（有机化学专业论文）金属蛋白活性中心的设计与模拟.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t p r o t e i n i s t h e m a j o r b u i l d i n g b l o c k f o r b i o mo l e c u l e s . a m o n g t h e 2 0 e s s e n t i a l a mi n o a c i d s c o m p o s i n g t h e p r o t e i n , s i d e c h a i n s o f t r y p t o p h a n , h i s t i d i n e a n d a r g i n i n , a r e a n t i c i p a t e d t o s e r v e a s e l e c t r o n - d o n o r s a n d g o o d m e t a l - i o n l i g a n d s . n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s h a v e b e e n f o u n d t o p l a y i m p o r t a n t r o l e s i n t h i s f i e l d . t h e r e s e a r c h o n n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s i s t h o u g h t t o b e v e r y i m p o rt a n t t o t h e u n d e r s t a n d in g o f li fe p ro c e s s e s a n d th e d e s ig n o f f u n c t io n a l s u p r a m o le c u le s . h e r e w e r e p o rt t h e s y n t h e s i s o f p s e u d o p e p t i d e e wi i a n d d whw i t h t h e u n i t o f tr y p to p h a n a n d h is d it in e a s m im ic c o m p o u n d s o f p r io n p e p ti d e h g g g w . t h e e d t a a n d dtpa a r e u s e d h e r e as b a c k bo n e s . w e f i n d t h a t n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s we r e e x i s t e d a mo n g me t a l i o n s , h i s t i d i n e a n d t ry p t o p h a n . i n a d d i t i o n , u s i n g c d d e t e c t i o n a n d e s i - ms , w e e s t i ma t e d t h a t i t h a d h i g h a f fi n i t i e s b e t w e e n me t a l i o n s a n d e wh/ dw h. 八 n o t h e r p a r t o f o u r w o r k i s t o s y n t h e t i z e e wr a n d d wr w h i c h c o n t a i n t ry p to p h a n a n d a r g i n in o t h e r th e n h i sd it in e . t h e y c a n p re d ig e s t th e ty p e s o f n o n c o v a l e n t i n t e r a c t i o n s , a s g o o d a l t e rna t e s o f e wh a n d d wh . k e y w o r d s : a r o m a t ic a m i n o a c i d , p s e u d o p e p t id e , n o n c o v a l e n t in t e r a c t i o n s , f l u o r e s c e n c e s p e c t r a , c d s p e c t r a , n mr , e s i - ms , mo l e c u l a r r e c o g n i z i t o n 符号说明 符号说明 cd dc m dmf dms o dt p a e dt a e s f - ms e t 2 o me mc c n mc oh s o c t 2 t e a t r p ( w) hi s ( h) a r g ( r ) 圆二色光谱 二氯甲烷 甲酞二甲胺 二甲亚砚 二乙 基三胺五乙 酸 乙二胺四乙 酸 电喷雾质谱 乙醚 甲基 乙睛 甲醇 二氧亚巩 三乙胺 色氨酸 组氨酸 精氨酸 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开 大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本; 学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目 录检索以 及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印 件和电子版;在不以 赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学 位 论 文 作 者 、 : )衣 托 -210 07 年了 月夕日 经指导教师同意， 本授权书。 指 导 教 师 签 名 : 一 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 学位论文作者签名: 解密时间: 年月 各密级的 最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最氏1 0 年，可少于1 0 年) 机密 2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作 所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己 在文中以 明确方式标明。 本学位论文原 创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: ) 内 ，年犷 月 ， 7日 第一章前言 第一章前言 第一节 神经退行性疾病中 的蛋白化学 阮病毒与人类疾病 人感染阮病毒病现在己 经发现多例。 根据研究，目 前主要有四种:库鲁病 ( k u r u ) 、 克一雅氏 综合症 ( c j d ) 、 格斯特曼综合 症 ( g s s ) 及致死性家 庭性失 眠 症 ( f f i ) 。 这些疾病的不是传统 意义上的 病毒病，虽然具有感染、传播等一系列 特点， 但是致病因 子却 是一段蛋白 u . 临床变化都 局限 于人和动物的中 枢神经 系统。 病理研究表明，随着阮病毒的侵入、复制，在神经元树突和细胞本身，尤其是小 脑星状细胞和树枝状细胞内发生 进行性空泡化，星状细胞胶质增生， 灰质中出 现 海绵状病变。阮病毒病属慢病毒性感染，皆以潜伏期长，病程缓慢，进行性脑功 能紊乱， 无缓解康复，终至死 亡为特征。 阮病毒病的 传染方式主要 有两种。对于人 类而言，其一为遗传性的，即家族 性， 阮病毒传染是内 源性的: 其二为医源性的，器官移植、 脑电图电极的植入、 不慎使用污染的外科器械以及注射取 自人垂体的生长激素等，都可能造成人肮病 毒的感染。至于人和动物之间是的传染，目前尚无定论。但有消息说，英国已有 两位 拥有 “ 疯牛病” 牛的 农场主 死于克 一雅氏 综合 症， 预示着 人和动物间 有相互传染 的可能性，这有待于科学家的进一步研究证实。由于阮病毒病 目前尚无有效的治 疗方 法，因 此只能 积极预防 2 1 2 p r i o n多肤的序列研究与芳香氨基酸 分析p r i o n 蛋白、 h u n t i n g t o n 蛋白 和p 一 淀 粉状蛋白 的一级 结构 ( 氨基酸序列) ， 在一些重要的片断中，发现每隔三 个较稳定的 氨基酸就有一 个不稳定的 氨基酸存 在 ( 指侧链基团的稳定性)， 即存在重复的“ i 一， i , i 十 4 ”的 “ 还原性 / 碱性 / 亲 核性” 拉链片断，例如:人、牛、鼠、羊等的n 一 端p ri o n 蛋白 序列的特征片断 3 1 为: 第一章前言 p q g g g g w g q ( p h -4 g g g wg q ) ( p h + 0 g g g w g q ) 3 .1- a g a a a a g a 以上序列编号为人类的p ri o n 蛋白 序 列中的 一段。 存在类似的 “ i - 4 , i , i + 4 的 “ 还原性”拉链片断， 这样的 结构也存在于需氧生 命体的 细胞色素 c 氧化酶的 活性部位，已知细 胞色素 c 氧化酶 是通过 与含氧小分子之间的电 子转移反应来代 谢氧气的。因而，这些拉链的存在启示我们与含氧小分子有关的化学过程在蛋白 病变过程中 起着重 要作 用。 理论分析也 表明“ i - 4 , i , i + 4 ” 的“ 还原性” 拉链片断 易于引发氧 化损伤从而 产生氨基酸自由 基， 这些侧联不稳定的 氨基酸并列在一起， 距离很近，它们之间的 协同 作用使得本来不稳定的氨基酸更易于遭到氧化破坏， 引发氧化损伤的蛋白自 由 基过程。同时，这 些并列的不稳定氨基酸形成了一个电 荷的 通道，氧化损伤很容易由 引发部 位传递 到其它的部位。天然氨基酸中，酪 氨 酸 ( t y r ) 、 色氨酸 ( t r p ) 和组氨酸 ( h i s ) 的侧链取代基团不 仅具有强还原能力， 而且还是很好的亲核配体。 3金属蛋白与金属蛋白的活性中心 金属元素在整个生命体系中 起着重要的 作用，己 知有2 5 种金属元 素为生命体 所必需。金属离子与核酸、蛋白 质等生物大分子的作用可以对神经系统产生不正 常的影响，也可以直接或间接地损伤d n a 从而引起细胞的变异;同样金属配合物 又可以 用于治疗和诊断疾病。 这无疑引 起了 众多化学家、生物学家 和医学家的广 泛兴趣。 正因为如此，世界各国 投入大量人力、物力来研究金 属在生 命过程、医 学甚至环境中的作用。 2 0 0 1 年美国 n i h 特别设 立一个“ 金属在医 学中的 应用( m e t a l i n m e d i c i n e ) ” 的大课题。其宗旨 是鼓励无机化学家和分子生物学 家的密 切合作，也 纠正在这方面的投资不足。 而欧共体更是联合欧洲的科学家在1 9 %年即开始 这一 类综合性课题的研究，例 如。 金属在医学中的应 用;溯系元素 用于医疗诊断 和治 疗:金属化 合物用 于治疗 癌症和病毒感染:金属 酶和生物模 拟等等。 这方面的 研 究成果已 集中 在生 物无机 化学杂志( j o u r n a l o f i n o r g a n i c b i o c h e m i s t ry ) 上登载。 为金属离 子选择合理 配基是自 然界中常见的 现象。自 然界中 最为常见的 是使 选择 复 合 的 氮 和 硫 作为 配 体 或 者 辅 基， 比 如 铜 蓝蛋 白 14, 5 1， 铁 和 钻的 睛 基 水 解 酶 6 ,几 胞 淀 脱 氨酶 8 , 9 1, 碳 酸配 酶 10 1溶 酶 体 1 1 ， 维 生 素， 乙 醇 脱 氢 酶 12 , 13 1， 多 肤 变 形 酶 14 1 8 1 。 研究 它的 活性中 心的 结构，就是含有金 属离子的 氮和硫的配合 物。 其中 金 属离 子可以 是铁， 锌， 铜， 镍等。 第一章前言 第二节 金属蛋白 活性中心模拟 2 . 1金属蛋白中常见金属离子介绍 在酶催化中广泛地存在着阳离子与芳香体系的相互作用。几乎三分之一的酶 催化活性需要金属离子。 根 据金属离子一 蛋白 质相互作用强度，可 将需要金 属离子的酶分为两 类: ( 1 ) 金属酶，含紧密结合的金 属离 子， 多属于过渡金属离子，如f e 2 / f e 1 + , c u + / c u 2 + , z 2 + 、 m n 2 +n , m n和 c o 2 + 等， 这种金属离子通常以 配价键的形式，与 氨基酸残基的 侧链 基团 相连， 有时也与酶蛋白 中的 辅基，如血红素的叶琳环相连。金属酶中 的金属 离子， 作为酶的辅 助因子， 在酶 促反应中传递电子、原子或官能团。( 2 ) 金属一 激活酶 金属激酶中的 金属离子与酶的结合一般比较松散， 在溶液中，酶 与这类离 子结合而被 激活， 这 类金属离 子主要是指碱金属离子和碱土 金属离子， 如n a + , k + , m 扩 + 和c a t + 等。 表1 . 1 金属 酶中的金 属离 子与配体 金属离子以三种主要的途径参加反应过程，一是通过结合反应底物为反应定 向 ，二是通过可逆地改变金 属离子的氧化态调节氧化还原反 应， 三是通过静电稳 定和屏蔽负电荷。但 无论是 哪种类型， 都存在着显著的阳离 子与芳香体系的相互 作用。这种弱 相互作 用的影 响是深远的， 甚至可以 对酶 或其它蛋白 起到结构调 控 第一章前言 的作用。 因为， 本课题 主要研究了 模型化合物与过 渡元素c u , z n , c d , m n , f e , c o , n i 等以 及碱土金属c a 的 相互作用， 所以 这部分内 容， 主要综述一下这几种金属 蛋 白及其模拟物的研究。 声 如药 挤 日 赚 咭 自 叙 东 、 起 ，轴 “ 一 数黛 势 图 1 .2常见生命体系中的金属离子在周期表中的位置 2 . 2含铜、锌的金属蛋白及其模拟 在生命体中， 金属离 子存在的形式比较多 样， 价态也非常丰富，比如铜，既 可以 是一价，也可以 是二价，另外还可以 通过不同 的配位数造成结构上的变化， 以实现功能上的多样性。而且同一种金属离子也会出现在多种组织器官中，担任 不同 的作用， 比如既有 含有c u 的蛋白 ， 如铜 蓝蛋白， 又含c u 的金属酶， 如c u s o d 等。 近年来， 研究表明 ，p r p 和 p r p s 0 也可以 结合c u ， 而前者体现了s o d 洋活 性， 后者则否。 人们对于s o d - c u ， 己 经有较深入的 研究， 表明 蓝铜由 一个c y s - s 和 m e t s 以 及两个h i s - n 形成正方形或四 面体的 配位结构， 在6 0 0 m n 有强吸收。 但a g r i n 贝 j 由 2 个 h i s , 1 个 c y s 形 成 三 角 形 ， 上 下 分 别 有 m e t和 肤 拨 基 配 位 2 71 . i 型c u ff 生 物 体 系 中是常作为氧化还原的活性中心存在的，在这样的氧化还原中心里面往往存在 h i s 2 c y s 的 结 构 28 1 o t o lm a n 等 合 成 了 具 有 这 样 结 构 简 单 的 模 拟 物 2 9 1， 通过 e p r ， 循 环伏安等研究， 可以 较好模拟i 型 铜c u 的活 性机制。 t o l m a n 等随后又合成了一系 列 化合物模拟这个过程。主要的改良是对于与c u 配位的小分子的改进，和生物体系 更为接近。 第一章前言 沂 会 了 、 次 丫 a r n c u n a r a r n i c i n a r i i c i s c p h 2 a r = 2 , 6 p r 2 c 5 h 3 ( 一 ) s p a r t e i n e ( 6 民1 i s ) -c n. ns r c lph ph 1 11-1 s so p h 一， ” 图1 . 3 模拟c u 的几个实例 另 一个思 路对于它的 模拟， s u n g - n a k c h o i 等人设计了很 简单的 配体， 对它 进 行了 单晶 和c d 研究 3 0 1 。 这个化合物同 样模拟了， h i s 中 n 的位置，以 及结构 上的相 似。 如上图中的 化合物 ( - ) s p a r te i n e ( 6 r . 1 1 s ) 同 时， k e n n e t h d . k a r l i n 等人研究了 ， 铜存在 下， 对于呼吸作用的影响， 合成 了 另一个同 时含有铁和铜的模型，可以 研究 生命体系中 ，金属蛋白 相互作用3 1 1 图 i a同时含有铁和铜的金属蛋白模型 i i 型铜蛋白 的 研究 主要集中在含铜 金属酶 ( 如c u s o d )的 研究方面3 2 1 于 铜 一 锌 超 氧 化 物 歧 化 酶 ( c u -z n s o d ) 做了 很 多 研 究 工 作 3 3, 34 1 c u - z n s o d 的机理 3 5 1 ， 其研究 方法主 要通过计 算化学、 电位 测定、 人们 究了 s i e g b a h n 研 动力学等。展示 第一章前言 出 酶的活性中心是如下的结构，为 活性中 心设 计提供了简洁的 模型之一: a s p - h i 叱 。 h i s , , gi n iv21一 、二 n o g/ j 0 a sps, 一 h i . 图1 . 5 c u - z n s o d的金属活 性中 心的 结构 h e m o c y a n ln 是 在 软 体 动 物 血 淋巴 中 参 与 氧 搬 运 的 铜 蛋白 质 3 6 ， h e 的 结 构 是 ， 每个亚单 位含2 个铜原 子并结 合一个0 2 , 氧分子结合部位组 成两个变形的 三角形， c u ( n -h is ) 几乎 共 面， 咪 哇 基 交 错 通 过 c u -c u ， 其问 没 有 桥 键 。 在 低 溶 解 时 ， c u ( n - h i s ) 3 在三角平面上方， 形 状更 不规则， c u - c u 间的 距离更长， 与氧反应显蓝 色， 引 起其它配体的 重排。 分子中的 2 h i s -n 形成一个 近似的 平面， 每个c 试1 1 ) 与另 外一 个h i s - n 形成四 方锥型配位。 h e m o c y a n i n 和酪氨酸酶的不同 之处在于酪氨酸酶的 活 性部位即 祸合的 2 个c u 对外部的 配体来说更容易接近。 b a l l o u 等研究了 含有c u o d 的 模型化合物， 将其作为探针， 研究 p d o 中 组氨酸残基中 氮的 配位。 基于铜的 e p r 峰比较f e 更加清晰。观察到组氨酸残基直接和金属离子配位的证据。 日 is 2 1 3 i s 2 1 3 碱h is2oe !f a s p s 6 i j h iszoee ) * o h 2 、h 2 a b 图 1 .6组氨酸残基参与金属离子配位 第一章前言 己 知的混合型铜蛋白 质有抗坏血酸氧化酶， 血浆铜 蓝蛋白， l a c c a s e 等， 它们 的共同点是 伴随基 质的氧 化把仇还原生 成h 2 o 。 三者的 e p r 特征说明 有键合的i i 型 铜和工型铜中心及祸和的i i i 型铜中心，i i 型铜和i i i 型铜形成原子簇显示磁性循环 二向 色性。 细胞色素 c 和蛋还原酶都 有一 个由 两个铜原子形成的 c u 中心。 生命体内 有1 6 0 多 种酶 含有锌， 因此人们 一直在研究含有锌的模型化 合物。 其 中比 较简单的结构， 如多 肤变形酶的模拟， 当然 其金属离 子中 心可以 是c o . c u - z n s o d 中同 样含有z n ， 在铜离子 部分加以 讨论。 含 z n ( i i )的 金属酶传统认为 是通过氮和 氧 ( 氨基酸侧链) 加以 稳定的3 7 1 。 另一项研究也表明， 半肤氨酸中的 s h 同 样 参 与 了 z n 的 配位 13 91 . p e n n e r - h a h n 等 4 oz n x a f s 的 x - r a y衍 射 研究 ， ， 支 持 在 含 锌 金 属蛋 白 中 ， s h . n 与 z n 2* ， 形 成四 面 体 构 型 。 g o ld b e r g 等 研 究了 下 列 模型， 支持 在生 命体中 n 和s 共同 配位起到重要的作 用 4 1 1 鲡 产s n乞| h、勺了 512.5 se-hcyl 一 _/ 争 105/ cys247 一1 -s-cys3 ; h isa4一“ - s - c y s 3 1 0 a c - nyn - sin 价旷 ; 人 。 (1)(2)n -)s h - 少o h m入2 mc o h x ， h c s 缨 m 二 co m 二c o xs rs c n br一 1与书 费 夕6 kscnh3 c, szn-n h3 c szn n-h3h5 n mcoh h c 6 nh3c b 图1 .7 模拟生命 体中z n 2 十 的构型以 及模拟与z n 的 配位 p a u l d . e ll is 等 4 2 研 究了 z n q c p m g 固 体 核 磁 共 振的 方 法， 适 用 于 富 含 6 z n 的金属蛋白的 活性中 心的 结构。 随后，p a u l d . e l l i s 等又设计了 新的配 基， 一类含 第一章前言 硼的 毗 哇 化 合 物 4 3 1 ， 研 究 了 他 们 作为 模 型 化 合 物 在 生 物 有 机 中 的 应 用， 仍 然 采 用 了 6 7 z , 的固 态核磁共振技术。发现存在 4 配 位或者6 配位的z n - 硼毗哇的 配合物。 这 是一类很成功的模型化合物。含硼的配体结构如下: 心 一， 向， 一， h.,. / n-nbh - n 日一 日 rv-rv b is ( p y r a z o ly l ) b o r a t e t r is ( p y r a z o l y l ) b o r a t e 图1 . 8利 用含硼的 毗哇 化合物模拟6 配位的 z n o l i v i a r e i n a u d 等 研究了 使用杯芳 烃作为 配体的 含锌生物模拟4 4 1 ，他 们在杯 芳烃上面修饰了类似酪氨酸，组氨酸的残基，作为配位点，发现这个体系部分的 相似于含锌的 肤酶 ( 如在 as t a c i n 和s e r r a l i s i n e 家族中)。 n 堂r mnh n om cnh u!i 2 声、一例州 呵 ilrl、沪尸卜 砂 /拟创肠 协气呱牡份一一!晒编了诈一一 气述卿、1/少又例 图1 .9利用杯芳烃化合物作含z n 生物模拟 第一章前言 c a n a n o 合成了 另一类伪四 面体构型的含锌的生物 模拟化 合物， 其使用的配体 仍然 含有毗哇 环， 是含有硼的 模型化合物的改进 ( 下图1 )。 它模拟了 生命体中， 含锌 的 蛋 白 的 金 属 活 性中 心的 构 型 a s o c a r r a n 。 等 改 进 这 个 模 型 46 ,4 71 ， 发 展出 了 与 之相似的另 一个模板 ( 下图2 ) 。 有助于理解在g a b a 和 e . c o l i 的 d n a 修复蛋白中， 锌离 子的 选择性结 合的 机制。 通过对于构效关系的研究，阐明 在多 硫氢根体系中 的反应选择性。 r l ,n.n 3 吟liohlzsh 凡ohsh t p r h h hl2 l3 u 图1 . 1 0 伪四面体构型的 含锌的生物模拟化合物 r h e i n g o l d 合 成 了 另 一 类 含 硼 的 模 型 化 合 物 4 81 ， 它 模 拟了 硫甲 基 化 酶 ， 这也 是 一种含有z n 的金属酶。可以催化半肤氨酸的琉基的甲基化反应。其结构如下: p t a ,l 啥 zn(ch3)2 ,b g - f -6r ksc6h; 馨 一: 。(-a 一 h- c 1ci/ ci n/ h h h 1 h 刃 h3c令 才 图1 . 1 4利用大环多胺模 拟金属离子配位 第一章前言 利用叶琳作为模板: 叶琳 ( p o r p h y r i n ) 是生物体内 的一种大环 共辘多氮结构的有机金 属化合物。 其前体是叶吩，叶吩结合 等当量的金属离 子所形成的金 属配合物称为叶琳。 叶琳 及其衍生化合 物广 泛存在于生物 体内和能 量转移的相关的 重要细胞器内。 在动物 体内主要存在于血红素( 铁叶琳) 和血蓝素( 铜) 中， 在植 物体内 主要存在于 v it a m i n b 1 2( 含钻， 又称钻胺素) 和叶绿素 ( 含镁) 中， 是血细胞 载氧 进行呼吸作用和植 物细胞进行光和作用过程中的关键作用。因此，引起了化学家和生物学家的极大 兴趣， 人们 相信叶 琳在能 量转移方面有着优异甚至神奇的 作用。叶琳化合物 在高 分子材料、化学催化、电至发光材料、分子靶向药物等不同领域的各个方面都有 很大 应用，目 前 世界科学界乃至化工工程学界对叶 琳的 研究热度正在逐年增加。 因此，同 样国内 外有学者采用m n 叶 琳作为模板合成一系列 m n s o d ， 模拟类似物， 取 得 了 很 好的 效 果。 s p a s o j e v i合 成的 m n s o d 模 拟 物 就 含 有叶 琳 58 1. r, n if.n 一 丫 r,y n.f_in y 氏.- ni, r2 r4 vnn rc2/. n r3 r 3 r 1 , r2, r3, r4 心m.in in, i/ i/ i/ n 启 图1 . 1 5利用叶 琳模拟金 属离子配位 近来，除了在叶琳上面修饰有机官能团之外，修饰简单杂原子，也可以起到较好 的 效果，如k a c h a d o u r i a n 等合 成的叶 琳类m n s o d 模拟物15 9 1 ， 就是在叶 吩环上引入 了 氯离子， 并且通过研究表明:每增加一 个氯原子，可使化 合物的 氧化还原电 位 增 加 5 5 m v 。 也 有采 用 修 饰 溟 原 子的 方 法 【6 01 . 另 外， 使 用 酞 著 作 为 模 板 也 有 很 好的 效 果 (6 11 第一章前言 图1 . 1 6利用酞蔷模拟金属离子配位 利用s a l e n 等类: m n - s a l e n 类型模拟物有一部分甚 至运用在临 床上， 并 且通过临床已 经验证了 这 一类的s o d 模拟物对神经退行性疾病有着一定的作用， e u c a r i o n 公司申 请了这一系 列含有水杨酸与胺的 席夫碱 衍生 物和m n 的 配合物( 如 e u k - 8 , e u k - 1 3 4 ) 的临 床应用 的 专 利 【6 21 图1 . 1 7利用s a l e n 模拟金属离子配位 1 . 2 . 4含f e , c o , n i 的 金 属蛋白 及其 模拟 含 铁的 生 物 分 子， 主要 有 铁 叶 琳 蛋白 63 1、 铁 氧 还 蛋白 、 血 红 蛋白 、 肌 红蛋 白 6 4 1 玻拍酸 脱氢酶、 过氧化氢酶以 及细胞 色素。 6 5 等等。 对于血红蛋白 和肌红蛋白 ， 研 究了 系列模型化合物， 其中 主要的思 路是 有意识的 在模型分子中引 入限制f e ( 1 1 ) 在一个六配位的环境中的叶琳环【6 6 1 ， 这样的 模型 可以 如下图所 示: fefe 图 1 . 1 8 将铁固定在6配位的模板中 钻 ( c o b a l t )在周期表中，和铁同处于第八族，也具有铁磁性，在化学性质上 第一章前言 与铁也有相似性。钻的配合物可以与 0 2 结合，如: +dmf + oz - - -o- co ( a c a c en ) ( dmf ) 02 图 1 . 1 9固定氧的烯胺型 c o 配合物 自 然界中 存在的 含钻的 金属蛋白 主要是钻叶琳蛋白( v b 1 2 ) ， 研究表明， 钻叶琳也 可以与0 2 结合，如下面的 结构，可以作为模型 化合物。 n i 同样处在第八族，比 较重要的 含镍的 生物分子是四 类酶， 分别为: 服酶、 水解酶、乙 酞辅酶a合成酶、甲 一 硫辅酶m还原 酶( 6 7 1 。 双核的 含n i 的多 氨基配合 物可 以 作 为 脉 酶的 模 拟 物 【6 8) ni、0 、 . 叮n 、 n / / . 图1 . 2 0 服酶的 模拟 同时，研究者还合成了一系列的模拟物，用来模拟含镍酶的电子和光谱学性质， 其中 有 代 表 性 的 结 构 如 下 6 9 , 70 1. 一 r 图1 .2 1 其他含n i 的 模拟酶模型 25含钙的金属蛋白 该 在细胞内的 浓度 ( 1 0 p p m) 要远比细胞 外 ( 1 0 0 0 p p m ) 到生命体中的诸多反应， c a ( 1 1 )是闭壳层结构， 如神经传导，血液凝固，分泌乳汁， 来的低，钙能影响 调节心律等。由于 没有比较好的电学、光学活性，研究中大多采用稀土 t b 第一章前言 来模拟这一类分子，由 于相距比 较远，我 们认为意义不大7 1 1 2 . 6对生命体有害的金属离子镐 虽然不是生命必需的金属元素，但是由于锡可以置换生命体系中的钙和锌， 对人体造成严重的伤害， 因此，研究生物 分子 ( 蛋白 、核酸) 对于锅的 吸收也很 有意义。 c d ( i i ) 的毒性很大程度上源于 和z n ( i i ) 的相 似性， 可以取代很多含 锌酶的 锌，从而影响并抑制了 含锌酶的活 性， 如碱性磷酸酷酶、 醇脱氢酶、 碳酸配酶等 含 锌 酶 都 可 以 因 为 c d 的 取 代 而 丧 失 活 性 ， 另 外 ， c d ( id与 h g ( i i ) 相 似 ， 也可 以 与半胧氨酸中的琉基结合，抑制一 s h 酶系的活性。 第三节 非共价相互作用 3 . 1常见非共价相互作用 化学键是指分子或晶体中相邻的两个或多个原子 ( 离子)之间的强烈相互作 用， 其主要类型有离 子键、 共价键 ( 包括配位 键) 和金属键等:与化学 键不同， 非共价作用力是指分子内或分子间的原子之间的吸引。 在非共价作用力中， 尽管o -h. . . o 和n-h . . . o 等较强的氢键是人们研究和使 用最广泛的分子间 作用力， 然而许多较弱的 作用力包括c - h . . . o 氢键 7 2 -7 4 . c - h 二 氢键7 5 1 , 1 c 二 二 堆积作用【 7 6 a 9 1 、静电作 用、 范德华力 和疏水作用广泛存在于核 酸和蛋白质等多种生命化合物中。 非共价作用力属于弱作用力， 众所周知， 共价键能 量一般为4 0 0 k j / m o l ， 而非 共价作用力的强度比 共价键要低一 两个数量级， 一般为4 4 0 k j / m o l 。这 种弱相互 作用力很难单独形成稳定的复合物， 但若分子在空间的 位置取得某种构象，使较 多的弱 相互作 用力和较多的结合点 相协调， 则可以 在分 子间 形成较强的 结合力或 选择性，这将会起到决定生物大分子构象的作用。因此，非共价相互作用是生物 高层次结构的主要作用力，非共价作用力对生物体系意义重大。 各种非共价相互作用结合能的大小也有差别，在不同级别生物结构中的地位 第一章前言 也有不同。 结合能较大的氢键， 在较低的结构级别 ( 如蛋白 质的 二级结 构) ， 较小的 尺度间，把氢受体基团与氢供体基团结合起来。结合能较小的范德华力则主要在 更高的结构级别， 较大的尺 度间， 把分子的 局部结构 或不同 分子结合起来。 最近新发现的一种非共价作用力是发生在阳离子与富电子体系之间的相互作 用 一 c a t io n - a i n te ra c t io n ， 是 数 年 前 加 州 理 工 学院 的d o u g h e r ty 所 提 出 17 9, 80 1 。 现 在， 生物分子上的芳香环 ( 如色氨酸的支链残基)对阳离子 ( 包括季胺盐离子，金属 离子等) 的识别，已 经被认为是 很多神经细胞表面受体识别阳离子的分子科学基 础。 图1 .2 2 k 与苯环的相互作 用示意图 3 . 2富电子的芳香氨基酸 生命体系中大量的蛋白 质分子均由2 0 种天然氨基酸组成。这些氨基酸各带有 不同的有机基团，其中可分为极性与非极性的;在中性介质中带正电和带负电的; 疏水的 和亲水的; 带芳香基的和不带芳香基的 。自 然界里组成蛋白 的结构单元是 2 0 种天然氨 基酸以 及基于 这2 0 种天然氨基酸而后修 饰的 一系列非天然氨 基酸。 其 中除脯氨酸及其衍生物外，这些氨基酸在结构上的共同点是与梭基相连的碳原子 上都有一 个氨基，因 此称为 a - 氨基 酸。连接在a - 碳上的还有 一个氢原子和一个可 变的侧链，称为 r基团，各种氨基酸的区别就在于 r基团的不同，这也是天然蛋 白的种类和功能多样性的根本原因。在这2 0 种的氨基酸中，只有 弓 种氨基酸带有 芳香性的 基团， 它们是苯环 ( b e n z e n e ) ,酚环 ( p h e n o l ) 和叫 垛环 ( i n d o l e ) ， 分别 为苯丙 氨酸 ( p h e , f ) . 酪氨酸 ( t y r , y ) ， 色氨酸 ( t r p , w ) 。 三种均为n - 供体。 下 第一章前言 图是3 种芳香氨基酸的具体说明。 由 于这三种氨基酸的 r基团 中含有芳香体系，因 此这三种氨基酸在近紫外区 ( 2 0 0 4 0 0 tu n ) 有吸收. 相关蛋白 质由 于含有 这些氨基酸所以 也有紫外吸收的能 力， 一般最大吸收在2 8 0 m n 波长处，因此能 利用这点来测定样品 中蛋白 的 含量。 芳香 氨基酸在紫外区呈现比 较弱的荧光， 近来还证明了 色氨酸呈现磷光 ( 一 种寿 命较长的发射光) 。这些荧光和磷光性质在研究蛋白 质、多肚以及仿肚的结构和动 力学中有着特别的作用。 arom目k皿甲”. p 旧 j 0 . 侧 知 叨100 。1盆，七乏胜匕.力习抽乞二 2 0 0 2 5 0 3 国 w a r 动 助 g m 而 h 严军弓 柳卿帆.、护，眼翩 租尹f喊伽 h )11卜|1此 双闷跳、，2脚 (|砚1(.j产、园 图1 .2 3 具有芳香性的氨基酸以及它 们的 吸收光谱 ( 摘 自l e h n i n g e r , t h e p r i n c ip l e o f b i o c h e m i s t ry 3 s e d . f re e m a n c o r p . u s a . 第一章前言 第四节 论文选题 我们试图通过合成一系列可以 模拟p ri o n 多 肤的 简单的 模型化合物来了解含金 属离子p ri o n 多 肤的化学功能。 因而， 我们的 研究课题就是设计合成能模拟生物体 内复杂蛋白质的化学小分子模型，通过对这些结构简单，具有代表性的小分子模 型结构和性质的研究来了解生命科学的分子化学基础，期望可以揭示蛋白质间相 互作用的本质，为小肤分子药物和疫苗设计以 及复杂超分子体系的 研究提 供理论 基础和实验依据。 我 们 的 研 究 工 作 不 仅 局 限 在 天 然 的 多 肤 中 发 现的 金 属离 子 ( 如 c a 2+ , m j 十 、 f e 2 + , c u 2 + , z n l + 等) ， 对具有生物毒性的 和环境保护意义的金属 离子 ( 如 c 2 +d 众所周知的水误病)也同样在我们考察的范围之内。 基于以上两点思考，以 及本课题组在胺狡配体e d t a , d t p a作为二价模板框 架的多年的研究工 作的基础 上， 合成了 同时含有含色氨酸残基、组氨酸残基的开 链结构受体e wh , d w h ， 并利用荧 光光 谱、 圆 二色散、 核磁共振技 术和质 谱等多 种分析手段，间接检测到了水溶液中金属离子与受体之间的非共价相互作用 ( c a t i o n 一s作用) ， 并且通过计算得到了多 种金属离子与芳香环 之间发生的 作用 占 整体配位作用的 程度。 我们的 工作，期望对生物分子非共价识别、生物受体模 型设计、化学传感器设计及含有芳香氨基酸的多肤链功能预测和 mr i 造影剂等领 域的进一步研究有一定促进作用。 另 一方面， 我们 还研究了 另一类更为简化的 模拟物，即 将 e wh , d wh中的 组氨酸替换为精氨酸，同时研究了它们的光谱学性质。 第二章 含有组氨酸残基的金属蛋自的模型研究 第二章 含有组氨酸残基的金属蛋白的模型研究 第一节 引言 2 . 1 . 1 组氨 酸是 一类 重要的 氨 基酸 组氨酸 ( h i s t i d i n e ) 是碱性。 一 氨基酸之一。 各 种蛋白 质中都含有l型组氨酸， 也是存在肌肉中的 一种肌肤成分。 碱性可与 酸反 应产生盐， 由p a u l i 反应即 和重 氮苯磺酸反应产生红色。对人体来说，组氨酸不一定是必需氨基酸，但对鼠和 其它动物是必需氨基酸。现在己经知道，在生物体内的主要代谢途径有通过组 氨酸脱氨酶进行脱氨， 通过脱梭酶形成组 胺以 及氨基转移反应。 生物合成是从 a t p的腺ao吟部分和磷酸核糖丝磷酸形成咪哇甘油磷酸，进行氨基转换反应。 组氨酸的咪啤环显示出 很强的配位能力， 在金属蛋白中 ， 通常可以 作为最为 重要的配位点 ， 比 如在血红蛋白 中和铁叶琳发 生作用。 在 p r p “ 和 p r p s 0 与铜离子 ( c u 1 1 )的 作用中， 组氨酸也有类 似的作 用。 2 . 1 . 2由p r i o n 多 肤到模 型化 合物 p r i o n多 肢中 有一段为 h g g g w， 经研究对 于络合金属离子起到比 较关键 的作用，因此，我们从 h g g g w入手深入分析它的结构，认为: 图2 . 1由大然物到模拟物 ( 左) ，络合金属离子的简易模型 ( 右) 第二章 含有组氨酸残幕的金属蛋自的模型研究 这一段多肤中其主要作用体现了组氨酸的配位能力，和色氨酸中叫噪环的 芳香性，因此我们选择合成了，以e d t a , d t p a为模版，同时含有色氨酸、组 氨酸的模型化合物e wh , d w h . 2 . 1 . 3研究模型化合物中可能存在的相互作用 1 . 氢键x-h . . . y 由于与电负性大的x原子形成共价键的h原子有剩余作用力，可与另一个 电负性大的y原子发生以静电相互作用为主的有方向性和饱和性的较强作用力。 其键能介于一般共价键 和范 德华力之间【 1 ,2 1氢键x - h . . . y中的x和y通常是 电负性较大，半 径较小的 原子，如f , o , n等， 后来发现c , c l , b r , i , p , s 等在某些特殊的 环境中 也能参与形成氢键3 .4 1氢键在分子识别、 组装和分子晶 体 工 程 中占 有 非 常 重 要 的 基 础 地 位 5 1。由 于 氢 键 的 方 向 性 ( d ire c ti o n a lity ) 和 选 择性 ( s e l e c t i v i t y ) ， 近年来普遍用来构 筑超分 子体系。 氢键的方向 性是指它有可 能预知分子亚单元之间的排列方式，而选择性是指在具有多重氢键相互作用体 系中，可以通过挑选精确互补的分子亚单元来对氢键驱动过程进行控制，得到 期望结构的聚集体。单 个氢键的 相互作用力相 对较弱 ( 一 1 0 k j / m o d ， 但多氢键 的强度可达到一5 0 k j / m o l 或更高6 1 2 . c h - 1 c 作用 c h - n 作用是一种发生在 c h基团 ( 软酸) 和二体系 ( 软碱) 之间的弱的氢键 作 用， 具有通常氢键的一 般特征门 。 它作为一 种弱的分子间 相互作用， 不但影响 有机化合物的构象、 不对称光学性质、 立体选择反应、 手性识别及超分子体系的 固态结构，而且在控制固态有机分子的晶体堆积、生物体系中蛋白质和 d n a的 结 构 和 性 质方 面 起 着 积 极的 作 用 18 1 3， 兀 作用 n - a 作用是一种发生在兀 体系和兀体系之间由于电荷分布不均匀