【正文】 得到結(jié)構(gòu)與其類似的有機(jī)分子， 并且對(duì)于天然小分子通道的研究更加全面透徹 。 天然小分子通道 天然的通道蛋白雖然在傳輸效率及選擇性方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，但是其結(jié)構(gòu)過(guò)于 復(fù)雜，很難通過(guò)化學(xué)方法構(gòu)筑 相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬 。從生物體系中得到啟發(fā)，化學(xué)家 通過(guò)有機(jī)合成構(gòu)筑特定結(jié)構(gòu)的有 機(jī)小分子來(lái)模擬通道蛋白的輸送過(guò)程， 這類分子能夠 通過(guò)攜帶或控制來(lái) 選擇性 跨膜輸送生物活性物質(zhì) 。 Figure 12. A schematic diagram for the transport protein and channel protein. 前面提到，由磷脂雙分子層構(gòu)成的細(xì)胞膜無(wú)法在無(wú)外加驅(qū)動(dòng)力的條件下輸送生物體系中的陰陽(yáng)離子。 就目前所得出的結(jié)論來(lái)看， 在細(xì)胞膜上實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程主要有兩種 不同的 機(jī)理：一類是通過(guò)被輸送的物質(zhì)在膜內(nèi)(或膜外 )與載體蛋白結(jié)合以后，載體蛋白 攜帶者該物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到 細(xì)胞膜的 另 一側(cè) 然 后 將物質(zhì)釋放 釋放 ，這類輸送過(guò)程稱為 “載體 ”型輸送，典型的例子是葡萄糖傳遞因子 (GLUT 1 transporter)；另一種是膜蛋白在膜上形成的 特殊 “孔道 ”，物質(zhì)經(jīng)由該“孔道” 出入細(xì)胞膜 。膜蛋白起著內(nèi)外通道的作用，并 表現(xiàn)出極高的選擇性與效率，在保持細(xì)胞內(nèi)部正常的生理環(huán)境、生理信號(hào)的傳導(dǎo)和活性物質(zhì)的合成等方面有極其重要的作用 [10]。 通常，這些系統(tǒng)是由復(fù)雜的蛋白構(gòu)成， 也稱為膜蛋白，其中占據(jù)主導(dǎo)地位的是通道蛋白和載體蛋白兩種形態(tài)。 膜蛋白 分子離子等在細(xì)胞膜內(nèi)外的傳輸是一個(gè)精確調(diào)節(jié)的生物過(guò)程。傳統(tǒng)理論認(rèn)為 ，膜脂主要是對(duì)其內(nèi)容物提供隔離保護(hù)及骨架支撐作用。 甘油磷脂 具有親水的頭基及兩條疏水 的尾鏈， 因此 磷脂分子自組裝形成的脂雙層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)外表面為親水部分，而脂雙層內(nèi)部則為疏水 部分。 其中在生物體中占絕大多數(shù)的是 甘油磷脂 。生物膜在結(jié)構(gòu)上有其特殊性， 雖然不同的膜系統(tǒng)在組成 成分上有一定區(qū)別， 但 所有膜系統(tǒng)都是由磷脂分子、多糖及膜蛋白 等多組分 組裝形成的超分子化學(xué)體系 (Figure 11)[7]。 眾所周知 ，細(xì)胞內(nèi)還有許多細(xì)胞器與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu) (例如：線粒體、葉綠體、高爾基體 、溶酶體、細(xì)胞核 及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等 )，這些細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)同樣需要膜系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，這樣的膜稱為內(nèi)膜。 1. 2 生物膜 細(xì)胞是生命 體系活動(dòng)最 基本 的 功能與結(jié)構(gòu)單位?，F(xiàn)階段我們可以見(jiàn)到三種尺寸的組分可以發(fā)生自組裝：分子水平、納米級(jí)（膠體、納米線和納米微球）以及宏觀物質(zhì)（從微米到厘米大?。?[5]。自組裝可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)自組裝，它是一種具有可逆性、并最終能達(dá)到平衡的過(guò)程，這樣可以確保所形成的聚集體在熱力學(xué)上是最穩(wěn)定的，這也說(shuō)明自組裝體系具有自糾錯(cuò) 能力。超分子自組裝是一種或多種組分在多個(gè)非共價(jià)鍵的 “編碼 ”下自發(fā)地形成熱力學(xué)穩(wěn)定的聚集體。這些聚集體可以是由一個(gè)分子包結(jié)（識(shí)別）另一個(gè)分子而形成的主 客體復(fù)合物，也可以是互補(bǔ)的組分通過(guò)自發(fā)的 碰撞（自組裝）而形成的高級(jí)結(jié)構(gòu)。 分子識(shí)別（ molecular recognition）與自組裝或自組織（ selfassembly or selfanization）一直是超分子化學(xué)的兩個(gè)重要研究領(lǐng)域。法國(guó)科學(xué)家 Lehn、美國(guó)科學(xué)家 Cram 和 Pedersen 分別在分子識(shí)別、穴狀化合物和冠醚方面的研究，為超分子化學(xué)的發(fā)展做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作，他們?nèi)斯餐@得 1987 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng) [2]。 1978 年，法國(guó)科學(xué)家 Lehn 首先引入了現(xiàn)代超分子化學(xué)的定義 [1]。 關(guān)鍵字： 超分子化學(xué) ， 跨膜輸送 ， 大環(huán) ， 酰肼 ， 芳香。 芳香酰肼折疊體 聚合物 的構(gòu)建 及其 跨膜輸送研究 化學(xué)系 化學(xué)專業(yè) 蘇沛 指導(dǎo)教師： 黎占亭 侯軍利 目錄 中文摘要 Abstract 關(guān)鍵詞 Keyword 前言 超分子化學(xué) 生物膜 膜蛋白 天然小分子通道 短桿菌肽 A(Gramicidin A) 兩性霉素 B(Amphotericin B) 丙甲菌素 人工合成跨膜輸送體系 人工載體 人工跨膜通道 超分子 自組裝人工跨膜通道 單分子人工跨膜通道 人工離子通道的表征方法 基于囊泡的熒光實(shí)驗(yàn) 正文 目標(biāo)分子的設(shè)計(jì)與合成 芳酰肼大環(huán)分子 M1 至 M3 的嵌膜能力研究 實(shí)驗(yàn)部分 參考文獻(xiàn) 致謝 摘要 ： 本論文主要是關(guān)于 一類新型的超分子跨膜輸送體系的研究介紹 。 從簡(jiǎn)單的超分子 化學(xué) 概念出發(fā)， 基于組內(nèi)以前的工作，我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一系列超分子的芳香酰肼大環(huán)體系，并進(jìn)行了表征，最后還嘗試對(duì)其跨膜輸送效能進(jìn)行了初步的嘗試。 Abstract: This dissertation is mainly about a new kind of supramolecular transmembrane system. From the ordinary conception of supermolecular chemistry, a series of aromatic hydrazide macrocycle molecules were designed and synthesized based on former work in our group. After proper characterization, we tried testing their tranmembrane transporting efficiency. Keywords: supermolecular chemistry , transmembrane transportation , macrocycles , hydriazide, aromatic. 前言 超分子化學(xué) “超分子化學(xué) ”（ supramolecular chemistry）一詞最早出現(xiàn)在 webster’s dictionary (1903) 中，早期化學(xué)家也用 “分子層次之上的化學(xué) ”、 “非共價(jià)鍵的化學(xué) ”和 “非分子化學(xué) ”等詞語(yǔ)來(lái)描述這個(gè)領(lǐng)域。他將超分子化學(xué)定義為分子組裝及分子間成鍵的化學(xué)。 2022 年 ， Lehn 又對(duì)超分子化學(xué)重新進(jìn)行了定義：用非共價(jià)鍵的方法使各組份發(fā)生分子間的作用，來(lái)發(fā)展高度復(fù)合的體系 [3]。在廣義上，超分子是由很多組分（一種或多種）通過(guò)自發(fā)的或者在非共價(jià)鍵作用的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生結(jié)合而形成具有不同于各組分功能的聚集體。 人類對(duì)于物質(zhì)世界從無(wú)序到有序變化過(guò)程以及對(duì)生物細(xì)胞自組織過(guò)程的認(rèn)識(shí)都使我們對(duì)這種變化過(guò)程產(chǎn)生濃厚的興趣，進(jìn)而模擬這種過(guò)程來(lái)創(chuàng)造新的物質(zhì)[4]。聚集體的結(jié)構(gòu)取決于單體分子的結(jié)構(gòu)，有機(jī)合成可以提供自組裝的單體分子，而自組裝可以產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的聚集體。自組裝通常在溶液中或界面上進(jìn)行，這樣可以使各組分自由的移動(dòng)、碰撞和結(jié)合，并且各組分與體系所處環(huán)境間的相互作用也將影響自組裝的結(jié)果。基于自組裝的理論成果，超分子化學(xué)家已經(jīng)組裝出各種結(jié)構(gòu)的超分子 [6]。構(gòu)成生物體的細(xì)胞中都有一層薄膜 ，細(xì)胞 內(nèi) 外 環(huán)境 由這層薄膜 分隔開(kāi)來(lái)， 從而生命活動(dòng)可以獲得 穩(wěn)定的生物環(huán)境，這層膜稱為外周 膜或者是細(xì)胞膜。所有構(gòu)成細(xì)胞的外周膜與內(nèi)膜統(tǒng)稱為生物膜。 Figure 11. A schematic diagram for the cell membrane 構(gòu)成生物膜的膜脂 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同 一般 可分為三種 類型：甘油磷脂(glycerophospholipid)、鞘脂 (sphingolipid)以及膽固醇 (cholesterol)。 一般 認(rèn)為 ， 生物膜以甘油磷脂為主體骨架，鞘脂和膽固醇分散在主體骨架中，而在膜脂所形成主體骨架中還含有具有不同功能的膜蛋白 [8]。這樣的結(jié)構(gòu)形成生物膜， 使得非極性小分子 物質(zhì)可通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞，而極性物質(zhì) (如：氨基酸、陰陽(yáng)離子等 )則很難通過(guò)自由擴(kuò)散進(jìn)出細(xì)胞，從而保證了細(xì)胞膜內(nèi)外生物環(huán)境的穩(wěn)定，使各種生物功能 得以正常 表達(dá)。 普通的脂雙層在沒(méi)有外界力的作用下是不能滲透離子的，如鈉離子、氯離子等，因?yàn)閺哪びH水端開(kāi)始穿過(guò)膜疏水性內(nèi)部需要很大的能量 [9]。 細(xì)胞維持正常的生理功能需要不斷地從外界獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、同時(shí)各種生理活動(dòng)代謝產(chǎn)生的物質(zhì)也需要及時(shí) 從細(xì)胞內(nèi)部排除，而且細(xì)胞需要維持內(nèi)外滲透壓等生物環(huán)境的穩(wěn)定，因此 在細(xì)胞膜中 對(duì)應(yīng) 有特定的傳輸系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞與環(huán)境之間的化學(xué)物質(zhì)與化學(xué)信號(hào)，從而維持生命的穩(wěn)定與信息的傳遞。 因此在生物細(xì)胞中，陰陽(yáng)離子、水、氨基酸 以及糖類等具有生物活性的物質(zhì) 進(jìn)出 細(xì)胞膜 都 依靠具有跨膜輸送能力的膜蛋白 。 在過(guò)去的幾十年中，人們對(duì)跨膜蛋白的功能進(jìn)行了大量的研究，對(duì)運(yùn)輸與選擇性機(jī)制有了一定的了解，但是仍不 足夠 清楚。 與 “載體 ”型輸送相比，被輸送物質(zhì)是連續(xù)的 通過(guò) “孔道 ”進(jìn)出細(xì)胞膜，這一類型的輸送可稱為 “通道 ”型輸送，在生物體內(nèi)典型的例子是鉀離子通道蛋白 (Figure 12)。因?yàn)樵诩?xì)胞膜上有大量具有特殊輸送功能的膜蛋白，才使得這一過(guò)程變得高效而且專一。這些研究 可為 物質(zhì)跨膜輸送的機(jī)理提供簡(jiǎn)單的模型， 也有助于深入理解通道蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，并 將為與通道蛋白相關(guān)疾病的治療提供新的研究思路 [11]。 同時(shí)，由于通道蛋白不能脫離生命體進(jìn)行研究等原因，其 在跨膜輸送過(guò)程中的種種機(jī)理 還并不 清晰。目前， 科研工作者 主要以三類天然小分子通道為模板來(lái)設(shè)計(jì)人工合成的跨膜輸送體系。下面就這三類天然小分子通道 進(jìn)行介紹 。 由于單個(gè)短桿菌肽 A形成的螺旋結(jié)構(gòu)其長(zhǎng)度不足以穿過(guò)磷脂雙層膜，所以其通常以二聚體的形式組裝成為跨膜離子通道 (Figure 124)。短桿菌肽 A對(duì)某些革蘭氏陽(yáng)性菌 (Gram Positive Bacteria)有較好的抗菌效果 ，但 對(duì)人體細(xì)胞同樣有上述作用，故它的 臨床應(yīng)用受到較大限制，一般制成藥膏局部外用。兩性霉素 B是從節(jié)狀鏈霉 (Streptomyces nodosus)的代謝產(chǎn)物中提取的環(huán)狀多烯類抗生素，它是由37個(gè)碳原子組成，含有 7個(gè)共軛雙鍵組成的剛性疏水結(jié)構(gòu)和 7個(gè)羥基的飽和烷基連組成的親水的柔性結(jié)構(gòu)，是一個(gè)環(huán)狀內(nèi)酯兩親性分子 (Figure 14)。 舉例來(lái)說(shuō)， 兩性霉素 B與真菌細(xì)胞膜上的麥角固醇 (Ergosterol)結(jié)合后會(huì)形成板狀結(jié)構(gòu)， 4到 12個(gè)這樣的板狀結(jié)構(gòu) 可以在細(xì)胞膜中自組裝 形成 “桶 板 ”結(jié)構(gòu) 的跨膜通道。 1. 4. 3 丙甲菌素 (Alamethicin) 丙甲菌素 (Alamethicin)是一種從真菌 (綠色木霉菌， Trichoderma viride)中提取出的一種天然 線狀 多肽 ，由 20個(gè)氨基酸組成 。目前研究者認(rèn)為，丙