短肽超分子自组装驱动力及调控策略的研究发展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210507

摘要/Abstract

摘要：

短肽分子在弱相互作用力驱动下可以自发形成形貌多样的自组装体。这些弱相互作用力包括静电作用、氢键作用和π-π堆积作用等，它们相互耦合，协同驱动短肽自组装过程。通过对短肽分子有目的性的序列设计和修饰，可以针对性调节自组装驱动力，从而实现对自组装体结构和形貌的有效调控，进而实现肽基超分子材料的可控制造与功能化。本文系统综述了氢键作用、π-π堆积作用、静电作用、疏水效应、金属离子配位和手性中心等因素对短肽自组装行为的影响规律，以及通过氨基酸序列设计与分子修饰、改变溶液pH值和短肽分子浓度、金属离子配位等因素对组装驱动力的调控机制。最后，对肽基超分子材料在生物医学、生物催化等领域的特定功能开发进行了展望。

关键词: 短肽自组装, 氢键, π-π堆积, 静电作用, 疏水作用, 配位作用, 手性

Abstract:

Some short peptides can spontaneously self-assemble into various nanostructures via the synergistic driving forces of non-covalent interactions. These non-covalent interactions， including electrostatic interaction， hydrogen bonding， aromatic interactions and other non-covalent interactions， are usually highly coupled together. Through rational sequence design and proper modification of short peptide molecules， the driving forces could be regulated purposively， and the nanostructures and morphologies of the self-assemblies could be controlled accordingly， and thus so as to achieve the fabrication of peptide-based supramolecular biomaterials and develop their functions. In this paper， the effects of hydrogen bonding， π-π stacking， electrostatic interaction， hydrophobic interaction， metal ion coordination and chiral center on the self-assembly behavior of peptide self-assembly have been reviewed. The driving force regulation strategies， including sequence design， pH and concentration adjustment and metal ion coordination， and the resulted nanostructures have also been discussed. We also make the outlooks on the development of peptide-based supramolecular biomaterials with specific functions in biomedicines and biocatalysis.

Key words: Peptide self-assembly, Hydrogen bond, π-π stacking, Electrostatic interaction, Hydrophobic interaction, Coordination, Chirality

中图分类号:

O641.3

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图/表 5

图1 （A） c-WW晶体与晶体结构示意图［23］；（B）环状肽CPx从1D到2D的自组装示意图［25］

Fig.1 （A） c-WW crystals and the crystal structure［23］；（B） The sequential 1D-to-2D self-assembly of cyclic peptide CPx［25］

图2 基于溶液pH诱导的芳香基团的手性堆积［35-36］（A） Fmoc-FWK［35］；（B） FEFK（DAC）-NH2［36］

Fig.2 The chiral stacking of aromatic groups induced by pH ［35-36］

图3 （A） Nser/Pser和三聚氰胺等分子的结构以及基于氢键作用诱导的芳香基团手性堆积的示意图［43］；（B） Fmoc-Glu和嘌呤、ThT共组装机理以及组装体形貌图［44］

Fig.3 （A） The schematic illustration of aromatic groups chiral stacking by hydrogen bonds and the molecular structure of Nser/Pser， melamine［43］；（B） The co-assembly mechanism and morphology of Fmoc-Glu， Purines （G/A） and ThT［44］

图4 （A） C12-β12一维超分子结构的演化图像［47］；（B） CDPA微观组装体形貌以及C14-CDPA自组装机理图［48］

Fig.4 （A） The evolution images of the 1-D supramolecular structures of C12-β12［47］；（B） Morphological evolution of CDPA nano and microarchitectures and schematic diagram of C14-CDPA self-assembly mechanism［48］

图5 （A）血红素与短肽构建人工酶催化环丙烷化反应示意图［85］；（B）肽基人工酶的制备以及催化反应［87］

Fig.5 （A） Schematic representation of hemin association with catalytic amyloids to promote cyclopropanation［85］；（B） The preparation and catalytic reaction of a peptide-based artificial hydrolase［87］

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