多组态组氨酸的结构和动力学性质的固体核磁共振研究

在蛋白质折叠、酶催化以及金属蛋白复合物等生物体系中，组氨酸起着非常重要的作用。在生理pH值下，组氨酸通常会以质子化、两种电中性互变异构体及金属离子络合物等形式存在。周围环境的改变如电荷分布的差异、互变异构态的形成以及氢键、配位键的存在等，会改变组氨酸的分子结构、动力学性质以及固有的NMR性质。本项目拟通过高分辨固体核磁共振技术，如多维相关谱、各向异性化学位移重聚、异核核间距的测量以及单键偶极偶极常数的实验拟合等方法来测定各种不同质子化态、异构态及金属离子配位态组氨酸中1H、13C、15N的化学位移，解析其具体的分子结构以及系统研究它们的动力学性质。并结合量子化学计算对不同质子化态、异构态及金属离子配位态组氨酸结构变化以及咪唑环化学位移的变化给出合理的解释。此项工作将为组氨酸在生物蛋白体系中的结构、性质以及作用机制等方面的研究提供一些基础和依据。

本项目采用固体核磁共振新方法研究pH值调控下不同质子化态、异构态、金属离子配位态组氨酸的结构变化；组氨酸与金属离子Mg2+、Zn2+等的相互作用；测量不同异构态间氢键以及配位键对咪唑环内1H、13C、15N化学位移的影响, 相关结果发表在J. Phys. Chem. B (2013, 117:8954)上。另外，以组氨酸为模型化学物，开发一些实用于膜蛋白体系的固体核磁共振新方法. 提出了13C, 15N全标记生物体系1H-13C核间距离的定量测量方法, 相关结果发表在Solid State Nuclear Magnetic Resonance (2012, 45: 51)上。提出了组氨酸咪唑环的13C, 15N谱编辑固体核磁共振方法, 相关结果发表在Solid State Nuclear Magnetic Resonance (2013, 54:13)中。另外, 在固体核磁共振在功能材料上也取得了一系列阶段性的进展。首先提出了固体核磁共振研究金属有机化学物铁电-顺电机制, 相关研究结果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134: 11044-11049）上。我们用同核两维1H、27Al双量子固体核磁共振方法证实了H-ZSM-5以及H-MOR分子筛内存在着的B酸L酸协同效应机制， 揭示了B酸L酸协同效应在氢型分子筛的普遍存在性， 合理解释了分子筛脱铝后酸催化活性显著增强的原因。 相关结果发表在Journal of Physical Chemistry C（2011，115：22320）上。 并且用固体核磁共振NMR方法研究了火箭推进剂中粘结剂NPBA的分子动力学性质,这一结果成功指出了粘结剂表面脱湿的原因, 为进一步提升粘结剂的性能指名了方向, 相关结果发表在Molecules (2014, 19:1353)上. 受Annual Reports on NMR Spectroscopy主编Graham A. Webb教授邀请,为其丛书78期撰写其中一个章节，题为“Recent Advances of Solid-State NMR Studies on Zeolites”。