甜菜碱共轭?-肽折叠体：四元电荷对自组装行为与形态构筑的调控机制及生物医学应用前景

本文系统研究了N端甜菜碱修饰对?-肽折叠体三维自组装的调控作用，通过核磁共振（NMR）、圆二色谱（ECD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和理论计算证实：甜菜碱共轭可定向诱导H10→H14螺旋转换，首次实现H12螺旋的囊泡自组装，并为交替异手性寡聚体提供类纤维网结构形成能力，为新型生物活性折叠体设计与材料科学应用开辟了新途径。

　　

引言：折叠体的科学意义与应用前景

在非天然肽类似物研究领域中，?-肽作为由?-氨基酸构成的人工折叠体，因其自发形成稳定三维构象的能力而备受关注。这类分子可形成螺旋、链状和发夹等二级结构，并能自组装成囊泡、纳米纤维等高级结构，在生物医学（如蛋白质-蛋白质相互作用调控）、纳米技术和表面识别等领域展现出广泛应用潜力。甜菜碱作为一种两性离子分子，此前已被用于调节肽的稳定性、溶解性和生物活性，但其对?-肽折叠体构象调控的系统研究尚属空白。

结果与讨论：甜菜碱共轭对三维结构的精准调控

本研究聚焦三种典型?-肽结构：由[1^S,2^S]-ACPC组成的同手性五聚体（化合物1）、[1^R,2^R]-ACHC四聚体（化合物2）以及[1^S,2^S]-ACPC与[1^R,2^R]-ACPC交替组成的异手性五聚体（化合物3）。通过连续流动固相肽合成技术（CF-SPPS）成功实现了甜菜碱修饰寡聚体的高效合成，粗品纯度＞96%，收率＞91%。

氢氘交换实验揭示构象稳定性差异

NH/ND交换动力学实验显示：化合物1的H12螺旋构象未被甜菜碱修饰破坏，其NH²质子因位于螺旋中心受到最强溶剂屏蔽；化合物2表现出异常缓慢的交换动力学（2周仅交换5-10%），表明其形成不同于预期H10螺旋的H14构象；化合物3的酰胺质子立即交换，符合伸展链状构象特征。

核磁共振与二维谱学证实精细结构

通过COSY、TOCSY和ROESY谱图解析，化合物1在CD₃OD、DMSO-d₆和水中均显示H12螺旋特征NOE信号（H_N(4)–H_β(1)等）；化合物2则呈现H14螺旋特有NOE模式（H_N(1)–H_β(4)等）；化合物3因信号分散度低未能完成全归属，符合链状结构特征。

圆二色谱验证溶剂效应下的构象稳定性

ECD谱显示：化合物1在甲醇和水中均保持H12螺旋特征（226 nm正峰/200 nm负峰），且水溶液中负峰强度增强提示螺旋稳定性提升；化合物2在225 nm正峰/202 nm负峰表明更紧凑的H14螺旋构象；化合物3的未交叉ECD曲线证实链状结构形成。

红外光谱解析氢键网络模式

FT-IR谱中化合物1的酰胺I带主峰位于1641 cm^?1（强氢键），1685 cm^?1和1667 cm^?1肩峰对应弱氢键；化合物2在1646 cm^?1、1674 cm^?1和1690 cm^?1的特征振动支持H14螺旋；化合物3在1643 cm^?1的锐利峰和1611 cm^?1肩峰表明分子间?-片层氢键形成。

透射电镜可视化自组装形态

TEM图像清晰显示：化合物1和2在水溶液中自发形成130-200 nm囊泡，这是H12螺旋的首例囊泡自组装报道；化合物3则组装成纤维网状结构，首次实现水性介质中?-肽纳米纤维构筑。甜菜碱引入的四级正电荷显著增强了垂直两亲性，促使立即自组装而无须孵育期。

理论计算验证构象能垒

通过B3LYP/6-311G**水平DFT计算优化几何构型：化合物1和2分别稳定存在于H12和H14螺旋；化合物3采用PCM水溶剂模型后确认形成反平行?-片层自组装结构。

实验方法学创新

研究采用连续流动固相合成技术（CF-SPPS），在85 bar压力、65°C温度下成功克服甜菜碱空间位阻，实现高收率合成。核磁测试采用500 MHz低温探头，ROESY混合时间300 ms；CD光谱使用0.1 cm路径长度池；FT-IR采用金刚石ATR附件；TEM样品通过Formvar包被铜网制样。

结论与展望

本研究证实甜菜碱共轭可通过四元电荷引入精准调控?-肽折叠体的二级结构偏好性（如H10→H14螺旋转换）、溶解性及自组装行为（囊泡/纤维网形成），为设计新型生物活性折叠体提供了电荷修饰新策略，在靶向药物递送系统和仿生材料构建领域具有重大应用潜力。