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化学学院Lehn功能材料研究所研究进展:第一个基于“pH和电压双重门效应”的人工自组装氯离子通道


稿件来源:化学学院 | 作者:化学学院 | 编辑:谈荣钰、郝俊 | 发布日期:2020-09-22 | 阅读次数:


        通过蛋白质通道或通过载体方式进行的离子跨膜传输,对维持正常的生命有机体功能至关重要。任何对这项生理过程的干扰都会引发一系列的“通道病”,而用结构简单的合成离子传输体来替代缺陷蛋白通道,以恢复正常的离子传输功能,是目前热门的针对“通道病”的“通道取代治疗法”。

        作为高级的离子选择过滤器,天然蛋白通道还存在频繁的通道开/关(open-closed)过程,其状态切换主要取决于周围环境的特殊信号,如电压、光、温度、氧化还原条件等,以产生离子传导的信号电位。有名的细胞内氯离子通道家族(Intracellular Chloride Channel,CLIC)是其中一类电压响应型通道,主要在经上皮细胞离子吸收、肾排泄等方面发挥作用。

        近日,我校化学学院郑少平博士在Lehn功能材料研究所超分子化学与材料方向外籍导师Mihail Barboiu教授的指导下,设计了一类高效新颖的pH-和电压-双重响应型的氯离子传输通道。含多个氢键识别位点的咪唑型分子结构设计,赋予其通过分子间作用自组装后产生两种离子线性识别作用强度不同的孔道交替排布的组装结构(Imu2)。

 

基于咪唑型分子的自组装氯离子通道[左图]和(a) Imu1a、(b) Imu2组装离子通道

在不同pH电导液中记录的I-V曲线[右图]

 

        基于磷脂膜的离子传输荧光实验确认了这种咪唑组装型通道的pH调节氯离子传输行为,包括离子传输机理(H+/Cl-协同传输或OH-/Cl-交换传输),氯离子传输过程速率与ΔpH的关系。结合pH响应氯离子传输过程行为分析、溶液紫外-可见光化合物稳定性测试和氯离子结合核磁实验,他们进一步推测不同溶液pH可能诱导产生不同的氯离子结合组装构象行为:由Imu3H+·Cl-晶体结构可知,在酸性环境中,氯离子会以[H2O·Cl-]的结合模式沿部分质子化构象的组装通道方向性流动;若溶液pH切换至碱性状态,咪唑型分子的组装行为会发生调整,转化为一种全新的中性通道组装构象,同时氯离子也会以一种合理的假想水合模式[-OH·H2O·Cl-]在离子-位点的多重吸引-排斥协同作用的驱动下跳跃式前进。随后,不同pH电导液的膜片钳实验明确肯定了基于咪唑型分子的离子通道传输机制和其pH-电压双刺激响应型的离子传输特性(右图)。

        这种第一次实现“pH和电压双重门效应”的氯离子传输人工组装通道设计,从其聚集和响应-传输行为上看,可成功地模拟天然蛋白通道CLIC1的氯离子传输行为,并有望成为治疗氯离子相关通道疾病、肿瘤病症等病症的潜在药物,同时在信号转换、感应缓释等材料领域也存在重要的应用前景。

        该研究进展发表于科学期刊《德国应用化学》(Shao-Ping Zheng, Mihail Barboiu*, Angew. Chem. Int. Ed., 2020. DOI: 10.1002/ange.202008393),并入选VIP论文 (Very Important Paper, top 5%)。

        上述研究工作得到了中国国家自然科学基金、法国国家研究机构基金、广东省国际科技合作基地的大力支持。

 

        论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202008393

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