N-磷酰化肽酯及小肽与氨基酸相互作用的ESI-MS研究

采用ESI-MS研究了一系列结构具有可比性的N-二异丙氧基磷酰化肽酯及小肽同20种蛋白氨基酸及3种D型氨基酸(D-Ala、D-Ser、D-Phe)的非共价相互作用.结果表明,可形成π-π共轭体系的芳香环,可显著增强磷酰化肽酯及小肽与氨基酸的相互作用力,π-π堆积力是首要的非共价相互作用力;可形成氢键的极性基团有利于形成复合物,但能否形成氢键还要受到分子柔顺性的影响;另外,分子大小、空间位阻对复合物的形成也有影响;而氨基酸的手性对它们的相互作用在质谱条件下没有表现出影响.     

柔性二元羧酸桥联双核镉(Ⅱ)配合物的合成及晶体结构研究

晶体工程是根据分子堆积和分子间的相互作用,将超分子化学的原理、方法以及控制分子间作用的策略用于晶体,以设计出结构新颖、具有独特的物理性质和化学性质的新晶体。超分子间的非共价作用主要包括氢键、π-π堆积作用、阳离子-π作用和疏水缔合等,通过选择不同结构的配体,使其在配合物中产生多种非共价作用,是实现从分子到材料的一条重要途径。     

树形大分子的自组装

非共价的分子间作用力或超分子相互作用，可用于树枝直接自组装，或将树枝环绕在以某一中心核作模板的分子周围，最终形成树形大分子。另外，树形大分子自组装，可得到高度有序的液晶聚集体和单层膜，也可增加其它有机物的溶解性。综述了树形大分子的自组装研究进展、研究结果及其应用前景。     

弱共价相互作用——不可忽略的分子间作用力

现有的化学教科书中将物质间的作用力分为化学键和分子间作用力。分子间作用力被描述为分子永久偶极和瞬间偶极引起的弱静电相互作用力。随着研究的深入,许多新的化学现象不能用现有的化学键和分子间作用力进行解释,而可以用原子轨道或分子轨道（用波函数描述）的弱重叠加以理解。文献中把这种既不同于普通化学键,又有别于教科书中所描述的分子间作用力的作用形式称为二级化学键,强调只在某些特别的物质中出现。本文通过对几种典型分子的结构和性质进行分析,认为二级化学键存在普遍性,可以看成是分子间的弱共价作用力,并认为这种弱共价作用是分子间作用力的重要组成部分。本文探讨了这种弱共价作用向化学键转化的可能性。     

活细胞单分子力谱研究阿托伐他汀对ICAM-1与CD11b相互作用的影响

调节细胞黏附的整合素蛋白CD11b与其配体ICAM-1的相互作用在动脉粥样硬化的炎症进程中起至关重要的作用.阿托伐他汀(Atorvastatin,ATV)作为他汀类药物中的主要成员,以其良好的降脂作用广泛应用于动脉粥样硬化疾病的临床治疗,同时大量证据表明ATV还具有独立的抗炎作用,但其具体分子机制尚未完全明确.我们应用活细胞单分子力谱法研究了ATV干预对ICAM-1/CD11b相互作用的影响.结果表明原子力显微镜(AFM)在活细胞表面测得单对黏附分子ICAM-1/CD11b的相互作用力值约为40pN,ATV不能通过直接阻断ICAM-1或CD11b影响其单分子黏附力,而抗ICAM-1单克隆抗体则有效降低了此对黏附分子作用力.此外,流式结果表明ATV干预有效抑制了肿瘤坏死因子(TNF-α)诱导的人脐静脉内皮细胞(HUVEC)表面ICAM-1表达增加.本研究建立的方法模型可作为活细胞体系研究临床药物影响细胞黏附分子间相互作用及抗炎机制的重要手段.     

氰基在药物分子设计中的应用

含氰基药物在临床治疗药物中占有相当比重.将氰基基团引入到小分子药物中是药物化学结构改造的重要研究策略之一.综述了氰基在药物分子设计中的应用,氰基的引入可以调节小分子药物的物理化学特性,改变小分子的药代动力学性质,提高药物的生物利用度;通过氢键相互作用、共价相互作用、偶极相互作用以及π-π相互作用增强配体与靶标蛋白的相互结合能力以及对其它靶标蛋白的选择性;同时,氰基是羰基、卤素等多种官能团的生物电子等排体;将氰基引入到药物小分子当中,可以通过阻断易代谢位点进而提高药物代谢稳定性等.     

聚合物单分子力谱的研究进展

在单分子水平研究聚合物体系的分子内及分子间相互作用, 对于揭示其结构-性能的关系, 进而实现对相应功能的调控极为重要. 基于原子力显微镜技术(AFM)的单分子力谱, 由于其操作简单且适用面广, 在单分子研究领域得到了广泛的应用. 本文概括了该技术在生物高分子及合成高分子体系的研究进展. 对于生物高分子体系, 主要介绍了核酸(DNA/RNA)、 蛋白质和多糖(淀粉)的单分子力谱研究及利用各自力学指纹谱对其它分子间的相互作用的研究. 对于合成高分子体系, 主要介绍了聚合物的一级结构与单链弹性的关系及溶剂和聚集态结构等对高分子单链力学性质的影响规律.     

含硫/硒动态共价键强弱的测定

含硫、硒元素的化学键是重要的光响应动态共价键,本文试图从分子作用力的角度研究它们为何具有不同灵敏度的动态特征,采用基于原子力显微镜的单分子力谱(AFM-SMFS)对含硫、硒元素的动态共价键进行研究,揭示了其兼具稳定性与响应性的内在原因.用化学方法在石英基底上修饰了二硫键或二硒键,通过前述3种化学键的光控动态交换过程,分别得到了含有单个二硫键、硒硫键或二硒键的高分子修饰的石英基底.利用单分子力谱测量了这3组动态共价键的断裂力值,在200 nm/s的拉伸速度下,二硒键的断裂力为(1100±300) pN,硒硫键的断裂力为(1320±330) pN,二硫键的断裂力值为(1450±300) pN,它们的强度从大到小依次为SS SSe SeSe.单分子力谱结果表明动态共价键的强度介于非共价相互作用与传统意义上的稳定共价键(如C―C键)之间,这是它们兼具响应性和稳定性的原因之一.     

侧基甲壳效应和甲壳型液晶高分子

侧链液晶高分子体系里,液晶基元可以通过尾接或腰接的方式与主链相连.一般认为,在液晶基元与主链间插入一段长度合适的＂柔性间隔基＂可有效实现主、侧链间的动力学去偶合,从而有利于侧基液晶基元之间的有序排列.作为一类特殊的腰接型侧链液晶高分子,甲壳型液晶高分子中体积较大的侧基（如棒状液晶基元）通过非常短的间隔基或仅通过一个碳-碳键直接横挂至主链上,这导致了强烈的甲壳效应,使得主链被迫伸展.因此,可从与＂柔性间隔基＂完全不同的角度出发,充分利用主链和侧基间的偶合作用,设计甲壳型液晶高分子.本文综述了腰接型侧链液晶高分子中的侧基甲壳效应、甲壳型液晶高分子中由主链与侧基相互作用所导致的特殊构象以及液晶相结构.研究表明,侧基甲壳效应在调控甲壳型液晶高分子的形状、尺寸以及螺旋结构等方面有重要作用.甲壳型液晶高分子可作为刚-柔嵌段共聚物的刚性链段,也可作为主/侧链结合型液晶高分子的主链部分参与到多层次分级超分子有序结构的构筑之中.     

脉冲电场O/W乳状液破乳的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了水包油(O/W)型乳状液体系中重油油滴在脉冲电场中的聚集行为. 通过改变电场占空比的模拟参数, 探讨了一定电场强度下的油滴聚集行为, 以及电场破乳时电场强度参数与占空比参数之间的联系. 同时利用静电势分布、 相互作用势能以及结合构象统计等分析方法, 从微观角度说明在电场作用下油滴的电荷分布与聚集机制. 模拟结果表明, 在近0.40~0.75 V/nm范围内电场强度下, 距离一定的重油滴聚集, 低电场强度可通过增加占空比促使油滴聚集, 且占空比随电场强度的增大而减小; 油滴在电场中发生形变, 油滴电荷出现两极化分布, 带负电沥青质分子引导油滴朝电场反方向移动; 无电场下聚集过程中沥青质处于两油滴界面, 范德华作用力为油滴聚集的主要作用力, 同时油滴界面沥青质分子与周围分子形成π-π结合构象, 增强了油滴间的相互作用力.     

Interaction between dendrons directly studied by single-molecule force spectroscopy

In this article, we have investigated the interaction between two poly(benzyl ether) dendrons directly by single-molecule force spectroscopy. For this purpose, one dendron was immobilized on an AFM tip through a poly(ethylene glycol) (PEG) spacer, and the other dendron was anchored on a gold substrate as a self-assembled monolayer. Two dendrons approached and then interacted with each other when the AFM tip and the substrate moved close together. The rupture force between dendrons was measured while the AFM tip and the substrate separated. PEG as a flexible spacer can function as a length window for recognizing the force signals and avoiding the disturbance of the interaction between the AFM tip and the substrate. The interaction between two first-generation dendrons is measured to be about 224 pN at a force loading rate of 40 nN/s. The interaction between second- and first-generation dendrons rises to 315 pN at the same loading rate. Such interactions depend on the force loading rate in the range of several to hundreds of nanonewtons per second, indicating that the rupture between dendrons is a dynamic process. The study of the interaction between surface-bound dendrons of different generations provides a model system for understanding the surface adhesion of molecules with multiple branches. In addition, this multiple-branch molecule may be used to mimic the sticky feet of geckos as a man-made adhesive.     

单分子水平高分子相互作用的AFM成像与单分子力谱研究

结合作者近期的研究工作,重点介绍了如何把原子力显微镜(AFM)成像及单分子力谱结合(包括原位结合或者离位结合)起来,研究高分子之间的相互作用.本文涉及生物高分子(主要是核酸-蛋白质体系)以及合成高分子体系(如聚氧乙烯,PEO)的相关研究工作.对于生物高分子体系,主要以长链核酸(如双螺旋DNA及RNA)为探针,首先利用A...     

Direct Identification of Protein–Protein Interactions by Single‐Molecule Force Spectroscopy

Single‐molecule force spectroscopy based on atomic force microscopy (AFM‐SMFS) has allowed the measurement of the intermolecular forces involved in protein‐protein interactions at the molecular level. While intramolecular interactions are routinely identified directly by the use of polyprotein fingerprinting, there is a lack of a general method to directly identify single‐molecule intermolecular unbinding events. Here, we have developed an internally controlled strategy to measure protein–protein interactions by AFM‐SMFS that allows the direct identification of dissociation force peaks while ensuring single‐molecule conditions. Single‐molecule identification is assured by polyprotein fingerprinting while the intermolecular interaction is reported by a characteristic increase in contour length released after bond rupture. The latter is due to the exposure to force of a third protein that covalently connects the interacting pair. We demonstrate this strategy with a cohesin–dockerin interaction.     

基于原子力显微镜的单分子力谱在生物研究中的应用

原子力显微镜被广泛应用于生物研究领域,基于原子力显微镜的单分子力谱可以在单分子、单细胞水平上研究生物分子内和分子间的相互作用。 本文介绍了原子力显微镜单分子力谱在生物分子间相互作用、蛋白质去折叠、细胞表面生物分子、细胞力学性质和基于单分子力谱成像等研究中的最新进展。     

AFM单分子力谱在真实材料及生物体系中的应用——挑战与机遇并存

基于原子力显微镜技术（AFM）的单分子力谱是研究分子间分子内相互作用的有效手段．为了简化样品体系及数据的解析,真实的生物或材料体系通常被简化,其中的目标分子被提取并桥连于AFM的针尖与固体基片之间进行研究,这是认识真实体系的有效途径．随着技术的不断进步（包括样品固定方法的改进）,使得直接研究真实生物及材料体系中的各种弱相互作用成为可能,此种条件下获得的信息对相关生命过程的调控及高性能材料的设计更具指导意义．本文概述了近几年基于AFM力谱技术在活体细胞以及高分子材料领域的研究进展,分析了存在的主要问题,并对相关领域的未来进行了展望．     

Feeling Inter‐ or Intramolecular Interactions with the Polymer Chain as Probe: Recent Progress in SMFS Studies on Macromolecular Interactions

Single‐molecule force spectroscopy (SMFS) opens new avenues for elucidating the structures and functions of large coiled molecules such as synthetic and biopolymers at the single‐molecule level. In addition, some of the features in the force–extension curves (i.e. force spectra) are closely related to primary/secondary structures of the molecules being stretched. For example, the long force plateau in the DNA stretching curve is related to the double‐helix structure. These features can be regarded as the force fingerprints of individual macromolecules. These force fingerprints can therefore be used as indicators/criteria of single‐molecule manipulation during the measurement of some unknown intra‐ or intermolecular interactions. By comparing the force spectra of a single polymer chain before and after interaction with other molecules, the mode/strength of such molecular interactions can be derived. This Review focuses on recent advances in AFM‐based SMFS studies on molecular interactions in both synthetic and biopolymer systems using a single macromolecular chain as probe, including interactions between nucleic acids and proteins, mechanochemistry of covalent bonds, conformation‐regulated enzymatic reactions, adsorption and desorption of biopolymers on a flat surface or from the nanopore of a carbon nanotube, and polymer interactions in the condensed state.     

Stretching single polysaccharides and proteins using atomic force microscopy

The past years have witnessed remarkable advances in our use of atomic force microscopy (AFM) for stretching single biomolecules, thereby contributing to answering many outstanding questions in biophysics and chemical biology. In these single-molecule force spectroscopy (SMFS) experiments, the AFM tip is continuously approached to and retracted from the biological sample, while monitoring the interaction force. The obtained force-extension curves provide key insight into the molecular elasticity and localization of single molecules, either on isolated systems or on cellular surfaces. In this tutorial review, we describe the principle of such SMFS experiments, and we survey remarkable breakthroughs made in manipulating single polysaccharides and proteins, including understanding the conformational properties of sugars and controlling them by force, measuring the molecular elasticity of mechanical proteins, unfolding and refolding individual proteins, probing protein-ligand interactions, and tuning enzymatic reactions by force. In addition, we show how SMFS with AFM tips bearing specific bioligands has enabled researchers to stretch and localize single molecules on live cells, in relation with cellular functions.     

Supramolecular research by single molecule force spectroscopy

Single molecule force spectroscopy (SMFS) is a new kind of technique based on atomic force microscope, which allows detecting force as low as pico-newtons directly. Herein based on our recent work, we want to demonstrate the investigation of supramolecular structures and interactions in polymer systems by SMFS, such as desorption force between polymer and substrate, identifiability of polymer micelle and its interaction with surfactant, splitting force of ion-induced helical structure in polysaccharide. It shows well that SMFS is a powerful tool in the study of supramolecular science.     

生物单分子力谱技术的研究进展

近年来,单分子力谱技术获得了快速发展和广泛应用。通过单分子力谱技术研究生物分子结构、力学及动力学,在单分子水平上揭示生物分子间相互作用机制,对于深入了解生物分子的特异识别、生化过程以及生物分子结构与功能的关系具有重要意义。本文主要介绍了3种最常见的单分子力谱技术:原子力显微镜(AFM),光镊(OT)和磁镊(MT)。另外,还侧重从不同力谱技术的原理、发展及应用三个方面简要介绍了3种大规模并行测量的单分子力谱技术:声力谱(AFS)、离心力显微镜(CFM)以及力诱导剩磁谱技术(FIRMS)。