（物理化学专业论文）新型atp水解酶的模拟研究.pdf

过 ( 配位键) 、静电相互作用、氢键、7e 一 二 堆积作用、 疏水作用、范德华力等多 种超分子相互作用实现对底物的识别。 ( 四) 运用 p n m r技术进行了质子化邻菲罗琳多 胺配体l 1 - l 6 和三脚架 配体 l 7 - l 1 0催化 a t p水解反应的动力学研究。作为对比，也分别研究了邻菲 罗琳多 胺配体l l l - l 1 4 和l 1 5 , 脚架配体l 1 6 的催化能力。从空间嫡效应、 p h的影响、 催化比、 稳定常数等方面讨论了 酸催化、 碱催化、 静电 催化以 及亲 核催化对a t p 水解速率的影响，并合理解释了 不同体系的速率常数的大小。 ( 五) 运用 p n m r技术进行了多 胺配体l i - l 6 , l 7 - l 1 0 , l 1 5 - 1, 1 6 在“ 软” l e w is酸z n ( i i ) 及 “ 硬” l e w i s酸m g ( i i ) , c a ( i i ) , l a ( i i i ) 存在下催化a t p 水解 反应的动力学研究。发现不同性质的金属离子三元体系中a t p 水解经过不同的 反应机理， 金属离子在受体和底物分子之间作为桥梁和 “ 信使” 发挥调控作用。 ( 六) i f算了m g ( i i 卜 z n ( i i ) / l 2 / a t p四 元 体 系 物 种的 稳 定 常 数， 并 运 用3 1 p n m r 技术进行了 多金 属四元 体系a t p 催化水解反 应的 动力学 研究。 发 现m g ( i i ) 加入z n ( i i ) / l 2 / a t p 体系 后反 应 速率 有 很 大的 提高。 ( 七)进行了配体、金属离子与核若酸的光谱性质研究 ( u v - v i s , f lu o rescen ce )， 对 于 配 合 物 的 溶 液 热 “ 学 研 究 是 一 个 有 有 效 的 补 充 和 印 证 。夕 关 键 词 : 多 胺 配 记金 属 离 子 ; a t p , 超 分 子 相 互 作 威 催 化 水 斌 “ 信 使” abs t ract t h e n u c l e o t i d e a d e n o s i n e 5 - t r i p h o s p h a t e ( a t p ) a n d i t s d i - a n d m o n o p h o s p h a t e a n a l o g s ( a d p a n d a mp ) a r e o f g r e a t i m p o rt a n c e i n l i f e s c i e n c e s i n c e t h e e n z y m e - c a t a l y z e d h y d r o l y s i s o f a t p t o a d p a n d o rt h o p h o s p h a t e i s t h e m a i n s o u r c e o f e n e r g y in b i o c h e m i c a l m e t a b o l i c p r o c e s s e s . a t p , a s t a b l e p o l y v a l e n t a n i o n a t n e u t r a l p h , i s t h e s u it a b le s u b s t r a t e f o r t h e h i g h l y e f f i c ie n t g r o u p o f e n z y m e s t e r m e d a t p a s e . i t h a s b e e n r e p o rt e d t h a t s o m e m e t a l io n s a s w e l l a s p r o t o n a t e d p o ly a m m o n i u m l i g a n d s c a n s t r o n g l y a c c e le r a t e t h e r a t e o f h y d r o ly s i s o f a t p . 1 , 1 0 - p h e n a n t h r o l i n e a n d m a n y c o m p le x e s o f i t s d e r iv a t i v e s a r e i m p o rt a n t i s s u e s o f b io c h e m i s t ry a n d b i o p h y s i c s . 1 , 1 0 - p h e n a n t h r o l i n e t o g e th e r w it h b i p y c a n n o t o n l y a c t a s s u c c e s s f u l m o d e l s o f n u c le o a s e a n d e l e c t r o n t r a n s f e r a s e , b u t a l s o p l a y c r u c i a l r o l e i n s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t ry . t o a c h i e v e a b e t t e r r e c o g n i t i o n o f n u c l e o t i d e s , s i r e s o f r e c e p t o r s i n c l u d i n g p h e n a n t h r o l i n e - b r i d g i n g p o l y a z a l i g a n d s a n d t r i p o d a l l i g a n d s h a v e b e e n s y n t h e s i z e d . t h e s e p r o t o n a t e d p o l y a z a l i g a n d s o r t h e ir m e t a l c o m p l e x e s c a n b i n d c e rt a i n n e u t r a l m o l e c u l e s o r a n i o n s i n s o l u t i o n v i a m u l t i p l e in t e r a c t i o n s w i t h b o u n d s u b s t r a t e a n d h a v e t h e a b i l i t y t o c a t a l y z e b i o l o g i c a l h y d r o l y s i s r e a c t i o n s o f t h e m . f u n d a m e n t a l k n o w l e d g e g a i n e d f r o m t h e s e s t u d i e s m a y t h e n p r o v i d e v a l u a b l e i n s i g h t s i n t o h o w t h e e n z y m e s t h e m s e l v e s f u n c t i o n a n d f a c i l i t a t e u n d e r s t a n d i n g t h e c o n t r o l l i n g f a c t o r s a n d t h e m e c h a n i s m s t o th e s e b i o l o g i c a l r e a c t i o n s . o n th e b a s i s o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d r e a s o n s , w e a r e i n t e r e s t e d i n t h e f o l l o w i n g wo r k i n t h i s d i s s e rt a t i o n . i . s t a rt i n g f r o m 2 , 9 - d i c a r b o x a l d e - 1 , 1 0 - p h e n a n t h r o l i n e a n d n - s u b s t i t u t e d e t h y l e n e d i a m i n e , s e v e n n o v e l p o l y a z a l i g a n d s h a v e b e e n s y n t h e s i z e d . a d d i t i o n a l l y , f o u r n , n - b i s a l k y l - 1 , 1 0 - p h e n a n t h r o l i n e - 2 ,9 - d i m e t h a n a m i n e s , f o u r t r i - ( ( a l k y l - a m i n o - e t h y le n e a m i n o ) m e t h y l ) 一 1 , 3 , 5 - b e n z e n e s a n d n , n - b i ( a - p y r i d y l m e t h y l ) - l , 1 0 - p h e n a n t h r o li n e - 2 ,9 - d i m e t h a n a m i n e s a n d t r i - ( ( a - p y r id y lm e t h y l ) a m i n o ) m e t h y l - 1 , 3 , 5 - b e n z e n e w e r e p r e p a r e d a c c o r d i n g t o l i t e r a t u r e . a l l l i g a n d s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y e le m e n t a l a n a ly s e s , i r , 1h n m r 2 . b y p o t e n t i o m e t r i c p h t i t r a t i o n , t h e p r o t o n a t io n c o n s t a n t s o f l i g a n d s l 1 - 6 , a s w e l l a s t h e s t a b i l i t y c o n s t a n t s o f c o m p l e x e s o f z n ( ii ) , c u ( i i ) , n i ( i i ) , c o ( i i ) , m n ( i i ) a n d l n ( i i i ) ( l n = l a , c e , p r , n d , s m , e u , g d , t b , d y , h o ) h a v e b e e n d e t e r m i n e d a t 2 5 1 0 . 1 0 c a n d 1 二o . 1 m o 1 - l 1 k n o 3 . t h e s t r u c t u r e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g c o m p l e x e s w e r e p r o p o s e d a n d t h e a ff e c t i o n o f t h e s u b s t i t u e n t s a n d m e t a l i o n s t o t h e s t a b i l i t y o f t h e c o m p l e x e s w e r e d i s c u s s e d . 3 . t h e s u p r a m o l e c u la r i n t e r a c t i o n s o f l 1 - 6 a s w e l l a s l i 1 - l 1 7 w it h t h e p o l y p h o s p h a t e ( t r ip h o s p h a t e , p y r o p h o s p h a t e a n d o rt h o p h o s p h a t e ) o r n u c l e o t i d e s ( a t p , a d p a n d a m p ) in t h e a b s e n c e 。 : in th e p r e s e n c e o f m e t a l i o n s ( c u 2 , z n 2 ) h a v e b e e n d e te r m i n e d b y p h t it r a t io n s , 3 1p n m r a n d 1h n m r m e t h o d s . t h e a c c e p t o r s r e c o g n i z e t h e s u b s t r a t e s v i a ( c o o r d in a t i o n ) , e l e c t r o s t a t ic , h - b o n d i n g , n - s t a c k i n g , h y d r o p h o b i c a n d v a n d e wa a s i n t e r a c t i o n s 4 . u s i n g 3 1 p n m r m e t h o d t h e k i n e t i c s t u d i e s o f a t p h y d r o l y s i s c a t a l y z e d b y p r o t o n a t e d l i g a n d s l 1 - 6 o r l 7 - 1 0 h a v e b e e n c a r r i e d o u t . a s a c o m p a r i s o n , t h e l i g a n d s l 1 1 一 1 4 a n d l 1 5 - 1 6 h a v e a l s o b e e n u s e d t o c a t a ly z e t h e h y d r o l y s i s o f a t p . t h e a ff e c t i o n s o f a c i d c a t a l y s i s , b a s e c a t a l y s i s , e l e c t r o s t a t i c c a t a l y s i s a n d n u c l e o p h i l i c c a t a l y s i s o n t h e r a t e s o f a t p h y d r o ly s i s w e r e d i s c u s s e d f r o m t h e s t r u c t u r a l f a c t o r s , p h , c a t a l y t i c r a t i o a n d s t a b i l i t y o f t h e s u p r a m o l e c u l e f o r m e d b y c a t a l y s t a n d s u b s t r a t e . 5 . t h e h y d r o l y s i s o f a t p c a t a l y z e d 切 l i - 6 , l 7 - 1 0 a n d l 1 5 - 1 6 i n t h e p r e s e n c e o f s o f t a c i d ( z n 2 1 ) o r h a r d a c id s ( m g 2 , c a 2 , l a ) w e r e d e t e r m i n e d . 3 1p n m r e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e h y d r o l y s i s r e a c t i o n s o f d i ff e r e n t s y s t e m s o c c u r a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t m e c h a n is m s . i n a d d it i o n , m e t a l i o n r e g u l a t e s t h e h y d r o ly s i s r e a c t i o n b y b r id g i n g t h e a c c e p t o r a n d t h e s u b s t r a t e , t h a t i s , m e t a l i o n a c t s a s m e s s e n g e r . 6 . t h e s t a b i l i t y o f t h e q u a t e r n a ry s y s t e m o f mg ( i l ) - z n ( i l ) / l 2 / a t p h a s b e e n d e t e r m i n e d . t h e c a t a l y t i c h y d r o l y s i s o f a t p场 m u l t i - m e t a l c o m p l e x h a s b e e n c a r r i e d o u t u s i n g 3 1 p n m r m e th o d . i t w a s f o u n d t h a t t h e a d d it io n o f m g ( i i ) s t r o n g ly p r o m o t e d t h e r a t e s o f a t p h y d r o l y s i s . 7 . t h e u v - v i s a n d fl u o r e s c e n c e c h a r a c t e r s o f p h e n a n t h r o l i n e - c o n t a i n i n g l i g a n d s a n d t h e i r m e t a l c o m p l e x e s o r t e r n a r y c o m p l e x e s o f n u c l e o t i d e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d , w h i c h i s a u s e f u l c o m p le m e n t a r y a n d v e r i f y t o t h e t h e r m o d y n a m i c s t u d i e s k e y w o r d s : p o l y a m i n e s , m e t a l i o n s , a t p . s u p r a m o l e c u l a r i n t e r a c t i o n s , c a t a l y t i c h y d r o l y s i s , m e s s e n g e r 第一章绪论 配位化学在生命科学中具有非常重要的作用。其应用之一是在不同程度上模 拟再现生命体系的现象，以加深对生命过程的认识。从七十年代到现在，分子生 物学是最活跃的学科之一，因而生物无机化学也随之发展起来。生物无机化学的 主要研究对象是生物体内的配合物，因为许多金属离子在生物体内大都以配合物 的形式存在，如血红素、叶绿素、金属酶等都是以金属离子配合物的形式参加生 物体内 的 化学 反 应， 从而 发 挥其生理作用 i t . 酶是生物体内最重要的物质之一。为了从根本上认识和理解酶的结构、性质 和功能之间的内在关系，出现了人工酶或模拟酶研究这一新兴课题。因为许多酶 是金属配合物， 它们在生物催化、 信息传递、 物质输送、 炭素固定、 细胞调节d 1 等 生物过程中充当重要角色，在生命进程中具有重要地位。为此人们设计合成了大 量的金属配合物模拟酶在生物体内的各种功能12 1 a t p是生物体内最重要的物质之一，它是一种高能磷酸化合物，水解时司 一 释 放出大量的能量，是生物体内的主要储能物质，是生命进程中能量的主要来源， 在无数的生命过程中起着能量的储存和转化的作用。而a t p的水解离不开酶的高 效催化r3 1因此a t p 水解酶的 模拟研究弓 起了人们的极大关注。下面从受体与核 n : 酸的超分 f 识别、催化剂 j i lt 物形成复合物的相互作用以及催化机理等方而总 结前人做过的工作。 妇. 1 生物大分子中的 超分子相互作用及核酸、核昔酸的 结构 1 . 1 生物大分子中的超分子相互作用 超分子 化学( s u p r a m o le c u l a r c h e m i s t r y ) 是 最近二十多年 来兴起的 一门 边缘 科 超分子被定义为 “ 超越分子范畴”的化学，是关于特殊形式的分子间相互作 ，且a 夸学 勺 用的化学。在超分子中，信息存储于特殊的结构形式中。不仅分子间的缔合作用 被 称 作 超分f - , i(ij 1 -i.不同 分f p .u 的 缔 合 作 用也 11 li超分f . 14 1 . lj 从1 9 6 7 年c h a r le s .i . p e d e r s o n 教授 偶然发 现冠 醚后 【 ， ! ， 在d o n a r d j . c r a m教 授 (6 1 和j e a n - m a r i e l e h n 教 授r 7 1 的努力 倡导下， 十几年后， 一个崭新的 研究领域一 超分子诞生了。由 于 他们的 特殊贡献，在 1 9 8 7 共同获得了诺贝尔化学奖。 _ _ 一一一上皇壑匕 . 生物大分子主要包括四类化合物:蛋白 质、核酸、糖和脂。它们是构成生物 体和维持生命现象最基本的物质基础和功能基础。生物大分子的立体结构非常复 杂， 形 成和维系生 物大分子复 杂的 几何立体结构的 超分 子作用力主要有以 下几种(s . 9 ) : a . 组成分 子骨架原子的 键角张 力; b . 氢键， 如蛋白 质的 c l- 螺旋和 p 一 折叠、 d n a 双螺旋等结构中，氢键都起着决定性的作用;c ， 配位键，它主要存在于含有余属 离子的蛋白质中:d . 离子键，例如，在 d n a的双螺旋结构中，磷酸基位于双螺 旋外侧，这与两条d n a链中带有相同负电荷的磷酸基相互排斥有密切关系; e . 疏 水键;在生物大分子中，某一部分显示疏水性，某一部分显示亲水性，而非极性 部分有缔合在一 起的趋势;f范德华力，它是一种非特异性原子间作用力。 1 . 1 .2 核酸的结构 o - - -一 ， h - n 声 h 一 1h - n 41 万 : lh 9 3n h n h njh 如ih nh ta nw k n t ( 1 ) w n u ; ( a ) 胞哦iq ( c ) h 鸟 1票 吟( g ) 尿 喃 咙 ( u ) 核酸 ( n u c l e i c a c id )是生命体内的遗传物质，包括脱氧核糖核酸 ( d n a)和 核糖核酸 ( r n a ) . d n a和r n a的结构分别由三种简单分子所组成， 即戊糖、 含 氮碱基和磷酸。 a ,g u , c , t - i夕 一 核 百 戊糖j 磷酸核 ” 酸 一“ f q (d n a , r n a ) ( i )戊 糖， d n a含有2 一 脱氧核糖， r n a含有核糖。 ( 2 ) 含氮碱基有五种。 其中 两个是嚓吟( p u r i n e ) 衍生物， 腺嗓吟( a d e n i n e , a ) 和 鸟 ii;0 ii令 ( g u a n i n e .g ) ; 个哦1定 ， 饱 lr i定 ( c y t o s i n e , c ) , 尿i 喧( u r a c i l , u ) 及胸 腺哦 !自f h y m i n c , t ) d n a， ， 含有四 种碱基包括a , g , c , 1 - a r n a 卜 含 有的四 种碱 墓是a, g, c, uo ( 3 ) 核糖c 1 的半缩醛轻基( p 一 构型) 与喋吟碱基的n 9 - h或啥睫碱基的n i - h脱 水 i=.成c - n糖醉键，形成相应的核营( n u c l e o s i d e ) . _一 f 1 : zs f + ie 兰一一一一- ( 4 )核昔的核糖上的 c 5 的轻基与 磷酸所形成的磷酸酷，称为核营酸 ( n u c l e o t i d e ) 。 核营酸的磷酸基与另 一分子的c 3 上的轻基形成二酷桥联而成的长链 化合物一 多聚核普酸，就是d n a或 r n a 。其中，d n a分子为双螺旋结构，两条 多聚核汗酸链靠链间的碱基对所形成的s l 键来维持，碱基配对有严格的规律，即 a o d t , g配c o r n a为单链结构，碱3 t 配对要求并不十分严格，g除了与c配 对外，还可与u配对。 1 . 1 . 3 核普酸的结构 核着酸是核酸的基本组成单位，核朴酸可由含氮碱基 b .磷酸根以及戊糖环 组成。 如果碱基为腺嚓吟a ， 三个磷酸根结合在戊糖环c 5 上形成的核营酸即为腺 营 三磷酸 ( 5 - t r i p h o s p h a t e , a d e n o s i n e ) ， 简 称为a t p 。 如果磷酸 根是两 个或者一 个， 则形成的核营酸为a d p 和 a mp . z h 】， n = 0 , 1 , 2 a mp , a d p , a t p a t p是生物体内分布最广泛和最重要的一种核营酸。a t p分子的特点是含有 两个高能磷酸键，当其水解时，可以放出大量的能量。a t p水解释放出的能量， 可以作为推动生物体内各种需能反应的能量来源。另外，生物体内游离的重要核 昔酸还有 g t r及环状核昔酸c a mp 和 g mp ，结构如下: n h z1 6 卞、0 0洛 nj 卜，n 0。p-l仓。 仆 0二卜ee口。 3a t p b = 八 c 八 mp b 州 及d 3 mp 511又4 了n，刊ij刀rllh 2力、矛护一川 日.争，刁，百0 :、曰仙to o a t p也是 一 种很好的磷酞化试剂，三 可以通过其磷酸基团的转移直接参加各 种重要的/ i 化反应。例如，a t p在甘油醛激酶的催化下，能将甘油醛磷酸化，生 1戊3 - 磷酸甘油醛。a t p水解释放出来的能量对于推动生物体内的各种能量反应具 有及其q要的意义。 一三竺里 i. t 化磷酞 a d p +p 0 4 3 - 3 0 . 5 k j / m o l atp 处和磷酞化 水 解 c a m p+p 2 0 7 4 - 3 0 .5 k j / m o l 夸 1 . 2 金属离子与核昔酸及其衍生物的相互作用 1 9 5 6 年s z e n t - g y 6 r g y i 首 先 提 出a t p 不 但 用 磷 酸 根 结 合m g ( i i ) ， 而 且 碱 基 与金属离子之间存在着相互作用，在这之后， 核营酸与金属离子的相互作用引起 了配位化学家的极大兴趣。金属离子可以与核营酸的磷酸根作用，同时又能与核 糖或者碱基残基作用。更有甚者，碱基比如腺嗓吟可以提供n - 1 , n - 3或n - 7多 个选择性的位点与金属离子配位，所以金属离子与核普酸的作用十分复杂。下面 简中 介绍核有酸及其衍生物与金属离子相互竹用的特点， 这是核普酸在生命体内 的月 j 里 作用和机制的基础。 1 . 2 . 1 核昔酸一 金属离子配合物的 稳定性 常见核营酸与不同 金属离子形成的配合物的 稳定常数曾经有人做过综述n u 其中，单磷酸根核昔酸 r m p 2 一 与金属离子相互作用时，如果磷酸根上不配位的 取 代1 1 r的结构类似，则配合物的稳定常数与核营酸的质子化常数线性相关。文献 ” ， 报 道 了 金 属 离 子m g t + , c a 2 , s r2 , b a t+ . m n 2 1 , c o 2 , n it , c u 2 , z n 2 + 以 及c d 2 + 的r m p 2 -的 稳定 常 数及 其 线 性 相 关 性。 其中， 5 - c m p 2 - , 5 - u m p 2 - , 5 - d t m p 2 - 与金属离子的配合物线性关系很好， 表明c , u , t残基与金属离子没有相互作用。 另方面， 2 或3 或 5 - a mp 都偏离了直线并处于直线上方，说明在a mp中腺嗓 吟a与 金属离子 有相互作用。 对 于 二 磷酸 根的 核 普 酸r d p 3 - , 1 h n m r 12 , 10 ) 表明 在i = o . i m o l .d m 73 n a n o 3 溶 液 中 ， z n 2 + 、 c d 2 1n , c d , m g 2 + 与5 - c d p 2 - , 5 - u d p 2 一 的 碱 基 没 有 配 位， 此 结 论 对 于 其 它 i勺一 价 金 属离 子 也 适 用。不 磷酸 根的m ( 5 ， _ c l ,p ) 2 - , m ( 5 - u t p ) 2 - , m ( 5 - d t t p ) 2 一 以 及m ( 5 - c d p ) 2 - , m ( 5 - u d p ) 2 一 中， u 和t 的n - 3 去 质 子 化 后可以 参 加配 位， 而c 采取反 式配 位而不 利于碱基与 余属离子 配位 1 3 1 1 .2 . 2 金属离子与核昔酸碱基的相互作用 4 _旦= r + ; c 一 一 一一 碱基是核酸中的最重要的部分，它们的性质和反应特性对核酸的性质和生理 功能具有重要影响。所有的碱基都具有芳香性，含氮碱基中存在着仆电子共辘的 杂环体系，因此在紫外区有吸收 ( 2 6 o n n , ) .膘吟碱基和喀陡碱基都具有弱碱性。 杂环上氨基的p k , 约为9 . 5 ( 指芳香环上共价氢的 解离， 如腺嗓吟上n - 9 氢和嗜睫 上n - 1 氢的解离) 。 环外的碱基的碱性很弱， 在生理条件下不能被质子化，因此碱 基的碱性主要是 环上氨基的贡献。下面把碱基、核昔的p k列于下表， 核昔酸的 碱性参见文 献8 , 9 1 碱基碱基的p k , n - 1 , 4 . 1 5 ; n - 9 , 9 . 8 n - 7 , 3 . 2 ; n - 1 , 9 .6 ; n - 9 , 1 2 . 4 n - 3 , 4 . 6 ; n- 2 , 1 2 .2 n - 3 , 9 . 5 n - 3 , 9 . 9 核营的p k , 3 . 5 , 1 2 .5 1 .6 , 9 .2 , 1 2 . 4 4 . 1 5 , 1 2 乃 ， 1 2 3 9 2， 1 2 . 5 8 . 8 , 1 3 h ( n t p ) 3 n t p 4 - 。 他 们还 研究了 不 f,-f 金 属 离t ， 如m g 2 + , m n 2 + , n it + , c u e + , z n 2 + , c d 2 + , y 3 + , l a -1 以 及c u ( 2 ,2 - b p y ) z + , ( t il ) 2 c o 3 + 等 对 r l ) 水解 过程的 催化作 用， 并比 较了 它们的 催 化效果 1 5 9 1 。 结果表明 金 属 离 子 催 化n t p 水 解 的 顺 序 为c u e + c d 2 + z n 2 + n i 2 + m n 2 + m g 2 + ， 这 个 顺 序 对 应金 属离 子 形 成 氢 氧化 物的p h . c u 2 + 形 成 氢 氧 化 物的p h 为7 .6 ， 各 金 属离 子 形 成 氢 氧 化 物的p h 顺 序 为c 矿 + z n 2 + n 挤 + c 子 + g t p i t p c t p - - u t p - t t p ， 这只 能由芳环堆积作用的逐渐降低来解释。对于活性物质是二聚物的体系，n - 7 / 金属 离子的相互作用十分重要， 而此时不能 用来解释上述顺序， 因为n - 7 / c u ( i i ) 的强 度 a i g o o f 吟一 t p的反应活性大于咤uk - t p的活性， 这与前者能存在n - 7 / c u ( i i ) 相 互作用而易于形成活性基团有关。 不同金属离子对 a t p水解过程的促进作用效果不同。 c u e + 催化效果最好， m g t . 催 化 效 果 较 弱 ， 但m g t + 的 加 入 可 进 一 步 促 进c u ( a t p ) 2 的 反 应 活 性 6 5 i s ig e l 等 人 研究了 多 种 金 属离 子 作为 第 二 金 属离 子 对c u ( a t p ) 2 一 体 系 反 应 活 性的 影 响， 指 出在混合金属离子体系中，两种金属离子的作用不同，一种金属离子对另一种金 属离 子具 有协同 效应， 共同 促进a t p 水 解6 4 , 6 5 1 。 文 献 16 5 1 中 讨论了 不同 金 属离子 催 化效果不同的原因。另外还报道了缓冲液及其他配体对金属离子催化a t p 水解的 抑制作用以及温度对a t p 水解脱磷酸化作用的影响。 纵合前人的研究结果， 在金属离子催化a t p 水解的过程中共有a , b , c , d 四种形式的活性中间体，其构型和适用范围分别如下图所示。 。 _ oo _ q p - - h p o . 。 一_ _.谁 。 2 欣厂。，o :+c州 0 o 。 一p : p .p o ) 1 - p n 乞r i 1 1b . , 声耳 m 2 士 o o 9仁 p o 。 一 m r i b o se 人 . ,;,ri ,h : 1 n a 体m 2 ( r - t p ) ( o h ) - , 碱基r 不 配 位(6 7 1 . b . 活 性中间 体c a 2 ( # - a t p ) ( o h ) 碱基 # 嚓吟配位而不堆积16 6 ) 一鱼-迷生一一 oh夕 黔、 rib o s e p - o c u - 0 0 o .c u z._n v 0 0 j r i b o s e - 0 c . 活性中间体 c u 2 ( a t p ) 2 ( o h ) - , 碱基 a配位而且堆积。发生在 p h 6 .5 0 右 边 的c u e - o h 亲核进玫，左 边的c u e 稳定_聚 体6 5 1 a 金 属离子影响 大 环多 胺 对a t p 水解的 催化作用， 例如n a 抑制 2 4 n 6 0 : 的 催 化 活 性 6 8 ， 而中 性 稀 溶 液 中m g 2 + 可 促 进 2 4 n 6 0 : 大 环 催 化 乙 基 磷 酸 与a d p 反 应 钊 成a t p 6 9 。 文 献 7 o , 川报道了c u 2 对 大 环多 胺b m x d催 化a t p 水解的 抑制作用。 单 独的c u z 可以 通过同时与a t p 的磷酸基和嗓吟碱基配位形成大环鳌合结构， 极 有效地催化a t p 水解。 而当 大环多胺b m x d存 在时， 则形成二核c u ( i i ) 2 - b m x d 配合物， 氮原子占 据了c u 2 + 的一些配位空间， 阻碍其与a t p 进一步配位， 从而抑 制了 金 属离子 催化途 径。 同时， b m x d与c 了 + 配 位利用了 其 全部 碱性n原子供体， c u 2 . 阻碍配体参与任何水解过程。 但与a t p的自 发水解过程相比， 速率还是有所 提高，这可能是由于配合物的形成提高了配位磷酸中心的亲电性，更易于被水分 子进攻。 互 1 . 3 .2 大环多胺配体催化a t p的水解研究 大环配体的研究起始于二 卜 世纪二十年代，在生命科学中占有重要地位。生 物休内有很多具有活性功能的大环化合物充当重要角色，如抗菌素一 撷胺酶素、血 1 0 南开大学博十论文 爪藐碗而一获 吓 琳 、 叶 绿 素 。 中 的 含 镁 叶 林 、 维 生 素 13 12 中 的 含 钻 。 卜 林 等 ” 。 其中 对大环多 醚的发展作出 突出 贡献的是p e d e r s o n 5 , c r a m 6 . l e h n 7 1 ， 他们于 1 9 8 7 年获得诺贝尔奖。 含氮大环配体由于氮原子的引入增强了与过渡金属离子的配位能力，大大拓 展了研究范围，丰富了配位化学的内容。多胺配体由于配位能力广泛，且其配合 物又有诸多如酶催化、生物医药等功能，历来都是人们研究的热点。大环多胺配 体 在催化a t p 水解研究中 是 使 用得较早、 也 较为 成熟的 一 类7 2 -7 6 1 , l e h n 等人在这 方面作了 大量工作 7 7 - 8 1 1 质子化的大环多 胺配体可以 作为分子催化( m o l e c u l a r c a t a l y s i s ) 的良 好模型 7 2 -8 1 o l e h n 1 8 2 . 8 3 1 认为， 像酶和底物的识别作用一 样，在a t p 选择性水解或磷酸 根传递过程中，受体 ( 催化剂)和底物之间同样存在着识别作用。但是， 仅以 基 于共价键结合的分子化学难以合成比较理想的分子受体，只有当受体具备了络合 分子或离子的结构形式和能力，同时底物又可以借多种分子作用力 ( 比如电性作 用、氢键、范德华力、近距离斥力和疏水相互作用等)与受体结合时，才能使受 体和底物结合成稳定的有特定结构的超分子。 l e h n等人3 7 , 7 7 - 8 1 】 设计了 一系列不同 类型的多 胺配体 ( 包括最著名的大环 2 4 n 6 0 2 ) 作为a t p 水解过程的催化剂， 研究了a t p 水 解过程的动力学， 并考察 了空间结构等因素对其催化效果的影响。研究结果表明，大环多胺配体能够选择 性地结合多 种无机阴离子( 磷酸根、 焦磷酸根、 三磷酸根等) 、 有机阴离子( a mp , a d p , a t p等) ， 而质子化的配体与a t p的亲和力较高， 形成超分子体系从而使 a t p 水解速率显著提高。l e h n 13 7 等根据底物与多 胺配体几何构型方面的最佳匹 配、氢键及库仑力相互作用，提出了合理的化学模型和催化机理，具体过程如下 图所示。 首先，多胺配体以质子化的氮原子与底物分子a t p 的多磷酸根上的带负电荷 的氧离子之间强烈的静电相互作用以及氢键相互作用实现对底物的识别。另外， 含有芳香体系的受体可以通过与底物镖岭碱基之间存在的7 t - 二 堆积作用来增强对 底物的识别。山 于空间 位阻效应以 及配体氮原子碱性的制约， a t p 分子的 a , ( 困 - 磷酸上氧负离子被“ 拉住” ( p u l l ) ， 而y - 磷酸根上的带正电 荷的磷原子则受到自 由 氮 原 子或水分子的亲核进攻( p u s h ) ， 最终导致 y - 磷酸 根断裂而得到分解产物磷酸根和 第一章绪论 a d p 。 在 催 化过 程中， 体系 经 过一 个n - p 0 3 2 一的 超分 子中 间 体， 中 间 体的p 氏2 一在 水分 子的 进攻下以h p 0 4 2 - 形 式解离， 后者 在溶液中 迅速转变为 磷酸根。 ， 户 冲、 叫 .白月 质子化多胺催化a t p 水解机理 由 于a t p 分子中 磷酸根是亲水基， 腺喋吟部分为憎水基， 如果在 2 4 n 6 0 : 中 弓 入刚 性基团， 如 胺基、 羚基、 或咪咪 等， 会增加其对 底物的 选择性。 文献18 i