刚性基因连接的功能化胆酸二聚体衍生物的合成及离子传输活性

摘要

离子跨膜传输在生物体系中发挥着重要的作用。对一些通道类疾病，例如跨上皮传输受损或囊泡功能受损引起的疾病发挥着重要作用。因此，对离子跨膜传输的研究不仅有助于我们了解天然离子通道的生物功能，而且，在新药开发方面也具有广泛的应用价值。
　　 由于天然的离子通道种类繁多，结构功能复杂，通常在生理条件下发挥作用，且对pH和温度敏感，因而限制了天然通道蛋白的更广泛的实际应用。因此，研究者们希望通过合成一些结构相对简单的化合物来模拟天然离子通道的结构特征和功能。设计合成人工离子通道的首要目的之一在于阐明化合物在膜中跨膜转运离子所应具备的结构要素，并且获得调控通道分子性能的方法。
　　 一个化合物要具备离子传输活性需要具备两个基本结构要求。首先，无论是单分子还是聚集体形成的通道，其长度要与磷脂双分子层的厚度相匹配;其次，化合物具有两亲性，亲脂性部分与磷脂分子的烃基链相互作用使通道分子插入膜中，而通道的内部应是相对亲水的，协作离子跨膜传输。
　　 目前，大多已报道的非肽类人工离子通道都是以一些两亲性分子为模板来设计合成的，如环糊精、冠醚、杯芳烃等。在这些骨架分子中，甾醇类化合物，尤其是胆酸分子表现出了很大的优势。这主要是由其特殊的结构特点决定的，它亲脂性的甾环可以与磷脂分子的烷基链相互作用，为在膜中构建稳定的孔道提供了一个刚性的骨架结构，而羟基部分则可以为离子提供一个相对亲水的孔道以便其通过。此外，胆酸分子的长度与磷脂分子的长度相匹配。因此，以适当基团连接的胆酸二聚体能够横跨整个磷脂双分子层。正因为如此，有一些胆酸二聚体衍生物被设计合成出来，并表现出较好的离子传输活性。但是，这些化合物除了胆酸单元上的羟基和两个胆酸单元的连接基团（如酯或氨基甲酸酯）外，没有其他的功能团参与与离子之间的相互作用。因此，本文在胆酸二聚体上引入其它功能团，协助离子进行跨膜传输，从而调控离子传输性能。
　　 基于以上设计理念，本研究设计合成了一类由刚性基团连接的胆酸二聚体1-3。在这三个化合物中，两个胆酸单元用刚性的对苯二胺或对苯二甲胺连接，可以使整个分子采取伸展的构型，有利于分子在膜中形成跨膜的结构，而分子的中间带有氨基或乙酰氨基作为通道分子的附加功能团。由于功能团位于分子结构的中间，当分子插入膜中后，功能团会随之一起进入膜中并位于分子所形成的通道内，从而更好地调节化合物对离子的传输作用。另外，为了更好地探究功能团的作用，本研究还合成了没有附加功能团的化合物4。
　　 化合物1-3是通过以下方法合成的:首先，用1-羟基苯并三唑(HOBT)/二环己基碳二亚胺(DCC)方法活化胆酸-赖氨酸缀合物，并与对苯二胺或对苯二甲胺进行酰化反应后，再用三氟乙酸(TFA)脱去叔丁氧羰基(Boc)，分别得到了化合物1和2。再将化合物2在THF的水溶液中用乙酸酐酰化，得到化合物3。而化合物4则是以胆酸为原料，经N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)活化并与对苯二甲胺反应得到的二聚体。化合物1-4的结构用氢谱、电喷雾质谱以及高分辨质谱确认。
　　 然后以卵磷脂形成的脂质体为模型，以荧光强度对pH变化敏感的荧光黄为指示剂，用荧光光谱法详细研究了各二聚体的离子传输活性和阳离子选择性。结果发现，化合物1-4的离子传输活性均有浓度依赖性，说明这四个化合物都有离子传输能力。其中，有功能团修饰的化合物1、2和3的离子转运能力高于不具有功能性基团的化合物4。从离子传输活性与浓度依存关系实验，我们发现化合物1、2和4由四个分子在膜中形成具有离子传输能力的活性结构，而化合物3则是由两个分子形成。碱金属阳离子选择性实验表明，化合物1和2对碱金属阳离子选择性为Na+＞Li+＞K+≈Rb+≈Cs+;当将化合物2的氨基乙酰化（即化合物3）或无附加功能团（即化合物4）时，阳离子选择性为Li+＞Na+＞K+≈Rb+≈Cs+。这个结果表明，当将氨基乙酰化后，通道分子对碱金属Li+和Na+的选择性出现了反转，即通过对该类胆酸二聚体结构修饰可以调控其离子传输性能。另外碱金属阳离子选择性实验也说明，通道分子对碱金属阳离子的转运是整个离子转运过程的限速步骤，结合氯离子传输实验可知，化合物1-4的离子转运机理可能为氢离子和钠离子的反向转运。

目录

摘要

第一章 前言

一、离子通道的功能与结构

1 离子通道的功能

2 离子通道的结构特点

二、人工离子通道的分类

1 环糊糖类

2 冠醚类

3 杯芳烃类

4 甾醇二聚体

参考文献

第二章 目标化合物的合成

一、目标化合物的设计

二、结果与讨论

1 目标化合物的合成路线

2 化合物1-4的结构表征

三、实验操作

1 实验仪器与试剂

2 目标化合物的合成

参考文献

第三章 离子传输活性

一、引言

二、结果与讨论

1 化合物1-4的pH discharge活性

2 氯离子传输实验

三、实验操作

1 实验仪器及试剂

2 脂质体的制备

3 测定方法

四、结论

参考文献

全文总结

附录

在校期间发表的论文

致谢

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