Artificial Biomolecular Channels: Enantioselective Transmembrane Transport of Amino Acids Mediated by Homochiral Zirconium Metal–Organic Cages

化学 对映选择合成 手性(物理) 超分子化学 氨基酸 跨膜蛋白 对映体 立体化学 外消旋混合物 跨膜通道 冠醚 组合化学 分子 离子通道 有机化学 离子 生物化学 受体 量子力学 手征对称破缺 物理 电压门控离子通道 催化作用 Nambu–Jona Lasinio模型 夸克
作者
Yingguo Li,Jinqiao Dong,Wei Gong,Xianhui Tang,Yuhao Liu,Yong Cui,Yan Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (49): 20939-20951 被引量:63
标识
DOI:10.1021/jacs.1c09992
摘要

Natural transport channels (or carriers), such as aquaporins, are a distinct type of biomacromolecule capable of highly effective transmembrane transport of water or ions. Such behavior is routine for biology but has proved difficult to achieve in synthetic systems. Perhaps most significantly, the enantioselective transmembrane transport of biomolecules is an especially challenging problem both for chemists and for natural systems. Herein, a group of homochiral zirconium metal-organic cages with four triangular opening windows have been proposed as artificial biomolecular channels for enantioselective transmembrane transport of natural amino acids. These structurally well-defined coordination cages are assembled from six synthetically accessible BINOL-derived chiral ligands as spacers and four n-Bu3-Cp3Zr3 clusters as vertices, forming tetrahedral-shaped architectures that feature an intrinsically chiral cavity decorated with an array of specifically positioned binding sites mediated from phenol to phenyl ether to crown ether groups. Fascinatingly, the transformation of single-molecule chirality to global supramolecular chirality within the space-restricted chiral microenvironments accompanies unprecedented chiral amplification, leading to the enantiospecific recognition of amino acids. By virtue of the highly structural stability and excellent biocompatibility, the orientation-independent cages can be molecularly embedded into lipid membranes, biomimetically serving as single-molecular chiral channels for polar-residue amino acids, with the properties that cage-1 featuring hydroxyl groups preferentially transports the l-asparagine, whereas cage-2 attaching crown ether groups spontaneously favor transporting d-arginine. We therefore develop a new type of self-assembled system that can potentially mimic the functions of transmembrane proteins in nature, which is a realistic candidate for further biomedical applications.
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