基于萘啶和邻二氮杂菲衍生物的超分子自组装光控离子通道体系的研究

针对离子通道在生理、病理和药理学上的重要作用，本项目提出设计合成光控人工离子通道来模拟生物体内离子通道的功能。具体内容是合成以萘啶和邻二氮杂菲类衍生物为基础的环形或者半月形的小分子体系，一方面通过调节分子的亲疏水性以及侧链取代基的结构，使其能在磷脂双分子层膜中超分子自组装成离子通道，通过调节通道的直径与外围取代基的位置来优化出具有优异的离子选择性、高离子传输速率和电导率的人工离子通道；另一方面，在能形成离子通道的分子上直接引入以偶氮苯为基础的光开关基团，通过光照前后偶氮苯基团的结构、偶极矩的变化来光控离子通道的开启与闭合。通过超分子化学的方法设计的人工离子通道具有高度的可预见性，并且合成相对简单，分子结构易功能化，在通道上引入光控基团能够更好地模拟生物体内细胞膜上的离子通道的功能，对研究其在药物传输、疾病治疗等方面的潜在应用具有非常重要的意义。

离子通道(ion channels)是由细胞膜上的一类蛋白质构成的微孔道，它的主要功能就是相当于细胞的通气孔来维持细胞的内外平衡。天然离子通道除了可以有效地传输离子，往往还具有离子选择性，以及智能可控性。其中由于光具有时间空间的可控性使得光控人工离子通道的研究引起了科学家们的广泛关注。本项目就是分别利用光开关和光扳机两种光敏分子基于超分子的自组装构建光控人工离子通道。首先我们将偶氮苯光开关分别引入冠醚，萘啶等小分子衍生物中构建光控人工离子通道。通过分子体系内引入的氢键，π-π等相互作用使分子能在膜上自组装形成离子通道。然后通过光调控分子的自组装能力来调控其在溶液相与膜上的自组装平衡，最终得到光控的离子传输。研究证明所设计的分子能在膜上成功形成通道并具有很好的离子选择性，同时光控前后显示了较大的跨膜活性差。其次鉴于光开关类光控离子通道对离子的光控效果相对比较弱，不能达到完全的封闭与开启，我们开始设计用光扳机来制备光控离子通道。但是由于目前现有的光扳机大部分在紫外激发，不利于生物的应用，我们从设计合成新的生物可适波长的光扳机开始。主要集中在修饰现有的相对毒性小，光解效率高的香豆素光扳机。分别通过修饰7－氨基香豆素光扳机、引入D-π-A结构使光扳机吸收红移同时增大其双光子吸收截面、以及引入靶向激活特性最终得到单光子长波长、双光子近红外激光同时可激的光扳机，为其进一步用于生物相关领域提供了可能，包括在生物膜上利用光来控制离子通道的功能。项目期间，已发表标受本项目资助的SCI收录的论文10篇，同时整理完成在投稿中的有两篇，已经完成预定目标。培养毕业研究生3名，在读9名。