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化学学院Lehn功能材料研究所报道首个基于氢键和阴离子-π作用协同调控的新型仿生离子传输通道


稿件来源:化学学院 | 作者:化学学院 | 编辑:许佳、郝俊 | 发布日期:2019-10-06 | 阅读次数:


        我校化学学院Lehn功能材料研究所“外专千人计划项目”专家、超分子化学与材料方向外籍导师Mihail Barboiu教授与博士生郑少平,于近日报道了首个基于氢键和阴离子-π作用协同调控的阴离子传输通道。该成果最近发表于科学期刊《德国应用化学》(Shao-Ping Zheng and Mihail Barboiu*, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, published online: 21 June, 2019,DOI: 10.1002/anie.201904808),并被列为VIP之一 (Very Important Paper, 5%),被选为当期期刊的封底文章。 

        离子借助蛋白通道进行跨膜迁移,是生物体内普遍存在的一种生理现象。它的存在既维系着细胞正常的内稳态,又构成了细胞内外电信号传递的基础。若该传输过程受阻,或由基因突变导致蛋白通道产生结构缺陷,都会引起一系列生理问题,医学上称之为“通道病”(channelopathies),如巴特综合症、贝斯特氏症、囊胞性纤维症等典型临床病症。与传统意义上工作量繁杂的缺陷蛋白修饰改性方法相比,直接合成具有离子传输功能的仿生通道日益成为一种热门的新型抗癌治疗方法。

        目前绝大多数仿生离子通道的构建采用以下组装策略:设计一具有多重离子结合位点(结合方向均指向孔道中心)的分子作为结构基元,通过对超分子作用强弱的调控选择性结合目标离子,并巧妙使该离子沿某一方向跳跃性前行,形成一可供离子自由传输的通道结构。在这里,涉及的超分子作用主要指各种形式的氢键,包括经典氢键、C-H键、阴离子-偶极作用等,而其他如阴离子-π作用,虽然已被报道广泛存在于基于阴离子识别的主客体间,但在生物传输通道中却极其少见,而且也仅是以离子传输载体的形式呈现。

 

阴离子通道(左图)及其形成过程(中图)与离子传输机制(右图)

 

        Mihail Barboiu教授与博士生郑少平发现,从结构上看,4个同一平面的分子质子化后,通过各种氢键的协调配合(氢键来源包括三氮唑环上的-CH, -NH2,五元环邻近酰胺键的-NH),形成可以稳定一对阴离子存在的三氮唑四极矩T4结构;同时,阴离子与位于该平面上或(和)下方的三氮唑环产生较强的阴离子-π作用(3.2-3.7Å),促使其最终形成一供阴离子滑移穿行的传输路径[图示左图]。这一传输结构,其内部自由穿行的孔隙能允许大小为3-4Å的阴离子通过,滑移长度为9-10Å。总的来说,分子发生质子化是前提(没有发生质子化的分子只能形成一氢键络合的网络结构),阴离子-π作用提供离子对顺序滑移的动力,而外部尾端的疏水性烷基链作为保护性外壳为整个通道结构在水环境中的稳定存在保驾护航,这三点是成功构建该阴离子传输通道结构不可或缺的三大要素。

        同时,该项研究通过基于囊泡膜的荧光传输实验探究比较了不同大小的质子化分子在磷脂层膜上自组装形成通道结构的离子传输性能,并推测出其离子传输机理[图示右图]。而作为唯一能区分构建形式为离子传输载体还是离子传输通道的Patch-Clamp实验更帮助证实了该通道结构在磷脂层膜上的存在。研究成果为后续进一步设计具有高效离子选择传输性的新型仿生离子传输通道开辟新思路,提供参考意义。

        该研究得到了中国国家基金委、法国国家研究机构基金和Lehn功能材料研究所的大力支持。

 

        论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201904808

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