金龍飛,沈月松,吳勇飛,吳臘梅

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,武漢430074)

L-谷氨酸-5-甲酯金屬化合物的合成、表征和生物活性

金龍飛,沈月松,吳勇飛,吳臘梅

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,武漢430074)

在仿自然的條件下,合成了L-谷氨酸-5-甲酯.對(duì)L-谷氨酸-5-甲酯晶體進(jìn)行了X-射線單晶衍射測(cè)定.測(cè)量表明,L-谷氨酸-5-甲酯屬單斜晶系,C2空間群,其中a=10.286(3)?,b=4.6163(11)?,c=17.111(4)?;β=104.995(4)°.通過(guò)L-谷氨酸-5-甲酯與M gCl2·6H2O 和Ca(OH)2反應(yīng),分別合成得到了相應(yīng)的金屬化合物.用比色法測(cè)試了L-谷氨酸-5-甲酯對(duì)三磷酸腺苷二鈉分解的催化活性,結(jié)果表明:L-谷氨酸-5-甲酯合鎂和L-谷氨酸-5-甲酯合鈣對(duì)三磷酸腺苷二鈉的分解具有較好的活性.

L-谷氨酸衍生物;生物活性;三磷酸腺苷二鈉

三磷酸腺苷既是一種重要的輔酶,又是體內(nèi)能量的主要來(lái)源.由于谷氨酸殘基是三磷酸腺苷分解酶和輔酶的結(jié)構(gòu)特征之一,因此對(duì)谷氨酸的修飾以及配合物的研究,將有可能尋找到影響三磷酸腺苷活性的化合物或配合物.近20多年,氨基酸類產(chǎn)品應(yīng)用大為廣泛[1],其中對(duì)L-谷氨酸及其衍生物的研究則是熱點(diǎn)方向之一[2,3],目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道層出不窮[4].通過(guò)擴(kuò)展谷氨酸衍生物的修飾及其配合物的合成以研究對(duì)三磷酸腺苷分解的催化活性的研究,發(fā)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,為合成具有三磷酸腺苷分解酶和輔酶活性的模擬化合物提供指導(dǎo)作用,并有望合成活性更高的三磷酸腺苷分解酶和輔酶的模型化合物.由于三磷酸腺苷分解酶的結(jié)構(gòu)及其催化機(jī)理極其復(fù)雜,所以設(shè)計(jì)高效專一的三磷酸腺苷分解酶模型化合物,具有重大的理論及實(shí)際意義.本論文基于自然溫和條件,選擇L-谷氨酸為原料合成L-谷氨酸-5-甲酯及其金屬化合物,并擬測(cè)試其對(duì)三磷酸腺苷分解的生物活性,為進(jìn)一步研究具有三磷酸腺苷分解酶和輔酶活性的模擬化合物打下較好基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

Perkin Elmer 2400 CHN型元素分析儀;FT-IR N EXU S智能型高分辨傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片);UV-265可見紫外分光光度計(jì)(25℃,190～700 nm);X-4數(shù)字熔點(diǎn)儀.

L-谷氨酸、三羥基氨基甲烷、三磷酸腺苷二鈉為生物試劑;其它試劑均為分析純,未進(jìn)一步提純.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1L-谷氨酸-5-甲酯的合成

L-谷氨酸-5-甲酯參照文獻(xiàn)[5]法合成.取L-谷氨酸7.50 g(0.05 mol)置于燒瓶中,加入無(wú)水甲醇120 mL,邊攪拌邊加入3.70 mL 98% 濃H2SO4于25℃反應(yīng)4～5 h.用三乙胺的甲醇溶液(V醇∶V胺=2∶1)調(diào)節(jié)至pH=8.0,置于冰箱中過(guò)夜.次日抽濾出固體,用95%甲醇進(jìn)行重結(jié)晶,用無(wú)水甲醇洗滌.常溫下真空干燥至恒重,純品為白色晶狀固體.產(chǎn)率93.8%.mp:169～ 170℃.A nal.,Found:C,45.02;H,6.89;N,8.71%.Calc:(C6H11NO4):C,44.72;H,6.88;N,8.69%.FT-IR(KBr pellet,ν/cm-1):3130～2598 m,1730 s,1611 s,1583 s,1355 m,2752～2 250 w,1080 m.將合成的L-谷氨酸-5-甲酯固體用50%的甲醇水溶液溶解后于室溫下放置使溶劑慢慢揮發(fā),7 d后溶液中析出可供測(cè)量的無(wú)色晶體.

1.2.2L-谷氨酸-5-甲酯合鎂的合成

將0.32 g(2.00 mmol)L-谷氨酸-5-甲酯溶于15 mL水中,在室溫下攪拌使其完全溶解,緩慢滴加5mL溶有0.21 g(1.05mmol)M gCl2·6H2O的水溶液,用0.10 mol/L N a2CO3溶液緩慢調(diào)節(jié)溶液至pH=6.0～7.0,溶液為無(wú)色.繼續(xù)反應(yīng)30 m in,反應(yīng)完畢后減壓蒸餾溶液至粘稠狀,加入無(wú)水甲醇10～ 15 mL,溶液中出現(xiàn)白色沉淀物.過(guò)濾,用無(wú)水甲醇洗滌,干燥.產(chǎn)率:87.1%.mp＞300℃.A nal.,Found:C,42.02;H,5.82;N,8.21%.Calc:(C12H20 M gN2O8):C,41.82;H,5.85;N,8.13%.FT-IR(KBr pellet,ν/cm-1):1727 s,1621 s,1566 s,1321 m,1053 m,568 m,482 m.

1.2.3L-谷氨酸-5-甲酯合鈣的合成

將0.32 g(2.00mmol)L-谷氨酸-5-甲酯溶于15 mL水中,室溫下攪拌使其完全溶解.用Ca(OH)2的水溶液緩慢調(diào)節(jié)至pH=7.0,溶液為無(wú)色.繼續(xù)反應(yīng)30m in,反應(yīng)完畢后減壓蒸餾溶液至粘稠狀,加入無(wú)水甲醇10～15 mL,溶液中出現(xiàn)白色沉淀物.過(guò)濾,用無(wú)水甲醇洗滌,干燥.產(chǎn)率:72.1%.mp＞300℃.A nal.,Found:C,39.95;H,5.63;N,7.83%.Calc:(C12H20CaN2O8):C,39.99;H,5.59;N,7.77%.F I-IR(KBr pellet,ν/cm-1):1724 s,1617 s,1569 s,1336 m,1041 m,576 m,485 m.

1.2.4L-谷氨酸-5-甲酯晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定

取0.30 mm×0.30 mm×0.06 mm無(wú)色晶體置于Bruker SMART A PEX CCD X-射線單晶衍射儀上,在293(2)K,采用石墨單色化的M oKa射線 (λ=0.71073?)作為衍射光源,掃描方式為Φ和ω,于2.46≤θ≤28.16收集得1287個(gè)衍射點(diǎn),其中953個(gè)是獨(dú)立點(diǎn),R int值為0.0506.所有數(shù)據(jù)均采用SADABS multi-scan校正程序進(jìn)行校正[6,7],其中,對(duì)滿足I＞2σ(I)的953個(gè)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析.用直接法解得晶體結(jié)構(gòu).對(duì)所有非氫原子坐標(biāo),使用全距陣最小二乘法進(jìn)行各項(xiàng)異性溫度因子修正[7-9].對(duì)與N和C原子鍵合的H原子,采用騎跨式理論加氫,其中鍵長(zhǎng)分別為0.89(NH3—H 原子)、0.98(CH—H 原子)和0.97?(CH2—H 原子 ),Ueq(H)為1.2Ueq(母體原子)(—CH3和—NH3中H 原子,為1.5Ueq).最后精修結(jié)果為R1= 0.0506,w R2=0.1598(見表1).

1.2.5 催化三磷酸腺苷二鈉分解的活性測(cè)試

催化三磷酸腺苷二鈉分解的效果(活力大小)可用反應(yīng)終止后反應(yīng)液中無(wú)機(jī)磷(Pi)含量衡量[10-12].而無(wú)機(jī)磷可與硫酸鉬酸銨反應(yīng)生成有色化合物,因此無(wú)機(jī)磷含量可用比色法測(cè)定.

無(wú)機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:在均加有0.1 mL 20% 三氯酸(TCA)、0.3 mL H2O 的7支編號(hào)試管中分別加入0.1mL 的0、10、20、30、40、50、60mmol/L的N a2HPO3,再于各試管中加入2.5 mL硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液,搖勻并于波長(zhǎng)660 nm處測(cè)定吸收值OD.測(cè)量5次/樣品.以測(cè)定的OD值為縱坐標(biāo),Pi濃度為橫坐標(biāo)作圖,即得無(wú)機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)曲線.

化合物對(duì)三磷酸腺苷二鈉分解活性的測(cè)定則通過(guò)測(cè)定混合體系的OD值后,比較無(wú)機(jī)磷標(biāo)準(zhǔn)曲線得相應(yīng)的無(wú)機(jī)磷含量,即可判斷出活性影響.具體操作:分別取反應(yīng)介質(zhì)0.4 mL于2支試管中,一支試管中依次加入0.4 mL化合物的溶液和1.0 mL溶劑,另支試管中直接加入1.4 mL溶劑(作為參照液).于室溫下反應(yīng)5 m in后于2支試管中分別加入0.2 mL 20%TCA中止反應(yīng).吸取上述反應(yīng)液各0.5 mL,各加入2.5 mL硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液.以參照液為對(duì)照并于660 nm處測(cè)定化合物溶液在的OD值.其中,反應(yīng)溶液分別按下比例配制:

① 介質(zhì)溶液:50 mmol/L三羥基氨基甲烷(T ris)-HCl(pH=8.80)+5 mmol/L三磷酸腺苷二鈉+20 mmol/L N aCl+100 mmol/L CH3OH;

②10% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鉬酸銨溶液:10 g鉬酸銨+100 mL 5 mol/L硫酸;

③硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液:5 g硫酸亞鐵+10 mL 10%硫酸鉬酸銨溶液+87.5 mL蒸餾水;

④待測(cè)目標(biāo)化合物溶液配制:將待測(cè)目標(biāo)化合物配成質(zhì)量濃度約16 g/L溶液.

表1 晶體學(xué)數(shù)據(jù)Tab.1 Crystallographic data

2 結(jié)果與討論

2.1 合成和結(jié)構(gòu)的光譜分析

L-谷氨酸-5-甲酯的合成采用了仿自然條件,產(chǎn)率達(dá)到93.8%;所得L-谷氨酸-5-甲酯易溶于水,難溶于甲醇、乙醇、乙醚、DM F、DM SO 等有機(jī)溶劑;1.0 mmol/L水溶液其pH≈4.元素分析的測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相符.

在L-谷氨酸-5-甲酯紅外光譜中,最顯著特點(diǎn)為1730 cm-1處呈現(xiàn)一個(gè)新的強(qiáng)吸收峰,可指定為酯基中 νas(C=O)特征吸收峰[13].3130～ 2958 cm-1為 νas(NH+3)吸收峰,2752～ 2250 cm-1為 νs(NH+3)吸收峰,1611 cm-1為 νas(COO-)吸收峰,1355 cm-1為 νs(COO-)吸收峰,1080 cm-1為ν(C—N)吸收峰,1583 cm-1為 δas(NH+3)吸收峰,1412 cm-1為 δs(NH+3)吸收峰.上述吸收峰較之反應(yīng)物L(fēng)-谷氨酸的標(biāo)準(zhǔn)紅外譜圖,其變化不大,說(shuō)明在生成物分子中形成內(nèi)絡(luò)鹽部分的羧基和氨基依舊存在.

在鈣和鎂化合物的紅外光譜中,1600 cm-1處均有 νas(COO-)吸收峰,1350 cm-1為 νs(COO-)吸收峰;與L-谷氨酸-5-甲酯中νas(COO-)、νs(COO-)譜峰相比,均發(fā)生了移動(dòng),表明羧基與金屬離子的成鍵. 其中,Δν(COO-)≈250 cm-1,因此可認(rèn)為化合物中羧基是以單齒配位模式與金屬離子成鍵的[14-16].1040 cm-1處有ν(C—N)伸縮振動(dòng),與L-谷氨酸-5-甲酯中ν(C—N)伸縮振動(dòng)約差40 cm-1;同時(shí)未見νas(NH+3)、νs(NH+3)、δas(NH+3)及δs(NH+3)吸收峰,說(shuō)明氨基中氮原子也參加了成鍵.此外,可認(rèn)為560 cm-1和465 cm-1處的吸收峰分別為ν(N—M)和ν(O—M)伸縮振動(dòng)[17-18].推測(cè)化合物的結(jié)構(gòu)見圖1.元素分析數(shù)據(jù)也證明了該結(jié)構(gòu)的可能性.

圖1L-谷氨酸-5-甲酯金屬化合物的可能結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of metal complexes w ith 5-methyl-L-glutamate

2.2 晶體結(jié)構(gòu)分析

L-谷氨酸-5-甲酯晶體屬單斜晶系、C2空間群,a= 10.286(3)?,b= 4.6163(11)?,c=17.111(4) ? ;β=104.995(4)°.其獨(dú)立單元結(jié)構(gòu)見圖2.其晶體結(jié)構(gòu)中化合物分子以內(nèi)鹽形式存在,其鍵長(zhǎng)、鍵角均在正常范圍內(nèi)(見表2).其扭轉(zhuǎn)角Ψ1(N 1—C2—C1—O 2)=-34.1(3) °,Ψ2(N 1—C2—C1—O 2)=149.1(4) °,χ1(N 1—C2—C3—C4)=-56.2(4) °,χ2(C2—C3—C4—C5)=173.5(3) °,較之L-谷氨酸(Ψ1=-35 °, Ψ2=145 °, χ1= ±60 °,χ2=180°),有所改變.晶胞堆積見圖3.在晶體結(jié)構(gòu)中,分子間存在N—H…O氫鍵作用(見表3).化合物沿ob方向堆積,每6個(gè)分子通過(guò)8個(gè)N—H…O 或O…H—N 構(gòu)成一個(gè)聚合單元.

圖2L-谷氨酸-5-甲酯結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of 5-methyl-L-glutamate

表2 選擇的部分鍵長(zhǎng)、鍵角和扭角Tab.2 Selected bond lengths,bond angle and torsion angles

圖3 晶胞堆積圖Fig.3 Packing diagram in a unit cell

表3 氫鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角Tab.3 Hydrogen bond lengths and bond angles

2.3 對(duì)三磷酸腺苷二鈉分解的影響

測(cè)定所得化合物體系的磷含量見表4.

L-谷氨酸-5-甲酯組成體系所測(cè)的分解無(wú)機(jī)磷含量為-1.507mmol.由于實(shí)驗(yàn)儀器及人為因素等可能產(chǎn)生的誤差(如:若OD讀數(shù)值誤差±0.001,則經(jīng)數(shù)據(jù)處理后對(duì)應(yīng)的Pi含量誤差為±1.012),則可認(rèn)為經(jīng)數(shù)據(jù)處理后對(duì)應(yīng)的Pi含量存在誤差±1.507.因此,室溫下,可認(rèn)定L-谷氨酸-5-甲酯對(duì)三磷酸腺苷二鈉活性無(wú)影響.

由表4可知,L-谷氨酸-5-甲酯合鎂和L-谷氨酸-5-甲酯合鈣對(duì)三磷酸腺苷二鈉的分解均有較好的活性,其活性L-谷氨酸-5-甲酯合鎂＞L-谷氨酸-5-甲酯合鈣.

表4 化合物體系的磷含量Tab.4 Contents of phosphorus of system s w ith complexes

3 結(jié)語(yǔ)

以L-谷氨酸為原料,采用仿自然的條件,在甲醇溶劑中,加入硫酸為催化劑,合成得到L-谷氨酸-5-甲酯.測(cè)試表明,L-谷氨酸-5-甲酯分子中的羧基和氨基依舊保留著內(nèi)絡(luò)鹽結(jié)構(gòu).L-谷氨酸-5-甲酯X-射線單晶衍射測(cè)定表明,L-谷氨酸-5-甲酯屬單斜晶系C2空間群,其中a=10.286(3)?,b=4.6163(11)?,c= 17.111(4)?;β= 104.995(4)°.L-谷氨酸-5-甲酯分別與M gCl2·6H2O 和Ca(OH)2反應(yīng),可合成得到相應(yīng)的金屬化合物.對(duì)合成所得的化合物,進(jìn)行了三磷酸腺苷二鈉分解的催化活性試驗(yàn).比色法測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,在室溫(25°C)和pH=8.80條件下,L-谷氨酸-5-甲酯對(duì)三磷酸腺苷二鈉的分解幾乎無(wú)影響;而L-谷氨酸-5-甲酯合鎂和L-谷氨酸-5-甲酯合鈣對(duì)三磷酸腺苷二鈉的分解均產(chǎn)生較好的活性.

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Synthesis,Characterization and Biological Activity of M etal Complexes with 5-M ethyl-L-Glutamate

J in L ongf ei,S hen Yuesong,W u Yongf ei,W u L am ei
(College of Chem istry andM aterials Science,South-CentralU niversity for N ationalities,W uhan 430074,China)

U nder im itated natural conditionsin the im itation, 5-methyl-L-glutamate was prepared and characterized by elemental analysis and IR. The crystal structure was determ ined by single-crystal X-ray diffraction.The crystal is of monoclinic type,space groupC2 w itha=10.286(3)?,b=4.6163(11)?,c=17.111(4) ? , β= 104.995(4)°.Two complexes of Ca(Ⅱ )and M g(Ⅱ )w ith 5-methyl-L-glutamate were obtained by reating 5-methyl-L-glutamate w ithM gCl2·6H2O and Ca(OH)2,respectively.Spectrophotometrywas used to test for their activities on the hydrolysis of adenosine disodium triphosphate.The results show that the complexes of Ca(Ⅱ )andM g(Ⅱ )had good activity.

derivants ofL-glutam ic acid;biological activity;adenosine disodium triphosphate

O 723:Q 599

A

1672-4321(2011)01-0017-04

2010-12-13

金龍飛(1962-),男,博士,研究方向:化學(xué)生物學(xué)與藥物化學(xué);E-mail:longfei.jin@yahoo.com

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2008CDA 067)