聚类肽高分子材料结构应用分析

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摘要：与天然聚合物相比，生物合成聚合物材料具有显著的优势，能够精确调整结构，稳定性高，加工性能强，因此备受关注。多肽是一类很有前途的基于N-取代甘氨酸主链的仿生聚合物，具有许多独特的性质，可以弥合蛋白质和本体聚合物之间的物质鸿沟。类肽则结合了生物聚合物的序列特异性和传统合成聚合物更简单的分子内/分子间相互作用和稳定性的优点。它们是高度可设计的，因为数百种化学性质不同的侧链可以从简单的类肽聚合物的构建体中引入。主要综述了类肽聚合物结构的研究进展及其在生物医学和纳米科学中的应用。

关键词：聚类肽；结构；应用

1类肽结构的研究进展

N-取代的甘氨酸的低聚物，也即类肽代表了用于研究生物分子现象的一类通用的拟肽类高分子材料。类肽具有吸引力的原因至少有3个，其中包括：①它们易于合成；②它们的蛋白水解稳定性；③可以纳入其酰胺侧链的多种非天然官能团。这些特征促使类肽作为探测多种生物过程的工具和作为治疗剂的发展，最近的例子包括类肽衍生的转录因子模拟物，蛋白质-蛋白质相互作用抑制剂，抗微生物剂，肺表面活性剂模拟物。这些研究中的大多数是类肽功能与类肽结构之间的联系[1]。对于某些应用，类肽折叠得很好，这对于类肽的活性是必不可少的。结构上，与α肽主链相反，类肽主链既缺乏手性中心又没有氢键供体，与简单的叔酰胺异构体相结合，将会降低类肽链的构象刚度。实施更可预测的类肽折叠的一种策略是将手性中心或氢键供体“重新安装”到类肽侧链中，前一种方法对于类肽螺旋的构建特别有用[2]。即，将R-手性包含在内，类肽中的芳族或R-手性脂肪族酰胺侧链可增强螺旋构象，这使人联想起I型多脯氨酸螺旋，每匝具有所有顺式酰胺键和三个残基。类肽螺旋的合成已经被很多研究所报道，并已通过计算技术，圆二色性（CD）光谱，X射线晶体学和2DNMR进行了结构表征。大多数类肽螺旋是主要由（S）-N-（1-苯乙基）甘氨酸单元组成（Nspe），通常通过诊断性CD光谱进行识别，其特征在于192、202和218nm处的峰。通过分析各种长度和组成的Nspe型寡聚体，类肽螺旋的合成逐渐形成了一套预测规则。简而言之，包含50％R-手性侧链的低聚物或沿着螺旋的纵向面延伸的“芳族面”（即，以3次折叠为一个周期的模式的芳族侧链）预计会形成最稳定的螺旋，并且当C末端残基为R-手性且寡聚物长度超过12个残基时，类肽螺旋将进一步稳定。在最近设计的各种天然R肽螺旋的拟肽模拟物中，这些规则已被证明是有价值的[3]。通过仔细研究类肽螺旋，Barron及其同事发现了一种新的类肽结构—螺纹环结构，到目前为止，类肽螺旋是类肽中唯一已知的定义二级结构，这一发现意义重大。发现R-手性芳族侧链的拟肽九聚体（Nspe）9（三氟乙酸盐）在乙腈中显示出独特的CD标记，在203nm处有一个明显强度的宽峰。进一步分析的结果表明它是一种新型类肽环状结构。通过从主链羰基到N末端仲铵的三个分子内氢键和从主链羰基到C末端伯酰胺的一个分子内氢键使这一类肽环状结构稳定。与类肽螺旋相反，螺纹环结构具有四个顺式和四个反酰胺键。由于只有Nspe九聚体和具有紧密相关的R-手性残基的九聚体能够形成带螺纹的环，因此这种低聚物的长度似乎可以使其自身紧密并形成四个分子内氢键。的确，Nspe五聚体到八聚体，到更长的Nspe低聚物，都显示出更高倾向的螺旋形成过程，这表明对于九个残基长的类肽来说，形成螺纹环所必需的分子接触，也即分子内氢键方向和数目都是独特的。值得注意的是，可以通过添加能够破坏分子内氢键的溶剂（例如甲醇）将拟肽九聚体（Nspe）9中的带螺纹的环转化为螺旋。除了带螺纹的环和螺旋以外，最近还报道了类肽中的旋转模体，可以通过大环化或通过引入诱导三唑的单元来实现。这些模体无疑扩大了已知的类肽结构的范围。但是，还需要进行更多的研究，以扩大对类肽折叠成螺旋，环，匝和其他距离所必需的分子水平相互作用的理论研究。

2聚类肽的功能研究

2.1阿尔兹海默症的诊断

阿尔茨海默病（AD）是一种神经退行性疾病，它是最常见的痴呆症，估计全世界有1300万人受到影响。虽然这种疾病的确切机制尚不完全清楚，但β淀粉样蛋白（Ab）的聚集似乎起着重要作用。不同长度的Ab肽（通常为1-40和1-42）是淀粉样前体蛋白的裂解产物，在AD大脑中聚集并形成不溶性斑块。这些斑块的鉴定以及神经纤维缠结和神经元丢失是目前对AD的明确且唯一被完全接受的诊断依据。然而，最近的报告表明，较小的可溶性Ab寡聚体更可能是疾病的致病因子。然而，寡聚体参与AD发病机制的确切身份仍然是个谜，它的化学成分也没有明确的定义。AD的一个统一特征是脑实质中存在含有Ab42的斑块。此外，Ab42似乎更容易产生淀粉样蛋白，并且在斑块中发现的频率更高，尽管它的生理浓度要低得多。已知几个与家族型AD相关的早老素突变可增加Ab42裂解产物的产生，进一步的研究证明了这种Ab肽在发病机制中的作用。因此，一般认为介导AD的细胞毒性寡聚物由Ab42肽组成[4]。虽然这种体内生成的寡聚物的精确构象尚不清楚，但一些证据表明聚集蛋白具有许多结构特性。例如，由不同蛋白质组成的淀粉样纤维具有相似的交叉β结构，允许结合许多化合物，如硫黄素T和刚果红来进行检测。因此，Zuckermann和他的同事开发了一系列聚类肽，用于从血浆中选择性捕获Ab42，从而达到阿尔兹海默症的早期诊断。Ab寡聚物的捕获剂的合成是通过马来酰亚胺化学法将巯基化ASR1衍生物与DynalM270羧基微珠进行化学偶联，生成聚集物专用试剂1（ASR1）微球从而得到的。ASR1是一种聚集特异性试剂，它优先结合聚集蛋白而不是单体蛋白质。ASR1也是一种聚类肽，含有N-取代甘氨酸的类肽组分，已证明其对体液中常见酶的蛋白水解消化具有抵抗力。ASR1序列来源于一种朊体肽，该肽具有很强聚集的朊体的能力。ASR1可以从含有过量正常折叠的朊体的溶液中捕获微小数量的不溶性聚集寡聚物。由于淀粉样聚集物具有相似的交叉β-片状结构，它们共享由淀粉样结合分子如刚果红和硫黄素T以及构象特异性抗体所共同识别的构象表位。结果表明，ASR1能识别聚集蛋白的常见结构表位，而不是朊体聚集体特有的表位。

2.2表面活性蛋白C的仿生合成

自从外源性肺表面活性物质广泛应用于新生儿呼吸窘迫综合征以来，早产儿的存活率和呼吸系统的发病率都有了显著的提高。尽管动物源性表面活性剂制剂有效，但在使用过程中仍存在一些问题和困难。这促使了对合成表面活性剂制剂的研究。然而，到目前为止，临床上没有一种合成制剂能像天然材料那样有效。这很大程度上是因为以前的合成制剂缺乏肺表面活性物质系统疏水蛋白SP-B和SP-C的类似物，这两种蛋白是关键的功能成分。因此，最近的研究已经转向开发新一代的合成仿生表面活性剂，这种表面活性剂含有合成类肽和模拟肺表面活性物质的疏水蛋白部分。尽管SP-C的结构看似简单，但由于其极强的疏水性和结构不稳定性，使有效的SP-C类似物的制备变得非常复杂。从大自然中汲取灵感，两种有希望的仿生方法已经导致了设计合理的生物聚合物的产生，这些聚合物重现了SP-C的许多分子特征。第一种方法利用详细的SP-C构效关系和氨基酸折叠倾向来创建基于肽的类似物SP-C33。在SPC33中，有问题的亚稳聚缬氨酸螺旋被结构稳定的聚亮氨酸螺旋取代，并包含一个位置良好的正电荷以防止聚集。SP-C33结构稳定，消除了天然蛋白的缔合倾向。第二种方法遵循相同的设计考虑，但使用非天然、多取代的甘氨酸或“类肽”支架来规避与SP-C相关的困难。通过在非天然主链中加入独特的仿生侧链，类肽模拟获得了SP-C的疏水特性及其螺旋结构二级结构。尽管结构上存在差异，但SP-C33和SP-C蛋白样蛋白模拟物都捕捉到了SP-C的许多必要特征。在表面活性剂环境中，这些类似物还可以复制功能性仿生表面活性剂治疗所需的许多关键表面活性，同时克服与天然蛋白质相关的困难。这些仿生表面活性剂制剂具有更好的稳定性、更大的生产潜力和消除可能的致病性污染，不仅为改善呼吸窘迫综合征的治疗提供了潜力，而且也为治疗其他呼吸相关疾病提供了机会[5]。

3展望

本文综述了一类新型非天然高分子材料聚类肽的结构及其在医学中的应用。与多肽和其他生物衍生聚合物相比，聚类肽在稳定性、加工性和合成效率方面具有显著优势。聚类肽是一种侧链控制的聚合物体系，它可以生成具有广泛化学和物理性质的聚合物。由于合成类肽缺乏手性和主链中的氢键供体，因此只能提供简单和自由的设计，使其成为研究不同原理和探索新材料性能的理想快速成型系统。同时类肽也是一种仿生材料，能够在水中折叠成特定的蛋白样形状，并表现出强大的生物活性。聚类肽结合了蛋白质和聚合物的优点，是发现高功能生物材料的理想选择。聚类肽的一个主要特征是，亚单体合成方法允许从一组极为不同的侧链官能团（从容易获得的试剂中衍生）高效地合成具有精确单体序列的高分子聚类肽材料。精确的序列控制和在特定位置引入大量功能单体的能力使得通过改变单个侧链就可以方便地控制和微调分子内和分子间的相互作用。这些特性使聚类肽成为医学研究中一个新的平台。

参考文献

[1]史建中，王晓明.形状记忆高分子材料结构与性能的研究进展[J].山西化工，2018，38（5）：51-52，55.

[2]鲁圣军，何敏.《聚合物结构与性能》课程教学改革与探索[J].高分子通报，2019，（4）：78-80.

[3]李超，程杰，黄勇，等.聚酰亚胺泡沫材料结构与性能研究[J].化工管理，2019，（14）：188-189.

[4]石磊，张若愚，朱锦，等.含聚乳酸软段聚氨酯材料的结构与性能研究[J].北京化工大学学报（自然科学版），2019，46（1）：71-77.

[5]王德海.高分子结构与性能关系原理-结构层次的意义[J].高分子通报，2020（2）：69-71.

作者：田新 单位：新疆轻工职业技术学院