谷胱甘肽過氧化物酶模擬物研究進展

鄧萍 蔣君好

（重慶醫科大學藥學院，重慶400016）

谷胱甘肽過氧化物酶模擬物研究進展

鄧萍 蔣君好

（重慶醫科大學藥學院，重慶400016）

回顧谷胱甘肽過氧化物酶模擬物的研究進展，為開發新型谷胱甘肽過氧化物酶模擬物提供科學參考。總結了目前研究比較熱門的4種代表性谷胱甘肽過氧化物酶模擬物：小分子模擬物、環糊精為酶模型的模擬物、多肽含硒模擬物、多糖為酶模型的模擬物，分析了其發展趨勢。

谷胱甘肽；過氧化物酶；模擬物

1 引言

谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase, GSH-Px）是機體內廣泛存在的一種重要的過氧化物分解酶。它能催化谷胱甘肽（Glutathione,GSH）與過氧化物之間的氧化還原反應，使過氧化物還原成低毒的羥基化合物，從而保護細胞膜的結構及功能不受過氧化物的干擾及損害。GSH-Px包括胞漿 GSH-Px、血漿 GSH-Px、胃腸道專屬性GSH-Px及磷脂過氧化氫 GSH-Px四種。胞漿GSH-Px主要分布在肝臟紅細胞中，其生理功能主要是催化GSH參與氧化還原反應，清除在細胞新陳代謝過程中產生的過氧化物和羥基自由基，減輕細胞膜不飽和脂肪酸的過氧化作用。血漿GSH-Px主要分布于血漿中，其功能與清除細胞外的過氧化氫和參與GSH的運輸有關。胃腸道專屬性GSH-Px只存在于嚙齒類動物的胃腸道中，其功能是避免因攝入脂質過氧化物而造成的機體損害。磷脂過氧化物GSH-Px主要存在于睪丸中，其生物學功能與抑制膜磷脂過氧化有關。

GSH-Px在人體內具有十分重要的生理活性，能防止過氧化物對細胞膜脂質的過氧化作用，從而保護細胞膜和細胞器免受損傷。但它的不穩定性和資源局限性導致其利用率很低，而且作為外源性藥物難以透過生物膜進人細胞。因此，開發具有高活性的人工模擬物就成為研究的重點。本文主要針對國內外GSH-Px模擬物的研究現況，著重歸納總結目前研究比較熱門的代表性GSH-Px模擬物，預測其研究進展。

2 小分子模擬物

硒是生物體內必需的有益微量元素之一，是谷胱甘肽過氧化物酶的活性中心。合成生物活性高且毒性低的小分子有機含硒化合物仍舊是目前GSH-Px模擬物研究的一個熱點。由于碲和硒屬于同一主族，它們具有相似的氧化還原特性，因此小分子有機含碲化合物也成為一個關注的重點。

依布硒啉(Ebselen)是公認的GSH-Px模擬物，1983年由Welter等[1]合成。Ebselen又名PZ51，是一種低毒性的含硒有機化合物，易于參加各種氧化還原反應，能清除機體內過多的過氧化物，阻斷產生自由基的鏈式反應，維持機體的正常生理功能。參照GSH-Px的化學反應機理，Fischer等[2-3]提出Ebselen模擬GSH-Px活性的反應機制可以概括為兩個循環。隨著研究的深入，Zhao等[4-5]提出生物體內的Ebselen可能還存在參與硫氧還蛋白還原酶和硫氧蛋白系統的機制。

依布硒啉模擬GSH-Px活性可能與其含有的苯并異硒唑酮環有關。人們合成了許多含有苯并異硒唑酮環結構的依布硒啉衍生物，并發現有不少衍生物具有GSH-Px活力。肖穎歆等[6-8]合成了一系列的苯并異硒唑酮氨基酸衍生物，這類化合物抗氧化活性的研究表明，他們對Fe2+/半胱氨酸及Vc誘發的大鼠肝微粒體脂質過氧化有抑制作用，部分化合物比依布硒啉更優；同時，采用偶合法測定了其中7種（圖1）GSH-Px活性，研究了構效關系，并考察了模擬物濃度、GSH濃度、反應體系溫度及pH值等因素對催化活性的影響。研究表明：所有模擬物均顯示較好的GSH-Px活性，并且具有明顯的構效關系。其中化合物1a、6a和7a與依布硒啉活性相當。

圖1 7種依布硒啉衍生物結構

馬萬超等[9]合成了4種季銨鹽型有機硒化合物（圖2），經過活性測定，所合成的模擬物活性均比依布硒啉強。二硒化合物的作用可看成是兩個單硒化物的作用之和，若將模擬物的活性按每μmol硒計算，則活力大小次序為：1b＞2b＞4b＞依布硒啉＞3b。這是由于基團的空間結構越大，使得GSH對硒原子的進攻越困難。依布硒啉分子盡管空間阻礙較小，但其氮原子上不帶正電荷，對GSH（中性pH條件下帶負電荷）的靜電吸引作用減弱。

圖2 4種季銨鹽型有機硒化合物結構

顏雪明等[10]以依布硒啉為先導化合物，合成了7種雙苯并異硒唑酮結構的新型依布硒啉類似物（圖3）。通過在分子中增加活性基團的數目，考查其生物活性的變化，以探索這一類化合物的構效關系的規律。

圖3 7種雙苯并異硒唑酮化合物結構

Kunwar等[11]報道了硒代半胱氨酸衍生物3，3′-二硒代二丙酸(DsePA，圖4)對活性氧自由基的清除作用。研究發現DsePA是一個良好的過氧自由基清除劑，其模擬酶活性雖然小于GSH-Px，但它與三氯甲基過氧自由基(CCl3O2，一種模型過氧自由基)反應的雙分子速率常數達到2.7×108L/mo1·s。而且DSePA對過氧化物具有很高的反應特異性，同時該化合物的毒性非常小。

圖4 3，3′-二硒代二丙酸(DSePA)結構

關于小分子模擬物的活性機制的理論研究，也是一個研究熱點。Jalbout等[12]采用量子化學密度泛函理論在B3LYP/6-311G(d,p)水平上對依布硒啉及其衍生物進行了理論研究。Pearson等[13]在B3PW91/6-311G(2df,p)水平分別對依布硒啉、Ebselen selenol、Ebselen diselenide催化 GSH 降解H2O2的三個反應進行了理論計算。單點能量計算采用6-311++G(3df,3pd)基組。研究表明：3個反應的能壘分別為56.7、53.4和35.3 kcal/mol。這表明三者中Ebselen diselenide具有最高的活性。Soujanya等[14]采用量子化學密度泛函理論在B3LYP/6-311G (d)水平上探討了1，3-dihydro-1-methyl-2H-imidazole-2-selenol（MseI）抗氧化機制。該研究對各反應步驟反應物、產物、過渡態分子結構進行了全優化。研究的結果表明反應具有高度同步協同機制，其中的巰基親核攻擊硒原子是反應的速率決定步驟。

Bhabak等[15]對不同小分子GSH-Px模擬物的活性進行了研究，研究發現分子內的Se···O/N之間存在強的相互作用將降低分子活性。因此，通過改變N原子上的取代基團，提高Se原子的親核進攻能力將有助于提高所設計分子的活性。

3 環糊精為酶模型的模擬物

環糊精具有疏水的空腔和親水的表面，可以在水溶液中選擇性結合各種有機、無機分子形成主-客體或超分子配合物。這種特性使其在GSH-Px模擬物的研究中得到重要應用。因此，以環糊精為酶模型的模擬物成為谷胱甘肽過氧化物酶模擬物的研究熱點之一。該類模擬物主要分為兩大類，分別以碲和硒原子作為活性中心。

Liu等[16]以環糊精作為酶模型，將 GSH-Px活性基團-SeH引入β-環糊精合成了6-位硒橋聯環糊精(6-SeCD)。經驗證，其活力為依布硒啉的4.3倍，而且具有更小的毒性和更好的穩定性。活性增高的原因在于環糊精空腔對GSH-Px的底物GSH和H2O2具有一定的結合能力，它類似于酶的結合部位，因此獲得了較好的模擬效果。賈振華等[17]把-SeH基團引入到環糊精上，通過模擬GSH-Px催化實驗，檢測到硒化環糊精(Se-CD)催化效率較好，其活力可達8.56 U/μmol。Liu等[18]還合成了2，2′-二硒橋連β-環糊精(2-SeCD)，研究表明：該化合物具有比Ebselen更好的GSH-Px活力，其催化GSH減少H2O2、叔丁基過氧化氫(t-BuOOH)和異丙苯過氧化氫(CuOOH)的能力分別為7.4、4.5和10.2 U/μmol。Lv等[19]合成了6A，6A′-二環己烷-6B，6B′-二硒-β-環糊精(6-CySeCD)，其催化GSH減少 H2O2、t-BuOOH和 CuOOH的能力比6-SeCD和依布硒啉更強。

Ren等[20-23]利用環糊精作為酶模型合成了一種具有谷胱甘肽過氧化物酶活性的物質2-TeCD。2-TeCD具有分子量小、水溶性好、活性高等優點和良好的化學生物學穩定性，其GSH-Px活力是依布硒啉的46倍。張鯤等[24]以β-環糊精作為酶模型，將Te引入β-環糊精中，合成出了2-TeCD，并對其結構進行了表征。采用Wilson輔酶偶聯法，間接測定了2-TeCD催化GSH還原H2O2的活力為46.7 U/μmol。通過考察2-TeCD催化GSH還原H2O2反應的動力學，發現反應初速度對底物濃度的雙倒數曲線為1組平行線，表明2-TeCD所遵循的催化機制可能為三轉移“乒乓”機制。通過考察自由基捕獲劑 2，4-二叔丁基甲基苯酚對酶促和自發反應速率的影響，發現2-TeCD催化的酶促反應為非自由基機理。通過考察酶不可逆抑制劑碘乙酸對酶促反應速率的影響，發現2-TeCD催化反應過程中不生成碲醇中間體。Dong等[25]選擇了 GSH、3-羧基 -4-硝基苯硫酚(CNBSH)和4-硝基苯硫酚(NBSH)三種不同的硫醇，以H2O2、t-BuOOH和CuOOH作為氧化試劑，研究2-TeCD的活性。研究結果標明，以NBSH作為硫醇時，2-TeCD催化過氧化物減少的二階速率常數類似天然酶。呂紹武[26]等合成了2-碲橋聯β-環糊精，其活力為46.7 U/μmol。Hao等[27]還采用MM2模型構建了化合物的三維模型，對S-硝基苯谷胱甘肽與2-TeCD、2-SeCD聯合作用機制進行了研究。

4 多肽含硒模擬物

部分多肽含有半胱氨酸殘基，可以通過對其進行化學修飾以模擬GSH-Px。Bell等[28]對枯草桿菌的絲氨酸進行化學修飾獲得的物質具有GSH-Px活性。朱振齊等[29-30]以合成的谷氨酸 -γ絲氨酸-甘氨酸(Glu-Ser-Gly)三肽為原料，經苯甲基磺酰氟(PMSF)活化，用硒化氫（H2Se）突變Ser成硒代半胱氨酸(SeCys)制成GseH。并用元素分析及氨基酸分析確定此三肽的組成及并推導出此三肽的結構。研究GSeH的性質，結果表明：此三肽具有GSH-Px活性，其活力比其他一些小分子有機模擬物高，其動力學行為與天然GSH-Px類似。丁蘭等[31-32]用誘變劑 PMS活化兔抗人 IgM(Fcμ)片段上特殊活性部位的絲氨酸殘基，經H2Se處理轉變成SeCys，誘變后的抗體具有GSH-Px活性，其活性為依布硒啉的70多倍；采用化學方法修飾具有底物GSH結合部位的單克隆抗體 (4A4)，使其結合部位上的絲氨酸(Ser)轉變成GSH-Px的催化基團 SeCys，因而產生高活力的含硒抗體酶(Se-abzyme)。突變的4A4(m4A4)的GSH-Px活力達到了天然酶活力的19%。對m4A4的酶學性質和動力學性質進行研究表明：硒代谷胱甘肽連到4A4結合部位，其GSH-Px活力由3.86 U/μmol提高到598.9 U/μmol。用黃嘌呤氧化酶/次黃嘌呤為中心的肌線粒體自由基損傷模型證明m4A4可減輕活性氧對線粒體的損傷。Liu等[33-34]亦在該領域進行了系列研究。他們制備了具有GSH-Px活力的單鏈抗體，在單鏈抗體表達載體pTMF-2F3上去除原2F3基因N端非必需的18個氨基酸，采用新的表達載體pRose質粒，在2F3的N端引入13個氨基酸的前導肽，獲得可溶性表達產物，該產物活力為2530 U/μmol。Sun等[35]從含硒多肽的噬菌體中篩選出了具有谷胱甘肽過氧化物酶活性的模擬物：15SeP和5SeP1，這些多肽可以保護細胞免受過氧化氫介導的脂質過氧化和細胞毒作用。Ren等[36]研究發現一些含硒單克隆抗體（即Se-4A4和Se-scFv2F3）具有谷胱甘肽過氧化物酶活性。其中，Se-4A4能減輕黃嘌呤氧化酶誘導活性氧對心臟線粒體的損傷[37]。

5 以多糖為酶模型的模擬物

Haratake等[38]通過把 SeCys結合到具有親水性的茁霉多糖(Pul)上合成了一種直徑約為100至300 nm的GSH-Px模擬物。該模擬物催化GSH還原H2O2的能力比SeCyst提高近20倍。研究發現其模擬物反應的動力學機制與天然 GSH-Px相同，為“乒乓”機制。陳佳等[39]用修飾法合成以透明質酸為骨架的兩種新型GSH-Px模擬物：硒化透明質酸(SeHA)及碲化透明質酸(TeHA)。用紅外光譜和核磁共振波譜對模擬物的結構進行研究，證明其修飾位點位于透明質酸的N-乙酰氨基葡萄糖的-CH2OH基團。通過模擬酶對3種不同底物H2O2、t-BuOOH和 CuOOH的催化活性的研究表明，CuOOH為該反應的最佳底物。采用Wilson輔酶偶聯法測定得到TeHA催化GSH還原H2O2的活力為163.6 U/μmol。其模擬酶反應的動力學機制與天然GSH-Px相同，為“乒乓”機制。

6 結論

GSH-PX模擬物，活性高，可作為肺、心血管、神經退化性及炎癥性疾病的治療藥物得到了國內外的廣泛關注[40]。綜合國內外研究進展，我們認為：取代基對小分子模擬物的活性有較大的影響，可以采用量子化學軟件研究其具體化學反應機制，指導分子設計，以開發具有更高活性的小分子模擬物。大分子GSH-PX模擬物的開發可能成為研究的重點，加強其體內過程研究，闡明藥理作用機制，對于開發新型化合物具有指導意義。

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Research Progress of Glutathione Peroxidase Mimics

Deng Ping，Jiang Junhao(School of Pharmacy of Chongqing Medical University，Chongqing 400016，China)

In order to provide scientific and reasonable references for the further study on glutathione peroxidase mimics，the research progress of glutathione peroxidase mimics was reviewed.The results indicated that the current representatives of glutathione peroxidase mimics have four types:small molecule compounds，cyclodextrin as a model for enzyme mimics，selenium-containing peptides as a model for enzyme mimics and polysaccharide as a model for enzyme mimics.The development trend in the future was also analyzed.

Glutathione；Peroxidase；Mimics

10.3969/j.issn.1672-5433.2012.03.007

2011-02-23）

鄧萍，碩士，副教授。研究方向：藥物化學。

蔣君好，男，執業藥師，助理研究員。主要從事高等臨床藥學教育及藥物化學研究。通訊作者E-mail：jiangjunhao82@163.com