来源：X-MOL
稀土离子（Ln3+）化合物具有特殊的光学性质和丰富的磁性质，在材料科学、医学影像和生命科学中具有重要用途。在生物无机化学和化学生物学研究中稀土离子由于其丰富的磁和光学性质，可以应用于生物大分子构象分析与动态互作研究中。最近20多年来，稀土离子在蛋白质结构与互作研究中体现出重要研究潜力，人们把顺磁性稀土离子通过定点修饰的方式引入到蛋白质等大分子上，利用稀土离子产生的顺磁效应可以极大提高大分子动态结构、互作行为的测量精度和灵敏度。顺磁稀土离子由于其磁效应不同，可以大体分为磁各向异性和磁各向同性。磁各向同性的稀土离子主要有Gd3+，由于其电子弛豫时间长，能产生强烈的顺磁弛豫增强效应（PRE），广泛应用于医学中的造影剂和生物核磁研究中。磁各向异性的稀土离子电子弛豫时间较短，但是产生的顺磁效应（主要有赝接触位移，PCS）具有明显方向性和距离相关性，特别适用于蛋白质等大分子复合物三维结构的测定与互作研究。蛋白质自旋核观测到的Ln3+磁各向异性与Ln3+螯合配体、螯合配体与蛋白质之间的链接、蛋白质上的修饰位点等多个因素有关。为了获得更大的磁各向异性，研究人员发展了多种策略，如缩短Ln3+配合物基团与蛋白质之间的链接、通过双臂配合物修饰蛋白质、利用标记位点附近的残基侧链配位稳定Ln3+、使用D-氨基酸衍生链接减少配合物基团与蛋白质表面的作用等。研究发现开链Ln3+螯合配体与稀土离子形成复合物的磁各向异性通常远小于四胺类配合物（DOTA-Ln）的磁各向异性。由于稀土离子配位的复杂性和潜在配位原子手性的问题，如何提高引入到蛋白质上稀土离子磁各向异性是这一研究领域的关键难题。另外，对于如何发展应用于生物大分子结构与动态分析的高性能稀土离子结合配体也缺乏系统的研究。近日，南开大学苏循成教授（点击查看介绍）团队通过定向改进开链配体结构，系统评价了提高Ln3+配合物磁各向异性的关键因素并应用到蛋白质结构分析中（图1）。
基于已有的研究基础，该团队从已发展的4PS-PyMTA（T1）配体入手，该顺磁探针已被广泛应用于活细胞内蛋白质结构测量、细胞内蛋白质上脉冲EPR的距离测定和不稳定酶催化中间体的三维结构测定等。T1表现出非常优异的磁性能，但是其与顺磁稀土离子配合物的磁各向异性较小，尤其是修饰到蛋白质上通过PCS和RDC测定的磁感应张量存在很大的偏差，导致PCS和RDC差异的具体原因仍然是该领域中的重要问题。在本工作中，该团队通过在配位侧臂引入两个甲基（T2）或者将两个乙酸配位臂替换为一系列尺寸更大的配位臂（T3-T7）（图2），以此研究该类配体与稀土离子配位后的手性、构象变化和磁各向异性影响规律。
研究人员首先通过1D 1H-NMR谱评估了这一系列配体与弱顺磁的Eu3+复合物在水溶液中的磁各向异性和构象稳定性（图3），并通过核磁交换谱测定了配体-Eu3+复合物构象交换的速率。研究发现该类开链配体与顺磁离子形成的配合物均表现出多种构象动力学的交换现象，溶液中出现的配合物多种构象并存，但是构象变化的时间尺度差别较大。尺寸更大的配位臂衍生配体可以有效降低Ln3+复合物的构象交换速率，并显著提高复合物的磁各向异性，但是配位侧臂的大小和与稀土离子的配位性也是一个重要影响因素。
随后研究人员通过Eu3+荧光光谱提取了一系列配体-Eu3+复合物的配体场参数B02，由于该参数直接反映了配体与Ln3+复合物的磁各向异性大小，可以通过该参数评估这类开链配体与顺磁稀土配合物的配体场强弱。与1D NMR谱结果类似，尺寸更大的配位臂衍生配体的配体场参数B02更大，甚至可以超过已报道的DOTA-Ln类配体（图4）。随后，这一系列配体的磁各向异性张量进一步通过人类泛素蛋白质G47C的定点标记进行定量分析和比较（图5）。
通过分析同位素标记的蛋白质上的核磁信号，利用实验获得的顺磁效应（PCS和RDC）可以对不同配体复合物的磁各向异性张量进行评价。结果发现，所测定的磁各向异性与1D NMR谱的化学位移分布和配体场B02参数具有较强的一致性，动力学构象交换速率低、大尺寸配位臂的配体形成的稀土离子配合物具有较大的磁各向异性张量，并且有些开链配合物的磁性强度与大环类DOTA-Ln相当（图6）。这类大尺寸的开链配体与稀土离子产生的配合物在蛋白质上产生的磁各向异性表现出超强的构象动力学惰性，使得PCS和RDC的平均化程度相当，这对于利用顺磁效应分析生物大分子的动态学研究至关重要，尤其对于生物大分子动态学构象分析和弛豫弥散 (CPMG dispersion) 的实验分析。
虽然目前没有系统理论可以预测配体结构与磁各向异性的关系，尤其在生物复杂体系中稀土离子配位性与磁性关系更是缺乏系统深入的研究，但是该工作提供了一种通过合理设计配体结构获得性能优异的磁各向异性金属配合物用于蛋白质研究的可行性策略，有望广泛应用于生物无机化学、生物核磁共振和单分子磁体设计等领域。