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基于通道蛋白核心结构域的人工离子通道

基于通道蛋白核心结构域的人工离子通道

作者：徐林琪河南师范大学

学位级别：硕士

细胞膜上的通道蛋白不仅具有跨膜输送的功能,还负责细胞间和细胞内的能量转换、物质交换、信号传递等重要的生理功能,当它们出现功能异常时就会引起一系列通道病。超分子人工离子通道由于具有可控的转运特性、多功能性和多样性等优点,... 详细信息

细胞膜上的通道蛋白不仅具有跨膜输送的功能,还负责细胞间和细胞内的能量转换、物质交换、信号传递等重要的生理功能,当它们出现功能异常时就会引起一系列通道病。超分子人工离子通道由于具有可控的转运特性、多功能性和多样性等优点,用来模拟天然蛋白质在脂质双层膜上的结构和功能,同时也能够帮助我们阐明和理解物质跨膜输送的本质与规律。经过超分子化学家们的不懈努力,到目前为止,设计出来的人工体系大多数仅仅能够重现天然离子通道蛋白的基础功能-物质跨膜输送。但是,天然离子通道蛋白的高级功能,例如:高选择性和生物功能等仍是目前人工离子通道领域的研究热点。本论文以天然通道蛋白的结构为原型,基于通道蛋白的核心结构域来设计能够重现天然通道蛋白的高选择性和生物功能的人工离子跨膜通道。本论文的工作主要包括以下部分:在第一部分工作中,通过重建人工系统中天然K通道的核心模块,合成了三个结构类似的仿生的K通道。通过荧光实验,我们证明了通道分子具有较好的嵌膜能力。通过膜片钳实验证明了所有通道分子对K/Na具有较高的选择性,并在转运过程中表现出K≈Rb的选择性序列,这与天然K通道的阳离子渗透性特性高度一致。更重要的是,通过生物活性实验发现这些通道分子可以有效地嵌入细胞膜,介导K的跨膜转运,破坏细胞K稳态,最终触发细胞凋亡。在第二部分工作中,我们设计了基于CFTR蛋白核心结构域的人工阴离子跨膜通道,由于蛙皮素2的结构特点与CFTR蛋白的核心结构域中富含正电荷的α-螺旋多肽片段极为相似,我们拟以蛙皮素2为基本骨架构筑人工阴离子跨膜通道。我们通过调整其结构序列中的氨基酸残基类型,发展具有高效嵌膜能力、高输送效率和选择性的超分子自组装人工阴离子跨膜通道,通过优化反应条件顺利得到目标分子,并通过膜片钳实验对其在脂质双层膜中的转运特性进行研究。

关键词：超分子自组装人工离子通道环糊精多肽

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双分子层膜人工离子通道的合成

化学进展 2012年第7期24卷 1337-1345页

作者：包春燕贾慧娟刘涛汪奕彭伟朱麟勇华东理工大学、结构可控先进材料及其制备教育部重点实验室、精细化工研究所上海200237

离子通道(ion channels)是由细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质构成的微孔道,它的主要功能就是传输离子跨膜,相当于细胞的通气孔。其结构与功能的异常往往引起上千种疾病,统称为离子通道病,这种疾病目前不能靠常规的仪器来检查,在确诊上... 详细信息

离子通道(ion channels)是由细胞膜上的一类特殊亲水性蛋白质构成的微孔道,它的主要功能就是传输离子跨膜,相当于细胞的通气孔。其结构与功能的异常往往引起上千种疾病,统称为离子通道病,这种疾病目前不能靠常规的仪器来检查,在确诊上有一定的难度。因此通过化学手段合成人工离子通道来模拟生物体内细胞膜上的离子通道的结构与功能,对于深入研究这些疾病并发现特异性治疗药物均具有十分重要的理论和实际意义。本论文就近三十年来人们设计合成的不同种类人工离子通道进行了综述,介绍了其研究进展并总结了各种人工离子通道的分子结构设计以及在膜上传输离子行为,展望了其在模拟天然离子通道功能的同时在生物医药以及生命科学等领域的应用前景。

关键词：有机合成人工离子通道离子传输小分子自组装

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“假”城门,真通道——人工离子通道

大学化学 2022年第9期37卷 156-162页

作者：鲁轶楠钟思敏孙鸿程刘俊秋杭州师范大学材料与化学化工学院杭州311121

离子通道在我们的生命体中发挥了重要的作用。本文借用拟人化的手法,介绍离子通道和人工离子通道的分类、作用、特点及其对人体健康的影响,让读者从故事中了解人工离子通道。

关键词：离子通道跨膜转运人工离子通道离子通道病

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间苯二甲酸自组装形成的人工跨膜离子通道

中国科学：化学 2015年第6期45卷 624-628页

作者：祝平平辛鹏洋侯军利复旦大学化学系上海200433

本文研究了商品试剂间苯二甲酸对简单离子的跨膜输送性能.通过基于囊泡的荧光光谱实验以及基于平面脂双层的膜片钳实验证实,间苯二甲酸可以在脂双层中,通过多级次的组装形成跨膜的离子通道.这种新型的通道可以实现对简单阳离子的跨膜输送.

关键词：间苯二甲酸人工离子通道自组装跨膜输送

基于双亲分子超分子自组装的人工离子通道的设计合成

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基于双亲分子超分子自组装的人工离子通道的设计合成

作者：林耀华东理工大学

学位级别：硕士

细胞膜上的离子通道功能的正常,是维持细胞正常的新陈代谢和与周围环境进行物质交换的前提,离子通道结构坍塌或者功能异常会导致机体生理功能紊乱,形成各种先天性或者后天性的离子通道疾病。目前为止,离子通道病的研究主要涉及K+、Na+、... 详细信息

细胞膜上的离子通道功能的正常,是维持细胞正常的新陈代谢和与周围环境进行物质交换的前提,离子通道结构坍塌或者功能异常会导致机体生理功能紊乱,形成各种先天性或者后天性的离子通道疾病。目前为止,离子通道病的研究主要涉及K+、Na+、Ca2+和Cl-通道领域,这类疾病往往不能用常规仪器检查,难以及时发现和诊断。因此通过化学合成的方法设计制备出像天然离子通道一样具有离子选择性、智能可控性(针对外界环境刺激通道可开启/闭合)的人工离子通道,对于深入研究天然离子通道的作用机理和致病机理,解决当前离子通道病的困境具有十分重要的理论和实际意义。本文基于超分子自组装构建人工离子通道的设计原则,设计合成了一系列双亲小分子,使其能在膜上能超分子自组装成人工离子通道,同时通过改变各功能组分,进行超分子自组装类人工离子通道的分子工程,以期得出这类人工离子通道的最佳模型,在多样化人工离子通道类型的同时,能在通道疾病等生物医学领域提供潜在的应用。。本论文的工作包括以下两方面的内容：1基于冠醚和偶氮苯的新型光响应人工离子通道的设计与合成设计合成了五个系列以苯并冠醚为通道主体结构、偶氮苯为光响应单元的双亲小分子。通过凝胶测试比较了在改变各功能组分后的不同分子的超分子自组装性能,从而筛选出具有比较强的超分子自组装能力的A4-B4系列作为重点研究对象,并选择类似系列A5-B5作为对比,研究其离子通道性能包括其光门控性能。包封荧光染料的大单室脂质体荧光测试(HPTS)证明该系列化合物能在膜上形成通道跨膜传输离子的同时,不同的冠醚结构显示了对不同阳离子的选择性,最后通过光照实验研究了其在光照前后的不同离子传输性质。2基于对苯撑乙炔的人工离子通道的设计与合成根据双层膜结构,以及分子能跨膜传输离子的结构需求,设计并合成以寡聚对苯撑乙炔刚性棒结构为主链,通过改变寡聚个数使其能与膜厚度匹配实现完美扩膜,并在其支链上引入冠醚等能有效传输离子的环型结构,通过分子内的超分子作用力,使其能跨膜的同时,相应的环能自组装形成通道进行离子传输。本部分的工作目前为止主要进行了前期“半月形”支链和对苯撑乙炔刚性棒单体的合成,进一步的聚合偶联及后续测试有待实验室其他组员完成。

关键词：人工离子通道冠醚偶氮苯光控超分子自组装

基于冠醚类衍生物的超分子自组装人工离子通道的合成及其性质研究

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基于冠醚类衍生物的超分子自组装人工离子通道的合成及其性质研究

作者：贾慧娟华东理工大学

学位级别：硕士

生物体中的离子通道是由细胞膜上的一类特殊的亲水性蛋白质构成的微孔道,是活体细胞进行新陈代谢活动、不断地与周围环境进行物质交换的重要途径。它的结构与功能的异常会引起上千种疾病,统称为离子通道病,这类疾病目前不能靠常规的仪... 详细信息

生物体中的离子通道是由细胞膜上的一类特殊的亲水性蛋白质构成的微孔道,是活体细胞进行新陈代谢活动、不断地与周围环境进行物质交换的重要途径。它的结构与功能的异常会引起上千种疾病,统称为离子通道病,这类疾病目前不能靠常规的仪器来检查,确诊上有一定的难度。因此,通过化学的手段合成人工离子通道来模拟生物体内细胞膜上的离子通道的结构与功能,对于深入研究这些疾病、发现特异性治疗药物均具有十分重要的理论和实际意义。本论文包括以下两部分： 1基于偶氮苯的新型光响应人工离子通道的设计合成设计并合成苯并冠醚类小分子,并有目的地引入一些能发生互补氢键、π-π、或静电吸附等非共价键作用的位点,使其自组装成具有一定空腔直径的管状结构,通过调节内外亲疏水性质使其在人工磷脂双层膜上形成离子通道,并通过调节通道直径的大小与外围取代基的结构来优化出具有优异的离子选择性、高离子传输速率和电导率的人工离子通道;并通过在侧链上直接引入以偶氮苯为基础的光开关基团,通过开关分子在光照前后的结构、偶极变化,来控制离子通道的开启与闭合。 2基于棒状刚性结构的人工离子通道的设计合成设计并合成冠醚单侧侧挂的苯撑乙炔类刚性棒状分子,根据其固有刚性线型结构以及适当的非共价键作用力使冠醚分子单侧排列形成孔道。然后通过控制苯撑乙炔的个数来控制其长度使其与磷脂双层膜的厚度相匹配,从而嵌入双分子层膜形成离子通道。不同冠醚结构的引入可以对不同离子进行选择性运输。

关键词：超分子自组装人工离子通道有机合成光控开关

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基于大环-多肽骨架的人工离子通道的构筑

基于大环-多肽骨架的人工离子通道的构筑

作者：孔慧渊河南师范大学

学位级别：硕士

在生命体中,天然通道蛋白是镶嵌在细胞膜上的大分子孔,它能够介导各类极性营养物质在细胞膜上疏水区域的运输,并且在活体细胞进行物质交换和新陈代谢的过程中发挥了关键性作用。但是由于其结构复杂且易于失活,在人体内若发生功能异常会... 详细信息

在生命体中,天然通道蛋白是镶嵌在细胞膜上的大分子孔,它能够介导各类极性营养物质在细胞膜上疏水区域的运输,并且在活体细胞进行物质交换和新陈代谢的过程中发挥了关键性作用。但是由于其结构复杂且易于失活,在人体内若发生功能异常会导致一系列通道疾病。为了研究天然通道蛋白的跨膜输送机理,科学家们以多肽或大环化合物为基础设计合成了多种功能强大的人工跨膜输送体系。虽然在该领域已经取得了很大进展,但是构筑选择性好和输送效率高的人工离子通道仍是研究热点。在本论文中,我们将大环化合物与多肽结合,以大环-多肽为骨架设计了一系列单分子人工跨膜通道,主要包括以下两个部分:在第一部分工作中,我们以柱芳烃-短杆菌肽骨架为基础,利用click反应将双炔基柱[5]芳烃和含有叠氮基的多肽分子连接,通过引入电荷实现对化合物选择性的静电控制,分别合成了中性,带正电和带负电的单分子管状分子。通过荧光实验和单通道电流实验,发现目标分子均表现出较好的嵌膜能力,并以“通道”机制来实现离子的跨膜运输;同时发现,带负电通道分子表现出最好的钾离子转运效率和最高的K/Cl选择性。实验证明,静电相互作用对通道分子的跨膜转运活性有重要影响。在第二部分工作中,我们以环糊精-短肽骨架为基础,从天然钾离子通道蛋白中提取了有效的钾离子过滤器TVGYG肽序列,再引入色氨酸和甘氨酸以增加肽序列长度,最后利用click反应将多肽序列通过共价键的形式与α-环糊精连接,合成了一系列具有钾离子选择性的单分子人工跨膜离子通道。

关键词：人工离子通道跨膜输送大环化合物多肽柱芳烃环糊精

基于环糊精-柱芳烃杂化分子的人工离子通道的构筑及功能研究

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基于环糊精-柱芳烃杂化分子的人工离子通道的构筑及功能研究

作者：孙永慧河南师范大学

学位级别：硕士

在生物体细胞中,存在着一个协同良好、分工明细、数量庞大的跨膜输送体系,细胞维持生物环境内外渗透压的稳定、各种生理活动代谢产物的排出和营养物质的获取,都需要该体系的转运来实现。在这类输送体系中,具有跨膜输送功能的膜蛋白占有... 详细信息

在生物体细胞中,存在着一个协同良好、分工明细、数量庞大的跨膜输送体系,细胞维持生物环境内外渗透压的稳定、各种生理活动代谢产物的排出和营养物质的获取,都需要该体系的转运来实现。在这类输送体系中,具有跨膜输送功能的膜蛋白占有主导地位。其中水,氨基酸、阴阳离子以及糖类等生物活性物质都是依靠这类膜蛋白跨膜转运的。钾离子通道蛋白在这些膜蛋白中主要负责转运钾离子,通过改变细胞内外钾离子的浓度可以实现信号传导,为了研究跨膜输送钾离子的机制,科研工作者们以天然的钾离子通道为模型构建了多种多样的人工跨膜输送体系。虽然这些研究已经取得了很大的进步,但是构筑具有更高的选择性和输送效率的人工钾离子通道仍然是该领域研究的热点。本论文的工作主要包括以下两个部分:第一部分工作中,我们以双炔基柱[5]芳烃为骨架,通过click反应将其与单-6-叠氮-6-脱氧-α-环糊精连接起来,从而形成中间疏水,两边亲水的单分子管状结构。通过基于囊泡的荧光实验,我们发现在柱芳烃两端引入α-CD结构单元之后,目标分子表现出较好的嵌膜能力以及离子转运活性,随后我们通过改变柱芳烃与环糊精之间的linker长度,来探讨不同长度的通道分子对嵌膜能力和跨膜输送效率以及离子选择性的影响。实验证明此类环糊精-柱芳烃杂化分子可以高效嵌入脂双层中形成人工离子通道,并且该人工通道在跨膜输送过程中表现出较高的K/Na的选择性。第二部分工作中,我们以柱[5]芳烃为骨架,利用click反应在其两端分别引入了β-CD和γ-CD结构单元,构筑了一类基于环糊精-柱芳烃杂化分子的单分子管。

关键词：人工离子通道自组装跨膜输送环糊精柱芳烃

邻硝基苄基光扳机双亲小分子构建“ON-OFF”型光控人工离子通道

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邻硝基苄基光扳机双亲小分子构建“ON-OFF”型光控人工离子通道