錳過氧化氫模擬酶合成及應用研究進展

張鋒

(寶雞文理學院 化學化工學院 陜西省植物化學重點實驗室，陜西 寶雞 721013)

錳是人體內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中起到電子傳遞和運載作用，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，保護機體的正常細胞和組織免受自由基的攻擊與破壞。此外，過氧化氫酶除了能分解帶有過氧基的底物，如過氧化氫、叔丁基過氧化氫之外，還能催化氧化許多化合物，如對甲酚、聯苯三酚、對苯二胺等。因此，MnCAT 被廣泛用于食品工業、造紙、有機物降解及一切需快速清除H2O2的領域［1］。但天然酶在使用過程中存在分離純化難、催化活性易受到外界環境如溫度、pH 值、有機溶劑等因素抑制，使用成本高等問題［2］。基于上述原因，模擬酶應運而生，大量研究者開始嘗試合成不同類型的含錳酶模型配合物來模擬天然酶的結構和功能并取得一些成績［3-4］，這方面的工作不但有利于加深人們對含錳酶的認識，同時也會推動其在食品、化學、工業等方面應用的進步。

本文以MnCAT 模擬酶作為研究對象，討論模型化合物合成及應用研究進展。

1 MnCAT 存在及作用機理

MnCAT 廣泛存在于動植物及微生物中，科學家從Lactobacillus plantarum (Lp)、Thermoleophilum album (Ta)和Thermus thermophilus(Tt)細菌中分離出不同來源的MnCAT，研究結果。圖1 晶體結構研究表明，它們的活性中心都含有雙核錳的結構，一個MnCAT 由四個反平行的螺旋鏈構成，而錳離子則位于螺旋鏈之中。

圖1 錳過氧化氫酶活性中心結構Fig.1 Active site of MnCAT

已有研究結果表明，MnCAT 有4 種不同的氧化態(MnIIMnII，MnIIMnⅢ，MnⅢMnⅢ和MnⅢMnIV)，在催化H2O2分解的過程中，錳離子在不同氧化態間相互轉化，促使催化歧化反應的進行［5］。Vincent 等提出了MnCAT 催化過氧化氫歧化反應的Pingpong 機理，Dismukes 則根據實驗結果認為該反應由多步構成，并提出可能存在的催化反應機理見圖2。

圖2 MnCAT 催化反應機理Fig.2 Catalytic reaction mechanism of MnCAT

MnCAT 在閉合狀態下(六配位)不具備催化活性，而轉變成開環狀態下(五配位)則具備催化活性。開環狀態配合物A 與底物H2O2反應，一個錳離子上的水分子被過氧根離子取代，形成配合物B，緊接著配合物B 異構為配合物C，隨后配合物C 中兩個錳離子被氧化成三價，兩個過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 轉變為D。D 首先與另外一分子H2O2結合并脫水形成中間產物E，隨后發生氧化還原反應轉化成還原態的配合物A，同時釋放出O2［6］。由于中間體的結構還未得到，因此該機理還有待進一步研究，但對后續研究者合成MnIIMnII 和MnⅢMnⅢ氧化態的模型配合物具有一定的指導意義。

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中的O 和N 原子，這些原子主要來自于羧基、烷氧基、苯氧基、組氨酸中的咪唑基。因此關于Mn-CAT 模型化合物的合成通常先設計并制備合適的配體，再將配體與錳進行絡合反應，來合成在結構、光譜學、功能等方面有相似性的模型化合物。按照配體的結構類型，分以下幾種類型介紹已知的幾類錳過氧化氫酶模型化合物。

2.1 卟啉環類模型化合物

Naruta 等合成出一系列的二卟啉-雙錳(Ⅲ)化合物，結構見圖3［7］，并證實了在水相中能催化H2O2分解。其結構特點在于具有被卟啉環包圍的空腔，且兩個錳離子之間的間距可變，在催化過程中雙錳價態由三價轉變為四價，表現出較好的類似過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出來，并且所合成的配合物的配位環境與天然MnCAT 也不相同，而后者則被認為直接決定催化劑的催化特性。

圖3 卟啉環模型化合物Fig.3 Porphyrin model complex

2.2 苯并咪唑類模型化合物

苯并咪唑基與酶的組氨酸結構相似，由MnCAT的晶體結構分析可知，天然MnCAT 中錳離子與組氨酸殘基中的氮直接發生配位。因此以苯并咪唑環為母體合成各種具有催化活性的配合物已有大量相關研究。Cox 等在Thompson 等的研究基礎上合成了鐵配合物并測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構。除了氯橋之外，常見的雙齒橋聯配體還有4，4-二聯吡啶、吡嗪、咪唑和二羧酸根離子。研究結果證實不同的橋聯基團會造成配合物的催化活性不同。當以乙酸橋代替氯橋時，配合物的表觀速率常數下降明顯，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構見圖5。

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

Horwitz 首先對該類配合物催化烯烴環氧化反應進行了研究，雖然催化效果并不理想。但實驗過程中的電化學分析數據證實了該催化反應與細胞色素P450 催化過程類似，證明這類配合物在模擬酶領域具有較大研究潛力。隨后Pecoraro 等分別合成了［Mn2Ⅲ(salen)(μ-O)］2，與經過結構修飾的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］。催化實驗證明其均具有一定的過氧化氫酶的活性。這類配合物合成過程簡單，并且能夠通過改變不同類型的配體模擬多種生物催化體系，因此目前大多數的錳模擬酶均采用該種模型結構。

2.4 大環配合物模型

大環配合物具備高穩定性，且其自身能夠通過模板縮合反應形成雙核、多核配合物，在催化、模擬、材料科學領域受到關注。尤其是雙酚亞胺基大環配體，兩個氧原子能夠形成獨特的雙室配位結構，有利于形成穩定的雙核配位化合物而呈現高催化活性。Robson 等首次合成了席夫堿雙酚形式大環配體，實驗結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定性和選擇性［11-12］。Okawa 等則在此基礎上合成出一系列閉環和開環配體。結果見圖6［13］。

圖6 雙酚亞胺基大環配體結構Fig.6 The structure of polyaza imino macrocyclic ligand

對該類大環配體進行結構改造后可形成不同結構的錳配合物。Riley 等合成出MnII(五氮大環)類衍生物并證實了具有SOD 活性［14］。夏雨佳等利用1，3-丙二胺、2，6-二甲酰基對甲苯酚、二氯化錳為原料制備得到新的雙酚多氮亞胺大環雙核錳配合物，結構見圖7，晶體結構與質譜結果證明該結構具有較高穩定性［15］。

圖7 ［Mn2LCl2］的晶體結構Fig.7 The crystal structure of［Mn2LCl2］

3 MnCAT 模擬酶應用

3.1 有機催化領域

金屬salen 配合物在催化領域的應用已有大量相關報道，而MnCAT 模擬酶中的水楊醛希夫堿模型化合物亦屬于該類配合物，因此大量學者針對錳salen 配合物的催化活性展開大量研究。20 世紀80年代，Srinivasan 等率先將錳(Ⅲ)salen 配合物用于催化烯烴環氧化反應，反應15 min 后得到超過60%的收率，且可作用于不同類型的烯烴，如環烯烴、芳香類烯烴、鏈烯烴等［16］。Jacobsen 等報道了錳(Ⅲ)salen 配合物催化硫醚的不對稱氧化反應，獲得了較好的實驗結果。而翼汝南等則將錳(Ⅲ)salen 配合物通過共價方式固載在炭黑表面并催化不對稱烯烴環氧化反應，結果對1-苯基環己烯的氧化具有高選擇性，催化效果優于均相催化劑，同時實現了催化劑的循環利用，降低了使用成本［17］。

3.2 環保工業領域

酚類化合物是工業廢水中的主要污染成分之一，具有致癌性，對環境與生物有較大危害性。利用錳過氧化氫酶處理能夠有效降解該類污染物，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到90%。與天然酶相比，配合物在pH 4.0 ～7.0 的范圍內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 的作用是生物無機化學的熱門研究方向。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合，以插入方式與核酸相互作用，從而實現DNA 的切割作用。夏雨佳合成的兩種雙核大環錳配合物與超螺旋DNA 相互作用后能將其切割成環狀DNA，兩種錳配合物與DNA 分子的鍵合常數分別為K1=2.5 ×105L/mol、K2=3.2 ×105L/mol，但其不能將DNA 分子切割成線狀，因此該類配合物結構仍有待優化［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過量的自由基有關。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研究非常活躍。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-聯吡啶，均表現出較強的清除DPPH 自由基的能力，在DPPH 濃度0.5 mmol/L 時，清除率分別為63%和82%［19］。已知文獻中合成的銅、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出較強的自由基清除能力，明顯表現出了SOD 酶的活性。

4 結束語

錳在多種生物酶中充當了活性中心，因此關于含錳酶的模擬配合物研究已經相當深入，尤其是MnCAT 的模擬配合物取得了較大進展。研究者們合成出了不同類型的配體與錳形成結構各異的單核、雙核、多核錳配合物，很多模擬物均表現出相應的生物催化活性。但酶分子的結構復雜，分子量大，而模擬酶與其相比結構簡單，該類配合物普遍穩定性不高，容易分解，該方面的研究仍有待進一步的深入。因此合成出結構復雜，結構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識和了解含錳酶的催化機理，而且對于開發Mn-CAT 模擬酶的應用，實現高效的生物轉化開辟了新途徑。

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