“大猫钻大洞，小猫钻小洞” | 吉林大学董泽元课题组：尺寸控制构筑仿生钠离子传输通道

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吉林大学董泽元课题组利用螺旋聚合物制备了一类钠离子选择性的单分子跨膜仿生通道，通过调节通道内径实现离子选择性的控制，为认识离子传输领域中离子传输选择性的化学结构基础提供了重要信息。

离子通道是一类含有孔道的蛋白质，其在细胞膜上控制离子的跨膜传输过程，在生命活动中扮演着重要的角色。由于它在生物医学和工业应用等领域中的重要性，离子通道的研究近些年来受到人们的广泛关注。随着越来越多的通道蛋白晶体结构得到解析，离子通道的结构与性质的关系以及离子通道疾病成为重要的延伸研究课题。从化学视角来看，对离子通道的选择性传输机制及其化学结构基础仍有待探索。以天然钾、钠离子通道为例，天然钾离子通道的选择性过滤器尺寸只有2.8Å，可以高效传输与之尺寸相匹配的钾离子（2.76 Å）并排斥较小的钠离子（2.04 Å），而钠离子通道的选择性过滤器尺寸更大（4.6 Å），却高选择性地传输尺寸较小的钠离子（离子水合作用）。二者的不同展示出自然界利用尺寸效应与离子水合作用协同控制离子选择性传输过程。由于这两者的协同效应，导致仿生构筑钠离子通道成为富有挑战性的难题。因此，能否摆脱离子水合作用对离子实际尺寸的影响，仅仅考虑尺寸效应实现裸离子尺寸与通道内腔匹配发展选择性传输的钠离子通道，将有助于深入理解离子选择性传输的物理化学本质，推动选择性离子通道的实质性发展。

                       图1

吉林大学董泽元课题组利用螺旋仿生通道体系具有的结构相似、内径可调的特点，创制出裸离子尺寸与通道内腔尺寸相近的钠离子通道，揭示了实现钠离子选择性传输的重要结构信息。作者利用邻菲咯啉和吡啶两种单体通过缩聚环化合成策略分别制备出自折叠螺旋聚合物HP1（内径2.3Å）和HP2（内径3.8Å）(图1)。螺旋聚合物通道HP1的内腔尺寸与钠离子（2.04 Å）接近，其螺旋长度达到4.6nm，能够在单分子水平实现跨膜传输功能。

图2

随后作者分别对HP1和HP2的钾/钠离子传输性质进行了详细研究（图2），体外囊泡实验表明HP1和HP2均能传输钾离子和钠离子，但是离子选择性发生了反转。HP2（内径3.8Å）是一类钾离子通道，其钾/钠离子选择性比达到4.2：1；而HP1（内径2.3Å）是一类钠离子通道，其钠/钾离子选择性比达到1.3：1。空腔尺寸介于钾离子（2.76Å）和钠离子（2.04Å）之间的HP1（2.3Å）对钠离子的传输选择性和传输活性都要好于空腔尺寸更大的HP2（3.8Å）。同时，膜片钳测试中的HP1和HP2都表现出清晰的矩形信号，证实二者都能以通道传输机制在磷脂膜上传输离子。HP1在不对称盐溶液中可以产生17.5mV的逆转电势，推算可知HP1的钠/钾离子选择比为1.9：1，这一结果与体外囊泡实验一致。利用不对称膜片钳分析方法确证仿生通道的钠离子选择性性质的研究之前尚未报道，作者在此工作中明确证实螺旋聚合物HP1是一类钠离子选择性的仿生通道。

综上所述，作者设计合成了与钠离子尺寸相近的螺旋聚合物仿生钠离子通道。研究证实，尺寸效应是决定离子选择性传输的关键因素，螺旋聚合物钠离子通道由于尺寸约束作用展现出一种非天然的钠离子传输方式。该工作不仅为离子传输领域中离子选择性的化学结构基础提供了有价值的信息，而且利用尺寸约束的仿生通道设计理念将有助于后续高选择性离子通道的创制。该工作以Communication的形式发表在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。

文章详情：

Unimolecular Transmembrane Na+ Channels Constructed by Pore-Forming Helical Polymers with a 2.3 Å Aperture

Shuaiwei Qi, Jun Tian, Jing Zhang, Lei Zhang, Chenyang Zhang, Ze Lin, Jing Min, Shizhong Mao and Zeyuan Dong*

https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101144

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