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1、阳离子-相互作用 CATION- INTERACTON 非共价相互作用 一: 范德华力 二：氢键 三：- 四：阳离子- 相互作用 阳离子- 作用 阳离子- 作用是一种存在于阳离子和芳 香性体系之间的相互作用，被认为是一种 新型的分子间相互作用。 Ma J C, Dougherty D A. The cation- interaction. Chem Rev, 1997, 97: 13031324 Kim K S, Tarakeshwar P, Lee J Y. Molecular clusters of - systems: Theoretical studies of structures,
2、 spectra, and origin of interactionenergies. Chem Rev, 2000, 100: 41454186 生物体系中的阳离子-作用 阳离子-作用广泛存在于生物体系中, 理论 和实验研究均表明, 阳离子-作用对蛋白质 结构稳定性及功能、蛋白质-核酸作用、受 体-配体识别、药物-靶标的结合等起重要作 用. Gallivan J P, Dougherty D A. Cation- interactions in structural biology. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 94599464 Gallivan J
3、 P, Dougherty D A. Cation- interactions in structural biology. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96: 94599464 蛋白质结构中典型的阳离子-作用 CheY 蛋白中Mg2+和Phe14 间的阳离子-作用 蛋白质结构中典型的阳离子-作用 电鳐AChE 晶体结构中ACh 季铵头和Trp84 间的阳离子-作用 阳离子-作用分类 第一类是简单无机金属阳离子如Na+、K+ ，Mg2+和Ca2+和芳香体系之间的作用; 第二类是有机阳离子和芳香体系之间的作用 ; 第三类是分子中带部分正电荷的原子(如N H键中的氢
4、原子)与芳香体系之间的作用。 Zacharias N, Dougherty D A. Cation- interactions in ligand recognition and catalysis. Trends Pharmcol Sci, 2002, 23: 281 287 阳离子-作用分类 第一类阳离子-作用主要涉及蛋白 质或核酸与无机金属阳离子的结合作 用、 各种金属离子通道的选择性、 以及一些金属有机复合物. Bellsolell L, Prieto J, Serrano L, Coll M. Magnesium binding to the bacterial chemotaxis
5、 protein CheY results in large conformationalchanges involving its functional surface. J Mol Biol, 1994, 238: 489495 阳离子-作用分类 第二类阳离子-作用的典型代表为 乙酰胆碱(ACh)和乙酰胆碱酯酶 (AChE)的结合作用。 Sussman J L, Harel M, Frolow F, Oefner C, Goldman A, Toker L, Silman I. Atomic structure of acetylcholinesterase from TorpedoCal
6、ifornica: A prototypic acetylcholine-binding protein. Science, 1991, 253: 872879 阳离子-作用分类 第三类阳离子-作用的强度比较弱, 通常为几个kcalmol1 (1 cal= 4.184 J), 甚至更小. 一个阳离子与多个芳香性残基侧链作用 的现象. oDe Vos A M, Ultshc M, Kossiakoff A A. Human growth hormone and extracellular domain of its receptor: Crystal structure of the compl
7、ex. Science, 1992, 255: 306312 人生长激素受体的晶体结构 “芳香环-阳离子-芳香环”相互作用的结构单元 细菌周质配体结合蛋白ProX 的晶体结构 配体GB 与三个Trp 残基间的阳离子-作用 阳离子-作用的实验和理论研究 早在1981 年, Sunner等人就发现在气相 中阳离子可以和芳香性体系结合. 但直到上 世纪90 年代初, 这种作用才被人们所认识 和接受. 目的是研究阳离子- 作用的特征 、本质及其可能的应用。 Sunner J, Nishizawa K, Kebarle P. Ion solvent molecule interactions in th
8、e gas phase. The potassium ion and benzene. J Phys Chem,1981, 85: 18141820 涉及的阳离子主要有:各种金属阳离子(主 要包括Li+、Na+、K+、Be2+、Mg2+、 Ca2+及一些过渡金属离子)、无机铵离子 及有机铵离子(主要包括NH4+、甲基铵和 四甲基铵等)等。 阳离子-作用的实验和理论研究 芳香性体系包含: 苯及其衍生物、各种芳 香性氨基酸残基和核酸碱基以及重要活性 化合物(如药物)分子中的芳香环等体系. 这些研究在一定程度上揭示了阳离子- 作用的某些结构特征、相互作用的强度及 组成. 阳离子-作用的实验和理论研究
9、 阳离子-作用的实验和理论研究 实验研究 o气相中的阳离子-体系的实验研究多采用高压质 谱(HPMS)、离子回旋加速共振、红外光谱等手 段对小的模型体系进行研究。近来, Rodgers等 人则采用极限碰撞诱导解离(Threshold Collision-Induced Dissociation)的方法进行研 究. Amunugama R, Rodgers M T. Influence of substituents on cation- interactions. 5. Absolute binding energies of alkali metal cation- anisole comp
10、lexes determined by threshold collision-induced dissociation and theoretical studies. In J Mass Spec, 2003, 222:431450. 实验研究 o液相和固相中的阳离子-作用的研 究主要是运用NMR、UV/可见光/荧 光光谱、圆二色谱、电导滴定和X- 射线晶体衍射等技术 Takemura H, Nakamichi H, Sako K. Pyrene-azacrown ether hybrid: Cation- interaction. Tetra. Lett, 2005, 46: 2063
11、2066. 理论研究 o原子和电子水平上研究阳离子- 作用 是理解阳离子-作用本质的关键, 密 度泛函和MP2，量子化学方法。 Ma J C, Dougherty D A. The cation- interaction. Chem Rev, 1997, 97: 13031324 Jiang H L, Zhu W L, Tan X J, Gu J D, Chen J Z, Chen K X, Ji R Y. Theoritical study on the interaction batween cation and system. I. DFT study on the interactio
12、n and conformer of ammoniumbenzene system. Sci China Seri B-Chem, 1998, 41: 535542. 阳离子-作用的研究意义 o开展阳离子-作用研究不仅可以发展非 键相互作用理论, 深化人们对一些重要生 物过程的理解, 而且可以帮助人们改进现 有分子力场, 提高生物大分子理论模拟研 究的精度。 阳离子-作用的研究展望 o就阳离子-作用研究的应用前景而言, 其 研究结果将有助于发现新的受体结合位点 , 提出新的作用机理, 设计新的配体和药 物分子甚至功能多肽或蛋白质. 思考 二茂铁 思考 COT2与Ba2+形成的化合物离子键型的阳离子-键. 思考