芳香基团对多肽自组装的影响

摘要

多肽分子可以自组装形成具有特定结构的超分子组装体，在生物医学、材料学和组织工程学等领域有着广阔的应用前景。超分子组装体的形成是多种非共价键作用力协同作用的结果，其中π-π堆积作用是一种取向性的作用方式，在多肽自组装过程中有着重要的作用。本论文从课题组前期研究过的功能肽分子Nap-FFGPLGLARK-NH2入手，通过改变保护基团的芳环类型，简化分子序列，改变组装基元的氨基酸种类，改变溶液的pH、离子强度以及对尼罗红染料的负载实验等手段，综合考察了芳香基团对多肽自组装的影响。 首先，在前期研究的功能肽分子的基础上设计了X-FFGPLGLARK-NH2（X=Fmoc、Nap、Ac）多肽系列分子，考察了不同保护基团对多肽自组装行为的影响。结果显示，芳香结构的保护基团可以显著增强多肽形成纤维的能力，Fmoc-FFGPLGLARK-NH2分子可以在很低的浓度下聚集组装成密集的纤维状形貌，并且可以负载更多的尼罗红染料分子，而Nap-FFGPLGLARK-NH2和Ac-FFGPLGLARK-NH2只有在高浓度下才能完成自组装并且对尼罗红的负载量较低。同时发现，增大溶液的pH，纤维因表面的电荷逐渐被屏蔽而倾向聚集，此时大量的芳环分布在纤维表面，π电子逐步堆积，π-π作用力的特定取向性使得纤维在聚集排列的方向上受到限制，只能沿着相邻的纤维排列，从而形成纤维束状形貌。 其次，为了排除其它类型氨基酸因素的干扰，对多肽序列进行了简化，设计了X-FFGK-NH2（X=Fmoc、Nap、Ac）等短肽分子。自组装结果表明，Fmoc-FFGK-NH2由于含有较多的芳香基团，在相同条件下，分子形成聚集体的能力更强，并且其负载尼罗红的程度更大，而Nap-FFGK-NH2和Ac-FFGK-NH2含有较少的芳香基团，只有在较高浓度下才能进行自组装并且对尼罗红的负载量也较低。增大pH以及加入NaCl电解质都可以屏蔽分子的表面电荷，降低静电斥力，而此时芳环的π-π堆积对自组装起到决定性作用，这种作用力具有特定的取向堆积性，使得纤维的轴向延长方向受到限制，只能沿着特定的方向生长，因而分子自组装为超螺旋结构的纤维。研究还发现，这种超螺旋组装体结构比较稳定，不会随着电荷的改变而发生变化。 进一步，为了研究在氨基酸不同的疏水侧链时芳香基团对多肽自组装的影响，保持芳香保护基不变，通过改变疏水氨基酸的种类，设计了Fmoc-XXGK-NH2（X=Cha、F、I、G）等短肽，考察多肽分子在不同疏水侧链时的自组装行为。自组装结果表明，Fmoc-ChaCha-GK-NH2分子由于侧链具有刚性的环己环结构而存在位阻效应，这就使得组装体容易产生较大的扭矩，而Cha分子的强疏水性还容易使组装体产生更多的内腔结构，在π-π堆积作用、疏水作用以及静电作用的协同驱动下最终形成超螺旋的结构。相对而言，Fmoc-FFGK-NH2侧链基团的疏水性较弱且没有刚性的环己环，因此形成的是扭曲的纤维状结构。而Fmoc-IIGK-NH2组装基元的侧链为烷基链，与Fmoc-GGGK-NH2相似，组装体只是由初级原纤维聚集，最终形成较为光滑的纤维结构。通过尼罗红的负载程度实验发现，Fmoc-XXGK-NH2的X由Cha依次变为F、I、G时，多肽对尼罗红的负载量逐渐降低，这也说明其组装能力逐渐减弱。同时发现，与Fmoc-FFGK-NH2和Fmoc-GGGK-NH2相比，Fmoc-ChaCha-GK-NH2负载尼罗红后，加入β-环糊精可以与多肽分子侧链疏水的环己环相互作用，破坏了组装体的结构，进而促进尼罗红分子的释放。

目录

第一章 绪论

1.1 多肽自组装

1.1.1 多肽自组装的简介及应用

1.1.2 多肽自组装的驱动力

1.2 芳香基团影响的多肽自组装

1.2.1 π-π堆积效应

1.2.2 芳香基团对多肽自组装的影响

1.2.3 超螺旋组装体的应用前景

1.3 存在的问题与展望

1.4 选题的依据与主要的研究内容

第二章 实验材料与方法

2.1 实验仪器

2.2 实验试剂耗材

2.3 目标多肽分子的合成及纯度检测

2.3.1 多肽的固相合成法

2.3.2 高效液相色谱（HPLC）

2.3.3 基质辅助激光解析电离-飞行时间质谱仪（MS）

2.4 多肽分子临界聚集浓度（CAC）的确定

2.4.1 表面张力法

2.4.2 荧光探针法

2.5 pH滴定法测定多肽分子的等电点（PI）

2.6 多肽分子ζ-电位的测定

2.7 多肽组装体形貌的表征

2.7.1 原子力显微镜（AFM）

2.7.2 透射电子显微镜（TEM）

2.8 多肽二级结构的表征

2.8.1 圆二色光谱（CD）

2.8.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

2.8.3 ThT光谱法

2.9 多肽组装体聚集结构的表征

2.9.1 近紫外区-圆二色光谱（Near Vis-CD）

2.9.2 紫外-可见光谱（UV-Vis）及浊度

2.9.3 荧光光谱

2.10 多肽对尼罗红染料的负载

2.11 β-环糊精影响多肽释放尼罗红染料的实验

第三章 保护基团对X-FFGPLGLARK-NH2系列多肽自组装行为的影响

3.1 引言

3.2 分子的纯度表征

3.3 多肽分子在水溶液中的浓度变化比较

3.3.1 组装体形貌的变化

3.3.2 组装体二级结构的变化

3.3.3 组装体聚集结构的变化

3.4 pH对Fmoc-FFGPLGLARK-NH2分子在水溶液中自组装行为的影响

3.4.1 组装体形貌的变化

3.4.2 组装体二级结构的变化

3.4.3 组装体聚集结构的变化

3.5 X-FFGPLGLARK-NH2系列分子对尼罗红染料负载能力的比较

3.6 小结

第四章 保护基团对X-FFGK-NH2系列短肽自组装行为的影响

4.1 引言

4.2 分子的纯度表征

4.3 短肽分子在水溶液中的浓度变化比较

4.3.1 表面张力法测定分子的临界聚集浓度

4.3.2 短肽分子组装体形貌的变化

4.3.3 短肽分子二级结构的变化

4.3.4 短肽分子聚集结构的变化

4.4 pH对Fmoc-FFGK-NH2分子在水溶液中自组装行为的影响

4.4.1 pH滴定法测定多肽分子的等电点

4.4.2 短肽分子ζ-电位的变化

4.4.3 短肽分子组装体形貌的变化

4.4.4 短肽分子二级结构的变化

4.4.5 短肽分子聚集结构的变化

4.5 NaCl浓度对Fmoc-FFGK-NH2分子在水溶液中自组装行为的影响

4.5.1 短肽分子ζ-电位的变化

4.5.2 短肽分子组装体形貌的变化

4.5.3 短肽分子二级结构的变化

4.5.4 短肽分子聚集结构的变化

4.6 Fmoc-FFGK-NH2分子组装体的螺旋稳定性研究

4.6.1 短肽分子ζ-电位的变化

4.6.2 短肽分子组装体形貌的变化

4.6.3 短肽分子二级结构的变化

4.6.4 短肽分子聚集结构的变化

4.7 X-FFGK-NH2系列短肽对尼罗红染料负载能力的比较

4.8 小结

第五章 组装基元对Fmoc-XXGK-NH2系列短肽自组装行为的影响

5.1 引言

5.2 分子的纯度表征

5.3 短肽分子在溶液中的浓度变化比较

5.3.1 分子组装体形貌的变化

5.3.2 分子二级结构的变化

5.3.3 分子聚集结构的变化

5.4 pH对Fmoc-ChaCha-GK-NH2分子在溶液中自组装行为的影响

5.4.1 分子组装体形貌的变化

5.4.2 分子聚集结构的变化

5.5 pH对Fmoc-IIGK-NH2分子在溶液中自组装行为的影响

5.5.1 分子组装体形貌的变化

5.5.2 分子聚集结构的变化

5.6 Fmoc-ChaCha-GK-NH2分子对尼罗红染料的负载及释放实验

5.6.1 Fmoc-XXGK-NH2短肽系列对尼罗红染料负载能力的比较

5.6.2 β-环糊精对Fmoc-ChaCha-GK-NH2短肽分子自组装行为的影响

5.6.3 β-环糊精对Fmoc-ChaCha-GK-NH2分子释放尼罗红过程的影响

5.7 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢