超分子化学

最近几十年，科学家对在合成系统中模仿细胞的部分分子通信过程产生了兴趣。他们的动机有很多。药物研发经常要编造一个良好的伪装，使得合成分子能够冒充成天然分子，且更容易与受体结合，从而阻碍或者引发一种生物化学信号。眼睛的视网膜细胞和嗅觉系统中都发生了信号转导，这启发了我们提出分子传感器的概念，用这样的传感器能以很高的灵敏度检测到光或其他分子。分子工程师正在研究嗅觉器官，期待从中获取灵感来设计“人工鼻子”，用以鉴别复杂的分子混合物。

“锁钥原理”是自然界高声歌颂的一项原理：分子相合则相聚。注若将这种“相识”转变为通信的过程，就需要让结合的事件能触发受体的某种转化，使信号能够继续传递下去。在生物当中，这种传递过程一般是催化，即结合使得受体转变为活化酶。不过信号也可以通过其他方式传递：比如释放光或释放电子，或者（像乙酰胆碱受体一样）产生电化学势。

在超分子化学中，构建分子尺度上的人工信号转导过程是个常见的目标。这个领域正是受到生物学的启发而肇始的。1960年代，法国化学家让-玛丽·莱恩研究了所谓的冠醚分子，这种分子可以识别并结合特定的金属离子。莱恩的兴趣点是将钠离子和钾离子输送通过脂质膜。除了经由蛋白质通道和离子泵来传送外，还有另一种策略，即用分子把离子包裹起来，而分子“可溶解”于脂类细胞膜的内部。这种分子是天然存在的，名字称为离子载体。一个典型的例子是缬氨霉素，这是个环形的多肽，中间的空洞适合填入钾离子。冠醚则是模仿缬氨霉素的合成物质，它们同样也是环形，也能在中间的空洞结合金属离子。根据空洞与离子的相对大小不同，金属离子结合的紧密程度也有所不同。若空洞过大，则金属离子结合得较松散，会在里面“撞来撞去”；若空洞过小，金属离子就填不进去了。因此，我们可以调节冠醚使它适合特定的金属离子——换言之就是要展示分子识别的威力。

到了1970年代，莱恩和其他研究人员制出了各种形状和尺寸的合成受体分子，设计出的空洞能够适合范围很广的目标物，包括无机的，也包括有机的。这些“客人”分子被它们的主人用相互作用力抓住，这种相互作用比分子用来抓住自身原子的共价键要弱。这样客人就有可能被抓起来，然后再被释放。这正是缬氨霉素运送铁离子的方式：缬氨霉素先在膜的一侧捕捉一个离子，通过膜之后在另一侧把离子释放。超分子化学，本质上正是谈论用松散的联系把分子结合起来，又可以使它们解离成各个部分。

当冠醚抓起一个金属离子时，它们就会变形。冠醚单独存在时，是个非常松弛、软绵绵的环，像橡皮筋一样。当中心带有金属离子时，它就组织成较为稳固的结构，环上有了“之”字形的弯曲，也就是像个皇冠（如图36）。受体结合了标的物时，通常都会发生类似的变形。

如果我们的目标只是要结合而已，那么较大的变形就不太如意，因为受体的内部重组会让结合变得麻烦，较难实现。这也是为什么很多超分子的主人部分会设计得使它们在接收客人前就预先排列好，让结合引发的变形达到最小化。

但如果我们的意图是利用结合来触发信号的向下传递，那变形就常常是很关键的了。2000年，柏林洪堡大学的乌尔里克·薛尔特和同事们报告，发现一例主客结合所引发的巨大变形。他们制造了一种受体分子，你可以认为它是一系列“更小的分子”，包括两只胳膊，两条腿，还有一个像灵活的躯干的“传感器”元件把胳膊和腿都连接起来。若两只胳膊合起来围住一个锌离子，传感器元件就会翻个跟头，把两条腿拉开（如图37）。两条腿的末端有荧光基团，当它们距离增加时就会改变发射波长，从绿光变为紫外光。研究者们指出，这种受体分子显示出蛋白质受体在信号转导方面所具有的一些特性，与标的物结合时做出响应，一方面形状发生变化，另一方面行为也能发生变化。

人们通过分子工程，已经在好几种其他的合成受体上实现了由变形导致分子发光性质的改变。但要像G蛋白信号机制那样，通过识别与结合来转化分子的催化行为，则困难得多，因为这就要确保最终的形状恰恰就是催化剂能够工作的形状。而要将好几种分子组织成一条信号传递流，就更加困难了。无论如何，超分子化学家们的技能也在日益增长，如果我们很快就能看到人造分子通信系统协调地工作，像人体那样精妙和谐地调节着自身的领地，那也不值得大惊小怪。

注　这个比喻是德国化学家埃米尔·菲舍尔在1894年首次使用的，用以解释为何酶所催化的转化具有很强的选择性。——原注