蛋白质及多肽分子自组装-北京大学单分子与纳米生物学实验室.pdfVIP

蛋白质及多肽分子自组装 北京大学力学系生物医学工程专业 2003 级，郭瑾 摘要：自组装已成为合成一系列新型纳米材料的一种有效且有发展前景的方法。本文将就蛋白质/ 多肽分子的组装方式：多肽纳米管、多肽纤维、蛋白质网络等做出具体介绍。 关键词：自组装 蛋白质 多肽 多肽纳米管 多肽纤维 蛋白质网络 自组装已成为合成一系列新型纳米材料的一种有效且有发展前景的方法。在自组装的过 程中，原子、分子、粒子和其他基本单元在系统能量的驱动下具有组装形成功能性结构的能 力。自组装也指如果体系拆分成相应的亚单元，在适当的条件下，这些亚单元会混合重新形 成完整结构。对自组装过程，最重要的驱动力是亚单元间的相互作用能，无论这些亚单元是 原子、分子或粒子。分子自组装是在自由扩散的情况下，分子通过非共价键特异性结合形成 有序的高级结构。很多分子都可以自组装【1】：有机分子，蛋白质，多肽，DNA。 1981 年 Eric Drexler 提出 “bottom－up”式的构建纳米期间的方法，他指出以蛋白质 作为构建单元通过自组装形成高级结构。蛋白质或多肽分子自组装主要依靠氢键、静电相互 作用、疏水相互作用等次级键的作用。它们组装的形态主要有以下几种： 1．多肽纳米管 多肽纳米管目前采用以下几种可能的方式【2】： （1）折叠片层卷曲成中空的螺旋状结构（螺旋状卷曲式结构，图1a） （2）棍棒结构组装成筒状的分子束结构（筒状束式结构，图1b） （3）大环分子堆砌成连续管状结构（环状管式结构,图1c） （4）扇形或契形分子形成碟片状结构堆砌成碟片状柱式结构（图1d） 近年来，有些学者又提出了一些新的纳米管模型。Meital Reches 等 【3】在研究非常 短的芳香肽形成淀粉样纤维的稳定性时观察到了纳米管的形成。在理论和实验的基础上，他 们认为芳香残基的堆积在分子识别及自组装成纤维的过程中起重要作用。由于芳香部分有受 限的几何形状，而且之间还有吸引力，因此该部分可以提供形成有序结构而需要的有序性， 方向性。这样的一些背景使他们有兴趣研究与 Aβ 核心识别区相应的肽片段。他们选择二肽 phe－phe，孵育后进行醋酸双氧铀负染，在 TEM 下观察到周围亮中间暗的结构，说明形成的 是空心管状结构（见图 2）。为了进一步确认管是中空而且是填充水溶液的，他们向纳米管 溶液中加入银离子。HR－TEM 和 EDX 都表明在管中形成了银纳米颗粒。若将管加入到沸腾的 银离子溶液中，再用柠檬酸还原，可以确保银纳米导线更加一致的组装。TEM(未染色)表明 金属有 80－90%是组装在管中的(图 3B)。用蛋白酶 K 将肽水解后得到直径 20nm 左右(比管的 直径小)的银纳米导线(图 3C, D)。 图 2 接下来他们又发现其类似物苯基甘氨酸可组装成纳米球。二苯丙氨酸引入疏基时,可改 变其自组装,由管状变为类似于二苯基甘氨酸形成的球状颗粒。两种结构的模型见图 4。 图 3 图 4 2002 年，Sylvain Vanthey 等【4】报道了一种由双亲多肽链构建的双壁闭口多肽纳米 管。他们采用如图 5 所示的几种多肽。孵育后在快速冷冻深层蚀刻电镜下观察，到了如图 6 所示的纤维。在图 7 中可以很清楚的看到管状结构和分叉处的形态。 Fig. 5. Space-filling molecular models of surfactant peptide. (A)A6D. (B)V6D.(C) V6D2. (D) L6D2. D (aspartic acid) bears negative charges, and A (alanine), V(valine), and L (leucine) const