原子尺度下研究氨基酸与金属作用机理

The metal-organic coordination structures formed by amino acids and bio-related metals are considered to be the active centers of metal proteins, which are found to play significant roles on configurations and functions of proteins. Due to the significance of the metal-amino acid coordination structures, many experimental and theoretical efforts have been devoted to study the interactions between amino acids and metal atoms by spectroscopic methods and density functional theory (DFT) calculations, et al. Direct real-space evidence on demonstrating the binding site, the number of metals in the metal center, and the competition between different binding sites, however, has not been reported to date. It is therefore of great importance to study the interaction between metals and amino acids from atomic scale, which may help for understanding the roles of metal on proteins and provide fundamental guidance for the fabrication of biomimetic materials and the synthesis of related medicines. In this project, we plan to employ high-resolution scanning tunneling microscopy (STM) imaging/STM manipulation, density functional theory calculations and X-ray photoelectron spectroscopy to systematically study the interaction between different metals and amino acids from atomic scale in real space with varying amino acid/metal ratio, including the binding sites, binding energy, the competition of different binding site, the influence of amino acid/metal ratio on the binding sites and further the evolution of the chemical structures of amino acids after introducing metal atoms, with the aim of getting a deeper understanding on unraveling the mechanism of metal-amino acid coordination structure as the active center within proteins.

生物体的金属元素（钠，铁，镍等）通过与氨基酸配位形成的金属-氨基酸配合物通常是金属蛋白等的活性中心，对特殊金属蛋白的构象维持、功能发挥等起重要作用。从原子尺度深入研究金属-氨基酸作用机理,可为金属-氨基酸类仿生功能材料制备以及药物合成提供理论指导。本项目拟利用超高真空扫描隧道显微镜结合密度泛函理论计算以及X射线光电子能谱系统研究不同金属元素与氨基酸的作用位点以及相互作用能；对比研究不同金属/氨基酸配比下，金属与氨基酸的作用位点、相互作用能；探讨过量金属对氨基酸化学结构的影响，以及导致氨基酸“中毒”的临界金属浓度。该项目旨在精准定位不同金属与氨基酸的优先作用位点、揭示不同金属/氨基酸配比对于金属-氨基酸配位结构及其稳定性的影响以及过量金属对氨基酸的毒性。本项目通过利用表面科学的方法从原子尺度研究生物相关模型体系，有助于揭示生物体系中金属-氨基酸配合物作为活性中心的工作机制。

金属在生物体内参与多种重要的生命过程，在特殊核酸序列以及金属蛋白等的构象维持、功能发挥与调控等方面起着重要作用。本研究利用超高真空扫描隧道显微镜结合密度泛函理论计算首先从单分子水平探究了金属与碱基（核酸基本单元）的相互作用，并在此研究基础上进一步探究了金属与氨基酸（蛋白质基本单元）的作用位点、作用强度以及金属对其化学结构的影响等，揭示其相互作用的物理化学本质。包括：（1）通过引入金属镍，大大降低DNA碱基胸腺嘧啶在Au(111)表面的酮-烯醇互变异构势垒，诱导胸腺嘧啶发生酮-烯醇互变异构。（2）通过“降温沉积法”在共沉积胸腺嘧啶与镍原子，实现多种配位结构基元同时捕获并通过特定的氢键结合构筑复杂杂化纳米结构，指导复杂功能化仿生体系的设计。（3）选择与氨基酸类似，含氨基与羧基的平面分子研究其与铁、铜原子相互作用。铁原子诱导羧基室温脱氢，脱氢后的羧基与铁原子配位形成多种不同配位构型，具体构型取决于铁原子的浓度以及衬底。铜原子则倾向与氨基配位，且配位结构不随铜原子浓度变化。（4）与氨基酸类似的极性分子在Au(111)表面吸附并通过分子间偶极作用实现长程手性识别，指导复杂多层次手性结构的设计。以上研究为从更深层次上理解、揭示自然界复杂生物体系的工作机制提供理论依据，且为复杂仿生功能材料等开发及设计提供理论指导。

内容获取失败，请点击重试