酶启动和调控自组装超分子水凝胶

《生命的化学》2011年 31卷 4期 · 587 ·● 技术与方法 CHEMISTRY OF LIFE 2011，31(4) 文章编号 : 1000-1336(2011)04-0587-05 酶启动和调控自组装超分子水凝胶 张 琦 张耀东 陕西师范大学化学与材料科学学院应用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面与胶体化学教育部重点实验室，西安 710062 摘要：超分子间的弱相互作用使自组装超分子水凝胶的结构比较容易改变。用酶启动和调控超分子水凝胶的自组装不仅能在原 位上对超分子水凝胶结构进行调整和控制，而且具有很好的生物选择性，有望制造出生物医学上所需要的材料，并能够控制 生物体系中一些重要的生物过程。本文对酶启动和调控自组装超分子水凝胶的两类过程进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ，并以磷酸酯酶、β-内酰胺 酶、嗜热菌蛋白酶、脂肪酶、基质金属蛋白酶和磷酸酯酶/激酶等酶为例，综述了如何 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和使用酶来启动和调控小分子的自组 装超分子水凝胶。 关键词：酶；自组装；水凝胶基元；水凝胶 中图分类号：Q55 收稿日期：2010-12-22 国家自然科学基金(30600494)和中央高校科研基本业务费 (GK200902010)资助 作者简介：张琦(1986-)，女，硕士生，E-mail: 2009success@ 163.com；张耀东(1971-)，男，博士，副教授，通讯作者，E-mail: ydzhang@snnu.edu.cn 超分子化学是关于分子间相互作用和分子聚集 体的化学。自诺贝尔奖获得者J-M Lehn提出超分子概 念后，超分子化学经过20多年的发展，形成了自己 的一些独特概念和体系。某些有机小分子在水中能 自发地形成高级有序的分子纳米纤维结构，进而聚 集成水凝胶，这种水凝胶被称为“超分子水凝胶(su- pramolecular hydrogel)”，而那些有机小分子则被称为 “超分子水凝胶基元(supramolecular hydrogelator)”[1,2]。 超分子水凝胶对于pH、温度、离子强度等外部的刺 激能快速的做出响应。这些性质使超分子水凝胶在 生物传感器、控制药物释放、三维细胞培养、组织 工程以及软材料等研究领域具有潜在的应用价值。 超分子水凝胶基元具有共同的特性，如两亲性和超 分子间的相互作用(分子间的范德华作用和π-π相互作 用、氢键作用和静电作用等)，从而形成纳米结构并 最终形成三维网状水凝胶基体。因为超分子水凝胶 的自组装一般是一个快速的过程，超分子间的相互 作用也使超分子水凝胶的结构比较容易改变，所以 控制组装过程的动力学成为一个具有挑战性的问 题[3,4]。 通过诱发剂来启动自组装形成水凝胶的方法， 大体上可以分为两种：第一种是通过调整整个环境 状况，如改变pH或温度，降低水凝胶基元的溶解度 使之形成过饱和溶液从而启动自组装；第二种是通 过对不能进行自组装的前驱体加以局部的刺激，如 光[5]或酶[6]的催化，使之转变成能够自组装的结构单 元，从而启动自组装。其中第二种体系所处的环境 在不断地发生变化，这有利于更好地控制自组装过 程及其动力学，而且在人体的不同组织，器官中酶 的分布和种类不同，同时反应条件温和。因此，用 酶启动的小分子自组装不仅具有很好的生物选择性 而且能在原位上对纳米结构进行调整和控制，从而 制造出生物医学上所需要的材料[7]。此外，研究水溶 液中由酶调控的分子自组装过程也能够使人们了解 并控制生物体系中的一些重要的生物过程。本文介 绍了由酶启动和调控前驱物形成水凝胶基元并自组 装成超分子凝胶的方式，并以磷酸酯酶、β-内酰胺 酶、嗜热菌蛋白酶、脂肪酶、基质金属蛋白酶和磷 酸酯酶/激活酶等为例，综述了前驱物的设计特点和 形成水凝胶的过程。 1. 酶催化小分子凝胶化的过程 酶催化的小分子凝胶化过程包括三个重要的步 骤[9](图1)。首先，酶通过使化学键断裂(或生成)将前 驱体转变成水凝胶基元；然后，水凝胶基元发生自 组装，形成纳米纤维；最后，纳米纤维发生缠绕形 《生命的化学》2011年 31卷 4期 CHEMISTRY OF LIFE 2011，31(4) · 588 · ● Technique and Method 成水凝胶。与由任意聚合物链交叉偶合所形成的水 凝胶不同，由小分子自组装所形成的超分子水凝胶 具有三种很重要的性质：(1)虽然纳米纤维是随意缠 绕的，但是纳米纤维里的分子排列却表现出具有重 要意义的特定顺序；(2)小分子结构的改变能够相对 容易地调整纳米纤维里分子的排列顺序；(3)无论是 在细胞内，还是在细胞外，酶都很容易与小分子底 物结合，并将它们转变成水凝胶基元。因为在不同 的组织和器官中酶的表达不同，所以酶催化水凝胶 基元的自组装的显著优势是对生物环境的响应有一 定的选择性[4,10]。 酶启动和调控小分子凝胶化过程的作用方式可 分为动力学与热力学控制。在整个由酶启动和调控 的小分子凝胶化系统中，热力学上 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 整体吉布斯 自由能变化为负值(ΔG<0)。因此，一般存在两种方 式：(1)酶促反应和自组装过程均为热力学允许的过 程(ΔG<0)；(2)酶促反应本身吉布斯自由能变化为正 值，但只涉及一个足够小的自由能改变，这种改变 与热力学自发的自组装过程相耦合后，整个凝胶化 过程就在热力学上允许发生了(ΔG<0)，从而成为由 热力学过程控制的完全可逆过程(图2，右)。在前一 种情况下，酶催化速率控制自组装基元的生成，如 果反应速度比较慢，则最终的组装结构缺陷就较 少，因此，酶动力学可以决定材料的性质。通过磷 酸酯酶去磷酸化和由ATP驱动的激酶磷酸化的联合作 用，可以使系统在凝胶和溶液之间发生可逆转化[7] (图2，左)。 由水解酶(如酯酶、酰胺酶、内酰胺酶、蛋白酶 和磷酸酶等)调控的凝胶化过程中的酶促反应和自组 装过程都分别为热力学允许过程，是目前使用最多 的一种方式。例如，9-芴甲氧羰基丙氨酰丙氨酸 (Fmoc-AA)仅在较低pH值下形成凝胶，而9-芴甲氧羰 基亮氨酰亮氨酸 (Fmoc-LL)在pH值达到8时也能形成 凝胶。它们转化为甲酯后，不溶于水而形成乳白色 的悬浮液，在酯酶的催化水解下，几乎完全转化 (98~99%)。但只有Fmoc-LL可以发生自组装，生成了 含有高度有序纳米管的凝胶[12]，这清楚地表明了酶 促反应和自组装过程可以分别单独发生。 Ulijn实验室[7,13]首先研究了第二种作用方式，即 形成自组装基元的酶促反应过程是热力学非允许过 程，但自组装过程中自由能的变化足以使该反应向 相反的方向转化。整个反应体系已经被证明是完全 可逆的，从而使这种自组装过程具有独特的优势， 包括缺陷自校正和最稳定结构的自选择。人们已经 图1　酶催化小分子凝胶化的基本过程[8] 图2　两类酶控自组装过程的自由能变化示意图[11] 《生命的化学》2011年 31卷 4期 · 589 ·● 技术与方法 CHEMISTRY OF LIFE 2011，31(4) 在有机介质、固/液界面或高浓度的非均相体系等非 生理条件下证实了这种水解逆反应的作用方式。在 连续改变氨基酸序列和芳香肽衍生物的基础上，Das 等[13]应用动力学组合库(dynamic combinatorial librar- ies, DCL)的方法对自组装纳米结构进行了研究，结果 表明热力学上最稳定的自组装结构在系统中最终占 主导作用。 2. 催化小分子凝胶化的酶 2.1 磷酸酯酶 磷酸酯酶不仅容易获得，而且活性很高，可供 选择的底物也多。在自然界中，它们在各种各样的 生物体系中起着催化脱磷酸作用[14]。在自组装过程 中有酸性和碱性两种磷酸酯酶可供使用。通常采用 的是碱性磷酸酯酶，这是因为碱性磷酸酯酶不仅可 以作标记物使用，而且由它催化的水凝胶化通常在 生理条件下发生，这有利于它在生物学和生物医学 中的应用[15]。由于带电荷的磷酸基团之间存在静电 排斥作用，所以磷酸化的前驱体间不会发生自组 装。当加入碱性磷酸酯酶后，它能将前驱物中的亲 水性磷酸基团移去，从而降低了分子在溶液中的溶 解度，使之转变成疏水性较强的超分子水凝胶基 元，随后这些超分子水凝胶基元会发生自组装生成 纳米纤维，并最终形成超分子水凝胶[16,17]。 许多疾病都与一些相关酶的异常活性或者酶的 过表达有关，因此，筛选酶的抑制剂很重要。当抑 制剂的浓度低于它的抑制阈值时，酸性磷酸酯酶可 以将前驱物转化成超分子水凝胶基元，进而形成超 分子水凝胶。当抑制剂的浓度较大时，酸性磷酸酯 酶的活性被抑制，溶液不会转化为凝胶。因此，酶 催化的凝胶化可以用于筛选酶的抑制剂[18]。 2.2 β- 内酰胺酶 β-内酰胺酶是一类重要的酶，它们能催化水解β- 内酰胺抗生素并使致病细菌产生抗药性。头孢霉毒 核(cephem nucleus)能将亲水基团与水凝胶基元连接 成前驱物，由于这种前驱物极易溶解而不能形成水 凝胶。当加入β-内酰胺酶后，前驱物中的β-内酰胺环 打开，并释放出水凝胶基元，随后水凝胶基元会自 组装成纳米纤维，并最终形成水凝胶[19]。我们不仅 可以利用这一简单的过程来检测细菌溶解产物中的β- 内酰胺，而且可以筛选β-内酰胺酶的抑制剂，当β-内 酰胺酶被其它分子抑制时就不形成凝胶。 2.3 嗜热菌蛋白酶 与磷酸酯酶通过破坏共价键来启动自组装以形 成水凝胶不同，嗜热菌蛋白酶是通过催化两个化合 物之间产生共价键来形成超分子水凝胶基元，随后 这些超分子水凝胶基元自组装成三维网状纤维，最 终形成水凝胶[3,20](图3)。因为嗜热菌蛋白酶能催化许 多酶底物的反向水解，尤其是疏水性的氨基酸和多 肽，所以成为一个在组织工程学中用来加工水凝胶 的重要工具。Vey等[21]利用蛋白酶来诱发离子互补型 多肽的合成，而当多肽的浓度高于某一值时，就会 出现溶胶-凝胶间的转变。当往苯丙氨酰谷氨酰苯丙 氨酰赖氨酸(FEFK)四肽的溶液中加入蛋白酶后，它 会水解成苯丙氨酰谷氨酸(FE)和苯丙氨酰赖氨酸( FK)，随后又可以通过水解的逆反应生成六肽，八肽 和十肽。通常四肽会生成自组装能力很高的八肽， 而一旦有八肽生成，它们就会自组装成富含有β-折叠 的纳米纤维，随后这些纤维就会发生缠绕生成以自 图3　嗜热菌蛋白酶催化底物形成水凝胶基元(A)和所形成的凝胶(B)[3] 《生命的化学》2011年 31卷 4期 CHEMISTRY OF LIFE 2011，31(4) · 590 · ● Technique and Method 己为支架且具有弹性的水凝胶。 2.4 脂肪酶 脂肪酶是工业上常用的酶类，它能催化酯键的 形成和水解。特别是来自嗜热菌的脂肪酶，与蛋白 水解酶相比，具有更好的特异性，而且不会催化多 肽的二级水解。Chronopoulou等[22]利用脂肪酶在水中 催化合成能够自组装的多肽，即可以通过水解的逆 反应在9-芴甲氧羰基苯丙氨酸 (Fmoc-Phe)的Phe-Phe 间形成肽键而产生能够自组装的多肽Fmoc-Phe-Phe- Phe，在Fmoc官能团的π-π堆积作用下，形成了具有 多孔微结构的凝胶。因为这种水凝胶固有的多孔 性，增加了细胞和营养物质的流动性，所以可以在 组织工程中可作为优良的基体材料。 2.5 基质金属蛋白酶 基质金属蛋白酶(metalloprotease, MMP)是一种分 泌蛋白酶，这些分泌蛋白酶在生理过程中起着重要 的作用。如细胞的恶性生长，就常与MMP的过表达 有关。特别是MMP-2和MMP-9，它们与人类的恶性 肿瘤的侵入和转移密切相关。通过构建一个由 MMP-2或MMP-9的过表达来诱发的自组装体系(如纳 米纤维网状物或超分子水凝胶)可以为治疗癌症和其 他疾病制造新的生物材料。Yang等[23]设计并合成了 具有一定氨基酸顺序的短肽FFFFCGLDD(F-苯丙氨 酸，C-半胱氨酸，G-甘氨酸，L-亮氨酸，D-天冬氨 酸)作为MMP-9的作用底物，然后加入MMP-9使短肽 发生断裂，生成能够自组装的水凝胶基元FFFFCG， 最后形成水凝胶。 2.6 磷酸酯酶/激酶 生物体中有多种酶同时存在，利用几种酶的相 互作用来调控生物机能非常普遍。因此，了解多酶 控制小分子的自组装的生物学机制非常重要。在调 控细胞中的信号转导时，磷酸酯酶和激酶是一对重 要的酶，激酶起蛋白质的磷酸化作用，磷酸酯酶则 起去磷酸化作用，许多疾病(如癌症、糖尿病、老年 痴呆症和多发性硬化)都与激酶或磷酸酯酶或其它类 型酶开关的异常活性有关。因此，Yang等[24]设计了 一种可分别通过磷酸酯酶和激酶进行去磷酸化和磷 酸化作用的化合物来作为酪氨酸激酶的作用底物， 酪氨酸激酶在ATP存在的条件下催化所设计的化合物 发生磷酸化作用而产生亲水性更强的化合物，从而 发生凝胶到溶胶的转化。当加入碱性磷酸酯酶时， 磷酸化的前驱物在酶的作用下，发生脱磷酸作用而 重新形成水凝胶。 3. 结语 酶催化的小分子凝胶化为模拟和阐明生物系统 中自组装生物大分子提供了新方法，建立了一种可 以控制小分子自组装的技术平台。因为小分子凝胶 剂在微摩尔到毫摩尔的浓度下才能发生凝胶化，所 以酶催化的小分子凝胶化在生物体系中的应用受到 了严重的限制，是目前酶催化的小分子凝胶化面临 的主要挑战。可能的解决方法是通过选择具有特殊 性质的凝胶基元，或通过在亚细胞器里引起凝胶化 降低这个浓度。酶催化的凝胶化不仅能将分子自组 装与很多涉及酶的生物过程联系起来，而且这种方 法也为研究细胞内的凝胶化提供了机会。胞内酶催 化的凝胶化可以抑制细菌或癌细胞的生长，形成了 一种新的开发治疗药物的原理和方法，即利用酶反 应的动力学特征，而不是配体和受体间的牢固键 合。受酶促超分子自组装水凝胶启发，酶促自组装 方法在其他自组装体系中也得到了应用。Amir等[25] 利用碱性磷酸酶催化水溶性嵌段高分子生成两亲分 子，进而自组装成纳米胶；Kühnle等[26]也利用碱性磷 酸酶催化高分子-磷酸酯化多肽水解，生成的高分子- 多肽基元自组装成纤维结构。显然，酶催化的小分 子凝胶化这种“自下而上”的可控自组装方法为调 控细胞内的过程、探索细胞内作用机制、开发出新 的生物材料和疗法以及解决癌症和药物抗性等复杂 问题提供了新思路、新方法，在生物医学领域有着 广阔的应用前景。 参 考 文 献 [1] Liu JH et al. 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Stimuli-responsive hydrogel membranes coupled 《生命的化学》2011年 31卷 4期 · 591 ·● 技术与方法 CHEMISTRY OF LIFE 2011，31(4) Enzyme-triggered and -controlled self-assembly of supramolecular hydrogel ZHANG Qi, ZHANG Yaodong Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry, Ministry of Education, School of Chemistry and Materials Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China Abstract The weak noncovalent interactions enable the self-assembled supramolecular hydrogels to easily response to a variety of external stimuli. One emerging concept consists of making use of the catalytic action of enzymes to control self-assembly of supramolecular hydrogel, which not only can regulate and control the structure of supramolecular hydrogel in situ, but also shows the good biological selectivity to make potential biomaterials in biomedical applications. Moreover, enzymatic spatiotemporal regulation promises a unique opportunity to integrate molecular self-assembly in water with natural biological processes. In this paper, two possible scenarios to enzyme-controlled self-assembly supramolecular hydrogel are summarized. Taking phosphatase, thermolysin, β-lactamase, lipase, matrix metalloprotease, and phosphatase/kinase as examples, we also illustrated for the design and application of enzyme-triggered and -controled formation of supramolecular hydrogels through the self-assembly of small molecules. Key words enzyme; self-assembly; hydrogelator; hydrogel with biocatalytic processes. ACS Appl Mater Interfaces, 2009, 1: 532-536 [7] Williams RJ et al. Enzyme-assisted self-assembly under thermodynamic control. Nat Nanotechnol, 2009, 4: 19-24 [8] Gao Y et al. Enzyme-instructed self-assembly of peptide derivatives to form nanofibers and hydrogels. Biopolymers, 2010, 94: 19-31 [9] Hirst AR et al. Biocatalytic induction of supramolecular order. 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