多肽自组装成纳米管道的研究进展

多肽自组装成纳米管道的研究进展

纳米科学是现代科学中最重要的研究领域和前沿学科之一。纳米技术在工业制造、国防建设、医药技术、光学器件、微电子等方面都有着广泛的应用。在各种各样的纳米材料中,尺寸在1nm~100nm的纳米管因其具有特殊形状和性质,在化学、材料学以及生物学等学科中具有潜在的、广阔的应用价值。借鉴生物体系的自组装和自组织现象,近年来,化学家们制备了许多具有特殊结构的有机小分子。它们能通过非共价相互作用力自组装形成稳定的纳米管道结构。许多研究表明人工合成的有机纳米管道在生物和物理化学方面具有很多的特殊性质,可以作为离子通道、酶反应器、选择性键合分子,甚至具有抗菌或抗癌活性。它们在化学、生物、医药和材料方面具有广阔的应用前景。多肽的自组装在生物体系中扮演着重要的角色,它对我们理解生命现象,探索生命起源都有重要意义。多肽自组装纳米管是有机化学最活跃的研究领域之一,应用不同的多肽,通过多肽分子内或分子间的氢键相互作用和疏水相互作用等多种非共价相互作用进行多肽自组装已有大量报道,但相关综述不多,最近国内有一篇文章综述了环状化合物自组装纳米管的结构和应用。本文将从多肽的自组装形式角度综述多肽特别是直链寡肽自组装纳米管。1架间的氢键组装D,L-α-多肽和游离二肽可以通过骨架-骨架间的氢键组装形成纳米管,两亲多肽则可以通过肽链的疏水相互作用自组装形成纳米管。下面将对这三种多肽的组装方式以及结构做详细的描述。1.1d-螺酸酯肽的合成线形D,L-α-多肽通过β-螺旋形成管状的结构如图1所示。β-螺旋是多肽的一种超二级结构,它是由β-折叠形式的氢键所稳定的一种多肽的螺旋构象。早在1971年Urry就提出β-螺旋是D,L-多肽的一种主要构象。计算表明每圈分别由4.8,6.2和8.2个α-氨基酸残基组成的单股β-螺旋形成2.3Å,3.3Å和4.7Å大小孔径的管状结构。基于对天然抗菌剂短杆菌肽A所形成的β-螺旋的兴趣,人们研究了各种非天然的D,L-多肽的结构。早期对聚(γ-卞酯-D,L-谷氨酸)的研究发现,该肽可以形成双股的或单股的β-螺旋,螺旋每圈的α-氨基酸残基数跟结晶时所用的溶剂有关,残基数从5.6到10.9不等。1975年DeSantis等报道了X(L-Ala-D-Val)mY(X=Cbz,H2·Br+,H;Y=OCH3,NHNH2;m=3,4)在固态时形成α-折叠片,而该类肽在三氟乙醇中的CD谱研究表明该肽在溶液状态采取的是β-螺旋构象。1979年Lorenzi等研究了Boc-(L-Val-D-Val)4-OMe的晶体结构,首次从原子水平解析了该肽的β-螺旋结构。该肽采取的是一个具有C2对称的β5,6-左手螺旋,它所形成的孔径大小约为3Å。Lorenzi等还发现β-螺旋的形成与氨基酸残基所带的侧链有关,带有β或者γ侧链的氨基酸所形成的多肽易于形成β-螺旋。所有的实验表明,溶剂、肽链的长度、氨基酸的组成和肽链的端基对β-螺旋的形成有显著的影响,这些因素增加了我们调控β-螺旋形成管道孔径的难度。这些构象的混乱性以及β-螺旋所形成管道的尺寸的难以调控性限制了它在很多方面的应用。因而在近20年几乎没有相关D,L-多肽组装形成纳米管的研究。1.2le和l-ile-l-val的管道结构Görbitz小组在1996年发现游离的疏水二肽L-Val-L-Ala可以通过氢键头尾相连形成一个六边形管状结构,该管的孔径为5.2Å。该小组对这类疏水二肽进一步研究发现,L-Ala-L-Ile,L-Ile-L-Ala,L-Val-L-Val,L-Val-L-Ile和L-Ile-L-Val也类似于L-Val-L-Ala可以形成疏水的管道状结构(见图2),但是它们的孔径大小不一样,最大的是L-Val-L-Ala和L-Ala-L-Val,最小的是L-Val-L-Ile和L-Ile-L-Val。氨基酸的边链对孔径有着直接的影响,边链的位阻越大,所得纳米管的管径越小。而L-Leu-L-Leu,L-Leu-L-Phe,L-Phe-L-Leu和L-Phe-L-Phe则形成内腔亲水性的管道,亲脂性的边链则都在管外。其中L-Phe-L-Phe所形成的管道的范德华直径可以达到10Å。最近,Gazit小组发现L-Phe-L-Phe的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇溶液注入到水中能形成更加稳定、更加均一的直径约为100nm纳米管,利用这种纳米管可以直接制备银纳米线。Shelnutt小组利用这种方法制备了肽纳米管和铂纳米粒的纳米复合材料。1.3克氏原子型纳米管的组装和形成和生物体内的磷脂一样,含有亲水氨基酸残基和疏水氨基酸残基的多肽也具有自组装性能。Zhang小组在研究多肽水凝胶的过程中发现氨基端乙酰化的两亲多肽[如:Ac-(Ala)6-Asp,Ac-(Val)6-Asp,Ac-(Val)6-Asp-Asp]在pH=7的条件下可以自组装形成外径为30nm~50nm的纳米管(见图3)。但疏水部分很大的Ac-(Leu)6-Asp-Asp八肽除了可以自组装形成纳米管以外还自组装形成棒状胶束和囊泡,这种自组装行为和四丁基溴化铵是比较类似的。从高分辨的透射电子显微镜照片可以看出这些纳米管的边上都会长出一些小囊泡。这些囊泡以及胶束破坏了纳米管的单一性。除了这些肽以外,由最简单的氨基酸和天冬氨酸组成的多肽也能组装形成纳米管,同样这些肽也会形成囊泡。上述多肽都类似阴离子的表面活性剂,那么类似阳离子表面活性剂的多肽能否组装呢?带这这样一个问题,Zhang小组对末端为赖氨酸和组氨酸的多肽进行了研究。他们发现在pH值低于肽的pI值时,该类肽有95%可以形成平均直径为50nm的纳米管,而其他5%则形成直径为100nm~200nm的纳米管。在pH值高于肽的pI值时,该类肽则组装成片状的膜结构。Stupp小组也发现N端带有烷基链的而靠近C端带有磷酸化的丝氨酸残基的两亲多肽也能自组装形成纳米管或纳米纤维。除了上述两亲多肽可以自组装形成纳米管以外,Bolaamphilphiles多肽也可以自组装形成纳米管状结构。Shimizu小组合成了一系列Bolaamphilphiles多肽(1~6,见图4),透射电镜、原子力显微镜、红外光谱和pH值滴定研究发现在一定的条件下这类多肽可以自组装形成纳米管。这类多肽能否自组装形成纳米管与连接肽链中间的亚甲基的数目和氨基酸残基的组成密切相关,当亚甲基的个数为偶数且数目不大于11,氨基酸残基为甘氨酸时有利于这类肽自组装形成纳米管。但Matsui小组发现中间含7个亚甲基的Bolaamphilphiles多肽(1,n=7)在pH=4时也可以自组装形成纳米管。1.4通过分子间的氢键自组装Banerjee小组最近发现含有酪氨酸残基的端基保护的三肽Boc-Tyr-Vla-Tyr-OMe和Boc-Tyr-Ile-Tyr-OMe也可以自组装形成纳米管。这种纳米管的内径约为5Å。他们的研究为有机分子的自组装提供了一种新思路,通过分子间的氢键使分子首尾相连,再通过其他一些次级相互作用(如:π-π相互作用、疏水相互作用和静电相互作用等)可以使分子自组装形成螺旋状的管道结构。在这个组装体中酪氨酸的羟基起到了非常关键的作用,正是因为这个羟基的存在才使得该类三肽能够通过分子间的氢键自组装形成螺旋状的纳米管(见图5)。最近Percec小组报道了一类侧链带有树枝状化合物末端保护的二肽的自组装体(见图6),这类肽的自组装与它所带的树枝状化合物的构象有关,只有当树枝状化合物都采取反式构象时,这类肽才能通过分子间β-螺旋样的氢键而自组装形成孔径从8Å~15Å的纳米管道。通过改变二肽的氨基酸残基和树枝状化合物的代数可以调节其自组装体管道的孔径大小。2环肽的自组装构象固定的环肽是自组装多肽纳米管的一个最重要的次级单元,环肽次级单元之间通过骨架-骨架的氢键而形成连续的空心管状结构。环肽纳米管的管径可调、管外性质和管内性质可调,因而也表现出更为广泛的应用价值。1974年DeSantis等从理论上预言了由D,L-氨基酸交替组成的环肽可以通过VanderWaals作用和氢键相互作用形成比α-螺旋更稳定的柱状结构。1987年Lorenzi小组对此进行一系列的尝试,但最终没有得到环肽纳米管。1993年Ghadiri小组得到了第一个真正意义上由cyclo-[-(L-Gln-D-Ala-L-Glu-D-Ala)2-]自组装形成的环肽纳米管。随后几年的研究发现β-环肽,δ-环肽,α,γ-混合环肽,α,ε-混合环肽和含胱氨酸或丝氨酸的环肽也可以自组装形成纳米管(见图7)。2004年Undén小组也报道了一个很有意思的结果。在研究Ghadiri小组工作的基础上他们认为对于空间位阻很大的D,L-α-环肽的自组装应该具有立体选择性。为了证实这一点,他们合成了cyclo-[-(D-Gln-L-Tle-D-Glu-L-Tle)2-]和cyclo-[-(L-Gln-D-Tle-L-Glu-D-Tle)2-](Tle为三级亮氨酸)两个互为对映体的环肽。组装研究结果表明,这两个环肽自身不能自组装,只有将两个环肽混合在一起才能组装。因此他们认为位阻很大的环肽只能与其对映体通过分子间氢键自组装成管道状结构。Ghadiri小组对这种D,L-α-氨基酸交替组成的环肽的潜在应用做了一些研究。他们发现这类环肽不仅可以传导离子、葡萄糖,而且还具有抗菌、抗病毒和抗癌活性,通过修饰环肽的边链还可以得到具有特殊光电效应的有机材料。我们小组在γ-肽的自组装研究中做了大量的工作,设计并合成了带3-氨基环己基甲酸残基的直链多肽和环肽的系列衍生物,并研究了他们自组装的可能性。由四个3-氨基环己基甲酸残基和两个半胱氨酸残基构建的二硫键环肽有很强的自组装趋势,透射电镜和扫描电镜研究表明这类环肽可以自组装形成30nm左右的纳米管道。3通过自组装来形成纳米管不管是链状多肽还是环状多肽,只要它们的构象适合都可以通过分子内、分子间氢键或者疏水相互作用组装形成管道状结构。在这些组装单元中,D,L-α-直链多肽因其能采取多种构象,管道的孔径难以调控,所以由D,L-α-直链多肽自组装形成纳米管很难达到应用的目的;游离二肽直接通过分子间的氢键形成纳米管的方法现在已经开始用于纳米复合材料的制备中,