蛋白质及多肽分子自组装.docx

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蛋白质及多肽分子自组装

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EricDrexler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。

MeitalReches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，SylvainVanthey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-fillingmolecularmodelsofsurfactantpeptide.（A）A6D.（B）V6D.（C）V6D2.

（D）L6D2.D（asparticacid）bearsnegativecharges,andA（alanine）,V（valine）,andL（leucine）constitutethehydrophobictailswithincreasinghydrophobicity.Green,carbons;red,oxygen;blue,nitrogen;white,hydrogen.Eachpeptideis–23nminlength

similartobiologicalphospholipids.

Fig.6.Quick-freezedeep-etchTEMimageofthesurfactantpeptidesA6D,V6D,V6D2andL6D2inwater（4.3mM）.Thesepeptidesself-assembledintoadensenetworkextendedtoseveralmicrometersinlength.Becausethedropletsolutioncontainingthepeptidenanotubesisinthreedimensions,thenetworkofatwo-dimensionalimageappearsdenserthantheactualstructure,similartolookingatapictureofthebranchesonatreewithoutleaves.（A）A6D.（B）V6D.（C）V6D2.（D）L6D2.

Fig.7.（A）Quick-freeze_deep-etchTEMimageofA6DandV6Ddissolvedinwater（4.3mMatpH7）athigh-resolution.Theimagesshowthedimensions,3–050nmindiameterwith

Openingendsopeningsofnanotubeends（redarrows）.（Inset）

inmoredetail.Notesomeopeningendsofthepeptidenanotubemaybecutvertically.Thestrongcontrastshadowoftheplatinumcoatalsosuggeststhehollowtubularstructure.Similarlipidright-handedhelicaltubularnano-andmicrostructureshavebeenreported.BandCshowathree-wayjunctionandmanythree-wayjunctions,respectively.Thereareopeningsattheends（DandE,indicatedbyredarrows）,withtheotherendspossiblyburiedinsidethereplica.Therealsoaresomevesiclesandnanotubesintheupperrightcorner（E,arrowspointtothehollowopeningattheends）.Micellesandvesiclesarepresentalso.（E）Exampleofvesiclesthatarebuddingoffofananotube.

图8

2．自组装纤维

关于蛋白质/多肽自组装成纤维的报道很多【5－8】，如Pochan等【9】选择一段多肽，孵育后多肽溶液变为有一定力学强度、热稳定性的凝胶（见图9），其组

装过程见图10。

Zhang等以另一种孵育后的多肽凝胶作为组织工程支架尝试应用于神经组织【10】、软骨组织【11】。

图9

图10

3．蛋白质自组装网人工合成多肽组装成二维网状结构，目前报道较少。

但Shun－ichiInoue等

【12】应用天然Samiacynthia蚕丝蛋白自组装成了网络结构。

蚕丝蛋白取于晚期蚕丝腺，蚕丝蛋白单体的原子力显微镜下的形态如图11所示，大约长300nm，10nm宽，0.4nm高。

而将单体溶液在5摄氏度条件下孵育24小时，即可形成如图12所示的网状结构。

他们推测由单体形成网状结构的过程中梳状的中间结构形成（如图13所示）。

图11图12

图13.SchematicimageofthestructureformationofS.c.ricinifibroin.（a）SinglemoleculeofS.c.ricinifibroin,（b）comblikestructure,and

（c）fabriclikestructure.蛋白质自组装体系既保持了蛋白质的生物功能,又实现了在分子水平上控制分子排列,在21世纪的生命科学、信息科学、微电子科学、材料科学、生物技术及其功能材料及生物化学元件等方面的开发和利用上具有广阔的前景,必将发挥更大的作用。

当然在应用时仍有很多问题有待解决，如作为生物材料的组织相溶性、功能化等等。

参考文献：

1．KarthikanRajagopalandJoelPSchneider.Self-assemblingpeptidesandproteinsfornanotechnologicalapplications.CurrentOpinioninStructuralBiology2004,14:

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2．DTBong,TDClark,MRGhadirietal.Angew.Chem.Int.Ed.,2001,40:

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4．SylvainVautheyandShuguangZhan.Molecularself-assemblyofsurfactant-likepeptidestoformnanotubesandnanovesicle，sPNAS，1999：

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5．JeffreyDHartgerink,EliaBeniash,andSamuelIStupp.Peptide-amphiphilenanofibers:

Aversatilescaffoldforthepreparationofself-assemblingmaterials.PNAS,2002,99:

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8．Zhang,Shuguang.Fabricationofnovelbiomaterialsthroughmolecularselfassembly.NatureBiotechnology,2003,21:

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9．PochanDJ,SchneiderJP,KretsingerJ,OzbasB,RajagopalK,HainesL.Thermallyreversiblehydrogelsviaintramolecularfoldingandconsequentself-assemblyofadenovodesignedpeptide.JAmChemSoc,2003,125:

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10．Semino,Carlosetal.EntrapmentofMigratingHippocampalNeuralCellsinThree-DimensionalPeptideNanofiberScaffold.TissueEngineering,2004,10.11．Kisiday,J.etal.Self-assemblingpeptidehydrogelfosterschondrocyteextracellularmatrixproductionandcelldivision:

Implicationsforcartilagetissuerepair.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2002,99.15:

9996–10001.

12．Shun-ichiInoue.NanostructureofNaturalFibrousProtein:

InVitroNanofabricFormationofSamiacynthiariciniWildSilkFibroinbySelf-Assembling.NanoLetters.