多肽自組裝研究進(jìn)展

多肽自組裝研究進(jìn)展

1多肽自組裝技術(shù)的發(fā)展分子自組通過分子和分子之間的分子識(shí)別，并通過非公衡作用形成具有特定排列序列的分子聚集體。非共價(jià)格相互作用力是分子自發(fā)組裝的關(guān)鍵。一般非共價(jià)格相互作用力包括氫約束、范德華力、靜態(tài)電作用、稀疏水作用、脂肪堆積效應(yīng)、陽離子吸附效應(yīng)等。非共價(jià)格相互作用力維持了自組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和完整性，但并非所有分子都有自組行為。它的出現(xiàn)需要兩個(gè)條件：自發(fā)安裝的動(dòng)力和導(dǎo)向作用，自安裝的動(dòng)力是指分子間非共價(jià)格相互作用力的耦合效應(yīng)，該效應(yīng)為分子提供能量。自安裝的導(dǎo)向效應(yīng)是指分子在空間上相互補(bǔ)償，分子可以在空間的大小和方向上重新排列和積累。隨著自組技術(shù)的發(fā)展，從自組中挑選出來的材料包括非線性光學(xué)裝置、化學(xué)生物傳感器、信息存儲(chǔ)材料和組織生長支撐材料[2.4]。多肽是涉及生物體內(nèi)各種細(xì)胞功能的生物活性物質(zhì),是介于氨基酸和蛋白質(zhì)之間的一類化合物,由多種氨基酸按照一定的排列順序通過肽鍵結(jié)合而成.由于多肽鏈段上氨基酸殘基具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu),多肽可以利用其肽鍵間氫鍵作用以及氨基酸殘基之間的氫鍵作用、靜電作用、疏水性作用以及π-π堆積作用等有效實(shí)現(xiàn)分子自組裝.自然界常見的氨基酸有20種,通過分子設(shè)計(jì)和多肽合成等手段可以得到成千上萬種結(jié)構(gòu)特異、具有不同功能的多肽,有利于多肽自組裝的基元選擇和自組裝條件的優(yōu)化.此外,由于多肽是涉及生物體內(nèi)各種細(xì)胞功能的生物活性物質(zhì)、具有良好的生物相容性和可控的降解性,相對(duì)于其他自組裝體系,多肽的自組裝有著更為廣闊的應(yīng)用前景,尤其是在組織工程、基因治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.基于以上優(yōu)點(diǎn),近年來多肽的自組裝引起國內(nèi)外研究人員越來越大的研究興趣.1993年,Ghadiri等設(shè)計(jì)并合成了含有8個(gè)氨基酸殘基的環(huán)肽(cyclo-[(L-Gln-D-Ala-L-Glu-D-Ala)2-]),通過交替改變分子結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基的空間構(gòu)象(L型和D型),該環(huán)肽可以在水溶液中自組裝形成納米管狀結(jié)構(gòu).同年,Zhang等報(bào)道了一種可以自組裝形成水凝膠膜的離子互補(bǔ)型十六肽.隨后,一系列具有自組裝行為的多肽相繼被報(bào)道[7~21].多肽自組裝可以分為自發(fā)型自組裝和觸發(fā)型自組裝.自發(fā)型自組裝是指多肽溶解在水溶液中后,可以自發(fā)地形成組裝體.如Zhang等報(bào)道的由精氨酸(R)殘基、天冬氨酸(D)殘基和丙氨酸(A)殘基交替排列的離子互補(bǔ)型RAD16系列肽以及可以自組裝形成納米管、囊泡等結(jié)構(gòu)的脂質(zhì)體型小分子多肽.觸發(fā)型多肽自組裝是指通過改變外界環(huán)境如溫度、pH、離子濃度等引導(dǎo)的自組裝.目前大部分的多肽自組裝研究集中在觸發(fā)型自組裝,因?yàn)檫@類自組裝具有可逆性,為多肽自組裝技術(shù)的潛在應(yīng)用提供了良好的可控性.目前已報(bào)道的觸發(fā)型多肽自組裝主要包括溫度敏感、pH敏感、光敏感以及配體-受體敏感等類型的自組裝.事實(shí)上,無論是自發(fā)型還是觸發(fā)型,其自組裝都是基于二級(jí)結(jié)構(gòu)如α-螺旋(α-helix)、β-折疊(β-sheet)的形成或者其自身分子結(jié)構(gòu)的兩親性.本文從多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變以及其自身結(jié)構(gòu)的兩親性逐一闡述多肽自組裝的機(jī)理、自組裝體的形貌及其應(yīng)用.2多肽自組裝過程中的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化多肽的一級(jí)結(jié)構(gòu)即為自身的化學(xué)結(jié)構(gòu),當(dāng)把多肽溶解在水溶液中,多肽分子可以自發(fā)或觸發(fā)地向二級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變.這種空間構(gòu)象的轉(zhuǎn)變往往導(dǎo)致多肽自組裝行為的發(fā)生.多肽自組裝過程中常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋(α-helix)、β-折疊(β-sheet)、β-發(fā)夾(β-hairpin)等.2.1多肽自組裝結(jié)構(gòu)的研究α-螺旋是多肽類分子主要的二級(jí)結(jié)構(gòu),空間上表現(xiàn)為多肽鏈段上肽鍵通過氫鍵作用形成的單一的螺旋結(jié)構(gòu)(圖1(a)).在構(gòu)建α-螺旋結(jié)構(gòu)時(shí),由于每一個(gè)螺旋狀的旋轉(zhuǎn)需要大約3.6個(gè)氨基酸殘基,因此多肽鏈段上3到4個(gè)氨基酸殘基組成的多肽片段需要具有類似的化學(xué)性質(zhì),如親疏水性等.由于α-螺旋的熱動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性,在溶液中往往難以穩(wěn)定的螺旋形式存在.因此,穩(wěn)定α-螺旋構(gòu)象對(duì)于此類多肽的自組裝研究具有極其重要的意義.常用的方法有化學(xué)交聯(lián)在α-螺旋結(jié)構(gòu)中同一側(cè)面的氨基酸殘基、氫鍵配對(duì)、金屬配位以及鹽橋作用等[28,33,34,35,36,37,38,39,40,41].例如,Kumita等利用多肽固相合成技術(shù)得到了含有兩個(gè)半胱氨酸(C)殘基的十六肽(acetyl-EACARVAibAACEAAARQ-NH2,兩個(gè)半胱氨酸殘基分別位于i和i+7位).如圖1(b)所示,用含有偶氮苯基團(tuán)的交聯(lián)劑對(duì)兩個(gè)半胱氨酸殘基進(jìn)行交聯(lián)后,由于在光照的條件下偶氮苯基團(tuán)可以實(shí)現(xiàn)反式到順式的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致該肽在水溶液中的α-螺旋結(jié)構(gòu)大大增加并趨于穩(wěn)定,這樣也使得其自組裝行為具有光敏感特性.同時(shí),他們還進(jìn)一步研究了兩個(gè)半胱氨酸殘基分別位于i和i+4位(acetylEAAAREACARECEAARQ-NH2,FK-4-X)以及i和i+11位(acetyl-EACAREAAAREAACRQ-NH2,FK-11-X)的兩種肽的自組裝行為.通過含有偶氮苯基團(tuán)的交聯(lián)劑對(duì)兩個(gè)半胱氨酸殘基進(jìn)行交聯(lián),順式的偶氮苯基團(tuán)有利于FK-4-X肽在水溶液中形成穩(wěn)定的α-螺旋結(jié)構(gòu),而反式的偶氮苯基團(tuán)則有利于FK-11-X肽在水溶液中形成穩(wěn)定的α-螺旋結(jié)構(gòu)(圖1(c)).Mihara等設(shè)計(jì)合成了Ac-AAEALLKAHAELLAKA-AGGGC-NH2二十一肽.在水溶液中,多肽鏈段上谷氨酸(E)殘基和賴氨酸(K)殘基間的鹽橋作用在一定程度上能夠穩(wěn)定α-螺旋結(jié)構(gòu).同時(shí)該種多肽結(jié)構(gòu)上半胱氨酸殘基可以通過二硫鍵交聯(lián)形成二聚的H2α-17肽.這種新形成的H2α-17肽結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)組氨酸(H)殘基通過與血紅素識(shí)別形成金屬配位橋聯(lián)的平行α-螺旋鏈,導(dǎo)致α-螺旋的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng),能夠自組裝形成穩(wěn)定的納米聚集體.另外Lee等巧妙地利用多肽分子的β-折疊(β-sheet)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)和穩(wěn)定α-螺旋構(gòu)像.研究發(fā)現(xiàn),孤立的AAAAKAAAAK多肽片段在水溶液中只有部分形成α-螺旋結(jié)構(gòu),而將AAAAKAAAAK多肽片段與WKWEWKWEW多肽片段相連形成環(huán)狀多肽后,WKWEWKWEW多肽片段形成的β-折疊有序排列能夠有效地誘導(dǎo)AAAAK-AAAAK多肽片段形成穩(wěn)定的α-螺旋結(jié)構(gòu),從而使得該環(huán)肽在水溶液中組裝成納米棒、球狀納米粒子等結(jié)構(gòu).除了α-螺旋,近年來研究發(fā)現(xiàn),部分多肽的自組裝是基于多股α-螺旋即卷曲螺旋(coiled-coil)的超二級(jí)結(jié)構(gòu).其空間上表現(xiàn)為兩股或多股α-螺旋結(jié)構(gòu)之間通過氫鍵作用、靜電作用以及疏水性作用形成的超螺旋結(jié)構(gòu).用于構(gòu)建卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的多肽分子結(jié)構(gòu)中正常含有3到4個(gè)由7個(gè)氨基酸殘基組成的基本重復(fù)單元(圖2(a)中的a~g).其中,a,d,e,g四個(gè)位置上的氨基酸殘基之間的相互作用是構(gòu)建卷曲螺旋模型的內(nèi)在作用力;a,d兩個(gè)位置上氨基酸殘基之間的作用力為疏水性作用,而e,g兩個(gè)位置上氨基酸殘基則可以通過靜電作用來達(dá)到調(diào)節(jié)卷曲螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)核的疏水性強(qiáng)弱.因此,如果改變外界的pH值,e,g兩個(gè)位置的氨基酸殘基可以進(jìn)行質(zhì)子化,它們之間的靜電排斥作用使得卷曲螺旋結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定.事實(shí)上,很多研究表明基于卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的多肽自組裝都具有pH敏感性[47~50].例如,Stevens等合成了一種含有半胱氨酸端基的七十六肽,其中42個(gè)氨基酸序列(SGDLENEVAQLEREVRSLEDEAAELEQKVSRLKNEIEDLKAE)可以形成卷曲螺旋結(jié)構(gòu).如圖2(b)所示,由于d位置是亮氨酸(L)殘基而e,g兩位置為谷氨酸(E)殘基,在酸性水溶液中(pH4.5),該肽可以形成卷曲螺結(jié)構(gòu),而且e,g兩位置上谷氨酸殘基間氫鍵作用可以穩(wěn)定卷曲螺旋結(jié)構(gòu),使得該肽可以自組裝形成納米纖維.使用圓二色譜儀跟蹤監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)(圖2(c)),升高溶液的pH值至中性(pH7.4)或堿性(pH11.2)后,e,g兩位置上谷氨酸殘基質(zhì)子化,它們之間的靜電排斥作用使得卷曲螺旋結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定,會(huì)破壞自組裝形成的納米纖維結(jié)構(gòu).基于上述的pH敏感性,他們更進(jìn)一步利用半光氨酸端基上的巰基與金納米粒子共價(jià)鍵結(jié)合.在中性條件下(pH7.4),由于卷曲螺旋結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,金納米粒子均勻分散在水溶液中;而在酸性條件下(pH4.5),多肽的自組裝可以使金納米粒子迅速在纖維表面聚集,達(dá)到還原金的目的(圖2(d)).與Stevens等不同,Woolfson等在保持d位置為亮氨酸(L)殘基的基礎(chǔ)上,在e,g兩位置上引入谷氨酸(E)以及賴氨酸(K)殘基,得到一系列離子互補(bǔ)型二十八肽(圖3(a)).在中性水溶液中,這一系列肽可以利用e,g兩位置上谷氨酸以及賴氨酸殘基之間靜電吸引作用構(gòu)建穩(wěn)定的卷曲螺旋結(jié)構(gòu),并自組裝形成納米纖維.升高溶液的離子濃度后,谷氨酸以及賴氨酸殘基上的電荷被屏蔽,卷曲螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)卷曲,進(jìn)而破壞了納米纖維自組裝結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上,他們還進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),卷曲螺旋結(jié)構(gòu)中b位置分別為天冬氨酸和精氨酸的兩種肽(圖3(a)中SAF-p1和SAF-p2a)可以在水溶液中共同自組裝形成穩(wěn)定的微米級(jí)纖維(圖3(b)).通過高倍透射電鏡觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)這些微米級(jí)纖維是由很多個(gè)納米纖維定向聚集而成.其聚集的驅(qū)動(dòng)力是SAF-p1和SAF-p2a兩種肽在自組裝過程中初始形成的原纖維表面異性電荷的靜電吸引作用(圖3(c)).2.2rada13-i肽在制備工藝和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用β-折疊也是多肽類分子常見的二級(jí)結(jié)構(gòu),空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為多肽鏈段通過平行(稱為平行β-折疊)或反平行(稱為反平行β-折疊)方式排列形成的薄片,其內(nèi)部作用力主要為多肽鏈段上肽鍵間的氫鍵作用(圖4(a)).在眾多的多肽自組裝研究中,反平行β-折疊結(jié)構(gòu)居多.這是因?yàn)榉雌叫笑?折疊結(jié)構(gòu)中多肽鏈段之間氫鍵距離(圖4(b))相對(duì)平行β-折疊中氫鍵距離較短(圖4(c)),氫鍵作用相對(duì)較強(qiáng).研究表明,許多疾病,如Alzheimer和Parkinson等與體內(nèi)蛋白β-折疊空間結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的沉淀聚集有關(guān)[55~57].基于β-折疊的多肽自組裝研究很多,其中以親疏水氨基酸殘基相互穿插構(gòu)成的多肽居多,一個(gè)典型代表為Lego肽[6,7,8,58,59,60,61,62,63].這種肽由極性和非極性氨基酸殘基交替排列組成,類似Lego玩具上凸出的栓和凹陷的孔洞而得名.由于Lego肽這種規(guī)則的分子結(jié)構(gòu)(極性和非極性氨基酸交替排列),多肽鏈段易在空間上通過氫鍵作用相互排列堆積形成β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu).Yokoi等設(shè)計(jì)了由帶正電荷的精氨酸(R)殘基、帶負(fù)電荷的天冬氨酸(D)殘基和不帶電荷的丙氨酸(A)殘基交替排列的RADA16-I肽([COCH3]-RADARADARADARA-DA-[CONH2],圖4(d)).如圖4(e)所示,在水溶液中,疏水的丙氨酸殘基迅速彼此靠攏聚集以降低體系的能量,而能夠電離的天冬氨酸殘基和精氨酸殘基則通過靜電作用相互吸引排列在組裝體的外層.由于丙氨酸殘基是靠疏水作用力相結(jié)合,而非化學(xué)鍵鍵合,丙氨酸殘基可以橫向滑移以減少其與水分子的接觸,最終使肽鏈的疏水面完全契合形成規(guī)整的具有β-折疊結(jié)構(gòu)并自組裝形成納米纖維.目前,RADA16-I肽已經(jīng)商品化(PuraMatrix),應(yīng)用于多種組織和細(xì)胞培養(yǎng).除了上述RADA16-I肽,Lego肽還有大量其他的分子結(jié)構(gòu).例如,Rapaport等報(bào)道的Pro-Glu-(PheGlu)n-Pro(n=4,5或7)肽,由帶負(fù)電荷的親水谷氨酸殘基Glu和疏水的苯丙氨酸殘基Phe構(gòu)成,在空氣和水的界面能以β-折疊的結(jié)構(gòu)自組裝形成單分子層.類似的,Kamm等[65~67]合成的八肽FKFEFKFE(KFE8)中,賴氨酸(K)殘基帶正電荷,谷氨酸(E)殘基帶負(fù)電荷,而苯丙氨酸(F)殘基不帶電荷,組成了典型的親疏水交替肽.通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn),KFE8肽能夠以雙螺旋狀β-折疊結(jié)構(gòu)自組裝形成較規(guī)則的納米纖維.在pH值為4時(shí),納米纖維可以在水溶液中迅速相互纏繞形成KFE8肽的超分子凝膠.Epand等報(bào)道的Ac-(LeuLysLysLeu)5-NHEt和Ac-(LysLeu)10-NHEt肽也能夠在水溶液中以β-折疊結(jié)構(gòu)自組裝形成納米纖維.除了自組裝形成納米纖維外,研究發(fā)現(xiàn)多肽分子還可以利用其β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)自組裝形成納米管,囊泡等組裝體.例如,Ghadiri等最早設(shè)計(jì)并合成的含有8個(gè)氨基酸殘基的環(huán)肽(cyclo-[(L-Gln-D-Ala-L-Glu-D-Ala)2-]),如圖5(a)所示,通過交替改變分子結(jié)構(gòu)中丙氨酸殘基的空間構(gòu)象(L型和D型).該環(huán)肽可以在水溶液中自組裝形成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的納米管.Couet等在環(huán)肽cyclo-(L-Lys-D-Ala-L-AspD-Ala-L-Lys-D-Ala-L-Lys-D-Ala)結(jié)構(gòu)上引入異丁基溴功基.在水溶液中,該種環(huán)肽可以自組裝形成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的納米管.如圖5(b)所示,由于異丁基溴功基分布在納米管的表面,該種納米管可以作為模板進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP),形成一種多肽-聚合物復(fù)合納米材料.Reiriz等利用固相合成技術(shù)將C60接到含有八個(gè)氨基酸殘基的環(huán)肽上.如圖5(c)所示,在水溶液中該肽能夠利用其β-折疊結(jié)構(gòu)自組裝形成含有單層C60的納米管.近年來,由環(huán)肽利用其β-折疊結(jié)構(gòu)自組裝形成的納米管在生物傳感器、光器件以及電化學(xué)器件等方面都有著廣泛的應(yīng)用.研究表明,不僅單一的多肽鏈段能夠以β-折疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行自組裝,兩種或多種多肽也可通過分子間的非共價(jià)鍵相互作用共同自組裝形成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的組裝體.Ramachandran等分別研究了陽離子型acetyl-KWKVKVKVKVKVKVK-NH2-(KVW15)、acetyl-WKVKVKVKVK-NH2(KVW10)肽以及陰離子型acetyl-EWEVEVEVEV-NH2(EVW10)肽在水溶液中的自組裝行為.把陽離子型和陰離子型肽簡單地混合在水溶液中后,分子間靜電吸引作用可以使兩種多肽分子結(jié)合在一起,并共同自組裝形成具有β-折疊結(jié)構(gòu)的納米纖維.相對(duì)于單一陽離子型或陰離子型肽的自組裝,這種共同自組裝并未改變?nèi)芤旱膒H值和鹽濃度,因此在組織工程支架材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景.2.3利用固相合成技術(shù)制備的多肽結(jié)構(gòu)β-發(fā)夾是多肽二級(jí)結(jié)構(gòu)β-turn(β-轉(zhuǎn)角)的衍變,類似于β-折疊結(jié)構(gòu),是由Schneider等提出的一種多肽結(jié)構(gòu)模型.空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為多肽鏈段上氨基酸殘基通過氫鍵作用形成的U形彎曲.構(gòu)建β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)要求多肽鏈段中必須含有能夠發(fā)生彎曲的氨基酸序列,常見的是脯氨酸-甘氨酸(Pro-Gly)或者脯氨酸-蘇氨酸(Pro-Thr)序列.Schneider等利用多肽的固相合成技術(shù)先后制備了MAX1-7七種可以形成β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)的多肽(圖6(a)).在這些多肽分子結(jié)構(gòu)中,親水性的賴氨酸(K)殘基和疏水性的纈氨酸(V)氨基交替排列.在酸性條件下,質(zhì)子化的賴氨酸殘基之間的靜電排斥作用使多肽分子不能形成β-發(fā)夾結(jié)構(gòu).升高溶液的pH值或增加溶液的離子濃度屏蔽靜電排斥作用后,多肽則可以形成以賴氨酸殘基為內(nèi)面、纈氨酸殘基為外面的β-發(fā)夾結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步利用其纈氨酸殘基外面的疏水性作用自組裝形成納米纖維(圖6(b))[76~78].由于MAX系列肽可以在細(xì)胞培養(yǎng)液DMEM中自組裝形成多肽凝膠,因而可以作為細(xì)胞生長支架材料以及藥物控釋載體.同時(shí),由于MAX系列肽中存在可電離的賴氨酸殘基,由MAX系列肽構(gòu)成的多肽凝膠還具有一定的抑菌功能.Schneider等還進(jìn)一步對(duì)MAX系列肽進(jìn)行化學(xué)修飾,使得它們的自組裝行為具有光、溫度等敏感特性.3利用自組裝體系中的雙環(huán)兩親性分子與水分子相互作用時(shí)傾向于將其親水段裸露在外圍與水分子形成交界面,疏水段則向內(nèi)聚集.在多肽的自組裝研究中,研究人員將傳統(tǒng)的兩親性概念引入到多肽自組裝體系中.常用的手段是將疏水性的基團(tuán)引入到多肽鏈段的一端,這樣得到的多肽衍生物類似于表面活性劑或脂質(zhì)體,通常稱之為兩親性多肽(peptideamphiphile).相對(duì)于前面所述的利用多肽空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的自組裝,兩親性多肽需要的多肽鏈段相對(duì)較短,例如在簡單的甘氨酸-甘氨酸(GG)二肽一端引入9-芴甲氧羰基(FMOC)就可使其自組裝形成納米纖維.目前常用的疏水性基團(tuán)主要包括脂肪族烷基鏈和芳香族功能基.3.1兩親性多肽的自組裝Kunitake等最早提出了兩親性多肽的概念.如7(a)所示,這種兩親性多肽包括一個(gè)疏水性的尾部(由一個(gè)或多個(gè)脂肪族烷基鏈組成)、連接區(qū)、間隔區(qū)以及親水性的頭部(由多肽鏈段組成).連接區(qū)將疏水性尾部與親水性頭部相連,而間隔區(qū)增加二者之間連接距離,以避免頭尾兩部分在自組裝過程中相互干擾.這種兩親性多肽能在水溶液中進(jìn)行親水段向外、疏水段向內(nèi)的有序排列.通過合理調(diào)控其結(jié)構(gòu)中四部分的成分以及長短可以得到膠束、囊泡、單層膜、納米纖維、納米管、納米盤等組裝體.Gore等設(shè)計(jì)合成了類似于膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的兩親性多肽(圖7(b)),并研究疏水性烷基鏈長短、數(shù)目以及溫度對(duì)該肽自組裝行為的影響.結(jié)果表明,具有單個(gè)疏水性烷基鏈的兩親性多肽可以在水溶液中自組裝形成球狀膠束.含有兩個(gè)C12或C14疏水性烷基鏈的兩親性多肽同樣可以自組裝形成球狀膠束(圖7(c));增長兩個(gè)疏水性烷基鏈長度至C16或C18時(shí),兩親性多肽可以自組裝形成盤狀膠束,而且這些盤狀膠束在室溫下可以相互堆積形成繩狀組裝體(圖7(d)).此時(shí),升高體系的溫度并冷卻至室溫后,繩狀組裝體消失,取而代之的是球狀膠束.近年來,許多研究人員對(duì)Kunitake等提出的兩親性多肽概念進(jìn)行簡化并發(fā)現(xiàn)許多只有疏水性烷基鏈和親水性的多肽鏈段組成的兩親性多肽也可以進(jìn)行自組裝.如圖8(a)所示,這類兩親性多肽可以通過烷基鏈的疏水性作用以及多肽鏈段的氫鍵作用(β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu))在水溶液進(jìn)行自組裝,形成的組裝體絕大部分為納米纖維(由于這些納米纖維具有規(guī)整的疏水性內(nèi)核和親水性外殼,可稱之為纖維狀膠束).Stupp等對(duì)這一類型的兩親性多肽進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究,包括在多肽鏈段中引入具有生物活性氨基酸序列,例如具有細(xì)胞粘附特性的線性和環(huán)狀精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列,以及能夠促進(jìn)神經(jīng)突生長的異亮氨酸-賴氨酸-纈氨酸-丙氨酸-纈氨酸序列(IKVAV)[90~92].他們還針對(duì)這類兩親性肽的自組裝形態(tài),采用計(jì)算模擬輔以實(shí)驗(yàn)觀察的方式繪制出形態(tài)轉(zhuǎn)變的“相圖”(圖8(c)),研究此類兩親性多肽分子在水溶液中的自組裝形態(tài)變化與分子間作用力、溶液pH值、溶液鹽離子濃度等之間的關(guān)系,較直觀地闡述了兩親性多肽在不同條件下的自組裝形態(tài)及結(jié)構(gòu)模型.Paramonov等對(duì)肽鏈上N-甲基化進(jìn)行修飾來調(diào)控氫鍵數(shù)目,研究氫鍵作用對(duì)這類兩親性多肽自組裝行為的影響.研究發(fā)現(xiàn),減少肽鏈片段間的氫鍵作用將會(huì)使分子不易形成納米纖維,而更傾向于形成球形納米膠束.我們也考察了不同的疏水性端基、氨基酸序列以及溶液的pH對(duì)這一類型兩親性多肽自組裝行為的影響.研究發(fā)現(xiàn),在中性或堿性水溶液中,由于兩親性多肽電離而存在靜電排斥作用,具有較短疏水性烷基鏈或較大體積疏水性端基(如FMOC功能基)的兩親性多肽更加傾向于形成球狀納米膠束或囊泡,其自組裝行為與離子型表面活性劑類似.對(duì)于具有較長疏水性烷基鏈的兩親性多肽,由于其較強(qiáng)的疏水性作用有效抑制靜電排斥作用,兩親性多肽更加傾向于形成納米纖維結(jié)構(gòu)(圖9(a)).含有疏水性烷基鏈的兩親性多肽除了可以自組裝得到各種功能性多肽材料,研究人員還在其多肽鏈段中引入帶正電的氨基酸殘基如精氨酸R和賴氨酸K制備可以攜帶DNA的兩親性多肽基因載體[98~100].相對(duì)于傳統(tǒng)的基因載體,如25kDa聚乙烯亞胺(PEI)兩親性多肽基因載體可以有效降低載體毒性和提供靶向性.我們制備了一系列含有跨膜肽(8個(gè)連續(xù)的精氨酸序列)的兩親性多肽基因載體.這些兩親性多肽能夠與DNA復(fù)合并共同自組裝形成納米組裝體(圖9(b)).其基因轉(zhuǎn)然效率隨著疏水性烷基鏈的增長而顯著增加.其中含有RGD靶向基團(tuán)C17H35-CONH-GR7RGD肽負(fù)載DNA的轉(zhuǎn)染效率與25kDaPEI相當(dāng).Liu等將疏水性的烷基鏈改為膽固醇并在多肽鏈段引入TAT肽(6個(gè)連續(xù)的精氨酸序列),得到一種新型的兩親性多肽基因載體(圖9(c)).研究表明該兩親性多肽可以與DNA緊密的復(fù)合,并表達(dá)出較高的轉(zhuǎn)染效率達(dá)到抗菌的效果.Tarwadi等采用帶正電荷的賴氨酸K、具有pH緩沖作用的組氨酸H以及可以通過氧化交聯(lián)的半胱氨酸C與一條烷基鏈構(gòu)成兩親性肽.研究表明,其中的兩種肽PalCK2H2和PalCK3H2(Pal:palmitoylfattychainC16)可較好地復(fù)合DNA,且轉(zhuǎn)染效率較高,能夠有效地在細(xì)胞中進(jìn)行基因傳遞.而且通過調(diào)節(jié)組氨酸和賴氨酸的比例以及在多肽鏈段上的排列順序,還可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)染效率.除了上述含有疏水性尾部和親水性頭部的兩親性多肽外,研究人員發(fā)現(xiàn)一些非常規(guī)的兩親性多肽也具有自組裝行為.如Claussen等報(bào)道的類似于啞鈴型結(jié)構(gòu)的兩親性多肽(peptidebolaamphiphile).其分子結(jié)構(gòu)兩端分別多肽鏈段和親水性的低聚乙二醇,中間為疏水性的烷基鏈.在水溶液中,這種兩親性多肽可以自組裝形成中間為疏水而內(nèi)外面均為親水的納米纖維結(jié)構(gòu).3.2含芳香族端基的多肽自組裝自從Gazit等報(bào)道了苯丙氨酸-苯丙氨酸(Phe-Phe)二肽可以通過苯環(huán)之間π-π堆積作用自組裝形成納米管、納米空心球以及納米纖維等結(jié)構(gòu),π-π堆積作用被廣泛運(yùn)用于兩親性多肽自組裝行為的研究.能夠形成π-π堆積作用的兩親性多肽往往具有一個(gè)疏水性芳香族端基以及相對(duì)較短的親水性多肽鏈段.這類兩親性多肽在水溶液可以利用其芳香族端基的π-π堆積作用相互排列在一起,通過其多肽鏈段間的氫鍵共同作用實(shí)現(xiàn)自組裝.目前常用的芳香族端基為FMOC功能基.Xu等和Ulijn等深入研究了一系列含有FMOC端基的二肽自組裝行為.研究發(fā)現(xiàn),除了甘氨酸-苯丙氨酸(Gly-Phe)以及甘氨酸-蘇氨酸(Gly-Thr)二肽外,其他含F(xiàn)MOC端基的二肽均能在水溶液自組裝形成納米纖維,而且這些二肽的自組裝大多具有pH敏感性.最近,我們研究發(fā)現(xiàn),兩種離子互補(bǔ)型的含有FMOC端基的兩親性多肽可以在生理?xiàng)l件下共同自組裝形成均一、穩(wěn)定的,具有納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的多肽凝膠.在納米纖維結(jié)構(gòu)中,兩種離子互補(bǔ)型多肽預(yù)先通過靜電作用結(jié)合一起,其FMOC端基通過反式的π-π堆積作用排列在一起,而多肽鏈段則通過反式的氫鍵作用相互結(jié)合在一起(圖10(a)).我們還設(shè)計(jì)合成了一類含有FMOC端基的兩親性五肽(FMOC-FFRGDF,圖10(b))并發(fā)現(xiàn)這種五肽可以在生理?xiàng)l件下自組裝形成具有納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的多肽凝膠(圖10(c)).將抗增生藥物,5-氟尿嘧啶包裹在多肽凝膠內(nèi)并在青光眼濾過手術(shù)中注射到兔子眼睛后,由于從多肽凝膠中釋放出的5-氟尿嘧啶可以有效抑制成纖維細(xì)胞的增生,濾過手術(shù)后形成的濾過泡(bleb,圖10(d))可以持續(xù)存在,兔子的眼壓在術(shù)后一個(gè)月內(nèi)均保持在較低水平(圖10(e)).除了FMOC基團(tuán),研究表明,許多其他芳香族功能基都可以作為疏水性基團(tuán)引入到多肽鏈段的一端提供π-π堆積作用.Yang等將萘乙酸引入到一系列二肽的一端成功實(shí)現(xiàn)了多肽的自組裝.Zhang等將芘丁酸作為疏水性基團(tuán)引入到D型丙氨酸二肽的一端制備了Py-b-D-Ala-D-Ala-OH肽.該兩親性多肽在水溶液中利用芘環(huán)的π-π堆積作用和D-AlaD-Ala二肽片段的氫鍵作用自組裝形成具有納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的凝膠.由于D-Ala-D-Ala二肽與萬古霉素之間存在著配體-受體作用,Py-b-D-Ala-D-Ala-OH肽形成的凝膠具有配體-受體敏感性.我們最近將4-羧基苯硼酸引入到結(jié)構(gòu)自互補(bǔ)的十肽一端得到了含有硼酸功能基的兩親性多肽.這些兩親性多肽同樣可以在水溶液中利用苯硼酸的π-π堆疊作用、多肽鏈段的氫鍵作用以及分子結(jié)構(gòu)自身的互補(bǔ)性作用自組裝形成穩(wěn)定均一的納米纖維.在對(duì)含芳香族端基的兩親性多肽自組裝的研究中發(fā)現(xiàn),這類多肽可以較容易通過改變其分子結(jié)構(gòu)的親疏水性來調(diào)控其自組裝行為.如含有FMOC端基的甘氨酸-甘氨酸二肽(FMOC-Gly-Gly-OH)在pH為3的水溶液中可以自組裝形成納米纖維.而升高溶液的pH至6時(shí),自組裝形成的納米纖維被迅速破壞.此外,升高自組裝體系的溫度則會(huì)破壞多肽鏈段間氫鍵作用,該二肽也很難發(fā)生自組裝.除了溫度和pH敏感性,Xu和Ulijn等近年來開發(fā)了一系列基于含芳香族端基兩親性多肽的酶敏感自組裝體[113~120]通常由酶調(diào)控的多肽自組裝主要分為兩種形式(圖11(a)).第一種就是利用酶的催化降解性能先分解掉多肽鏈上的某一基團(tuán),改變其親疏水性來實(shí)現(xiàn)其自組裝.如Xu等利用磷酸酯酶催化分解Nap-s-β3-HPhg-s-β3-Phg-Tyr(PO3H2)-OH肽結(jié)構(gòu)中的磷酯鍵得到可以在水溶液中自組裝的Nap-s-β3-HPhg-s-β3-Phg-Tyr-OH多肽分子(圖11(b)).第二種是通過酶的催化作用將小分子多肽與另外一種化合物鍵接起來形成可以在水溶液中自組裝的衍生物.Ulijn等報(bào)道無論是FMOC保護(hù)的苯丙氨酸(FMOC-F)還是苯丙氨酸-苯丙氨酸(FF)二肽都不能在水溶液中自組裝.但是有嗜熱菌蛋白酶(thermolysin)或胰凝乳蛋白酶存在時(shí),FMOC-F以及FF可以被催化縮合在一起形成FMOC-FFF三肽并進(jìn)行自組裝(圖11(c)).除了上述的磷酸酯酶、嗜熱菌蛋白酶、胰凝乳蛋白酶外,眾多研究表明β-內(nèi)酰胺酶、脂酶、胰蛋白酶等都可以用來調(diào)控含有芳香族端基的兩親性多肽自組裝.近來研究發(fā)現(xiàn)酶不僅可以調(diào)控多肽的自組裝,還可以調(diào)控某些氨基酸的自組裝.例如磷酸酯酶能夠催化9-芴甲氧羰基-(O-磷?；?-酪氨酸(FM