環(huán)糊精在金屬酶模擬中的應(yīng)用

環(huán)糊精在金屬酶模擬中的應(yīng)用

自然酶是生物內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生的一種生物催化劑。在非常柔和的條件下，它可以高效地激活各種生物反應(yīng)，促進(jìn)生物多樣性的代謝。大多數(shù)酶分子都含有由多酚鏈組成的蛋白質(zhì)（酶蛋白，如apollo營養(yǎng)元素），而非蛋白成分（如金屬離子或鐵錳）由輔助因子組成。這是全部酶。早期金屬酶模擬研究是以天然酶中的金屬中心及其配位基團(tuán)為對象,設(shè)計和合成對應(yīng)的金屬配合物,試圖通過對金屬酶活性中心結(jié)構(gòu)的簡單模擬來揭示金屬酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系環(huán)糊精(cyclodextrin,CD)是環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(CGTase)作用于淀粉或直鏈糊精所產(chǎn)生的一類環(huán)狀低聚糖的總稱,由多個D-吡喃型葡萄糖通過α-1,4糖苷鍵連接而成,其葡萄糖殘基個數(shù)一般為6、7、8,分別稱為α,β,γ-環(huán)糊精修飾環(huán)糊精的金屬酶模型物的構(gòu)建常見有以下四種方式,如圖3所示.第一種方式是在環(huán)糊精第一面或第二面上修飾有機(jī)配體,然后與金屬離子配位得到的單環(huán)糊精金屬配合物,在這一模式中,能對疏水底物進(jìn)行包合的環(huán)糊精空腔用于模擬金屬酶催化活性中心次層結(jié)構(gòu)的疏水環(huán)境,從而使得模擬酶具有底物結(jié)合中心和催化中心1單環(huán)糊精金屬配合物模擬體系天然金屬水解酶的催化中心附近通常有一個疏水區(qū)域,作為催化底物的預(yù)催化結(jié)合位點1.1金屬水解酶的模擬Breslow在酶模擬領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的工作,在1970年報道了第一個金屬酶模型1.2植物的環(huán)糊精配合物Dismukes等直接利用環(huán)糊精作配體與Mn離子配位得到羥基橋聯(lián)的雙核Mn(III)的環(huán)糊精配合物6作為綠色植物的光致水氧化酶模型2超分子環(huán)糊精金屬包合物模擬體系國內(nèi)外研究較多地集中在環(huán)糊精對疏水大環(huán)配體(卟啉和酞菁)的識別包合方面2.1金屬水解酶的模擬如圖7所示,本課題組利用叔丁基苯偶聯(lián)二乙烯三胺的鋅配合物與環(huán)糊精組裝得到的包合物9模擬金屬水解酶2.2環(huán)糊精超分子組裝的檢測本課題組通過單(雙)核銅配合物與環(huán)糊精及其衍生物組裝得到的包合物11~14模擬Cu,Zn-SOD,如圖8所示.從包合物11的晶體結(jié)構(gòu)解析可以發(fā)現(xiàn)客體疏水端即對叔丁基苯由環(huán)糊精第一面方向插入到疏水空腔,該鋅配合物有效地與環(huán)糊精進(jìn)行超分子組裝.包合物12研究表明咪唑橋聯(lián)雙核銅配合物與環(huán)糊精包合后水溶性得到明顯提高,并且咪唑橋斷裂的pH值降為7.5,非常接近生理條件.與二乙烯三胺單核銅配合物比較,6位胍基修飾環(huán)糊精的包合物13清除超氧負(fù)離子自由基的能力提高了約40%陳慧蘭課題組將不同烷基鏈的鈷(Ⅲ)丁二酮肟配合物(B2.3-固體酶的模擬Martin等將鐵硫簇合物(NH3橋聯(lián)雙多環(huán)糊精金屬配合物模擬體系單環(huán)糊精與模型底物分子的作用一般相對較弱而側(cè)臂上引入功能基的簡單修飾在模擬酶的應(yīng)用上也受到一定限制,兩個或多個環(huán)糊精單元通過功能基橋聯(lián),使得兩個或多個相鄰的環(huán)糊精空腔有可能協(xié)助參與對形狀、尺寸匹配的客體分子的識別,所以橋聯(lián)雙(多)環(huán)糊精金屬配合物廣泛運用于模擬金屬酶3.1吡啶橋聯(lián)雙環(huán)糊精如圖10所示,Breslow等設(shè)計合成的6-巰基聯(lián)吡啶橋聯(lián)雙環(huán)糊精Sallas和Marsura等合成了一個長鏈的橋聯(lián)雙環(huán)糊精17,但催化磷酸酯水解的速率不理想最近,劉育課題組用均苯三酰胺橋聯(lián)三環(huán)糊精/Zn3.2內(nèi)自由基防止脂質(zhì)過氧化French等谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)能消除體內(nèi)自由基防止脂質(zhì)過氧化,能有效地治療和預(yù)防克山病、心血管病、炎癥及癌癥等病癥.沈家驄等合成了第一面或第二面由雙硒基或雙碲基橋聯(lián)的β-環(huán)糊精26~29作為GPX模型4疏水基鋅配合物與金屬水解酶的固這方面的探索研究鮮見報道.在單環(huán)糊精金屬包合物模擬酶體系中,金屬配合物與環(huán)糊精包合后,客體分子的物理或化學(xué)性質(zhì)得到一定程度的改善,但未給底物提供結(jié)合中心.為了使催化劑和底物在空間上相互接近而有利于活化/親核進(jìn)攻底物,如圖12所示,本課題組將疏水基鋅配合物與4,4′-二甲基-2,2′-聯(lián)吡啶橋聯(lián)雙環(huán)糊精組裝得到包合物30,在模擬金屬水解酶方面進(jìn)行了探索5金屬配合物和水解酶環(huán)糊精聚合物模擬金屬酶的一般方法是將環(huán)糊精及其衍生物負(fù)載于納米粒子表面或高分子鏈上然后非共價鍵合帶疏水基的金屬配合物.Li和Liu等先將巰基修飾環(huán)糊精與金納米粒子偶聯(lián),再將金剛烷基三乙烯四胺的銅配合物疏水鍵合于環(huán)糊精空腔,構(gòu)建水解酶模型31Mao等6生物功能模擬設(shè)計和合成高效的金屬酶模型是一件復(fù)雜而艱巨的系統(tǒng)工程,也是超分子化學(xué)研究的重要課題之一.如何利用不同催化基團(tuán)和疏水、靜電、氫鍵和范德華力等弱相互作用去實現(xiàn)對底物的多重識別和催化,實現(xiàn)金屬酶的生物功能模擬是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù).隨著結(jié)構(gòu)生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的發(fā)展,對金屬酶的結(jié)構(gòu)及催化機(jī)理的深入研究,環(huán)糊精的金屬酶模擬將利用超分子組裝手段和納米技術(shù)向更高層次的酶模擬方向發(fā)展,即模擬金屬酶活性中心的催化部位、對底物的結(jié)合部位又模擬催化中心附近對酶有重要影響的次層結(jié)構(gòu),以提高模擬酶的催化活性金屬酶模擬化學(xué)將運