功能化多肽的研究概述

乔 潇，郎秀峰

(河北科技师范学院物理系，河北 秦皇岛，066004)



功能化多肽的研究概述

乔 潇，郎秀峰

(河北科技师范学院物理系，河北 秦皇岛，066004)

主要从胶原蛋白肽，弹性蛋白肽，双亲多肽和选择亲合肽，概述了国内外关于功能化多肽的研究进展。

功能化多肽；胶原蛋白肽；弹性蛋白肽；双亲多肽；选择亲合肽；研究进展

多肽是α-氨基酸肽键按次序排列的一类链状聚合物[1]。在过去的一百多年历史中，科学家们在多肽领域取得了巨大成就。随着生物技术的发展，各种简便、快速的多肽合成方法也相继报道。20世纪60年代初，Merrifield发明了多肽固相合成法[2]，极大推动了多肽学科的发展。我国科学家在多肽发展史上也做出了卓越贡献，1965年首次完成了牛结晶胰岛素多肽类生物活性物质的合成[3]。目前，多肽已经发展为一门独立的学科，基因工程的实施已经可以实现多肽的大规模合成。随着多肽合成技术的日臻完善，已设计出各种各样具有特定结构的功能化多肽，利用这些功能化多肽可以制备具有特定功能的材料，并广泛应用于能源、纳米技术[4]、生物医药[5]、生物传感器[6]、生物芯片[7]、仿生材料[8]等领域。在此主要探讨胶原蛋白肽、弹性蛋白肽、双亲多肽和选择亲合肽这几种功能化多肽。

1 胶原蛋白肽

胶原蛋白肽是一种由单个多肽链经过逐步多级自组装而成的三螺旋多肽。广泛存在于人体之中[9],28种不同的胶原蛋白肽形成了软骨、骨骼、皮肤等组织[10]。三条肽链的结构均是α-螺旋，其中由一条左手螺旋PPII构型的肽链紧密缠绕其他肽链，形成右手三螺旋结构。5个三螺旋体相互紧密排列成类六方晶格结构原纤维，然后沿轴向及纵向再次组装成更高级别的胶原纤维。胶原纤维中的原纤维相互交叉堆砌成带状，长度约为64～67 nm，称为D-banding。已报道的AAA(三同聚体)型结构胶原蛋白肽较成功的实现了胶原纤维结构和水凝胶结构的组装，ABB和ABC(异三聚体)型更高级别的组装有待今后的研究[11,12](图1)。目前，科学家们已制备出光敏型胶原蛋白肽[13]、温敏型胶原蛋白肽[14]以及pH响应型胶原蛋白肽[15]等智能响应型胶原蛋白肽。

图1 三螺旋结构多肽形成胶原蛋白纤维[12]

2 弹性蛋白肽

弹性蛋白肽在维持人体细胞的生长和弹性起着非常重要的作用。它的弹性主要是由多肽序列决定的，主要是带有疏水的六肽VGVAPG，呈β-转角结构[16,17]。在生物体内，具有良好水溶性的弹性蛋白基元易相互交联形成不溶于水的胶原蛋白，使天然弹性蛋白并不能成为良好的弹性材料。所以，研究人员转而致力于合成类弹性蛋白的生物材料[18,19]，其结构、组成可控，同时展现了温敏性、趋药性[20,21]，还具有支持细胞生长及控制组织的稳定等优良特性[22]。目前，科学家们已制备出富含弹性蛋白原、可溶性弹性蛋白和弹性蛋白肽的三维支架结构模型，可用来制备水凝胶、纤维支架，从而模拟天然弹性蛋白的物理化学性质以及制备与天然弹性蛋白结构性质相似的仿生材料[16](图 2)。

图2 人工合成的弹性蛋白肽结构(A)人工合成的弹性蛋白纤维；(B)凝胶；(C)人工合成血管和静电纺丝制成的弹性蛋白材料对比[16]

3 双亲多肽

图3 双亲多肽穿透细胞膜过程[35]

双亲多肽为既具有亲水性又具有疏水性的多肽。由于这一特性，可以实现多肽在溶液中的自组装，形成各种所需结构材料。因其具有奇特的结构和良好的生物相容性，广范应用于药物释放[23],组织修复[24～34]等领域。一些双亲多肽因其具有选择性亲合不同细胞膜、界面吸附力强等特性，可作为抗菌材料[35,36]。目前，研究人员已经设计并合成出一系列阳离子双亲多肽作为杀菌试剂,通过与传统的阴离子抗菌剂抑制细菌增长相比，阳离子双亲多肽抗菌剂具有更强的穿透细胞膜的能力，从而达到破坏细胞杀死细菌的目的[35](图3)。部分双亲多肽链通过正电荷排斥作用发生自组装形成纳米棒，剩余多肽链进入外层细胞膜，通过疏水部分将细胞膜磷脂分子包覆起来形成胶束，然后由亲水部分带入溶液，继而“溶解”细胞外膜形成“通道”。已组装的纳米棒利用静电吸附和疏水亲合作用“置换”出细胞内膜的磷脂分子，破坏细胞内膜的稳定性，从而穿透细胞内膜进入细胞，杀死细菌[35]。

4 选择亲合肽

选择亲合肽是一类具有选择亲合性的功能化多肽，形成多肽的20种氨基酸,每一种都有独特的尺寸和功能，经过自组装形成特定的序列，使多肽成为具有特定结构和生物信号的系统。组成多肽的氨基酸，因其所带侧基而具有捕捉和还原金属离子的能力。不同的氨基酸捕捉和还原金属离子的能力不同，通常捕捉能力强的氨基酸还原能力相对较弱[37]。如图(图4)所示，将多肽加入到金离子溶液后，其亲合性侧基吸附溶液中的游离金离子，而后多肽链上的还原性侧基将金离子还原成金原子并发生聚集，多肽链键合聚集后的粒子并将其包覆，最终形成金纳米颗粒[37]。

图4 多肽制备金纳米颗粒[37]

近年来,利用生物大分子合成有机/无机杂化纳米材料和器件引起了研究者的广泛关注[38～40]， 其中采用选择亲合肽制备的金属纳米材料是重要的热门方向之一[41～44]，因其反应条件温和、无毒、生物相容性好、易降解等优点,已成为纳米科技一个重要分支[45～50]，在药物释放[51]、生物成像[52]、生物电池[53]、信息存储[54]、DNA检测[55]、生物传感器[56,57]等领域均具有广泛的应用前景。目前可用来制备纳米材料的多肽大致可分为短肽、树枝化多肽和多肽聚合物等3种类型。

4.1 短肽

制备纳米材料的短肽，一般不超过100个氨基酸，主要利用氨基酸所带有的功能基团还原无机金属离子，再依靠多肽本身的螺旋结构和自组装等特性稳定纳米粒子形状(图 5)。Takeshi 等人[58]，利用端基为半胱氨酸的短链多肽，在缓冲溶液HEPES中,制备出大小均匀的球形金纳米颗粒。Stanley等[59]，利用水溶性多肽AYSSGAPPMPPF，制备了金纳米颗粒，并研究了多肽在成核及增长中所起的作用。

图5 短肽制备的金纳米材料[58]

4.2 树枝状多肽

目前采用树枝化多肽制备纳米颗粒的研究也逐渐增多，其主要是起了稳定剂和空间隔离的作用，并且能够实现大小和形貌的可控。

图6 不同代数的树枝化多肽大分子制备的金纳米颗粒的形状不同[60]

Pauli等[60]利用不同代数(G1，G2，G3)的核点为酪氨酸的树枝状多肽大分子制备出不同形貌的金纳米颗粒(图 6)。G1可以制备出各种形貌的纳米颗粒，如六边形、五角形、棱柱形和球形等；G2代却只能制备六边形一种形状；而G3又比G2可以多控制一种形貌的形成。同时，他们发现不同代数的树枝状多肽大分子可以在特定的密度下于温和条件成功控制金纳米颗粒的大小不同。Smith等[61]则利用多肽树枝化基元制备金纳米颗粒并实现形貌大小可控。Tomalia等[62]则采用树形大分子聚酰胺PAMAM作为模板，将铜离子包覆后，通过加入还原剂形成非常稳定的铜纳米簇，可以在氧气存在的条件下至少保持90天。

4.3 聚合物多肽

利用多肽聚合物制备纳米材料也是人们研究的一个热点。Jason等[63]利用聚(乳酸—甘氨酸)成功制备了纳米胶囊，并且可以准确杀死癌细胞，且无毒副作用，为人类治愈癌症做出了贡献。Zhang等[64]利用多肽聚合物(聚天冬氨酸)制备了CaCO3纳米颗粒，并利用其本身的螺旋结构控制了纳米颗粒自组装呈球形(图 7)。由于多肽奇特的自组装和识别特性，利用多肽来合成金属纳米粒子的方法得到了越来越多的关注。其中利用水溶性多肽AYSSGAPPMPPF(图 8)制备的金纳米粒子，因其具有良好的自组装性能，可实现金纳米粒子大小及形貌的可控。

图7 多肽聚合物制备并组装CaCO3纳米颗粒[64]

图8 水溶性选择亲合肽AYSSGAPPMPPF的结构

图9 选择亲合肽C12-AYSSGAPPMPPF制备金纳米颗粒并组装成双螺旋结构[66]

Naik等[65]利用水溶性多肽AYSSGAPPMPPF合成了Pd-Au双金属纳米粒子，并通过其它3种序列的多肽在纳米粒子成核机理等方面进行了研究。Chun等[66]将多肽AYSSGAPPMPPF与碳链相连，在中性水溶液中还原金氯酸，制备金纳米粒子，通过亲疏水作用，将制备的金纳米粒子组装成类似DNA双螺旋的结构，实现了短肽制备纳米粒子二维方向的有序增长(图9)。Yang等[67]将多肽AYSSGAPPMPPF涂在PET薄膜上，形成peptide-PET薄膜涂层，制备出立方晶型的银纳米晶体，并成功的控制了晶粒大小在1～4 μm。

5 展 望

随着多肽作为一种重要的生物功能材料的兴起和在生理过程中重要作用的深入认识,使其在学术界和工业界受到高度重视。由于功能化多肽具有无毒、良好的生物相容性、易降解等优点，对于能源、纳米技术、生物医药、信息存储、仿生材料等领域有重要的意义。应用在药物释放、生物成像、生物电池、生物芯片、组织修复、生物传感器、抗菌材料等方向有着广泛的发展前景。

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(责任编辑：朱宝昌)

Development in Several Types of Functional Peptides

QIAO Xiao，LANG Xiu-feng

(Department of Physics, Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao Hebei, 066004,China)

This article reviewed the progress in collagen peptide, elastin peptide, amphiphilic peptide, specific affinity peptide, and summarized the research progress at home and abroad on functional peptide.

functional peptide；collagen peptide；elastin peptide；amphiphilic peptide；specific affinity peptide；research progress

10.3969/J.ISSN.1672-7983.2015.01.014

乔潇(1987-)，女，助教，硕士。主要研究方向：选择亲合肽分子刷。

河北省高等学校科学技术研究项目(项目编号：QN2014125)。

2015-01-07

Q516

A

1672-7983(2015)01-0070-07