离子对含芳环简单生物分子水溶性等的影响及应用

The π electron-rich aromatic structures (a carbon ring where there are rich π electrons) widely exist in biology, such as aromatic amino acids (tryptopan,phenylalanine and tyrosine), DNA and RNA base, dopamine, serotonin and auxin. Despite of weak interactions between the aromatic ring structures with water molecules, there are strong non-covalent interactions between the aromatic ringstructures and the ions (ion-π interactions) as well as between ions and water (hydrated interactions). Thus, ions can serve as an intermediary to greatly enhance the interactions of water molecules with aromatic ring structures, and then change the water solubility and other related properties of aromatic ring structures. However, the impact of water solubility and related properties of simple biological molecules with aromatic rings induced by ions is usually not properly considered. Considering the widespread presence of the ions in the physiological solution and aromatic rings in the biological molecules, herein, basing on quantum mechanics ab intio calculations together with MD simulations and experimental investigations, we will study the the water solubility and other related properties of simple biological molecules with aromatic rings mediated by ions, and the possible applicaton on the study of the structures and functions of larger biological molecules.

富含π电子的芳环结构（以碳原子为主体的环状结构，含多个π电子）广泛的存在于构成生命体的碳基材料中，如：芳环氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）、DNA和RNA核酸碱基、多巴胺、血清素和生长素等。尽管芳环结构与水分子之间仅存在较弱的作用，考虑到该结构与离子之间有强的非共价键作用（离子-π作用），离子与水之间也存在着强的非共价作用（水合作用），因此离子可以作为一个中介增强水分子与芳环结构之间的作用，进而影响芳环的水溶性。然而，到目前为止这种存在于离子和芳环结构之间的作用对芳环结构水溶性的影响,普遍没有得到认真探究。考虑到离子在生理溶液中以及芳环在生物分子中的广泛存在，本项目中我们将通过基础量子力学计算—经典分子动力学模拟软件改良—实验观测验证相结合的方法，来研究离子对含芳环简单生物分子性质的影响，如水溶性等及其一般规律，并尝试应用于由此导致的相关生物大分子（如含芳环多肽）性质和功能的研究中。

富含π电子的芳环结构（以碳原子为主体的环状结构，含多个π电子）广泛的存在于构成生命体的碳基材料中，如：芳环氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）、DNA和RNA核酸碱基、多巴胺、血清素和生长素等。尽管芳环结构与水分子之间仅存在较弱的作用，考虑到该结构与离子之间有强的非共价键作用（离子-π作用），离子与水之间也存在着强的非共价作用（水合作用），因此离子可以作为一个中介增强水分子与芳环结构之间的作用，进而影响芳环的水溶性。考虑到离子在生理溶液中以及芳环在生物分子中的广泛存在，本项目中我们通过基础量子力学计算—经典分子动力学模拟软件改良—实验观测验证相结合的方法，研究了离子对含芳环简单生物分子性质的影响，取得了以下结果：（1）通过水的微观性质的经典、量子理论研究工作，提出并实现了水合离子自身精确控制石墨烯膜的层间距，展示了其出色的离子筛分和海水淡化性能。（2）进一步深入研究电解质溶液提高含芳香环氨基酸和多肽的溶解度，改变了对芳香环氨基酸不溶于金属电解质溶液的传统认识，提出了水环境下金属阳离子与芳香环之间离子-π作用的新机制，有望在理论模拟蛋白折叠、分析蛋白生理条件下的功能、药物分子设计等方面有重要启迪作用。（3）通过研究稀溶液中碳纳米管内自发超高盐富集现象，为设计有效的碳管净水膜打开全新的途径，为贵金属提供了一个新的收集/提取策略。（4）通过研究常温常压下制备氯化二钠和氯化三钠等反常化学计量比晶体，为电学、磁学、光学特性材料研究开辟了新的路径。