锕系元素阳离子与磷酸化多肽复合物的作用机理研究

Actinides are toxic and radioactive heavy metals. With the rapid development of nuclear energy industry, more and more attention has been paid to the radioactive actinides which can be released into the environment by nuclear fuel cycle activities. Investigating the bio-toxicology of actinide cations and their interaction mechanisms with biomolecules is of great significance for evaluating the harzard of biological exposure to actinides, and also for designing high efficient peptide-based actinide chelating drugs for detoxification..In this project, peptides with important physiological significance are initially selected as models. After specific molecular design, peptides and phosphopeptide complexes with selective affinity with actinides (mainly U and Pu) will be synthesized. The interaction mechanisms between actinide cations and peptide complexs will be systematically studied by different spectroscopic methods such as NMR, UV-Vis, Infrared, Fluorecence, Circular Dichroism, Mass spectrum and X-ray absorption fine structure spectrum, especially concentrating on the coordination structures of the complexes. The effect of peptide phosphorylation on the coordination will be ravelled. It is expected that this project would provide an in-depth understanding of the interaction mechanisms between actinide cations and proteins, and lay the theoretical and experimental basis for developing high efficient peptide-based chelating drugs for actinide cations.

锕系元素均是有毒的放射性重金属元素，随着核能事业的快速发展，人们越来越关注核燃料循环过程中释放出来的锕系元素对环境和生物体的影响。研究锕系元素阳离子与生物分子尤其是蛋白质或多肽的相互作用机理，对于理解锕系元素阳离子在生物体内的吸收与转运机制至关重要，对设计基于多肽复合物的锕系元素促排解毒药物亦具有重要意义。本项目拟以有重要生理意义的多肽分子为原型，通过分子设计，合成出能选择性结合锕系元素（主要研究U、Pu）阳离子的多肽分子和磷酸化多肽复合物。利用多种手段如紫外可见光谱、X-射线精细吸收谱、荧光光谱、质谱、圆二色谱、电位滴定、红外光谱等研究磷肽与锕系元素阳离子的作用机制，尤其是配合物结构和配位模式，并研究磷酸化修饰对锕系元素（U、Pu）阳离子配位模式的影响。为深入理解锕系元素阳离子与蛋白质的结合机理和设计基于活性多肽复合物的促排药物奠定理论与实验基础。

随着核能的快速发展，人们越来越关注锕系核素对生态环境和生物体所造成的影响，其中锕系元素的生物毒理行为成为热点研究内容之一。本项目从结构特征及热力学稳定性等因素研究锕系元素与氨基酸、多肽和蛋白质的相互作用机理。主要研究进展包括：(1)研究了UO22+与牛血清白蛋白的相互作用，为UO22+在生物体内的毒性机理研究提供了一定的参考依据，有助于更深层次理解UO22+对蛋白质产生的毒性效应。(2) 设计并合成了作为潜在的铀酰螯合配体的磷酸化五肽(WpTPpTW, P1)，并研究其与铀酰离子的相互作用。研究结果表明，磷酸基团对磷酸化多肽与铀酰离子的相互作用具有至关重要的作用。(3)对UO22+与氨基酸、多肽和蛋白质相互作用的研究进展进行了综述，为研究多肽及蛋白质等大分子奠定基础。(4)理论设计和合成了多肽的类似物——预组织邻菲罗啉酰胺配体(DAPhen)，并研究其对锕系阳离子的萃取行为及相互作用机理。基于理论和实验的研究结果，四齿预组织软硬结合Et-Tol-DAPhen配体有望应用于高酸性核废液中锕系元素的组分离。(5)结合量子化学方法研究了磷酸化的氨基酸与铀酰离子以及超铀元素结合能力的影响，探讨了丝氨酸磷酸化前后与铀酰结合能力的差异，为锕系离子与多肽甚至蛋白质的作用机理提供了理论基础。