（无机化学专业论文）单修饰环糊精金属配合物构建金属酶模型及其性质研究.pdf

摘要 摘要 p 环糊精具有内疏水空腔、外亲水表面与手性的微环境，因此能够选择性地 结合底物。而经过选择性修饰的环糊精衍生物，可以引入具有和金属离子配位的 功能基团作为催化位点，因此特别适合于人工酶的模拟。本文在本课题组研究的 基础上，进一步研究双环糊精的协同疏水识别作用以及多金属的协同作用对催化 活性的影响。研究了环糊精的引入对金属配合物与脱氧核糖核酸d n a 作用的影 响。 本文合成了含三齿( n 3 ) 吡啶桥联双环糊精配体及其铜、锌配合物，以及2 羟基5 甲基1 ，3 苯二甲醇修饰的环糊精配体及其三锌双环糊精配合物。并用这 些铜、锌配合物模拟水解酶，其环糊精空腔来模拟天然水解酶的疏水环境，研究 模拟物的结构与催化性能的关系。另外还合成了乙二胺和2 胺基吡啶修饰的环糊 精配体及其铂配合物以及环糊精与小分子铜配合物超分子组装的包合物，并用这 些化合物来模拟核酸酶。本文的研究内容主要包括以下几点： 1 设计并合成了新的具有三齿n 3 吡啶桥联双环糊精l 1 ( 2 , 6 - d i m e t h y l p y r i d y l b r i d g e d b i s ( 6 一m o n o a m m o n i o - p c y c l o d e x t r i n ) ) 及其铜配合物( 1 ) ( c u l l ( h 2 0 ) ，c 9 i h l 9 5 n 3 01 0 0 c u c l 2 ) 。p h 电位滴定研究得出1 与结构相似的小分子 铜配合物的稳定常数k m l 和配位水电离常数p k a 值相当( l o g k c u l l1 2 5 3 ，p k a l 8 1 3 ；l o g k c u ( b a m p ) 1 2 2 0 ，p k a l8 1 1 ) 。说明桥联环糊精配合物的配位环境和小分子 配合物相似。配合物1 催化双( 对硝基苯) 碳酸酯( b i s ( 4 n i t r o p h e n y l ) c a r b o n a t e ， b n p c ) 水解速率是无催化剂的2 7 3 1 0 3 倍，而对对硝基苯醋酸酯p n i t r o p h e n y l a c e t a t e ，p - n a ) ，仅为7 8 2 倍；催化双( 对硝基苯) 磷酸酯( b i s ( 4 一n i t r o p h e n y l ) p h o s p h a t e ， b n p p ) 的二级速率常数为5 9 4x 1 0 4m 。s 一。配合物1 能有效的催化双疏水端基底 物b n p c 、b n p p 的水解。 2 为了研究金属离子对酯水解反应活性的影响，本部分合成了吡啶桥联双 环糊精( l 1 ) 的锌配合物( 2 ) ( z n l l ( h 2 0 ) 2 ，c 9 1 h 1 9 5 n 3 0 l o o z n c l 2 ) 。p h 电位滴定研究得 出配合物2 的稳定常数l o 掣l 是7 3 l ，比相应的小分子锌配合物( l o g k z n ( b a m p ) 5 5 6 ) 高约1 8 个单位，说明环糊精锌配合物更稳定。配合物2 的配位水电离常数 分别是p k a l8 1 44 - o 0 3 ，p k a 29 2 44 - 0 0 1 ，与小分子配合物z n ( b a m p ) ( p k 。l7 9 4q - 摘要 0 1 ，p k a 29 6 34 - 0 0 9 ) 相当。在p h 7 0 时，配合物2 催化水解b n p c 的速率是无催 化剂时的8 9 3 x 1 0 3 倍，而催化p - n g ，为7 1 7 6 倍；同样条件下，配合物2 催化磷 酸双酉匕b n p p 二级速率常数( 1 6 8 1 0 。3m j $ - 1 ) 高于磷酸单i 酯n p p ( 5 7 5 1 0 4m 1 s j ) ，也高于大多数小分子z n n 3 类配合物。以上结果表明2 能有效地催化水解双 疏水端基的底物，尤其是b n p c ，再次证实了桥联环糊精的双疏水空腔的协同识 别包合底物在催化反应中起着重要的作用。结果显示，锌配合物2 催化碳酸酯和 磷酸酯的水解活性高于铜配合物1 。 3 本部分合成了新的单修饰环糊精 l 2 ( 6 m o n o ( 2 - ( 2 - h y d r o x y 3 一( h y d r o x y m e t h y l ) 一5 - m e t h y l b e n z y l a m i n o ) 一e t h y l a m i n o ) - p - c y c l o d e x t r i n ) 并得到了三核双环糊精锌配合物3 ( c 1 0 6 h 2 3 2 c 1 2 n 4 0 1 1 2 z n 3 ) 。电位滴定 结果表明，在p h6 0 8 0 范围，主要存在两个双核单环糊精锌配合物： z n 2 l 4 + 和 z n 2 l ( o h ) ”；在p h8 0 - l1 0 范围主要存在三个三核双环糊精锌配合物： z n 3 l 2 ( h 2 0 ) 2 2 + ，【z n 3 l e ( h e o ) ( o h ) + ，【z n a l 2 ( o h ) 2 。在p h7 0 时，该锌配合物催 化水解b n p c 的速率是无催化剂时的5 6 3 x 1 0 3 倍，低于桥联双坏糊精锌配合物2 ； 而催化p n a 时，水解速率是无催化剂时的1 6 2 1 0 2 倍，约是2 的两倍。催化 磷酸双酯b n p p 的二级速率常数为1 2 2 1 0 。3m 。s ，此值低于锌配合物2 。说明 多金属的协同作用加速了单酯的水解，对双酯的水解活性则不如桥联双环糊精。 4 合成并表征了水溶性良好的单修饰环糊精的二齿配体l 3 ( 6 一m o n o 一( n - a m i n o e t h y l ) a m i n o p c y c l o d e x t f i n ) 、l4 ( 6 - m o n o 一( n 一 ( p ) ，r i d i n 2 - y 1 ) e t h y l a m i n o ) - p - c y c l o d e x t f i n ) 及其铂配合物4 ( p t ( l 3 ) c 1 2 8 h 2 0 ) 、5 ( p t ( l 4 ) c 1 2 4 h 2 0 ) 。利用紫外- 可见吸收光谱、c d 光谱和凝胶电泳研究了配合物 与d n a 的相互作用。紫外可见吸收光谱、c d 光谱结果显示，配合物4 、5 均以 非插入方式与d n a 作用；凝胶电泳结果显示配合物4 对d n a 具有明显作用， 而配体l 3 、l 4 及配合物5 则对d n a 几乎没作用。两个配合物对d n a 作用能力 大小的差异，可能是因为4 具有较多的活性氢及较小的空间位阻，有利于4 中的 铂原子与d n a 产生共价结合。 5 设计并合成了两个新的小分子配体 l 5 ( 2 一b e n z y l l ，3 b i s ( a m i n o e t h y l t h i o ) p r o p a n e ) 、lo ( 2 一( 4 - t e r t b u t y l b e n z y l ) - 1 ，3 一b i s ( a m i n o e t h y l t h i o ) p r o p a n e ) 及其铜配合物 6 摘要 ( 【c u ( l 5 ) ( c 1 0 4 ) 】( c 1 0 4 ) 0 5 h 2 0 ) 、7 ( 【c u ( l 6 ) ( h 2 0 ) ( c 1 0 4 ) 2 h 2 0 ) 。对7 与p 一环糊精 进行超分子组装得到包合物8 ( c u ( l 6 ) 1 3 - c d ( c 1 0 4 ) 2 6 h 2 0 ) ，并测定了6 、7 的晶 体结构；通过紫外光谱滴定和c d 光谱研究了化合物6 、7 和8 与c t d n a 的相 互作用模式，结果表明6 、7 、8 主要通过外部的静电作用与d n a 结合，且含有 较强疏水基的配合物7 与d n a 之间的作用较强；在还原剂a s c 存在下，三个 化合物能够有效地氧化断裂p b r 3 2 2d n a ，环糊精包合物8 的活性稍高于7 ，含 较强疏水基的配合物7 的活性高于6 。通过自由基淬灭实验研究了d n a 氧化断 裂的机理，结果显示，h o 是氧化断裂的主要活性氧物种。 关键词：p - 环糊精，桥联环糊精，金属水解酶模型，酯水解，d n a 断裂 a b s t i - d c t m o d e l so fm e t a l l o e n z y m ec o n s t r u c t e db yc o m p l e x e so f m o n o m o d i f i e di b - c y c l o d e x t r i n sa n ds t u d y i n gt h er e l a t e d p r o p e r t i e so ft h em o d e l s n a m e ：s i p i n gt a n g m a j o r ：i n o r g a n i cc h e m i t r y s u p e r v i s o r ：p r o f z o n g w a nm a o a b s t r a c t h a s i n gh y d r o p h o b i cc a v i t y ，h y d r o p h i l i cs u r f a c ea n dc h i r a lm i c r o - e n v i r o n m e n t ， 1 3 - c y c l o d e x t r i nc a nr e c o g n i s es u b s t r a t es e l e c t i v e l y a n dm o d i f i e d1 3 - c y c l o d e x t r i n sc a n i n t r o d u c ef u n c t i o n a lg r o u pt h a tc a nc o o r d i n a t ew i t hm e t a li o n sa sc a t a l y t i ca c t i v es i t e s ot h e s ec y c l o d e x t r i nm e t a lc o m p l e x e sf i tt ou s ea st h em o d e lo fe n z y m ee s p e c i a l l y o nt h eb a s eo fo u rs t u d y ，t h i sp a p e rf u r t h e r l yr e s e a r c h e st h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo ft h e m o d e l sa f f e c t e db yt h ec o o p e r a t i v eh y d r o p h o b i cr e c o g n i t i o no fc y c l o d e x t r i nd i m e r a n dc o o p e r a t i v ec o o r d i n a t i o no fp o l y m e t a li o n sw i t hs u b s t r a t e a n dt h ei m p a c t so nt h e i n t e r a c t i o no fc y c l o d e x t f i nm e t a lc o m p l e x e sa n dd n aa r es t u d i e d i nt h i s p a p e r ， an e w 1 3 - c y c l o d e x t r i n d i m e r l i g a n d ， 2 , 6 一d i m e t h y l p y r i d i n e b r i d g e d b i s ( 6 一m o n o a m m o n i o d c y c l o d e x t r i n ) ，a n d i t s c o p p e r a n dz i n c c o m p l e x e s ，a n da n o t h e r6 - m o n o m o d i f i e d1 3 - c y c l o d e x t r i n l i g a n d ， 6 - m o n o 一( 2 一( 2 一h y d r o x y - 3 一( h y d r o x y m e t h y l ) - 5 一m e t h y l b e n z y l a m i n o ) e t h y l a m i n o ) 一d - c y c l o d e x t r i n ，a n di t st r i n u c l e a rb i s c y c l o d e x t r i nz i n cc o m p l e xh a v eb e e ns y n t h e s i z e d t h o s em e t a lc o m p l e x e sh a v eu s e dt om i m i ch y d r o l a s e ，o fw h i c ht h eh y d r o p h o b i c c a v i t i e so fc y c l o d e x t r i n sw e r eu s e dt os i m u l a t et h eh y d r o p h o b i ce n v i r o n m e n to ft h e n a t u r ee n z y m e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h em o d e l s h a sb e e n i n v e s t i g a t e d a d d i t i o n a l l y ，1 3 - c y c l o d e x t r i nd e r i v a t i v e s ，m o d i f i e db y e t h a n e 一1 ，2 - d i a m i n ea n dp y r i d i n 一2 - y l m e t h a n a m i n e ，a n dt h e i rp l a t i n u mc o m p l e x e sa s a b s t r a c t t h em o d e l so fn u c l e a s eh a v eb e e ns y n t h e s i z e d t h ei n c l u s i o no fc y c l o d e x t r i na n d s m a l lm o l e c u l a rc o m p l e xh a sb e e na s s e m b l e da st h em o d e lo fn u c l e a s e f o l l o w i n g r e s e a r c hh a v e b e e nf i n i s h e d ： 1 an e w 1 3 - c y c l o d e x t r i nd i m e r , 2 ，6 一d i m e t h y l p y r i d i n e b r i d g e d b i s ( 6 - m o n o a m m o n i o 一1 3 - c y c l o d e x t r i n ) ( p y r i d y lb i s c d ， l 1 ) ，w a ss y n t h e s i z e d i t sc o p p e rc o m p l e x ( 1 ) ( c u l l ( h 2 0 ) ，c 9 l h l 9 5 n 3 0 1 0 0 c d c l 2 ) w a s p r e p a r e d ，c h a r a c t e r i z e d a n d a p p l i e da s ac a t a l y s tf o re s t e r s h y d r o l y s i s t h e p o t e n t i o m e t r i cp ht i t r a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h ef o r m a t i o nc o n s t a n to fla n d d e p r o t o n a t i o nc o n s t a n to ft h ec o o r d i n a t e dw a t e rm o l e c u l ea r es i m i l a rt ot h o s eo ft h e c o r r e s p o n d i n gs m a l lm o l e c u l a rc o p p e rc o m p l e x ( l o g k c u l l1 2 5 3 ，p k a l8 1 3 ； l o g k c u ( b a m p ) 12 2 0 ，p k a l8 1 1 ) c o m p l e x1h a dav e r yh i g hr a t eo fc a t a l y s i sf o rb n p c h y d r o l y s i s y i e l d i n ga2 7 3 10 3 - f o l dr a t ee n h a n c e m e n to v e ru n c a t a l y z e dh y d r o l y s i s a tp h7 0 ，c o m p a r e dt oo n l ya7 8 2 一f o l dr a t ee n h a n c e m e n tf o rn ah y d r o l y s i s t h e b n p po fb n p ph y d r o l y s i sp r o m o t e db ylw a sf o u n dt ob e5 9 4x 1 0 4m 。1s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec a t a l y t i ch y d r o l y s i sr a t e so fb o t hb n p ca n db n p pi np r e s e n c e o f1w e r ee n h a n c e d 2 t or e s e a r c ht h ei m p a c to nt h eh y d r o l y s i sa c t i v i t yb ym e t a li o n ，t h ez i n c c o m p l e x ( 2 ，z n l l ( h 2 0 ) 2 ，c 9 l h l 9 5 n 3 0 l o o z n c l 2 ) o fl 1w a ss y n t h e s i z e d t h ef o r m a t i o n c o n s t a n t ( 1 0 9 k m l2 7 314 - 0 0 4 ) o ft h ec o m p l e x 1 8u n i th i g h e rt h a nt h a to ft h e c o r r e s p o n d i n gs m a l lm o l e c u l a rz i n cc o m p l e x ( l o g k z n ( h a m p ) 5 5 6 ) ，a n dd e p r o t o n a t i o n c o n s t a n t so f t h ec o o r d i n a t e dw a t e rm o l e c u l e ( p k a l = 8 1 44 - 0 0 3 ，p 如= 9 2 44 - 0 0 1 ) ， f i r es i m i l a rt ot h o s eo ft h es m a l lm o l e c u l a rz i n cc o m p l e x ( p k a l7 9 44 - 0 1 ，p k a 29 6 34 - 0 0 9 ) t h er e s u l t i n gh y d r o l y s i sr a t ec o n s t a n t ss h o w e dt h a t2h a dav e r yh i g hr a t eo f c a t a l y s i sf o rb n p ch y d r o l y s i s y i e l d i n ga n8 9 8 x1 0 3 - f o l dr a t ee n h a n c e m e n to v e r u n c a t a l y z e dh y d r o l y s i sa tp h7 0 ，c o m p a r e dt oo n l ya7 1 7 6 - f o l dr a t ee n h a n c e m e n tf o r n ah y d r o l y s i s h y d r o l y s i sk i n e t i c so fp h o s p h a t ee s t e r sc a t a l y z e db yz n lw a sa l s o i n v e s t i g a t e db yu s i n gb i s ( 4 一n i t r o p h e n y l ) p h o s p h a t e( b n p p ) a n dd i s o d i u m 4 - n i t r o p h e n y lp h o s p h a t e ( n p p ) a st h es u b s t r a t e s t h eb n p po fb n p ph y d r o l y s i s p r o m o t e db y2w a sf o u n dt ob e1 6 8 x10 3m 1s 一h i g h e rt h a nt h a to fn p p , a n d c o m p a r a t i v e l yh i g h e rt h a nt h o s ep r o m o t e db yi t so t h e rz n n 3a n a l o g u e s t h ez i n c u i i i a b s t r d c t c o m p l e x2e x h i b i t sb e t t e rc a t a l y t i ca b i l i t yt h a n1f o rb i s ( 4 - n i t r o p h e n y l ) s u b s t r a t e si n t h eh y d r o l y s i so fc a r b o x y l i ca c i de s t e ra n dp h o s p h a t ee s t e r s ，e s p e c i a l l yf o rt h e c a r b o x y l i ca c i dd i e s t e r t h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n sb e t w e e nc a t a l y s ta n ds u b s t r a t e p l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h eh y d r o l y s i s 3 an o v e lm o n o - m o d i f i e d i b - c y c l o d e x t r i n ( l 。 6 - m o n o 一( 2 一( 2 - h y d r o x y - 3 一( h y d r o x y m e t h y l ) - 5 - m e t h y l b e n z y l a m i n o ) - e t h y l a m i n o ) 一d c y c l o d e x t r i n ) a n di t st r i m e t a l l i cb i s c y c l o d e x t r i n sz i n cc o m p l e x ( 3 ，c 1 0 6 h 2 3 2 c 1 2 n 4 0 11 2 z n 3 ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fp o t e n t i o m e t r i cp ht i t r a t i o n ，t w o z n s p e c i e s ， z n 2 l 】4 + a n d z n 2 l ( o h ) 】”a tp h6 0 8 0 ，a n dt h r e ez n s p e c i e s ， z n 3 l 2 ( h 2 0 ) 2 2 + ， z n 3 l 2 ( h 2 0 ) ( o h ) 】+ ， z n 3 l 2 ( o h ) 2 a tp h8 0 11 0 i np r e s e n c eo f 3 ， t h er a t eo fc a t a l y s i sf o rb n p ch y d r o l y s i si s5 6 3x10 3 - f o l dr a t ee n h a n c e m e n to v e r u n c a t a l y z e dh y d r o l y s i sa tp h7 0 ，l o w e rt h a nt h a to fz i n cc o m p l e x2 ，a n d 1 6 2 10 2 - f o l dr a t ee n h a n c e m e n tf o rn ah y d r o l y s i s ，h i g h e rt h a nt h a to f2 t h eb n p po f b n p ph y d r o l y s i sp r o m o t e db y3w a sf o u n dt ob e1 2 2 10 3m 1s 1 0 w e rt h a nt h a t o fz i n cc o m p l e x2 t h er e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h ec o o p e r a t i v ea c t i o no ft w om e t a li o n s e n h a n c et h em o n o e s t e rh y d r o l y t i cr a t e h o w e v e r ，f o rd i e s t e rh y d r o l y s i s ，t h ea f f e c to f t h ec o o p e r a t i v ea c t i o no ft w om e t a li o n si si n f e r i o rt ot h ec o o p e r a t i v eh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt w oc y c l o d e x t r i n s 4 t h el i g a n d so fm o n o m o d i f i e d 3 - c y c l o d e x t r i n sl j ( 6 - m o n o 一( n a m i n o e t h y l ) a m i n o - p - c y c l o d e x t r i n ) ，l 4 ( 6 - m o n o 一( n 一( p y r i d i n 一2 - y 1 ) e t h y l a m i n o ) 一1 3 - c y c l o d e x t r i n ) a n d t h e i rp l a t i n u mc o m p l e x e s4 ( p t ( l 3 ) e 1 2 】8 h 2 0 ) ，5 ( p t ( l 4 ) e 1 2 4 h 2 0 ) h a v eb e e n s y n t h e s i z e d b o t hc o m p l e x e sm a i n l ya d o p tn o n - i n t e r c a l a t i v em o d ew i t hd n ab y u v - v i sa n dc ds p e c t r o s c o p i e s t h eo b v i o u si n t e r a c t i o nb e t w e e np l a t i n u mc o m p l e x4 a n dd n aw a so b s e r v e db ya g a r o s eg e le l e c t r o p h o r e s i s h o w e v e r , t h el i g a n d sl 3 , l 4 a n dp l a t i n u mc o m p l e x5h a v en oi n t e r a c t i o nw i t hd n a t h ed i f f e r e n c ei n t e r a c t i o n b e t w e e n4 5a n dd n as h o u l da s c r i b et ot h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s t h em o r ea c t i v e h y d r o g e n so f4f a v o rt h ec o n v a l e n tb i n d i n gb e t w e e n4a n dd n a 5 t w on e w c o p p e r ( i i )c o m p l e x e s w i t h a m i n o t h i o e t h e r l i g a n d s ， c u ( l 5 ) ( c 1 0 4 ) 】( c 1 0 4 ) 0 5 h 2 0( 6 ) ， c u ( l 6 ) ( h 2 0 ) ( c 1 0 4 ) 2 h 2 0 ( 7 )( l 5 = 2 - b e n z y l 1 ，3 b i s ( a m i n o e t h y l t h i o ) p r o p a n e a n dl 6 a b s t r a c t 2 - ( 4 - b u t y l b e n z y l ) - 1 ，3 - b i s ( a m i n o e t h y l t h i o ) p r o p a n e ) ，a n dt h ei n c l u s i o nc o m p l e x8o f7 a n d1 3 - c y c l o d e x t r i n ，h a v eb e e ns y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h es i n g l ec r y s t a lx r a y d i f f r a c t i o na n a l y s i sr e v e a l st h a tb o t h6a n d7a d o p td i s t o r t e d s q u a r ep y r a m i d a l g e o m e t r i e s t h eb i n d i n gm o d e so ft h r e ec o m p l e x e sw i t hc a l ft h y m u sd n a w e r e i n v e s t i g a t e db yu v - v i sa n dc ds p e c t r o s c o p i e s r e s u l t ss h o wt h a ta l lc o m p l e x e s m a i n l ya d o p te l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o nb i n d i n gm o d ew i t hd n a a n db i n d i n gc o n s t a n t so f 7i st h eh i g h e s t a l lc o m p l e x e sa r ea b l et oc l e a v ep b r 3 2 2p l a s m i dd n a e f f i c i e n t l yi n t h ep r e s e n c eo fa s c o r b i ca c i d t h ea c t i v i t ys e q u e n c eo ft h o s ec o m p l e x e si s ：8 7 6 t h ed n a c l e a v a g eb y6 ，7 ，a n d8w e r ei n h i b i t e ds t r o n g l yi np r e s e n c eo fd m s oa n d t e r t - b u t y la l c o h o l ，w h i c hs u g g e s t st h a th y d r o x y lr a d i c a l sa r er e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s f o rt h ec l e a v a g e k e yw o r d s ：f l - c y c l o d e x t r i n ，c y c l o d e x t r i nd i m e r , m o d e lo fm c t a l h y d r o l a s e ，e s t e r h y d r o l y s i s ，d n ac l e a v a g e x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢阳 醐：节明z 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：矿明汨 饬 瑁 钐 硼 名 步 ，虢 呼 哦 期 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指 导下完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学院，受 国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论 文或申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许 可，本人不得以任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公 布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承 主旦。 币 象 、压厂 名 ， 别 汨 作 肛 文稚厂 蝣中 ，l岁 学 日 第一章前言 1 1 引言 第一章前言 酶是生物体内具有高效性和高选择性催化功能的特殊蛋白质，广泛存在于各 种细胞中，能在温和条件下高效且快速地催化各种生化反应，促进生物体的新陈 代谢，2 j 。生命体系中约有三分之一的天然酶属于金属酶。金属酶是一种结合蛋 白酶，含有一个或少数几个金属离子，却含有几十甚至几百个氨基酸，活性中心 一般由金属离子和几个与其配位的氨基酸残基，其他氨基酸为金属酶提供特殊的 微环境，促进了金属酶的配位催化作用1 3 巧j 。 在众多天然酶中，金属水解酶是研究得最多的一类金属酶。水解酶分子结构 相对比较简单，来源广泛，在生物催化中的应用也较多，引起人们广泛兴趣，如 脂肪酶、酯酶、蛋白酶等。水解酶通常以“底物酶”这种方式来命名，如酯酶( 催 化酯键水解) 、糖基酶( 催化糖水解) 、肽酶( 催化肽键水解) 、核酸酶( 催化核 酸水解) 等。被研究得较为详细的水解金属酶有碳酸酐酶m 】，羧肽酶a f 8 1 9 1 ，碱 性磷酸酯酶【l o - 12 1 ，紫色酸性磷酸酯酶【1 3 , 1 4 1 等。这类水解酶不仅存在生物体中，而 且参与许多生理过程，如蛋白质、磷脂的水解，遗传物质d n a 、r n a 的裂解， 并在其中起着重要的作用。然而，天然酶结构复杂，来源有限，价格昂贵，纯化 困难，而且对环境非常敏感，稳定性差，在体外很容易变性，这就给它的实际应 用和研究造成了困难【l5 1 。因此，借助化学的理论和实验手段，设计合成合理的 较天然酶分子简单的非蛋白的金属配合物，并以此为金属酶模型来模拟天然酶对 底物的结合和催化过程【1 6 1 ，不仅有助于深化对天然酶作用机制的认识，而且对 金属水解酶的结构与功能关系、生物功能材料与器件的设计都具有十分重要的意 义。 1 2 几种常见的金属水解酶 表1 - 1 列举了一些常见的天然水解酶，并归纳了它们的催化底物以及酶活性 中心的金属离子。下面就研究得最为深入的几种金属水解酶的结构及其反应机理 第一章前言 作简要的介绍。 表1 1 一些常见的天然水解酶 1 2 。1 碳酸酐酶 碳酸酐酶( c a r b o n i ca n h y d r a s e ) 广泛存在于动植物体内，晶体结构研究显示人 碳酸酐酶b 的活性中心由一个锌原子与三个组氨酸残基( h i s 9 4 ，h i s 9 6 和 h i s 1 1 9 ) 的氮原子和一个水分子配位所形成的一个畸变四面体结构所组成( 见图 1 1 ) ，附近有一个由v a l 1 4 3 、v a l 1 2 1 、t r p - 2 0 9 和l e u 一1 9 8 所构成的疏水口袋和 由m 1 9 9 和h i s 2 6 4 所组成的一个质子转移通道 5 , 1 7 , 1 8 1 。 2 第一章前言 国1 一l 碳酸酐酶( p d b i d ：1 2 9 3 ) 的结构( 曲和活性中心( b ) f i gl lt h ea c t i v es i t e o f c a r b o n i c 明h y d m e ( a ) a n d i t sa c t i v es i t e ( b ) 该酶为人所知，就是能促进c 0 2 和h c 0 3 之删的相互转化 6 , 1 9 i c 0 2 + h 2 0 h c 0 3 。+ h + 在人体和动物体内，由碳酸酐酶催化c 0 2 水合生成h c 0 3 。，当h c 0 3 随血液循 环到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使它游离为c 0 2 ，排出体外。而该酶还能催化一 些其他反应，例如醛、丙酮酸的水合作用和碳酸酯，磺酸酯、磷酸酯等酯类的水 解，但是实际上这些催化作用不如催化c 0 2 的水合强。1 9 4 4 年发现，从哺乳动 物红细胞中分离出来的碳酸酐酶含有锌，这是人们发现的第一个锌酶，当除去锌 或者用金属螯合剂处理时，酶就丧失了活性，这说明锌在催化过程中是必不可少 的。 1 2 2 羧肚酶a 羧肽酶a 8 i ( p r o t e a s ec a r b o x y p e p t i d a s ea ，c p a ) 是含1 个z n 2 + 的金属酶，主要 用于帮助蛋白质的消化，在中性或弱碱性条件下显示出极大的活性。羧肽酶a 是三维结构，在酶分子中有一条狭长的空腔，底物的c - 末端沿这条沟槽伸入到 酶分子内的活性部位，空腔内还有一定数量的水分子。z n 2 + 就处在这条空腔的内 表面，它是维持羧肚酶a 活性所必须的组分。 第一市前占 幽1 2 羧肽酶a ( p d b i d ：】j q g ) 的结构( 砷和活性中心( b ) f i g1 - 2 t h ec r y s t a l $ 1 f i l c l u r eo f c p a ( a ) a n d i t sa c t i v es i t e ( 如图1 2 所示羧肽酶a 的活性中心是z n 2 + 与多肽链的两个组氮酸( h i s 一6 9 ， h i s 1 9 6 ) 的咪唑氮原子以及谷氨酸( g l u 一7 2 ) 的羧基氧原于以配位键结合其中谷氧 酸( g l u - 7 2 ) 的羧基氧与z n 2 + 双齿配位，第五个配位点则与一个水分子松弛地连接。 在底物和抑制剂存在下