基于核磁共振和计算化学的寡糖溶液构象研究

The solution conformations of oligosaccharides are very complicated due to the influences of glycotype,glycosidic linkage,anomeric effect and functional modification. The study of the solution conformations of oligosaccharides is becoming more and more important since the physiological activities of oligosaccharides are closely related to their structures.NMR technology is currently the most powerful experimental method for the conformational analysis of them. In this project, the solution conformations of some oligosaccharides with important physiological activities will be studied using NMR technology with C-13 labeling,and computation chemistry.We will study the glycosidic linkage conformations in some important oligosaccharides with the spin-spin couplings from NMR,Karplus equations for the couplings, and the results of molecular dynamics simulations.The global folds of oligosaccharides will be determined by the conformational preferences of their constituent O-glycosidic linkages. The other task of the project is the study of amide cis-trans isomerization in oligosaccharides and monosaccharides with N-acetyl side chains,which will be carried out by temperature variation and saturation transfer experiments in NMR, and theoretical calculations based on density functional theory (DFT).The amide cis-trans isomerization has been proved to be biological relevant. These two researches make use of both NMR experiments and theoretical calculations,which expands the research methods for the analysis of the solution conformation of oligosaccharides, and will improve the understanding of how oligosaccharides realize their physiological activities and biological functions. It will also lay a firm foundation for the study of rational drug design based on the structure of oligosaccharides.

寡糖分子由于糖型、糖苷键、端基异构和官能团修饰等多种因素的影响，其溶液结构复杂多样。由于寡糖的生理活性与结构密切相关，其溶液构象研究日益成为一个重要的课题。目前核磁共振技术是用于寡糖溶液构象分析最有效的实验方法。本项目将基于碳-13标记辅助的核磁共振技术和计算化学的方法分析一些重要寡糖分子的溶液构象。我们一方面将通过核磁共振测得的自旋-自旋耦合常数、卡普拉斯方程和分子动力模拟的结果来研究寡糖分子的糖苷键链构象，然后基于链构象来进一步确定它的总体结构。另一个方面将结合核磁共振的变温技术、饱和转移法、以及基于密度泛函理论的量子化学计算来研究寡糖和单糖侧链中酰胺键的顺-反异构过程，有研究表明这个过程具有重要的生理学意义。这两方面的研究结合了核磁共振实验和理论化学计算，拓展了寡糖溶液构象的研究方法，将增强我们对寡糖分子实现其生理活性和生物功能的理解，对基于寡糖分子结构的药物设计也具有指导作用。

寡糖的生理活性与结构密切相关，其溶液构象研究日益成为一个重要的课题。目前核磁共振技术是用于寡糖溶液构象分析最有效的实验方法，而糖苷键的链构象分析在寡糖溶液构象研究中占有重要的地位。本项目完成了所设计的13C标记的具有β-(1→4)-糖苷键的二糖分子的化学合成，以用于测量跨糖苷键的自旋-自旋耦合常数。通过DFT计算建立了特定糖苷键所含二面角对应的卡普拉斯方程，完成了基于Amber分子力场的二糖分子的分子动力学研究。用MAʼAT算法建立了通过分子动力学模拟得到的糖分子溶液构象计算得到的耦合常数与核磁共振实验实际测得的耦合常数之间的数学关系。NMR确定的旋转异构体的二面角分布与从分子动力学模拟等统计分析得到的结果进行了比较。基于MAʼAT算法处理冗余的耦合常数得到的构象分布与分子动力学模拟预测的结果吻合得很好。这些表明了糖类分子得构象分布可以通过核磁共振测得的实验数据获得，从而减少了对理论计算的依赖。这项研究结果也提供了通过实验方法检验分子动力学模拟得到的构象分布，具有重要的研究意义。. 我们还开展了可以检测包括糖类等含醛基官能团的化合物的荧光检测和定量分析。设计合成了几种含香豆素基团的羟胺类化合物，这些小分子荧光探针可以通过与醛类分子的肟化反应实现其荧光标记和定量分析。已经在各种小分子醛类如糠醛、5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛和糖类分子的定量分析和检测中发挥了重要的作用，有着广泛的应用前景。