聚類肽高分子材料結構應用分析

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摘要：與天然聚合物相比，生物合成聚合物材料具有顯著的優(yōu)勢，能夠精確調整結構，穩(wěn)定性高，加工性能強，因此備受關注。多肽是一類很有前途的基于N-取代甘氨酸主鏈的仿生聚合物，具有許多獨特的性質，可以彌合蛋白質和本體聚合物之間的物質鴻溝。類肽則結合了生物聚合物的序列特異性和傳統(tǒng)合成聚合物更簡單的分子內/分子間相互作用和穩(wěn)定性的優(yōu)點。它們是高度可設計的，因為數(shù)百種化學性質不同的側鏈可以從簡單的類肽聚合物的構建體中引入。主要綜述了類肽聚合物結構的研究進展及其在生物醫(yī)學和納米科學中的應用。

關鍵詞：聚類肽；結構；應用

1類肽結構的研究進展

N-取代的甘氨酸的低聚物，也即類肽代表了用于研究生物分子現(xiàn)象的一類通用的擬肽類高分子材料。類肽具有吸引力的原因至少有3個，其中包括：①它們易于合成；②它們的蛋白水解穩(wěn)定性；③可以納入其酰胺側鏈的多種非天然官能團。這些特征促使類肽作為探測多種生物過程的工具和作為治療劑的發(fā)展，最近的例子包括類肽衍生的轉錄因子模擬物，蛋白質-蛋白質相互作用抑制劑，抗微生物劑，肺表面活性劑模擬物。這些研究中的大多數(shù)是類肽功能與類肽結構之間的聯(lián)系[1]。對于某些應用，類肽折疊得很好，這對于類肽的活性是必不可少的。結構上，與α肽主鏈相反，類肽主鏈既缺乏手性中心又沒有氫鍵供體，與簡單的叔酰胺異構體相結合，將會降低類肽鏈的構象剛度。實施更可預測的類肽折疊的一種策略是將手性中心或氫鍵供體“重新安裝”到類肽側鏈中，前一種方法對于類肽螺旋的構建特別有用[2]。即，將R-手性包含在內，類肽中的芳族或R-手性脂肪族酰胺側鏈可增強螺旋構象，這使人聯(lián)想起I型多脯氨酸螺旋，每匝具有所有順式酰胺鍵和三個殘基。類肽螺旋的合成已經被很多研究所報道，并已通過計算技術，圓二色性（CD）光譜，X射線晶體學和2DNMR進行了結構表征。大多數(shù)類肽螺旋是主要由（S）-N-（1-苯乙基）甘氨酸單元組成（Nspe），通常通過診斷性CD光譜進行識別，其特征在于192、202和218nm處的峰。通過分析各種長度和組成的Nspe型寡聚體，類肽螺旋的合成逐漸形成了一套預測規(guī)則。簡而言之，包含50％R-手性側鏈的低聚物或沿著螺旋的縱向面延伸的“芳族面”（即，以3次折疊為一個周期的模式的芳族側鏈）預計會形成最穩(wěn)定的螺旋，并且當C末端殘基為R-手性且寡聚物長度超過12個殘基時，類肽螺旋將進一步穩(wěn)定。在最近設計的各種天然R肽螺旋的擬肽模擬物中，這些規(guī)則已被證明是有價值的[3]。通過仔細研究類肽螺旋，Barron及其同事發(fā)現(xiàn)了一種新的類肽結構—螺紋環(huán)結構，到目前為止，類肽螺旋是類肽中唯一已知的定義二級結構，這一發(fā)現(xiàn)意義重大。發(fā)現(xiàn)R-手性芳族側鏈的擬肽九聚體（Nspe）9（三氟乙酸鹽）在乙腈中顯示出獨特的CD標記，在203nm處有一個明顯強度的寬峰。進一步分析的結果表明它是一種新型類肽環(huán)狀結構。通過從主鏈羰基到N末端仲銨的三個分子內氫鍵和從主鏈羰基到C末端伯酰胺的一個分子內氫鍵使這一類肽環(huán)狀結構穩(wěn)定。與類肽螺旋相反，螺紋環(huán)結構具有四個順式和四個反酰胺鍵。由于只有Nspe九聚體和具有緊密相關的R-手性殘基的九聚體能夠形成帶螺紋的環(huán)，因此這種低聚物的長度似乎可以使其自身緊密并形成四個分子內氫鍵。的確，Nspe五聚體到八聚體，到更長的Nspe低聚物，都顯示出更高傾向的螺旋形成過程，這表明對于九個殘基長的類肽來說，形成螺紋環(huán)所必需的分子接觸，也即分子內氫鍵方向和數(shù)目都是獨特的。值得注意的是，可以通過添加能夠破壞分子內氫鍵的溶劑（例如甲醇）將擬肽九聚體（Nspe）9中的帶螺紋的環(huán)轉化為螺旋。除了帶螺紋的環(huán)和螺旋以外，最近還報道了類肽中的旋轉模體，可以通過大環(huán)化或通過引入誘導三唑的單元來實現(xiàn)。這些模體無疑擴大了已知的類肽結構的范圍。但是，還需要進行更多的研究，以擴大對類肽折疊成螺旋，環(huán)，匝和其他距離所必需的分子水平相互作用的理論研究。

2聚類肽的功能研究

2.1阿爾茲海默癥的診斷

阿爾茨海默病（AD）是一種神經退行性疾病，它是最常見的癡呆癥，估計全世界有1300萬人受到影響。雖然這種疾病的確切機制尚不完全清楚，但β淀粉樣蛋白（Ab）的聚集似乎起著重要作用。不同長度的Ab肽（通常為1-40和1-42）是淀粉樣前體蛋白的裂解產物，在AD大腦中聚集并形成不溶性斑塊。這些斑塊的鑒定以及神經纖維纏結和神經元丟失是目前對AD的明確且唯一被完全接受的診斷依據(jù)。然而，最近的報告表明，較小的可溶性Ab寡聚體更可能是疾病的致病因子。然而，寡聚體參與AD發(fā)病機制的確切身份仍然是個謎，它的化學成分也沒有明確的定義。AD的一個統(tǒng)一特征是腦實質中存在含有Ab42的斑塊。此外，Ab42似乎更容易產生淀粉樣蛋白，并且在斑塊中發(fā)現(xiàn)的頻率更高，盡管它的生理濃度要低得多。已知幾個與家族型AD相關的早老素突變可增加Ab42裂解產物的產生，進一步的研究證明了這種Ab肽在發(fā)病機制中的作用。因此，一般認為介導AD的細胞毒性寡聚物由Ab42肽組成[4]。雖然這種體內生成的寡聚物的精確構象尚不清楚，但一些證據(jù)表明聚集蛋白具有許多結構特性。例如，由不同蛋白質組成的淀粉樣纖維具有相似的交叉β結構，允許結合許多化合物，如硫黃素T和剛果紅來進行檢測。因此，Zuckermann和他的同事開發(fā)了一系列聚類肽，用于從血漿中選擇性捕獲Ab42，從而達到阿爾茲海默癥的早期診斷。Ab寡聚物的捕獲劑的合成是通過馬來酰亞胺化學法將巰基化ASR1衍生物與DynalM270羧基微珠進行化學偶聯(lián)，生成聚集物專用試劑1（ASR1）微球從而得到的。ASR1是一種聚集特異性試劑，它優(yōu)先結合聚集蛋白而不是單體蛋白質。ASR1也是一種聚類肽，含有N-取代甘氨酸的類肽組分，已證明其對體液中常見酶的蛋白水解消化具有抵抗力。ASR1序列來源于一種朊體肽，該肽具有很強聚集的朊體的能力。ASR1可以從含有過量正常折疊的朊體的溶液中捕獲微小數(shù)量的不溶性聚集寡聚物。由于淀粉樣聚集物具有相似的交叉β-片狀結構，它們共享由淀粉樣結合分子如剛果紅和硫黃素T以及構象特異性抗體所共同識別的構象表位。結果表明，ASR1能識別聚集蛋白的常見結構表位，而不是朊體聚集體特有的表位。

2.2表面活性蛋白C的仿生合成

自從外源性肺表面活性物質廣泛應用于新生兒呼吸窘迫綜合征以來，早產兒的存活率和呼吸系統(tǒng)的發(fā)病率都有了顯著的提高。盡管動物源性表面活性劑制劑有效，但在使用過程中仍存在一些問題和困難。這促使了對合成表面活性劑制劑的研究。然而，到目前為止，臨床上沒有一種合成制劑能像天然材料那樣有效。這很大程度上是因為以前的合成制劑缺乏肺表面活性物質系統(tǒng)疏水蛋白SP-B和SP-C的類似物，這兩種蛋白是關鍵的功能成分。因此，最近的研究已經轉向開發(fā)新一代的合成仿生表面活性劑，這種表面活性劑含有合成類肽和模擬肺表面活性物質的疏水蛋白部分。盡管SP-C的結構看似簡單，但由于其極強的疏水性和結構不穩(wěn)定性，使有效的SP-C類似物的制備變得非常復雜。從大自然中汲取靈感，兩種有希望的仿生方法已經導致了設計合理的生物聚合物的產生，這些聚合物重現(xiàn)了SP-C的許多分子特征。第一種方法利用詳細的SP-C構效關系和氨基酸折疊傾向來創(chuàng)建基于肽的類似物SP-C33。在SPC33中，有問題的亞穩(wěn)聚纈氨酸螺旋被結構穩(wěn)定的聚亮氨酸螺旋取代，并包含一個位置良好的正電荷以防止聚集。SP-C33結構穩(wěn)定，消除了天然蛋白的締合傾向。第二種方法遵循相同的設計考慮，但使用非天然、多取代的甘氨酸或“類肽”支架來規(guī)避與SP-C相關的困難。通過在非天然主鏈中加入獨特的仿生側鏈，類肽模擬獲得了SP-C的疏水特性及其螺旋結構二級結構。盡管結構上存在差異，但SP-C33和SP-C蛋白樣蛋白模擬物都捕捉到了SP-C的許多必要特征。在表面活性劑環(huán)境中，這些類似物還可以復制功能性仿生表面活性劑治療所需的許多關鍵表面活性，同時克服與天然蛋白質相關的困難。這些仿生表面活性劑制劑具有更好的穩(wěn)定性、更大的生產潛力和消除可能的致病性污染，不僅為改善呼吸窘迫綜合征的治療提供了潛力，而且也為治療其他呼吸相關疾病提供了機會[5]。

3展望

本文綜述了一類新型非天然高分子材料聚類肽的結構及其在醫(yī)學中的應用。與多肽和其他生物衍生聚合物相比，聚類肽在穩(wěn)定性、加工性和合成效率方面具有顯著優(yōu)勢。聚類肽是一種側鏈控制的聚合物體系，它可以生成具有廣泛化學和物理性質的聚合物。由于合成類肽缺乏手性和主鏈中的氫鍵供體，因此只能提供簡單和自由的設計，使其成為研究不同原理和探索新材料性能的理想快速成型系統(tǒng)。同時類肽也是一種仿生材料，能夠在水中折疊成特定的蛋白樣形狀，并表現(xiàn)出強大的生物活性。聚類肽結合了蛋白質和聚合物的優(yōu)點，是發(fā)現(xiàn)高功能生物材料的理想選擇。聚類肽的一個主要特征是，亞單體合成方法允許從一組極為不同的側鏈官能團（從容易獲得的試劑中衍生）高效地合成具有精確單體序列的高分子聚類肽材料。精確的序列控制和在特定位置引入大量功能單體的能力使得通過改變單個側鏈就可以方便地控制和微調分子內和分子間的相互作用。這些特性使聚類肽成為醫(yī)學研究中一個新的平臺。

參考文獻

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[2]魯圣軍，何敏.《聚合物結構與性能》課程教學改革與探索[J].高分子通報，2019，（4）：78-80.

[3]李超，程杰，黃勇，等.聚酰亞胺泡沫材料結構與性能研究[J].化工管理，2019，（14）：188-189.

[4]石磊，張若愚，朱錦，等.含聚乳酸軟段聚氨酯材料的結構與性能研究[J].北京化工大學學報（自然科學版），2019，46（1）：71-77.

[5]王德海.高分子結構與性能關系原理-結構層次的意義[J].高分子通報，2020（2）：69-71.

作者：田新 單位：新疆輕工職業(yè)技術學院