含异亮氨酸的异手性二肽的超分子行为

《Journal of Peptide Science》：Supramolecular Behaviour of Heterochiral Dipeptides With Ile

　　

本研究描述了异手性脂肪族二肽 d-Ile-l-Xaa（Xaa = Ala、Val、Leu 或 Ile）在不同溶剂及中性 pH 缓冲水中表现出的超分子行为及凝胶化特性。对于亚稳态凝胶，其向晶体的快速转变使研究人员能够通过 X 射线衍射（XRD）分析揭示二肽在两亲层中的堆积模式。

研究背景与立项依据

短肽是自组装绿色材料的重要构筑基元，同手性二肽（如 G?rbitz 教授系统研究的 l-Ile-l-Xaa 系列）可形成多孔晶体纳米管，其孔径与表面极性受烷基侧链调控，并能捕获 CO₂、H₂ 等气体客体分子。前期研究表明，异手性（heterochiral）配置可根本改变二肽超分子结构：例如 d-Phe-l-Val/l-Ile 能形成充水纳米管而同手性不能，d-Phe-l-Leu 则相反，d-Phe-l-Phe 同/异手性均成管但纤维分级缔合模式受手性控制。然而，由脂肪族氨基酸与 Ile 组合而成的全部异手性二肽的自组装行为此前未见报道；特别是 N 端为 Ile 的同手性二肽是唯一既能形成疏水（Ile-Ala、Ile-Val）也能形成亲水（Ile-Leu）纳米管的序列，其异手性对应物 d-Ile-l-Xaa 的系统映射存在空白。为填补该空白并与同手性序列做结构对照，研究人员在《Journal of Peptide Science》报道了 d-Ile-l-Ala/Val/Leu/Ile 在非质子极性有机溶剂与中性水相中的纤维化、凝胶化与结晶规律，并通过单晶 XRD 解析堆积差异。

主要技术方法概要

研究人员采用固相肽合成（Fmoc 保护策略，2-氯三苯甲基氯树脂）制备四条二肽，经反相高效液相色谱（HPLC）或乙醚沉淀纯化，由液相色谱-质谱（LC-MS）与核磁确认身份纯度；以 pH 切换法（pH 11.8 碱溶→pH 5.8 酸稀释至 7.3）及 0.1 M 磷酸盐缓冲盐水（PBS）考察水相自组装，在 MeCN、THF、DMSO 中借微量 NaOH 引发生两性离子（zwitterion）析出；圆二色（CD）光谱评估水溶液构象；偏光显微镜观察纤维/晶体；流变仪（stress/frequency sweep）表征 d-Ile-l-Ile 水凝胶黏弹性；单晶 XRD 于 Elettra 同步辐射 XRD1 线站收集数据，解析空间群、不对称单元及两亲层堆积。

研究结果

3.1 肽合成、纯化与光谱表征

四条异手性二肽经 HPLC 保留时间（Rt）与 ChemDraw/SwissADME 计算 logP 一致显示：异手性较同手性对应物更疏水（如 d-Ile-l-Ala Rt 8.8 min vs l-Ile-l-Ala 3.2 min），证实异手性可提升疏水性以助极性介质自组装。CD 光谱（1 mM 水，pH 7）显示四者共有 200–210 nm 负极小、220–230 nm 弱正极大，呈随机卷曲特征，与 N 端含 d-氨基酸的异手性 Leu-Xaa 系列镜像对称；同手性类似物信号衰减，Ile-Leu/Ile-Ile 负峰移至 210–220 nm。

3.2 自组装与结晶

水相（PBS 50 mM）中仅见稀短纤维；PBS 200 mM 下唯 d-Ile-l-Ile 成水凝胶，流变显示线性黏弹区至 10 Pa、~50 Pa 发生凝胶-溶胶转变，频率扫描稳合，冻干凝胶 ATR-IR 示淀粉样酰胺 I 带 1634 cm^?1、β-转角 1676–1686 cm^?1 及质子化 COOH 氢键峰 1725 cm^?1。有机相中，d-Ile-l-Ala 在 THF 成亚稳有机凝胶并速变无水两性离子晶体；d-Ile-l-Ile 在 MeCN 成亚稳凝胶（冷至 5°C 仍数分钟塌缩为晶体），在 DMSO 得大晶体；d-Ile-l-Val/Leu 直接结晶为水合两性离子。同手性对照在各条件均无凝胶。

3.3 单晶 XRD 分析

d-Ile-l-Ala（THF 结晶，C2 空间群）为无水两性离子；d-Ile-l-Val（THF）与 d-Ile-l-Leu（MeCN）均为 C2 水合物，沿 b 轴呈交替极/疏水两亲层，侧链取 m-diad 构象（同手性 Ile-Ala/Val 取 r-diad 成六方 P6₁ 疏水孔道）。d-Ile-l-Ile（DMSO 结晶，P2₁）不对称单元含两肽分子与一 DMSO，DMSO 作氢键受体填充两亲区，干扰骨架网络，故无法与同手性 l-Ile-l-Ile 水合物或多孔有机凝胶直接比对。Ile 侧链 χ₁/χ₂ 角计算示 N 端 d-Ile 恒为 tt 构象，C 端 Ile 在 d-Ile-l-Ile 晶体中混杂 g^?t 与 tt。

讨论与结论翻译

讨论指出，异手性使 d-Ile-l-Xaa 较同手性更疏水、CD 特征与 N 端 d-氨基酸异手性 Leu 系类似；自组装中 C 端 Ala/Ile 者易成亚稳凝胶并速晶，单晶 XRD 示三者（除 d-Ile-l-Ile 外）以两亲层堆积，极区可有/无水晶格水；d-Ile-l-Ile 是系列唯一中性水凝胶形成者，但因可得晶体含 DMSO 氢键掺杂，其在无 DMSO 条件下是否成孔晶尚待研。水对异手性肽纳米形态作用关键，需后续深究。

结论部分译文：综上，本工作表征了异手性二肽 d-Ile-l-Xaa（Xaa = Ala、Val、Leu 或 Ile）。异手性相较同手性类似物疏水性增强，由反相 HPLC 证实。CD 谱揭示中性水相构象与 N 端为 Leu 的异手性脂肪二肽系类似。自组装测试确认各二肽在多溶剂中纤维化倾向；尤其 C 端含 Ala 或 Ile 者形成亚稳凝胶并速演为晶体。单晶 XRD 揭示除 d-Ile-l-Ile 外所有二肽以两亲层模式堆积（极区含水与否不定）。有趣的是，d-Ile-l-Ile 是系列唯一中性 pH 成水凝胶者。虽该肽在不同条件结晶，但唯一适于 XRD 解析的大晶体含氢键结合 DMSO，故其在他条件下可能呈不同堆积，不排除无 DMSO 时成孔晶之可能，留待后续。完成脂肪二肽晶体结构映射后，可更好理性化其成纳米管能力以指导序列设计；水对异手性肽纳米形态作用亦需未来深究。