天然离子通道在生命体的正常生理活动中扮演着非常重要的角色,参与了许多基本的生理活动。高度专一的选择性是天然离子通道的一个吸引人的特点。天然通道由于存在不易提纯、体外容易变性等问题给直接研究蛋白离子通道的选择性带来了很多困难。然而仿生离子通道则具有稳定、结构相对简单等优点,对仿生离子通道的研究有助于我们理解天然蛋白离子通道。仿生离子通道主要分为仿生阳离子通道和仿生阴离子通道。仿生阴离子通道中大多数为Cl-通道,而仿生阳离子通道的研究主要集中在高选择性的Na+、K+通道。本论文的研究内容属于仿生阳离子通道。现在化学家们对仿生阳离子通道的研究已经不仅仅局限于某个新通道结构的设计与合成,还追求仿生离子通道的选择性。虽然目前部分K+通道对Na+的选择能力可以达到20左右,但是这个选择水平与天然K+通道蛋白还是有很大差距的。所以如何进一步获得更高选择性的仿生离子通道成了限制领域向前发展的问题。抱着向自然界学习的态度,我们仔细研究了天然K+通道的选择性过滤器,发现选择性过滤器的内部直径只有2.8埃,这个值只比K+的直径尺寸稍微大一点点。因此我们决定探究通道的内径对离子选择性的影响,希望能够获得具有更高选择性的仿生离子通道,为设计高选择性的离子通道提供新的思路。具体的工作如下:1.通过孔径适配构筑高效、高选择性的超分子钾离子通道芳香折叠分子具有构象易于预测的优点,因此我们组此前利用静电相互排斥作用构建了一类典型的中空螺旋分子。此前报道的以吡啶-噁二唑为重复单元的吡啶五聚体内径为3.8埃,是个高选择性的K+通道。于是,在这一部分工作中我们将吡啶五聚体（1）中的部分单元替换为具有更小弧度的邻菲啰啉。经过模拟计算,新设计合成通道2的去范德华力内径为2.7埃,非常接近K+的尺寸（2.76埃）。经过离子传输实验和平面脂双层实验发现2的K+选择传输能力比先前发表的通道1高。离子传输实验证明2的K+/Na+选择性传输比值可以达到32.6,这在仿生离子通道领域中是非常罕见的。不对称平面脂双层实验测得2的K+/Na+选择性渗透比值可以达到18.2,这是目前仿生K+通道领域中测得的最高值。除了超高的K+选择性,通道2还具有和天然通道短杆菌肽A（gA）相近的传输活性。这部分工作中高选择性、高传输活性的K+通道的构筑鼓舞了我们进一步探索仿生离子通道孔径对选择性的影响。2.利用螺旋通道孔径限制设计构筑人工仿生钠离子通道阳离子仿生离子通道中有很多是关于K+通道的,而关于选择性传输Na+的通道则很少报道。从上一部分工作中,我们发现合适的孔径会造就极高的选择性传输能力。于是在上一部分工作的基础上,我们继续缩小螺旋通道的孔径。于是我们在这部分工作中,我们合成了一个只有邻菲啰啉和噁二唑的螺旋聚合物（HP1）,并用传输K+的吡啶-噁二唑螺旋聚合物（HP2）做对比。模拟计算知道HP1的通道去范德华力内径只有2.3埃,这个值正好比Na+（2.04埃）大而同时又小于K+（2.76埃）尺寸。令人激动的是经过离子传输实验发现HP1是一个选择性传输Na+的通道,且Na+/K+选择性传输比为1.3。不对称平面脂双层实验同样可以得出HP1是Na+通道的结论,并且Na+/K+选择性渗透比为1.9。这部分工作充分说明了2.3埃的孔径是可以限制K+的传输的。这部分工作中我们虽然获得了选择性传输Na+的通道,但问题是它对Na+的传输能力只比K+好一点点。3.利用邻菲啰啉-噁二唑为基元筛选高选择性钠离子通道阳离子仿生离子通道领域中有很少的Na+通道被报道,高选择性的Na+则更少。从上一部分工作中我们知道内径为2.3埃的HP1可以选择性传输Na+,但是它的Na+/K+选择传输比值最大只有1.3。我们很想提高它的Na+选择传输能力。于是在这一部分工作中,我们利用和HP1相同的重复单元设计合成了o-2mer、o-3mer和o-4mer三个寡聚物。o-2mer由于骨架较短,是一个开口的C形分子。o-3mer和o-4mer这两个分子的骨架足够旋转为螺旋结构,所以这两个分子是内径为2.3埃的螺旋寡聚物。o-3mer的单晶解析数据给了三个寡聚物足够的分子结构信息。通过离子传输实验我们发现o-3mer和o-4mer是选择性传输Na+的通道,而令我们意外的是o-2mer竟然是个选择性传输K+的通道。最重要的是通过离子传输实验发现o-3mer的Na+/K+选择性传输比值最高可以达到5.2。这说明在这部分工作中我们成功的筛选出目前具有最高选择性的Na+通道。4.基于邻菲啰啉-吡啶的交替螺旋聚合物的钾离子传输性质研究在第一部分工作中我们知道2.7埃的孔径使螺旋通道可以高选择性的传输K+。在此基础上,我们想知道具有相同结构的螺旋聚合物是否会有更好的K+选择性。于是在这一部分工作中,我们合成了以邻菲啰啉-吡啶为交替重复单元的螺旋聚合物（1）。令人失望的是,通过离子传输实验发现1的K+/Na+选择性传输比值只有1.7。但是荧光滴定实验发现,在低浓度单螺旋状态下1对Na+几乎没有任何响应。由于我们认为1在膜内是组成超分子通道传输离子的,所以这让我们怀疑聚合物选择性差的原因是不是1的长度不够长。这部分工作让我们认识到了相同结构的寡聚物和聚合物的选择性也有很大的差异。具体原因还不得而知,还需要后续的详细研究。5.新型的具有较大孔径的螺旋通道的构筑及性质研究我们前几部分工作中所用的到的螺旋分子都是由于静电相互排斥作用而折叠形成的。由于条件的限制,用于构筑螺旋的基元种类相对较少。在这一部分工作中,我们决定将氢键作用力引入到我们的螺旋构筑体系中,丰富螺旋通道的种类。在这一部分工作中,我们将吡啶-酰胺引入到了吡啶-噁二唑的螺旋聚合物中,形成静电排斥和分子内氢键协同作用的螺旋聚合物并研究了它的通道性质。通过圆二色谱数据说明新型的聚合物可以折叠为螺旋构象。离子传输实验以及平面脂双层实验证明这个聚合物可以作为离子通道,但是遗憾的是由于通道的孔径太大而没有表现出任何的选择性。这一部分工作拓展了我们的螺旋结构种类,说明引入其他作用力共同构筑螺旋通道是可行的。为构筑多种多样的螺旋离子通道打下了基础,对新型的螺旋通道构筑具有深远的影响。