基于质谱方法的铀酰（Ⅵ）离子-多肽复合物的结构研究

The understanding and assessment of uranium, which is the most significant material in military and energy industry, is of crucial importance for the safe consideration. Recently, the toxicity of uranium on organisms, and the proteomic studies have proven the binding of linear uranyl (Ⅵ) with proteins is the key step for the toxicity of uranium. However, there are limited studies regarding the structures of uranyl-protein complexes. Here, the proposer will screen specific uranyl-peptide complexes by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) since the peptides have similar binding affinity but simplified structure relative to proteins. The tandem mass spectrometry is utilized to reveal the structure, gas-phase reactions and specific non-covalent interactions of uranyl-peptide complexes. Furthermore, the quantum calculation will verify the experimental results. The results of this proposal will illustrate the toxicity of uranium at the molecular level, and reveal the structural explanations of the recognition between uranyl and peptides/proteins. The results will also intensify the understanding of the fundamental chemistry of uranium in terms non-covalent interactions and coordination chemistry, and finally improve the developments of actinide chemistry including uranium chemistry.

铀是军事和能源领域最重要的核材料，为了更安全的使用铀材料，对其潜在危害的认识和评估至关重要。近年来，铀的生理学毒性日益引起科学界和社会公众的关注，已有的研究表明线性的铀酰（Ⅵ）离子与蛋白质形成的复合物是铀损伤生物体的关键环节，然而目前从分子水平对铀酰-蛋白质复合物具体结构的研究却极为有限。通过简化体系，本项目拟采用电喷雾离子化技术筛选出特异性结合的铀酰-多肽复合物，利用串联质谱方法系统研究铀酰-多肽复合物的结构和气相反应，辨识两者之间的非共价相互作用，并用理论计算方法对实验结果进行验证和补充。项目的成果不仅能够从分子水平阐明铀的生理学毒性作用机制，揭示对应蛋白质/多肽能够特异性识别铀酰离子的结构性原因；而且能够加深对铀的非共价作用和配合行为等基础化学问题的认识。

作为在核能与军事领域中最常用的材料，铀除了具有放射性以外，还以线性铀酰（VI）离子的形式呈现出一定的生理学毒性，其作用机制是通过与生物体内的蛋白分子相互结合而致毒的。尽管铀与蛋白的相互作用异常复杂，但是可以通过研究铀酰与蛋白的关键片段，即多肽之间的相互作用而将问题简化。本项目采用质谱方法开展了气相中铀酰与多肽复合物的研究，通过串联质谱方法考察了两者之间的相互形式，发现铀酰能够与多肽骨架结合以及侧链羧酸配体结合，而后者的特异性更强。针对铀酰-多肽复合物的串联质谱行为，还进一步研究了铀酰与羧基配体、氨基配体之间的碎裂反应、水合反应、水解反应、脱羧反应等气相化学反应。首次利用水合反应间接揭示了铀酰络合位点的占据情况，通过同位素取代试剂对反应机理进行了初步探讨，并首次发现了氘同位素取代对铀酰与配体之间的影响。对于实验现象，我们还开展了密度泛函理论计算，对实验中观察到的复合物结构、电子性质、以及反应的热力学性质进行了研究，理论研究的结果对实验形成了重要的补充说明，并对其中的若干机理进行了合理的解释。本项目研究工作系统的阐明了铀酰与多肽之间的相互作用形式，为解释铀的生理学毒性以及新型促排剂的设计筛查提供了一定的解决思路。气相反应研究结果也为后续开展锕系元素酰氧活化方法及其机理研究奠定了工作基础。