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很多人类的疾病,包括一些神经变性和淀粉样聚集,都表现为蛋白质和多肽分子的稳定而有序的纤维状聚集,我们称之为淀粉样纤维。研究表明,疏水相互作用、静电相互作用和氢键相互作用是蛋白质聚集的主要影响因素,特别对于那些含有特定氨基酸的可纤维化的蛋白质或多肽。然而,由于聚集过程的相互作用非常复杂,聚集的机制还不是很清楚。为了能更好的了解蛋白质聚集过程中的机制,最近的研究已经把焦点集中于人工设计的且氨基酸成重复性排列的可以自组装的多肽和那些可以诱导聚集的蛋白质片段。
在第二章中,我们介绍了多肽的自组装研究的发展,其中研究的最多的一类可以自组装的多肽就是离子互补型的EAK家族。这类多肽分子所带的电荷是重复性排列的,而且疏水及亲水残基也是间隔开来的。因为它们有着分子量小、容易设计和易于合成等特点,所以近年来它们成为大家研究的对象。然而,这些分子间相互作用也是容易被溶液环境所影响的,例如pH值、离子强度等,可见带电残基在稳定多肽构象上的重要作用。以上这些可以帮助我们研究多肽的自组装的内在机制。
在第三章中,介绍了EMK16-Ⅱ在不同阴离子条件下的自组装过程。我们设计并合成了一条新的离子互补型多肽EMK16-Ⅱ。通过对其自组装过程的观测,我们发现新合成的EMK16-Ⅱ跟原来的EAK16-Ⅱ相比,内部的相互作用是非常相似的。但是由于甲硫氨酸的引入增加了分子的疏水性,虽然EMK16-Ⅱ的N端和C端都没有被保护起来,但是还是使得EMK16-Ⅱ的临界聚集浓度要远远小于EAK16-Ⅱ。为了研究静电相互作用在多肽分子自组装过程中的影响,我们通过加入不同价态的离子以及调节溶液的pH值(pH=4.5～9.0)来改变多肽分子的带电情况。我们通过原子力显微镜(AFM)、圆二色谱(CD)、静态光散射(LS)、动态光散射(DLS)以及液相色谱等手段对自组装的过程进行了全方位的观测。我们发现,一价的阴离子(如氯离子和醋酸根离子)在一定浓度下可以通过对多肽分子上净电荷的屏蔽促进纤维的生长,类似现象在以前的研究中也曾被发现过。当溶液中加入多价阴离子时(如硫酸根、柠檬酸根和磷酸根等),只能观测到非常少的纤维状聚集,同时出现了很多大的无规聚集。重要的是,我们通过液相色谱观测发现多价离子会存在于大块的无规聚集中,这样他们可以同时跟两个带电基团产生静电相互作用而起到一个桥连作用。这里我们根据多价阴离子在自组装的过程中的影响,提出了“盐桥”在自组装过程中起到的重要的作用。盐桥的影响可以对以前研究中发现的二价阳离子是有序纳米结构的抑制剂的现象进行很好的解释。我们对前面提到的在自组装过程中最重要的三种相互作用(疏水相互作用、静电相互作用和氢键相互作用)的影响的机理做了阐述,特别是疏水相互作用和静电相互作用。
第四章介绍了我们通过改变磷酸盐的浓度研究了多肽自组装过程中的电荷相互作用的工作。结果发现低浓度的磷酸盐能够促进EMK16-Ⅱ形成纳米纤维。当磷酸盐达到某一浓度时,能够很明显的抑制纤维的形成。更令人惊奇的是,当多价态的磷酸盐浓度远高于EMK16-Ⅱ的浓度时,取代纤维的是成块的无定型的聚集。我们认为一个二价的阴离子能够像桥梁一样与位于不同多肽分子上的两个带正电的残基相互作用,这一点在我们以前的工作中有过报道。为了帮助大家理解短肽和蛋白的自组装机制,我们给出了在离子互补型多肽的自组装过程中多价态离子的作用的物理性阐释。
最后在第五章里,我们探讨了一种新发现的可以进行自组装的多肽Ac-EMK8-Ⅱ-NH2。通过CD以及红外光谱我们发现,它所自组装形成的纤维结构不是由β片结构形成的,而是由α螺旋组成的。这种由α螺旋组成的纤维有着其特殊性:纤维的形貌非常的规则,呈现完美的条带状。疏水作用和静电作用在纤维的形成中起到了非常重要的作用,这也为我们提供了一种新的可以自组装的多肽,以便更好的应用于超分子化学和生物材料方面。
通过上述研究结果,我们对于多肽分子在不同缓冲液,不同pH值以及不同的分子浓度等条件下的自组装行为进行了科学的阐释,使得我们对多肽自组装的过程及其机理有了比较深入的了解,对于进一步深入理解蛋白质聚集做出了有益的探索。