功能化胆酸二聚体的合成及阴阳离子同向跨膜转运活性

摘要

镶嵌在细胞膜上的离子通道是由一类特殊的蛋白质构成的亲水性孔道，它担负起离子进出细胞的重任。通道蛋白的功能一旦异常，将导致机体一系列病变，统称“离子通道病”。鉴于离子通道在生理和病理上的重要医学意义，用人工合成的有机小分子化合物来模拟天然离子通道的结构和功能，成为一个备受关注的研究课题。迄今，已有多种小分子化合物，例如，灵杆菌素类、方酰胺类、杯四吡咯类、脲及硫脲类以及胆甾酸类等被报道不仅对阴离子表现出优良的转运活性和选择性，其中一部分化合物还具有一定的抗菌抗肿瘤等生物活性。
　　本课题组在前期的工作中，利用胆酸分子构筑了一系列功能化胆酸二聚体。基于卵磷脂(EYPC)脂质体模型的pH discharge实验表明，该类化合物嵌入磷脂双分子层后表现出有趣的离子跨膜转运活性。例如，我们前期合成的以刚性对苯二甲胺为连接基团，并以氨基修饰的胆酸二聚体能够以阳离子/质子交换机制选择性转运阳离子。
　　为了优化上述化合物的离子转运性能，并阐明连接基团和附加功能团的性质对离子跨膜转运性能的影响，本研究设计合成了三类功能化胆酸二聚体。第一类是化合物1和2。该类化合物在保留刚性对苯二甲胺连接两个胆酸单元基本骨架的基础上，分别引入胍基和羟基作为附加功能团。当化合物嵌入磷脂双层膜中，胍基和羟基可通过氢键等相互作用与阴离子结合，协助阴离子跨膜转运。
　　第二类是化合物3。首先，化合物3以方酰胺和两个刚性对苯二胺连接两个胆酸单元。因此，当化合物3嵌入膜中处于完全伸展的构象时，分子长度与磷脂双分子层的厚度相匹配，能够横跨整个双层膜。其次，化合物3中的方酰胺可通过氢键等相互作用与阴阳离子结合，协助阴阳离子跨膜转运。
　　第三类是化合物4和5。首先，化合物4和5保留以刚性对苯二甲胺连接两个胆酸单元的基本骨架，使分子处于完全伸展的构型时可以横跨整个双层膜。其次，当化合物4和5嵌入双层膜中，方酰胺基团可通过氢键等作用与阴阳离子结合，协助阴阳离子跨膜转运。最后，与化合物4相比，化合物5具有更大的脂溶性，因此，更容易与磷脂双分子层膜相互作用，可望发挥更优异的离子跨膜转运活性。
　　化合物1-5均以胆酸为原料，通过一系列反应合成得到。化合物1-5的结构用低分辨质谱、高分辨质谱、1H-NMR和13C-NMR确认。
　　接下来，以EYPC脂质体为模型，采用氯离子选择性电极法和荧光光谱法详细研究了化合物1-5的阴离子跨膜转运性能。氯离子选择性电极实验表明，化合物1-5均具有阴离子转运活性。化合物1主要是阴阳离子的同向转运机理，而化合物2则主要是质子与阴离子的同向转运作用。化合物1在膜中主要以2个分子聚集形成具有离子转运作用的活性结构，而化合物2主要以单个分子形成。另外，化合物1和2对不同一价阴离子具有选择性。其中，化合物1的阴离子选择性是I-＞Br-≈NO3-＞Cl-;而化合物2的阴离子选择性则为I-＞NO3-＞Br-≈Cl-。化合物1对碱金属阳离子有一定的选择性(Li+＞Na+＞K+≈Rb+＞Cs+)。
　　化合物3主要以2～4个分子聚集形成具有离子转运作用的活性结构，作用机制为阴离子调控的阴阳离子同向转运作用。另外，化合物3的阴离子选择性为I-＞Cl-＞Br-＞NO3-。
　　化合物4和5主要也是阴阳离子的同向转运机理，在膜中主要以单个分子形成具有离子转运作用的活性结构。化合物4和5对I-表现出了较高的选择性，而对其它阴离子选择性较低。另外，化合物5的Cl-转运活性强于化合物4。
　　从上述研究结果可以得到一些有趣的构效关系。首先，改变二聚体中附加功能团的性质能够调控离子跨膜转运性能，如化合物1和2。其次，二聚体连接基团的性质是影响化合物跨膜转运离子选择性的重要因素之一，如化合物3。最后，增强化合物的亲脂性，能促进其与磷脂的相互作用，使其能更加稳定存在于膜中而增强活性，如化合物4和5。
　　今后，在化合物4和5的研究基础之上，拟通过引入丙基、丁基等疏水性更强的基团增强整个分子的脂溶性，以期进一步阐明化合物亲水亲脂性对阴离子转运性能的影响。这些研究可望为具有优良的阴离子转运活性及选择性的有机小分子化合物的合理设计提供一定的参考。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 人工阴离子通道的研究进展

1．1．1 Tambjamine生物碱衍生物类

1．1．2 脲及硫脲衍生物类

1．1．3 杯四吡咯类

1．1．4 方酰胺衍生物类

1．1．5 胆甾酸衍生物类

1．2 本论文的研究目的与内容

参考文献

第二章 胍基与羟基修饰的胆酸二聚体的合成及阴阳离子同向跨膜转运活性

2．1 目标化合物的设计

2．2 结果与讨论

2．2．1 化合物1和2的合成

2．2．2 化合物1和2的结构表征

2．2．3 化合物1和2的阴离子转运性能

2．3 实验与操作

2．3．1 实验仪器与试剂

2．3．2 化合物1和2的合成

2．3．3 化合物1和2的活性测试

2．4 结论

参考文献

第三章 方酰胺连接的胆酸二聚体的合成及阴阳离子同向跨膜转运活性

3．1 目标化合物的设计

3．2 结果与讨论

3．2．1 化合物3的合成

3．2．2 化合物3的结构表征

3．2．3 化合物3的阴离子转运性能

3．3 实验与操作

3．3．1 化合物3的合成

3．3．2 化合物3的活性测试

3．4 结论

参考文献

第四章 具有方酰胺附加功能团的胆酸二聚体的合成及阴阳离子同向跨膜转运活性

4．1 目标化合物的设计

4．2 结果与讨论

4．2．1 化合物4和5的合成

4．2．2 化合物4和5的结构表征

4．2．3 化合物4和5的阴离子转运性能

4．3 实验与操作

4．3．1 化合物4和5的合成

4．3．2 脂质体的制备以及化合物4和5的活性测试

4．4 结论

参考文献

全文总结

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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