張鋒

(寶雞文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

錳是人體內(nèi)必需的微量元素之一，例如以金屬離子的形式作為酶的活性中心和酶蛋白牢固結(jié)合，作為激素和維生素的載體或催化劑參與其生理作用，在生物氧化還原反應(yīng)中起到電子傳遞和運(yùn)載作用，維持核酸的正常代謝等。許多生物酶的活性中心都含有錳輔基，例如錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)、錳過(guò)氧化氫酶(MnCAT)、核苷酸還原酶等。其中，MnCAT 能夠有效催化降解高濃度H2O2，從而阻止其被還原為自由基，保護(hù)機(jī)體的正常細(xì)胞和組織免受自由基的攻擊與破壞。此外，過(guò)氧化氫酶除了能分解帶有過(guò)氧基的底物，如過(guò)氧化氫、叔丁基過(guò)氧化氫之外，還能催化氧化許多化合物，如對(duì)甲酚、聯(lián)苯三酚、對(duì)苯二胺等。因此，MnCAT 被廣泛用于食品工業(yè)、造紙、有機(jī)物降解及一切需快速清除H2O2的領(lǐng)域［1］。但天然酶在使用過(guò)程中存在分離純化難、催化活性易受到外界環(huán)境如溫度、pH 值、有機(jī)溶劑等因素抑制，使用成本高等問(wèn)題［2］?；谏鲜鲈?，模擬酶應(yīng)運(yùn)而生，大量研究者開(kāi)始嘗試合成不同類(lèi)型的含錳酶模型配合物來(lái)模擬天然酶的結(jié)構(gòu)和功能并取得一些成績(jī)［3-4］，這方面的工作不但有利于加深人們對(duì)含錳酶的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)其在食品、化學(xué)、工業(yè)等方面應(yīng)用的進(jìn)步。

本文以MnCAT 模擬酶作為研究對(duì)象，討論模型化合物合成及應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 MnCAT 存在及作用機(jī)理

MnCAT 廣泛存在于動(dòng)植物及微生物中，科學(xué)家從Lactobacillus plantarum (Lp)、Thermoleophilum album (Ta)和Thermus thermophilus(Tt)細(xì)菌中分離出不同來(lái)源的MnCAT，研究結(jié)果。圖1 晶體結(jié)構(gòu)研究表明，它們的活性中心都含有雙核錳的結(jié)構(gòu)，一個(gè)MnCAT 由四個(gè)反平行的螺旋鏈構(gòu)成，而錳離子則位于螺旋鏈之中。

圖1 錳過(guò)氧化氫酶活性中心結(jié)構(gòu)Fig.1 Active site of MnCAT

已有研究結(jié)果表明，MnCAT 有4 種不同的氧化態(tài)(MnIIMnII，MnIIMnⅢ，MnⅢMnⅢ和MnⅢMnIV)，在催化H2O2分解的過(guò)程中，錳離子在不同氧化態(tài)間相互轉(zhuǎn)化，促使催化歧化反應(yīng)的進(jìn)行［5］。Vincent 等提出了MnCAT 催化過(guò)氧化氫歧化反應(yīng)的Pingpong 機(jī)理，Dismukes 則根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為該反應(yīng)由多步構(gòu)成，并提出可能存在的催化反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖2。

圖2 MnCAT 催化反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Catalytic reaction mechanism of MnCAT

MnCAT 在閉合狀態(tài)下(六配位)不具備催化活性，而轉(zhuǎn)變成開(kāi)環(huán)狀態(tài)下(五配位)則具備催化活性。開(kāi)環(huán)狀態(tài)配合物A 與底物H2O2反應(yīng)，一個(gè)錳離子上的水分子被過(guò)氧根離子取代，形成配合物B，緊接著配合物B 異構(gòu)為配合物C，隨后配合物C 中兩個(gè)錳離子被氧化成三價(jià)，兩個(gè)過(guò)氧基被分別還原為羥基和氧離子并釋放出一分子水，配合物C 轉(zhuǎn)變?yōu)镈。D 首先與另外一分子H2O2結(jié)合并脫水形成中間產(chǎn)物E，隨后發(fā)生氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成還原態(tài)的配合物A，同時(shí)釋放出O2［6］。由于中間體的結(jié)構(gòu)還未得到，因此該機(jī)理還有待進(jìn)一步研究，但對(duì)后續(xù)研究者合成MnIIMnII 和MnⅢMnⅢ氧化態(tài)的模型配合物具有一定的指導(dǎo)意義。

2 MnCAT 模型化合物的研究

在生物體系中，與金屬錳配位的原子一般為蛋白質(zhì)中的O 和N 原子，這些原子主要來(lái)自于羧基、烷氧基、苯氧基、組氨酸中的咪唑基。因此關(guān)于Mn-CAT 模型化合物的合成通常先設(shè)計(jì)并制備合適的配體，再將配體與錳進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)，來(lái)合成在結(jié)構(gòu)、光譜學(xué)、功能等方面有相似性的模型化合物。按照配體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，分以下幾種類(lèi)型介紹已知的幾類(lèi)錳過(guò)氧化氫酶模型化合物。

2.1 卟啉環(huán)類(lèi)模型化合物

Naruta 等合成出一系列的二卟啉-雙錳(Ⅲ)化合物，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3［7］，并證實(shí)了在水相中能催化H2O2分解。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于具有被卟啉環(huán)包圍的空腔，且兩個(gè)錳離子之間的間距可變，在催化過(guò)程中雙錳價(jià)態(tài)由三價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)樗膬r(jià)，表現(xiàn)出較好的類(lèi)似過(guò)氧化氫酶的催化活性。但不足之處在于必須有甲基咪唑參與的情況下催化活性才能表現(xiàn)出來(lái)，并且所合成的配合物的配位環(huán)境與天然MnCAT 也不相同，而后者則被認(rèn)為直接決定催化劑的催化特性。

圖3 卟啉環(huán)模型化合物Fig.3 Porphyrin model complex

2.2 苯并咪唑類(lèi)模型化合物

苯并咪唑基與酶的組氨酸結(jié)構(gòu)相似，由MnCAT的晶體結(jié)構(gòu)分析可知，天然MnCAT 中錳離子與組氨酸殘基中的氮直接發(fā)生配位。因此以苯并咪唑環(huán)為母體合成各種具有催化活性的配合物已有大量相關(guān)研究。Cox 等在Thompson 等的研究基礎(chǔ)上合成了鐵配合物并測(cè)定了兒茶酚胺酶的活性。Manner研究小組合成出Hsal-ambmz，Hsal-aebmz 等配體及相應(yīng)的配合物，這些配合物也具備一定的催化活性［8］。圖4 為苯并咪唑模型化合物的結(jié)構(gòu)。除了氯橋之外，常見(jiàn)的雙齒橋聯(lián)配體還有4，4-二聯(lián)吡啶、吡嗪、咪唑和二羧酸根離子。研究結(jié)果證實(shí)不同的橋聯(lián)基團(tuán)會(huì)造成配合物的催化活性不同。當(dāng)以乙酸橋代替氯橋時(shí)，配合物的表觀速率常數(shù)下降明顯，原因在于乙酸橋配合物的氧化還原電位低，必須在水分子存在的情況下被活化方可催化歧化H2O2。

圖4 苯并咪唑模型化合物Fig.4 Benzimpn model complex

2.3 水楊醛希夫堿模型

水楊醛希夫堿模型化合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 水楊醛希夫堿模型化合物Fig.5 Schiff base ligand model complexes

Horwitz 首先對(duì)該類(lèi)配合物催化烯烴環(huán)氧化反應(yīng)進(jìn)行了研究，雖然催化效果并不理想。但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電化學(xué)分析數(shù)據(jù)證實(shí)了該催化反應(yīng)與細(xì)胞色素P450 催化過(guò)程類(lèi)似，證明這類(lèi)配合物在模擬酶領(lǐng)域具有較大研究潛力。隨后Pecoraro 等分別合成了［Mn2Ⅲ(salen)(μ-O)］2，與經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)修飾的1，3-二(2-羥基苯亞氨基)-2-丙醇為基本配體的錳酶模型物［9-10］。催化實(shí)驗(yàn)證明其均具有一定的過(guò)氧化氫酶的活性。這類(lèi)配合物合成過(guò)程簡(jiǎn)單，并且能夠通過(guò)改變不同類(lèi)型的配體模擬多種生物催化體系，因此目前大多數(shù)的錳模擬酶均采用該種模型結(jié)構(gòu)。

2.4 大環(huán)配合物模型

大環(huán)配合物具備高穩(wěn)定性，且其自身能夠通過(guò)模板縮合反應(yīng)形成雙核、多核配合物，在催化、模擬、材料科學(xué)領(lǐng)域受到關(guān)注。尤其是雙酚亞胺基大環(huán)配體，兩個(gè)氧原子能夠形成獨(dú)特的雙室配位結(jié)構(gòu)，有利于形成穩(wěn)定的雙核配位化合物而呈現(xiàn)高催化活性。Robson 等首次合成了席夫堿雙酚形式大環(huán)配體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該配體能夠與Mn(II)、Fe(II)、Cu(II)、Ni(II)、Co(II)等多種金屬形成多核配合物且具有較高的穩(wěn)定性和選擇性［11-12］。Okawa 等則在此基礎(chǔ)上合成出一系列閉環(huán)和開(kāi)環(huán)配體。結(jié)果見(jiàn)圖6［13］。

圖6 雙酚亞胺基大環(huán)配體結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of polyaza imino macrocyclic ligand

對(duì)該類(lèi)大環(huán)配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造后可形成不同結(jié)構(gòu)的錳配合物。Riley 等合成出MnII(五氮大環(huán))類(lèi)衍生物并證實(shí)了具有SOD 活性［14］。夏雨佳等利用1，3-丙二胺、2，6-二甲?；鶎?duì)甲苯酚、二氯化錳為原料制備得到新的雙酚多氮亞胺大環(huán)雙核錳配合物，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，晶體結(jié)構(gòu)與質(zhì)譜結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)具有較高穩(wěn)定性［15］。

圖7 ［Mn2LCl2］的晶體結(jié)構(gòu)Fig.7 The crystal structure of［Mn2LCl2］

3 MnCAT 模擬酶應(yīng)用

3.1 有機(jī)催化領(lǐng)域

金屬salen 配合物在催化領(lǐng)域的應(yīng)用已有大量相關(guān)報(bào)道，而MnCAT 模擬酶中的水楊醛希夫堿模型化合物亦屬于該類(lèi)配合物，因此大量學(xué)者針對(duì)錳salen 配合物的催化活性展開(kāi)大量研究。20 世紀(jì)80年代，Srinivasan 等率先將錳(Ⅲ)salen 配合物用于催化烯烴環(huán)氧化反應(yīng)，反應(yīng)15 min 后得到超過(guò)60%的收率，且可作用于不同類(lèi)型的烯烴，如環(huán)烯烴、芳香類(lèi)烯烴、鏈烯烴等［16］。Jacobsen 等報(bào)道了錳(Ⅲ)salen 配合物催化硫醚的不對(duì)稱(chēng)氧化反應(yīng)，獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而翼汝南等則將錳(Ⅲ)salen 配合物通過(guò)共價(jià)方式固載在炭黑表面并催化不對(duì)稱(chēng)烯烴環(huán)氧化反應(yīng)，結(jié)果對(duì)1-苯基環(huán)己烯的氧化具有高選擇性，催化效果優(yōu)于均相催化劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了催化劑的循環(huán)利用，降低了使用成本［17］。

3.2 環(huán)保工業(yè)領(lǐng)域

酚類(lèi)化合物是工業(yè)廢水中的主要污染成分之一，具有致癌性，對(duì)環(huán)境與生物有較大危害性。利用錳過(guò)氧化氫酶處理能夠有效降解該類(lèi)污染物，但天然酶易失活、成本高，因此采用有催化活性的模擬酶配合物進(jìn)行降解成為可行的替代措施。姜曉軍等將得到的雙核錳［MnllZ(bpmapa)2(H2O)2］(ClO4)2其中bpmapa =(二(2-吡啶甲基)氨基)乙酸)用于2，6-二甲氧基苯酚的降解，在最佳配比條件下，2，6-二甲氧基苯酚的去除率達(dá)到90%。與天然酶相比，配合物在pH 4.0 ～7.0 的范圍內(nèi)均保持較高的催化活性，且降解率隨pH 值增大而升高［18］。

3.3 DNA 切割活性

金屬配合物小分子與DNA 的作用是生物無(wú)機(jī)化學(xué)的熱門(mén)研究方向。DNA 骨架上的磷酸根為多聚陰離子，而金屬配合物則利用金屬離子與DNA 分子之間的靜電作用結(jié)合，以插入方式與核酸相互作用，從而實(shí)現(xiàn)DNA 的切割作用。夏雨佳合成的兩種雙核大環(huán)錳配合物與超螺旋DNA 相互作用后能將其切割成環(huán)狀DNA，兩種錳配合物與DNA 分子的鍵合常數(shù)分別為K1=2.5 ×105L/mol、K2=3.2 ×105L/mol，但其不能將DNA 分子切割成線狀，因此該類(lèi)配合物結(jié)構(gòu)仍有待優(yōu)化［15］。

3.4 SOD 酶活性

超氧化物歧化酶(SOD)是超氧陰離子自由基O2－最有效的清除劑。研究表明人體許多疾病及功能性障礙均與體內(nèi)過(guò)量的自由基有關(guān)。而天然SOD 活性中心原子有Cu 和Mn 兩種，合成外源性的SOD 并用于自由基降解的相關(guān)研究非?；钴S。杜星合成的Mn(Mef)2(MeOH)4與Mn(Mef)2(Bipy)(MeOH)2，其中Mef 為N-(2，3-二甲苯基)2-2-氨基苯甲酸，MeOH 為甲醇，Bipy 為2，2-聯(lián)吡啶，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的清除DPPH 自由基的能力，在DPPH 濃度0.5 mmol/L 時(shí)，清除率分別為63%和82%［19］。已知文獻(xiàn)中合成的銅、鎳、鈷、鋅甲滅酸配合物降解等濃度的DPPH 的清除率則分別為52.7%，13.1%，10.1%，18.8%。證明含有金屬錳原子的甲滅酸配合物表現(xiàn)出較強(qiáng)的自由基清除能力，明顯表現(xiàn)出了SOD 酶的活性。

4 結(jié)束語(yǔ)

錳在多種生物酶中充當(dāng)了活性中心，因此關(guān)于含錳酶的模擬配合物研究已經(jīng)相當(dāng)深入，尤其是MnCAT 的模擬配合物取得了較大進(jìn)展。研究者們合成出了不同類(lèi)型的配體與錳形成結(jié)構(gòu)各異的單核、雙核、多核錳配合物，很多模擬物均表現(xiàn)出相應(yīng)的生物催化活性。但酶分子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分子量大，而模擬酶與其相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該類(lèi)配合物普遍穩(wěn)定性不高，容易分解，該方面的研究仍有待進(jìn)一步的深入。因此合成出結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)與功能更加接近天然酶的多核模型化合物將成為MnCAT 模擬酶的主要研究方向，該方面的研究不但有助于人們更好的認(rèn)識(shí)和了解含錳酶的催化機(jī)理，而且對(duì)于開(kāi)發(fā)Mn-CAT 模擬酶的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效的生物轉(zhuǎn)化開(kāi)辟了新途徑。

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