自然界存在許多性能優(yōu)異的跨膜蛋白通道可以高速度和高選擇性使脂質(zhì)雙層上的陽(yáng)離子進(jìn)行傳輸。受自然界的啟發(fā)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了模擬人工離子通道的簡(jiǎn)化模型，以研究跨膜傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)因素及其在藥物、生物材料開(kāi)發(fā)方面的潛在應(yīng)用。其中自然鉀離子通道蛋白除了鉀離子外不允許其他陽(yáng)離子通過(guò)，呈現(xiàn)高的運(yùn)載鉀離子速率和選擇性。這種高度選擇性是自然通道蛋白運(yùn)輸效果的重要決定因素，因此，吸引了很多化學(xué)家的研究興趣。在已經(jīng)報(bào)道的研究結(jié)果中，很多報(bào)道的人工鉀離子通道并未重視K+/Na+的高選擇性通過(guò)問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，金屬陽(yáng)離子選擇性是由陽(yáng)離子脫水損耗的能量與離子得到補(bǔ)償?shù)哪芰勘戎禌Q定的。
我校化學(xué)學(xué)院Lehn功能材料研究所超分子化學(xué)與材料方向外籍專(zhuān)家Mihail Barboiu教授長(zhǎng)期致力冠醚衍生物協(xié)助離子傳輸?shù)姆派瘜W(xué)研究，近期報(bào)道了一系列高選擇性鉀離子通道（J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9541-9548; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14473-14477; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 426-432; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3721-3727；Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 10520-105)。
冠醚衍生物通過(guò)自身攜帶的大環(huán)識(shí)別位點(diǎn)，高選擇性地與鉀離子配位，協(xié)助鉀離子傳輸
結(jié)合上述研究及國(guó)內(nèi)外同行研究成果，Mihail Barboiu教授總結(jié)了過(guò)去10年來(lái)跨膜傳輸鉀離子的人工通道蛋白的最新進(jìn)展，綜述了人工鉀離子通道或運(yùn)輸載體選擇性設(shè)計(jì)及其功能特性，特別是選擇性運(yùn)輸鉀離子的功能設(shè)計(jì)，有助于進(jìn)一步探究活性結(jié)構(gòu)作為“過(guò)濾器”或“門(mén)控”蛋白在離子傳輸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)過(guò)程。綜述指出人工鉀離子通道一般具有以下特征：（i)鉀離子結(jié)合的大環(huán)識(shí)別位點(diǎn)。配位后大環(huán)通道獲得的能量可以補(bǔ)償鉀離子脫水后能量損耗。即使體系中存在過(guò)量的Na+離子，大環(huán)通道也只識(shí)別K+離子。從機(jī)理上看，該識(shí)別系統(tǒng)具有協(xié)同動(dòng)態(tài)效應(yīng)，K+離子的增加也協(xié)同驅(qū)使著大環(huán)通道對(duì)鉀離子的選擇性增大；（ii)能夠?qū)崿F(xiàn)分子間自組裝的氫鍵供體與受體；(iii)具有可以嵌入疏水雙層膜結(jié)構(gòu)的疏水鏈。
該綜述分析和總結(jié)了該類(lèi)材料體系中跨膜傳輸鉀離子的機(jī)理與機(jī)制；總結(jié)了人工設(shè)計(jì)自組裝高選擇性鉀離子通道的特征，并對(duì)比了一系列的人工鉀離子通道單晶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其跨膜運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。同時(shí)，他們還分析探討了該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展前景與挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以“Encapsulation versus Self-Aggregation toward Highly Selective Artificial K+ Channels”為題發(fā)表在A(yíng)ccount of chemical research上。
