人工甜味受体的甜味识别热力学研究

为什么甜味受体能够特异识别甜味分子？是否能构建一种人工的甜味化学受体？这一直是悬而未解的科学问题。甜味物质分子结构类型丰富多彩，但它们都表现出一种共同的"甜感"，却又在甜感强度和甜感方式上存在巨大差异，我们认为，这种统一性与差异性肯定与甜味剂分子和甜味受体之间的特异性识别作用力大小及识别过程热力学相关。申请人以等温滴定微量热（ITC）为基本实验技术手段，通过前期实验研究，已经证实了多羟基富勒烯作为人工甜味受体实验模型的可行性。为了得到更多的实验事实，并更深入了解人工受体是怎样特异识别甜味分子的，本申请书将进一步通过ITC系统测定多羟基富勒烯与不同类型甜味剂、特别相关立体异构体以及非甜味剂分子间的相互作用，获取丰富的热力学参数信息，同时以甜味剂感官甜度和甜味剂分子结构为参照，研究ITC热力学参数的特征性和甜味识别热力学的一般规律，为最终探讨多羟基富勒烯特异识别甜味分子的物理化学机理奠定基础。

多年来对甜味感觉的研究主要分别从味觉受体分子生物学、甜味剂构效关系两个侧面探索甜味感觉机理，本研究则关注甜味受体与甜味剂的物理化学相互作用。由于至今一直没有获得甜味受体确切的蛋白质三维结构，我们从2006年起开始尝试采用富勒醇作为人工甜味受体模型，探索研究其与甜味剂相互作用的热力学，特别是通过本基金项目的支持，得到了一系列有意义的结果。首先，我们在前期已报道的几种甜味剂与富勒醇受体相互作用的基础上，进一步扩大了甜味剂的种类，发现天然糖和人工甜味剂由于结构的不同，它们与受体模型结合过程的热力学参数总体上存在较大差异，热力学参数与感官甜度存在一定的相关关系，通过分析焓变和熵变的贡献可以一定程度上理解甜度与甜味剂结构的关系；不同味群物质与受体模型结合的反应热也明显不同，由此奠定了基于人工甜味化学受体模型，采用热力学方法研究热力学参数与甜度相关性、探索甜味机理的可行性。第二， 研究了甜味抑制剂存在情况下，甜味剂与受体模型的结合热力学，发现两步结合过程中热力学平衡常数的比值与甜味抑制效率有一定的相关性，揭示了甜味抑制剂的抑制作用是由于其竞争性地与甜味受体结合而产生的，从而提出了甜味抑制剂的化学机理。第三，研究了甜味剂异构体与受体模型的相互作用，首次从实验上测定了氨基酸异构体和单糖异构体与富勒醇相互作用的热力学参数，发现异构体中感官甜度大的，与受体的结合常数也大；并且发现所有氨基酸与富勒醇结合的自发反应都是熵驱动的，单糖异构体与富勒醇结合的自发过程则是熵焓共驱的。正是由于第一顺序结合的配体会形成对第二顺序结合配体的空间位阻，才显示出不同的异构体结合强度的差异，由此导致氨基酸异构体的甜度差异。第四，初步探索了溶液环境对甜味剂与受体结合程度的影响，发现水凝胶体系中阿斯巴甜与富勒醇受体模型的结合常数降低，研究了增稠剂存在下甜味降低的可能机理，钠钾离子的存在也能阻碍甜味剂与受体的结合，这些都说明水分子自由度强烈影响甜味剂感官甜度。此外还在甜味剂非特异性识别的基础上，构建了基于多重氢键的特异性自组装识别体系，拓展了ITC对分子识别及自组装过程的热力学研究，同时也为构建特异性仿生甜味识别系统奠定基础。总之，本项目成功地探索基于人工受体模型研究甜味机理的可行性，并建立了成熟的研究甜味分子识别的热力学方法，这为后续有关不同甜度甜味剂与受体结合性差异研究奠定了良好的基础。