西安交通大学：《纳米生物技术 Nano-biotechnology》课程教学课件（讲稿）第六节 纳米通道技术

西安文通大学CIAMJIAOTONGUNIVERS内容提要1.纳米通道的概念及分类2.纳米通道技术的应用3.纳米通道技术的前景2

内容提要 2 1.纳米通道的概念及分类 2.纳米通道技术的应用 3.纳米通道技术的前景

西安文通大学IAMJIAOTONGUNIVER1.纳米通道的概念纳米通道：即孔径0.1~100nm的孔或管道结构。纳米通道可用于离子国分子和粒子交换与传输等。若孔道的直径大于其孔道得长度（厚度）或在同一数量级，，般被称为纳米孔：如果孔道的长度远大于其直径，通常被成为纳米通道，有时也不做严格的区分。孙红.（2019).聚合物纳米通道单分子分析器件的研究及应用（博士学位论文西北大3学).https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=CDFDLAST2020&filename=1020609124.nh

1.纳米通道的概念 3 纳米通道： 即孔径0.1～100nm的孔或管道结构。纳米通道可用于离子、 分子和粒子交换与传输等。 若孔道的直径大于其孔道得长度（厚度）或在同一数量级，一 般被称为纳米孔；如果孔道的长度远大于其直径，通常被成为纳米 通道，有时也不做严格的区分。 孙红.(2019).聚合物纳米通道单分子分析器件的研究及应用(博士学位论文,西北大 学).https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=CDFDLAST2020&filename=1020609124.nh

西安文通大泽DAMJIAOTONOUNIVER1.纳米通道的概念纳米通道：α溶血素示意图Ansalone, P.,Chinappi, M., Rondoni, L, & Cecconi, F.(2015).Driven diffusion against electrostatic or effective energy barrieracrossa-hemolysin.TheJoumalofChemicalPhysics,143(15),154109

1.纳米通道的概念 4 纳米通道：α溶血素示意图 Ansalone, P., Chinappi, M., Rondoni, L., & Cecconi, F. (2015). Driven diffusion against electrostatic or effective energy barrier across α-hemolysin. The Journal of Chemical Physics, 143(15), 154109

西安文通大学IAMJIAOTONOUNIVE1.纳米通道的分类1.1生物纳米通道在生物细胞中，细胞膜上存在许多不同类型的生物离子通道，其可通过其存在环境的变化来改变通道的状态，从而控制物质的进出，控制着纳米通道内外相关物质的运输交换，如信号分子、遗传物质和能量等，凭借纳米通道的相关功能，可在维持生物正常活动中起到至关重要的作用。5

1.纳米通道的分类 5 1.1生物纳米通道 在生物细胞中，细胞膜上存在许多不同类型的生物离 子通道，其可通过其存在环境的变化来改变通道的状态， 从而控制物质的进出，控制着纳米通道内外相关物质的运 输交换，如信号分子、遗传物质和能量等，凭借纳米通道 的相关功能，可在维持生物正常活动中起到至关重要的作 用

西安交通大学CIAMJIAOTONGUNIVERS1.纳米通道的分类1.1生物纳米通道离子离子通道孔蛋白质子单元细胞外侧HHH细胞内侧膜脂分子开放离子通道关闭的离子通道离子通道示意图刘争（2022).双电层作用下纳米通道内的离子传输及能量转换特性研究硕士学位论文，广西大学).https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=CMFD202301&filename=1022645736.nh6

1.纳米通道的分类 6 刘争.(2022).双电层作用下纳米通道内的离子传输及能量转换特性研究(硕士学位论文,广西大 学).https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=CMFD202301&filename=1022645736.nh 离子通道示意图 1.1生物纳米通道

西安文通大学OAM JIAOTONGUNIVES1.纳米通道的分类1.1生物纳米通道目前被广泛研究的生物纳米通道主要包括：① α-溶血素(α-hemolysin,α-HL)耻垢分枝杆菌孔蛋白A（(Mycobacterium②smegmatisporinA,MspA)（phi29DNA分子马达）等。噬菌体Phi29连接器317

1.纳米通道的分类 7 1.1生物纳米通道 目前被广泛研究的生物纳米通道主要包括: ① α-溶血素（α-hemolysin, α-HL） ② 耻垢分枝杆菌孔蛋白A（Mycobacterium smegmatisporin A, MspA） ③ 噬菌体Phi29连接器（phi29 DNA分子马达）等

西安文通大学IAMJIAOTONOUNIVEI1.纳米通道的分类1.1.1α溶血素(α-HL)结构：αHL通道形状类似于蘑菇，轴向长度为10nm，直径变化范围在1.4~4.6nm之间通道口为2.6nm，它通向较大的内腔，通道路膜区内径为2.2nm，内腔和跨膜区之间为直径1.5nm的限制孔它是由14个赖氨酸和谷氨酸侧链交替形成的环，跨膜区由14条链形成的反向β折叠桶组成，内部亲水，外部疏水。双链DNA分子只能进入通道口，而直径为1.5nm的限制孔仅容许单链DNA通过。8

1.纳米通道的分类 8 1.1.1α溶血素（α-HL） 结构： αHL通道形状类似于蘑菇，轴向长度为10nm，直径变化范围 在1.4～4.6nm之间,通道口为2.6nm，它通向较大的内腔，通道路 膜区内径为2．2nm，内腔和跨膜区之间为直径1.5nm的限制孔， 它是由14个赖氨酸和谷氨酸侧链交替形成的环，跨膜区由14条链 形成的反向β折叠桶组成，内部亲水，外部疏水。双链DNA分子只 能进入通道口，而直径为1.5nm的限制孔仅容许单链DNA通过

西安文通大学CIAM JIAOTONG UNIVERS1.纳米通道的分类1.1.1α溶血素(α-HL)Acapcis-constrictiontrans+脂质膜中αHL的横截面Guros, N. B., Balljepalli, A., & Klauda, J.B. (2018). The role of lipid interactions in simulations of the a-hemolysin ion-channel-formingtoxin.Biophysical Journal, 115(9),1720-1730.9

1.纳米通道的分类 9 Guros, N. B., Balijepalli, A., & Klauda, J. B. (2018). The role of lipid interactions in simulations of the α-hemolysin ion-channel￾forming toxin. Biophysical Journal, 115(9), 1720-1730. 脂质膜中αHL的横截面 1.1.1α溶血素（α-HL）

西安文通大学CANJIAOTONOUNIVE1.纳米通道的分类1.1.1α溶血素(α-HL)功能：αHL为金黄色葡萄球菌分泌的一种毒素，由于其具有致病作用，因此其结构功能得以广泛研究。αHL水溶性单体能结合于人红细胞血小板、单核细胞等细胞的膜上，膜结合单体通过组装可形成七聚体的跨膜通道。1低浓度的αHL(nmol/L~umol/L)即可造成细胞裂解死亡，从机理上可以解释为形成的跨膜通道导致细胞膜对离子水和其他低分子质量物质的通道性增加。10

1.纳米通道的分类 10 1.1.1α溶血素（α-HL） 功能： αHL为金黄色葡萄球菌分泌的一种毒素，由于其具有致病作用， 因此其结构功能得以广泛研究。αHL水溶性单体能结合于人红细胞、 血小板、单核细胞等细胞的膜上，膜结合单体通过组装可形成七聚 体的跨膜通道。低浓度的αHL(nmol／L～μmol／L)即可造成细胞 裂解死亡，从机理上可以解释为形成的跨膜通道导致细胞膜对离子、 水和其他低分子质量物质的通道性增加

西安文通大学IAMJIAOTONOUNIVEI1.纳米通道的分类1.1.2耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)结构：孔蛋白MSPA的结构如图所示。该多肽形成一个紧密相连的八聚体，具有八重旋转对称性，类似于高脚杯，并包含一个中央通道每个亚单位由一个134个残基的球状结构域组成，形成一个厚厚的高脚杯边缘，一个50个残基的环状结构形成茎和底部。11

1.纳米通道的分类 11 1.1.2耻垢分枝杆菌孔蛋白A （MspA） 结构： 孔蛋白MSPA的结构如图所示。该多肽形成一个紧密相连的八 聚体，具有八重旋转对称性，类似于高脚杯，并包含一个中央通道。 每个亚单位由一个134个残基的球状结构域组成，形成一个厚厚的 高脚杯边缘，一个50个残基的环状结构形成茎和底部