【正文】 子通道， 通過 分子內(nèi)氫鍵 其骨架螺旋結構得以穩(wěn)定 。 正文 目標分子的設計與合成 早期的超分子芳香折疊體研究中，多使用芳香酰胺類的化 合物，后來又發(fā)展出了芳香酰肼結構。一般在人工離子通道的研究中，通常先使用熒光實驗研究目標分子的嵌膜能力等信息，然后再通過膜片鉗實驗對輸送機理進行深層次的研究。 Figure 121. (a) General configuration。 通過公式：(ItI0)/(I∞I0)進行 歸一化 處理 后， 即可得到相對熒光強度曲線。當跨膜輸送方式為同向傳遞時 ，可直接在囊泡儲備液外加入待轉運的離子，依靠內(nèi)外 濃度差推動待轉運的離子進入囊泡，從而引起熒光探針熒光強度的改變； 當跨膜輸送方式為異向傳遞時，需 提前在囊泡內(nèi)包結一定濃度的鹽溶液，以便在離子輸送過程中平衡電荷 (Figure 121a)。制備囊泡時， 將熒光探針包 結到囊泡內(nèi)部 ，待囊泡制備完成后，通過透析可以 除去游離在囊泡外部的熒光素，即可得到囊泡儲備液。 通常在囊泡內(nèi)部包結不同的熒光探針就能 實現(xiàn)對不同輸送 物質 的檢測。 Figure 120. A schematic diagram for liposome. 在人工跨膜輸送體系中基于囊泡的熒光實驗占有重要地位，這是由于囊泡的制備方法較為成熟 ，具有高度可重復性 ， 以普通熒光分光光度計即可測定，且具有普適性 。囊 泡具有與活體細胞相近的膜脂結構，在生物、藥物等研究方向得到了非常廣泛的應用。同樣，單分子人工離子通道 的結構簡化與功能優(yōu)化 同樣是 亟待 化學工作者解決的問題。 Figure 119. (a) Structure of channels. (b) Schematic presentation for the voltage driven channel inserting into and leaving of lipid bilayer. 盡管單分子通道的研究已取得一些突破 ， 但它同樣存在著問題：結構 復雜，難于合成 ， 因此其應用范圍 就 受到了限制 。 由于精氨酸上的胍基的 pKa為 ，所以在在中性、酸性或堿性的環(huán)境下都是帶正電荷的。 OOO E tOE t OO* OOO E tOH OOOOOOOOO E tOE t OOO E tOO E tOE t OOE t OO1OOO E tOE t OO* OOO E tOE t OOOOOOOOO E tOE t OOXOO E tOE t OOE t OOOOO E tOE t OO* OOO E tOE t OOOOOOOOO E tOE t OOO E tOO E tOE t OOXOn2 X = O , N H , n = 2 6Clso eOp e n Figure 118. A schematic diagram for a synthetic ion channel formed by pillar arene. 2022年， 我們 報道了一類電壓門控 單分子人工跨膜通道 [30]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，此通道可以選擇性的傳輸質子，當兩柱芳烴片段中間的柔性鏈為 4個碳時， 這類人工跨膜通道 擁有最佳的傳輸能力。 Figure 117. A schematic diagram for a synthetic ion channel formed by pillar arene 2022年， 我們 報道了第一例以柱芳烴為骨架的單分子人工跨膜通道 [29]。 柱芳烴兩端 也 有多個易于修飾的基團 位點 [28]。 主要的工作是 以柱芳烴 (柱 [5]或柱 [6]芳烴 )為骨架 。在嵌膜過程 中，這類線性分子片段間 會產(chǎn)生 ππ 堆積作用 ，從而 形成貫穿脂雙層的孔道，孔道內(nèi)徑為 。 Figure 115. Structure of aminocyclodextrin channel. 2022年， K. Kinbara 課題組報道了一種以線狀分子折疊形成的單分子跨膜通道 [27]。 他們在環(huán)糊精分子的一側引入多條低聚乙醚側鏈，此側鏈 疏水且長度足以穿過磷脂雙分子層 ，每條側鏈上靠近環(huán)糊精骨架的位置有一個胺基 (Figure 115)。超分子化學家通過柔性或者剛性的鏈狀結構把若干個冠醚連接起來從而得到對某些金屬陽離子有特殊選擇性的單分子人工跨膜通道。 早期， G. W. Gokel 課題組為代表的科研工作者 們 發(fā)展一類以冠醚結構為基礎的單分子人工跨膜通道 (Figure 114)[25]。超分子自組裝通道在傳輸過程中往往存在多種不同構象， 自組裝過程通過控制條件得到特定構象 是難以控制的，這就成為研究超分子自組裝人工通道 性質的一大 難點。 Figure 113. A micellar channel formed by doublechain amphiphiles. 單分子人工跨膜通道 前文所提到的 超分子自組裝人工跨膜通道是通過 結構 簡單的單體分子自 組裝形成 ，過程具有 較強的動態(tài)可逆性和濃度依賴性， 穩(wěn)定性不高， 因此 傳輸過程中 輸送效率和 選擇性 都不夠理想 。這類通道優(yōu)先選擇 通過 陽離子。這類人工跨膜通道在跨膜輸送的過程中表現(xiàn)出陰 離子選擇性，這不同與大部分人工跨膜通道優(yōu)先選擇陽離子 [23]。典型的例子是 P. Talukdar 課題組報道的以甘露醇衍生物為結構單元，通過超分子自組裝形成 的 管 狀結構。 ( a ) Figure 111. Selfassembly of artificial ion channel from cyclic peptide. 桶 花 環(huán)模型 (BarrelRosette)：桶 花環(huán)模型中的單體分子 相對前兩種 更小。 Figure 110. Selfassembly of artificial ion channel from poligophenyl rods. 桶 環(huán)模型 (BarrelHoop)：桶 環(huán)模型的構成單元是環(huán)狀分子，主要 包括 環(huán)肽以及芳酰胺大環(huán)等。 S. Matile 課題組 發(fā)展 的苯低聚物 (poligophenyl)是最為典型的例子 ，通過調節(jié)這類低聚物上 的 芳 基 數(shù)目，可得到不同長度的低聚物 ，它 們作為剛性的棒狀骨架 。下面舉例 介紹一下這幾類人工跨膜通道模型。由有機合成得到結構相對簡單的單體分子，然后通過自組裝形成超分子體系，這樣的過程在人工組建跨膜通道的過程中是可行的。 ab Figure 19. (a) A schematic diagram for artificial channels。 其中，除單分子模型外，其余四種模型均是通過超分子自組裝形成 的多分子跨膜通道。自 1982年 Tabushi 課題組首次報道人工合成跨膜通道至今 [19]，關于人工合成跨膜通道的報道 逐年加速增長 。 天然通道蛋白的結構復雜、難于表征， 且天然通道蛋白 脫離生物體系易 失活 ，不便于研究 ，故在科研工作中往往選用與其功能類似，且 結構簡單、性質穩(wěn)定的天然小分子通道 。 (b) Molecular mechanics lowest energy structures of 5?Cl (top) and 5?HCO3 (bottom) plexes. 1. 5. 2 人工跨膜通道 (Artificial Channels) 在前文中提到，生物體系中 另有 一類通道蛋白以 “通道 ”形式跨膜 輸送 離子、分子 。此類人工離子載體 表現(xiàn)出非常 高的 輸送 效率 (Figure 18)[18]。甾類化合物骨架與磷脂雙分子層的疏水環(huán)境可以很好地相容 ，使得此類人工傳遞因子可以高效的實現(xiàn)氯離子的跨膜輸送 (Figure 17)[17]。目前，人工離子載體的研究主要集中在陰離子的跨膜輸送上 [16]。由示意圖可知，該 輸送過程是不連續(xù)的 (Figure 16)。 1. 5. 1 人工載體 (Artificial Transporters) 如前文所述，生物體系中存在以 “載體 ”形式輸送分子、離子的載體蛋白 。 多年以來， 化學家希望通過構筑人工跨膜輸送體系來模擬具有跨膜輸送功能的蛋白的結構與功能， 以期為研究物質跨膜輸送機理提供簡單的模型，從而為通道病的治療提供新的研究思路 。 這些膜蛋白 在跨膜輸送的過程中表現(xiàn)出極高的選擇性與效率，而且在保持細胞內(nèi)部正常的生理環(huán)境、生理信號的傳導和活性物質的合成等方面有極其重要的 作用 。 (b) αhelical structure。同短桿菌肽A類似，丙甲菌素也有較好的抗菌活性，它對細菌及真菌都有抑制或殺死功效 [15]。 丙甲菌素 采取 α螺旋結構的構象，單體長度為 ， 盡管 長度足以穿透磷脂雙層膜，但 其并不 以單分子的形式形成跨膜通道。 利用此特點 ，兩性霉素 B可以用來治療艾滋病、移植后的深度真菌感染。兩性霉素 B與固醇類分子有較強的結合能力 ； 同時，由共軛雙鍵組成剛性疏水結構與固醇類分子間存在范德華力作用，這就使固醇類分子與兩性霉素 B的結合更加緊密。 1. 4. 2 兩性霉素 B(Amphotericin B) Figure 14. Models of amphotericin B function in phospholipid bilayers. 由于制霉菌素 (Nystatin)與兩性霉素 B(Amphotericin B, AMB)的結構 作用機制基本類似 ，故 此 處 以兩性霉素 B為例 介紹這類天然小分子通道。短桿菌肽 A一般作為抗生物質使用，一般認為它的抗菌機理是通過在細菌細胞膜上形成跨膜的通道，從而改變細胞膜的通透性，使某些陽離子 向膜的另一側傳輸 ，從而使細菌的新陳代謝活動 受到抑制而死亡。 1. 4. 1 短桿菌肽 A(Gramicidin A) Figure 13. A schematic diagram for the gramicidin A. 短桿菌肽 A(gramicidin A)是從短芽孢桿菌 (Bacillus brevis)的培養(yǎng)物中提取出的一種線狀 多肽 ， 由 15個氨基酸構成，其中 包括交替排列的 8個 L型 氨基酸和 7個 D氨基酸， 這一結構特點使短桿菌肽 A形成 β螺旋結構 。第一類是短桿菌肽 A[12]，第二類是制霉菌素或兩性霉素 B[13]，第三類是丙甲菌素 [14]。 然而與通道蛋白具有類似功能的 天然小分子通道 結構卻簡 單很多 (通常是一些短肽分子 )，通過化學合成 較容易