综述：离子液体对蛋白质稳定性的作用机制及其在神经退行性疾病治疗中的未来展望

《Ageing Research Reviews》：Insights into Mechanism of Ionic Liquids for Protein Stability: Future Implications for Neurodegeneration Treatment

本综述系统阐述了离子液体（ILs）通过其独特的物理化学性质（如极性、疏水性、kosmotropicity/chaotropicity）调控蛋白质折叠、抑制错误折叠与淀粉样纤维形成的作用机制，为核心病理表现为蛋白质错误聚集的神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）提供了极具潜力的新型治疗策略。

　　

离子液体：对抗神经退行性疾病中蛋白质错误折叠的新兴武器

神经退行性疾病（NDs），如阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD），是全球日益严峻的健康挑战。这些疾病的共同病理特征是特定蛋白质的错误折叠和异常聚集，形成有毒的淀粉样纤维沉积，最终导致神经元功能丧失和脑损伤。尽管研究不断深入，但能够有效阻止或逆转疾病进程的治疗方法仍然匮乏。在这一背景下，离子液体（ILs）作为一种具有高度可设计性的新型溶剂，展现出在蛋白质稳定和抗淀粉样蛋白生成方面的巨大潜力，为神经退行性疾病的治疗开辟了新的视角。

离子液体的独特性质与分类

离子液体是由有机阳离子和有机/无机阴离子在室温或接近室温下呈液态的盐类。其低熔点源于离子体积庞大且结构不对称，导致晶格能较低。ILs拥有低蒸气压、高离子电导率、自组装行为和可调节的粘度等特性。根据结构，ILs可分为质子型离子液体（PILs）、非质子型离子液体（APILs）、两性离子液体、表面活性离子液体（SAILs）、双离子液体和任务特异性离子液体等。其性质（如疏水性、氢键能力）可通过阴阳离子的组合进行精确“裁剪”，例如，含[Cl^-]、[Br^-]等卤素阴离子的ILs是强氢键受体，能稳定蛋白质的极性基团；而含[BF₄^-]、[PF₆^-]的ILs则疏水性更强，有助于稳定蛋白质的疏水核心。

离子液体稳定蛋白质的作用机制

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  构象刚性与骨架稳定
  ILs通过多种分子相互作用增强蛋白质的结构刚性。例如，咪唑类ILs（如1-C_n-3-甲基咪唑氯盐）可通过疏水作用将溶剂暴露的非极性残基埋入蛋白质核心，减少构象灵活性。胆碱类ILs（如[Ch][dhp]）能限制抗体Fab域的移动性，稳定其构象完整性。研究表明，ILs与蛋白质（如细胞色素c, Cyt c）的结合自由能可达-9至-17 kJ/mol，通过静电和疏水作用稳定螺旋连接处和溶剂可及环区，热力学上有利于天然构象。
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  增强溶解性与解聚已形成聚集体
  ILs能有效溶解蛋白质聚集体并促进其重新折叠。例如，水合胆碱磷酸二氢盐（[Ch][dhp]）可溶解热聚集的纤维素酶CcCel6A并恢复其酶活性。其机理包括ILs破坏蛋白质分子间的氢键网络，以及通过形成溶剂化层屏蔽蛋白质的疏水区域，减少分子间碰撞。对于淀粉样纤维，如胰岛素纤维，ILs（如[BMIM][SCN]）能特异性与天冬酰胺（Asn）/谷氨酸（Glu）和赖氨酸（Lys）/精氨酸（Arg）等残基相互作用，从分子水平上解聚纤维。
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  pH与溶剂化动力学调控
  ILs可以调节溶液的微环境pH，并通过影响蛋白质的水合层动力学来维持其稳定性。例如，咪唑类ILs（如[BMIM][Br]）在不同pH下能通过氢键、静电作用和π-π堆积提高人血清 albumin（HSA）的溶解性和结构完整性。ILs的离子可以中和蛋白质表面电荷的极端状态，减少过度质子化或去质子化，从而稳定氢键，形成保护性外壳，限制聚集。
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  胶束性质与自组装
  具有长烷基链的SAILs可在水溶液中自组装成胶束、囊泡等结构。这些ILs能诱导蛋白质（如β-乳球蛋白, β-LG）形成更小、更有序的聚集体，甚至球形或螺旋纤维结构，从而将无规聚集体重构为可控的组装体。ILs的临界胶束浓度（CMC）和疏水尾链长度在此过程中起关键作用，通过疏水和静电作用促进蛋白质的再折叠。
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  缓解热诱导的蛋白质变性
  ILs表现出显著的热保护效应。例如，甜菜碱类ILs能使CALB酶在70°C下抵抗变性。在无溶剂IL介质中，肌红蛋白的熔点（Tm）可从70°C大幅提升至160.1°C。胆碱类ILs（如[Ch][Bi], [Ch][Cl]）能提高β-LG的热稳定性，使其芳香族残基处于更疏水的微环境中。热力学参数（如负的吉布斯自由能变-ΔG）表明ILs与蛋白质的结合是自发过程，有助于稳定折叠状态。
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  强化天然结构与功能韧性
  ILs对蛋白质稳定性的影响常遵循Hofmeister序列，其中阴离子的性质（kosmotropic或chaotropic）至关重要。kosmotropic阴离子（如硫酸根）能强化水结构，促进蛋白质水合和分子内相互作用，而chaotropic阴离子则更直接地与蛋白质疏水斑块或骨架结合。ILs（如[EMIM][ESO₄]）能恢复尿素变性蛋白的α-螺旋含量，减少β-折叠。它们还能增加蛋白质的回转半径（Rg），表明水合作用增强，同时维持蛋白质的球状构象，增加结构紧实度。

离子液体在抑制淀粉样蛋白生成中的应用

ILs在直接对抗与神经退行性疾病相关的蛋白质聚集方面显示出巨大前景。

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  α-突触核蛋白（α-synuclein）：作为本质无序蛋白（IDP），α-synuclein易发生螺旋到β-折叠的转变。研究表明，乙铵硝酸盐（EAN）可通过电荷屏蔽和疏水关联诱导其结构紧实，影响其淀粉样转化。
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  Aβ肽：与阿尔茨海默病相关的Aβ肽的纤维化可被ILs抑制。例如，[BMIM][Br]能将色氨酸残基重新导向亲水环境，防止其陷入纤维核心，从而减少β-折叠含量，阻止纤维伸长。三乙铵甲磺酸盐（TEAM）在较高浓度下能完全抑制Aβ纤维化，增加螺旋含量。
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  解聚预形成的淀粉样聚集体：ILs能溶解已形成的淀粉样纤维。例如，[BMIM]与SCN^-, NO₃^-, Cl^-等阴离子结合使用，可使牛胰岛素淀粉样纤维解聚，并恢复其80%的二级结构，成功复性为天然单体形式。
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  SOD1聚集：四丁铵甲磺酸盐（TBAMs）和四丁铵氯盐（TBAC）能诱导SOD1结构紧实，降低表面疏水性，通过稳定其静电环和锌结合环来抑制淀粉样蛋白形成。
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  溶菌酶和血清白蛋白：生物相容性胆碱类ILs（如[Ch][Ac], [Ch][dhp]）能抑制溶菌酶的淀粉样形成。表面活性ILs（SAILs）如[OMIM][Cl], [DoMIM][Cl]可通过将其脂肪链插入淀粉样核心的疏水区，破坏预形成的聚集体。

挑战与展望

尽管ILs在蛋白质稳定和抗淀粉样蛋白生成方面展现出巨大潜力，但其作用具有双重性，高度依赖于IL的浓度、阴阳离子种类、烷基链长度等。某些ILs在特定条件下可能反而促进蛋白质去稳定化或聚集。因此，未来研究需要精确设计ILs的结构，以优化其稳定效果并最小化潜在毒性。深入理解ILs与特定神经退行性相关蛋白质（如tau蛋白、TDP-43）的相互作用机制至关重要。将ILs开发成有效的神经保护疗法，还需要解决其向大脑靶向递送、生物相容性和长期安全性等挑战。总之，离子液体为代表的可编程溶剂，为理解和干预神经退行性疾病的核心病理过程——蛋白质错误折叠与聚集，提供了前所未有的强大工具和崭新的治疗范式。