成分层的超分子自组装体。对具有4R-构型或4S-构型叠氮脯氨酸的低聚脯氨酸与PMIs结合的比较表明，具有4R-构型的非对映异构体比具有4S-构型的偶联体更能引导自组装。通过改变功能化低聚脯氨酸螺旋外侧的手性中心的绝对构型，延长肽链超过9个脯氨酸残基或引入结构“错误”，在溶解阶段和固态阶段都能显著降低自组装的效果。图1.14结构修饰对带有大空间位阻的发色团的低聚脯氨酸自组装的影响[204]Figure1.14Effectofstructuralmodificationsontheself-assemblyofoligoprolinesconjugatedwithstericallydemandingchromophores[204]参考文献[1] 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