（物理化学专业论文）钨氧转移酶活性端配位场的仿生合成及其性质研究.pdf

首都师范大学硕士学位论文 摘要 钨氧转移酶在生物体系的氮、硫和碳的天然循环过程中起着极其重要的催化 作用，x 射线单晶结构分析研究表明，其活性结构因子由金属w 与二硫烯上的 s 原子配位而形成，因而各类钨氧转移酶活性结构因子的仿生合成以及生化机理 研究成为热点。本文以邻苯二酚和邻苯二胺为配体合成了一系列钨氧转移酶活性 中心仿生配合物，并对其进行了晶体结构测定以及相关谱学表征，主要内容如下： 1 、室温下，选用具有手性特征的质子化1 , 2 - 丙二胺( 1 ，2 一p r o p a n e d i a m i n e ) 为抗 衡阳离子，由正四丁基铵十钨酸盐和邻苯二酚反应，得到钨酶活性结构因子仿生 配合物 h 3 c h 2 c m 哪2 c h 3 ) 2 【w v l 0 2 ( o c 6 h 4 0 h ( 1 ) ，用x 射线衍射技术测定了其 晶体结构，晶体属单斜晶系，空间群为i 2 1 n ，并对它进行了i r 、1 h n m r 和u v - v i s 谱学表征，利用n m r 研究了其与a t p 的相互作用，结果发现手性特征的l ，2 丙二胺及邻苯二酚苯环的1 h 化学位移在与a t p 混合前后均呈现出较大的差异， 分析得出：配合物中的金属离子在d 2 0 中大多数均以w ( 价态存在，但在与 a t p 共存时转化为w ( v d ，并与配体发生了解离。 2 、室温下，于混合溶剂c h 3 0 h 、c h 3 c n 、n i - 1 2 c h 2 c h 2 n h 2 以及微量的h 2 0 中，由正四丁基铵十钨酸盐和邻苯二酚反应，生成了钨酶仿生配合物 ( n h 3 c h 2 c h 2 n h a ) 3 w v 0 2 ( 0 c 6 凡o ) 2 2 ( n i - 2 c h 2 c h 2 n h 2 ) 2 h 2 0 ( 2 ) ，并用x 射线单晶衍射测定了其晶体结构。结果表明：配合物为单斜晶系，空间群为p 2 l c ， 并与类似配合物( q h 2 c h 2 c h 2 n h 3 ) 2 w ”0 2 ( o c 6 m o ) 2 、( n h z c h z c h z n i - 1 3 ) 2 5 【m o v o 5 w w o 5 0 2 ( o c 6 m o 瑚和( n h 2 c h z c h 2 n h 3 ) 3 m o v0 2 ( o c 6 心o ) 2 进行比较，发 现：虽然中心离予的价态不同，e p r 信号不同，但配位结构相同。众所周知， w o o 化合物因的d 1 电子组态而具有e p r 活性。还发现了室温下这四种仿生配合 物的电子顺磁共振谱( e p r ) 与牛奶中黄质氧化酶的e p r 呈相似性，推断出： 钨氧转移酶活性中心在进行电子转移时，配位场不变。 3 、室温下，于混合溶剂c h 3 0 h 、h 2 0 、n h 2 c h 2 c h 2 n h 2 中，由钨酸钠和邻 苯二胺反应，生成了钨氧转移酶仿生配合物( n h 2 c h 2 c h 2 n h 2 ) ( q h 2 c h 2 c h 2 n h 3 ) , 2 w 0 2 0 m c 她n h ) 2 】2 h 2 0 ( 3 ) ，x 射线单晶衍射分析结果表明：该晶体属单斜晶 系，空问群为p 2 1 c ，并与其它以s 和0 原子配位的钨氧转移酶活性结构因子仿 首都师范大学硕士学位论文 生配合物比较表明，虽然配位原子及中心金属离子不尽相同，但对配位场的变化 影响不大，均都具有手性的顺式变形八面体的几何构型，即显钨氧转移酶活性结 构因子的配位模型。实验结果还显示：在与各成邻苯二酚钨、钼配合物相同的实 验条件下得不到标题产物。 另外，室温下，于c h 3 0 h 和h 2 0 的混合溶剂中，钨酸钠存在下邻苯二胺和 盐酸反应生成了红色( 4 a ) 和浅棕色( 4 b ) 两种不同颜色的c 扛h ( n h 2 h 2 h c i ( 4 ) 块状 晶体，同时还生成深棕色针状的2 , 3 二氨基吩嗪晶体固，分析结果表明：浅棕色 与红色块状晶体均为邻苯二胺盐酸盐，具有相同的晶体结构和m 光谱，但u v - v i s 妃谱呈现出差异。 楚键词钨氧转移酶活性结构因子仿生配合物邻苯二酚邻苯二胺 晶体结构 n m re p r i l 首都师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u n g s t o e n z y m e sp l a y a l li m p o r t a n tr o l ei nt h eg l o b a lc y c l e so f n i t r a t e ，c a r b o n ，a n d s u l f u r x r a ys t r u c t u r ea n a l y s e sf o rt u n g s t o e n z y m e si n d i c a t e dt h a tt h em e t a lt u n g s t e n w a sc o o r d i n a t e dt ot h ec o f a c t o rt h r o u g ht h ed i t h i o l e n es u l f e r sa n df o r m e dt h ea c t i v e s i t e s t r u c t u r a l l yc h a r a c t e r i z e ds y n t h e t i ca n a l o g so ft h ea c t i v es i t e so fw - c o n t a i n i n g e n z y m e sa r ee s s e n t i a lf o rt h ei n t e r p r e t a t i o n o fb i o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dc a t a l y t i c a c t i v i t y o ft u n g s t o e n z y m e s s ob i o m i m e t i cs y n t h e s i sa n db i o c h e m i c a lm e c h a n i s m s t u d yo fa c t i v ec o f a c t o ro ft u n g s t o e n z y m e sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n i nt h i s t h e s i s as e r i e so fb i o m i r n e r i cc o m p l e x e so ft h ec o f a c t o ro ft u n g s t o e n z y m ew i t hc a r e c h o la n do - p h e n y l e n e d i a m i n eo r g a n i cl i g a n d sh 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 db ym e a n so f s p e c t r aa n dx - r a ya n a l y s i s t h em a i np o i n t sa r e a sf o l l o w s ： 1 、c i s d i o x o c a t e c h o l a t o t u n g s t e n ( v dc o m p l e x ( n h 3 c h 2 c i 刑r h 2 c h 3 ) 2 w ”0 2 ( 0 c 6 h 4 0 ) 2 ( 1 ) i s o b t a i n e dw i t hc h i r a lp r o t o n a t e d1 , 2 p m p a n e d i a m i n eb yt h er e a c t i o n o f t e t r a b u t y la m m o n i u md e c a t u n g s t a t e w i t hc a t e c h o li nt h em i x e ds o l v e n to fc h a o h 、 c h 3 c n a tr o o mt e m p e r a t u r e t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc o m p l e xw a sd e t e r m i n e db y x r a yd i f f r a c t i o ns t r u c t u r a la n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w t h a tc o m p l e x b e l o n g st om o n o c l i n i cs y s t e mw i t hs p a c eg r o u pp 2 1 n ，a n ds t u d i e db yi r 、1 h n m ra n du v - v i s t h e n m rs t u d i e so nt h ei n t e r a c t i o no ft h et i t l ec o m p l e xw i t ha t pr e v e a lt h a t1 hc h e m i c a l s h i f t so f1 ，2 - p r o p a n e d i a m i n ea n dc a t e c h o lw i t ha n dw i t h o u ta t pe x h i b i td i s t i n c td i f - f e r e n c e ，t h er e d u c t i o no fw ( v o t ow f v ) o c c u r sw h e nt h et i t l ec o m p l e xi sd i s s o l v e di n d 2 0 a n dt h ew f v ) i so x i d i z e da g a i nw h e na t ps o l u t i o ni sm i x e dw i t ho r i g i n a ls o l u t i o na n dt h eh y d r o l y s i so ft h ec a t e c h o l a t ol i g a n dt a k ep l a c e sa tm e a nt i m eb e i n g m o n i t o r e d b y1 h n m r 2 、c i s - d i o x o - c a t e c h o l a t o t u n g s t e n ( v )c o m p l e xm h 2 c h 2 c h 2 n h 3 ) 4 w 7 0 2 ( o c 6 h 4 0 ) 2 2 ( n h 3 c h 2 c h 2 n h 3 ) h 2 0 ( 2 ) i ss y n t h e s i z e da tr o o mt e m p e r a t u r eb yt h e r e a c t i o no ft e t r a b u t y la m m o n i u m d e c a t u n g s t a t ew i t hc a t e c h o li nt h em i x e ds o l v e n to f c h 3 0 h 、c h 3 c na n dn h 2 c h 2 c h 2 n h 2 t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc o m p l e x ( 2 ) w a sd e - t e r m i n e db yx - r a yd i f f r a c t i o ns t r u c t u r a la n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p l e x ( 2 ) b e l o n g st om o n o c l i n i cs y s t e mw i t hs p a c eg r o u pp 2 1 c c o m p a r e dc o m p l e x ( 2 ) w i t h c o m p l e x e s ( n h 2 c h 2 c h 2 n h 3 ) z w v l 0 2 ( o c 6 i - h o h l ，( n h 2 c h 2 c h z n h 3 ) 2 5 m o v 9 5 w v l o z ( o c 6 h 4 0 ) 2 a n d ( n h 2 c h 2 c h 2 n h 3 ) 3 m 0 7 0 2 ( 0 c 6 h 4 0 ) 2 ，i t i sf o u n dt h a tt h e v a r i a n c eo ft h eo x i d a t i o ns t a t e sa n de p r s p e c t r ao f c e n t e rm e t a li o n sh a sn oi n f l u e n c e o i lt h ec o o r d i n a t i o nf e a t u r e i tc o u l db cs u g g e s t e dt h a tt h ec o o r d i n a t i o ns t r u c t u r e0 fw h a v en o c h a n g e s i nt h e p r o c e s s i n g o fe l e c t r o nt r a n s f e ro f t u n g s t e n c o n t a i n i n ge n z y m e s l l l 首都师范大学硕士学位论文 f r o mt h er e s u l to ft h es i m i l a r i t yo ft h e e p rs p e c t r at h ec o m p l e x e sa n df l a v o e n z y m e f r o mm i l k 3 、t h ；c i s d i o x ot u n g s t e n ( v 1 ) c o m p l e x j , ( n h z c h 2 c h 2 n h 3 ) z w ”0 2 ( n h c 6 h 4 n h ) 2 2 ( n i - 1 2 c h 2 c h 2 n h 2 ) h 2 0 ( 3 ) i ss y n t h e s i z e d a tr o o m t e m p e r a t u r eb y t h er e a c t i o n o fs o d i u m t u n g s t a t ew i t ho - p h e n y l e n e d i a m i n ei nt h em i x e d s o l v e n to fc h 3 0 h 、i - 1 2 0 a n dn h 2 c h 2 c h 2 n h 2 t h e c r y s t a ls t r u c t u r eo fc o m p l e x w a sd e t e r m i n e db yx r a yd i f - f r a c t i o ns t r u c t u r a la n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p l e xb e l o n g st om o n o c l i n i cs y s - t e mw i t hs p a c eg r o u pp 2 1 c c o m p a r e d t h ec o m p l e xw i t hi t sa n a l o g o u sb i o m i m e t i c c o m p l e x e so ft h ec o f a c t o ro fm o l y b d o e n z y m e sa n dt u n g s t o e n z y m e s ，i ti sf o u n dt h a t t h ev a r i a n c eo ft h ec o o r d i n a t i o na t o m sa n dt h em e t a li o n sc e n t e rh a sn oi n f l u e n c eo n t h ec o o r d i n a t i o nf e a t u r e ，a n de x h i b i t sd i s t o r e do c t a h e d r a lc o o r d i n a t i o nw i t hc i s - d i o x o o - p h e n y l e n e d i a m i n e f r o mo u rs t u d i e s ，w ef o u n d t h a tt h et i t l ec o m p o u n dh a v e n ts y n t h e s i z e du n d e rt h es a m er e a c t i o nc o n d i t i o na si t sa n a l o g o u sc a t e c h o l a t o - t u n g s t e na n d m o l y b d e n u mc o m p l e x e s i na d d i t i o n ，c e h , f t , a - 1 2 h 2 h c l ( 4 ) 稍t l lr e d ( 4 a ) a n d p a l eb r o w n ( 4 b ) c r y s t a l sw e r e s y n t h e s i z e da tl o o mt e m p e r a t u r eb yt h er e a c t i o no fo - p h e n y l e n e d i a m i n ew i t hh y d r o c h l o r i ca c i di nt h em i x c ds o l v e n to fc h 3 0 ha n di - 1 2 0 ，m e a n w h i l e ，p h e n a z i n e - 2 , 3 - d i a m i n e ( 5 ) w i t h n u t b r o w no f o p h e n y l e n e d i a m i n e d i m m e rw a ss y n t h e s i z e d ，a n d t h e i rc r y s t a ls t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e db y x r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ec r y s t a l s ( 4 aa n d4 b ) w i t hd i f f e r e n tc o l o r sb e l o n g st ot h es a m es t r u c t u r e a n di r s p e c t r a ，w h i c ht h e r ea r es m a l ld i f f e r e n c ei nu v - v i ss p e c t r a ，p a r t i c u l a r l y , n e a r t h ev i s i b l er e g i o n k e y w o r d s b i o m i m e t i cc o m p l e xo ft h ec o f a c t o ro ft u n g s t o e n z y m e c a t e c h o l o - p h e n y l e n e d i a m i n ec r y s t a l s t r u c t u r en m re p r 首都师范大学硕士学位论文 第1 章课题背景 钨和钼是绝大多数生物不可缺少的微量元素，它们的化学性质极为相似，但 铝元素早在2 0 世纪3 0 年代就已经发现在一系列的酶，尤其是在一些固氮酶中具 有重要的作用f i j 。但直至1 9 8 3 年才开始发现，在一些生物体中也含有钨，至今， 已经分离出了十二种之多的含钨的酶，并对这些钨酶进行了结构和活性研究，x 射线晶体结构分析结果表明，其活性结构因子是以金属w 为配位中心，呈手性 八面体、方锥等的小分子配合物【2 】。值得注意的是钨氧转移酶在生物体系的氮、 硫和碳的天然循环过程中起着及其重要的催化作用【3 】，由此钨酶活性中心结构 的模拟功能配合物的合成及其生理活性、催化机理研究引起广泛科学工作者的强 烈兴趣。 绝大多数有关钨酶活性部位合成、开发都是建立在钼酶的研究基础上的，或 是进行简单地取代金属离子，或是在钼配合物的基础上作一些功能性修饰。联系 生物w 和m o 中心的生理性功能差异，成和开发功能性强、结构新型且具高活 性的钨酶类似物成为了研究热点，除传统的用作催化剂外，近代在材料科学、药 物化学方面也倍受瞩目，尤其在用作药物方面有很大的潜力，具有良好的应用前 景。在长期的研究基础上，取得了一系列的可行性合成方法。 根据报道显示，单分子的钨氧模拟配合物中w 的价态只有w 、w 两种， 且形成一个电势对，通过电子转移在两个价态之间变化，达到催化一些低电势的 生理反应。因w ”，w 的氧化还原电位比m o v m o 低3 0 0 4 0 0 m v ，w 较m o v l 不易被还原为w ”，与等价的m o 仿生配合物相比，钨酶活性部位的仿生合成发 展很慢。 曼彻斯特大学的j o u l e 和他的同事们以【m 0 2 ( c n ) 4 】。为原料，经取代反应得到 产物，合成了一系列钨酶的模拟配合物1 6 - 9 。印度的s a r k a r 与其同事们也合成了系 列的醛氧化还原酶的模拟配合物【p h 4 p 】2 【w 02 ( m n t ) 2 】， e m n 2 f w l v o ( m n t ) 2 】， 【e 删2 【w m o ( s 2 ) ( m n t ) 2 1 0 。1 1 】，其中 e t 4 n 2 w o ( m 0 2 1 还可以模拟乙炔水化酶。 哈佛大学的h o l m 与其同事们根据钨酶的活性中心，以二硫酚为基体，合成了一 系列2 一( 2 - 硫烯 w ( 、v 1 ) 的配合物1 1 2 - 2 3 1 。另外，1 9 9 3 年曾有一例报道，r e , d s h a w c a r l 等a t 2 4 甾】利用氧化加成反应使w a 2 ( p m e 3 ) 4 在过量的邻苯二胺条件下，合成 首都师范大学硕士学位论文 了c i s ，m e r - w ( o n c 6 h n n h 2 ) c 1 2 ( p m e 3 ) 3 、w a o - ( h n h c 6 i 玉 2 ( p m e 3 ) 2 ( b p h 4 ) 以及 n c s m e 5 ) w c l 2 f l ，2 一( m d 2 c 6 v , d 钨配合物。：i 匠3 9 ：r e d s h a wc a r l 等人【2 6 】利用【w o a 4 】、 w ( i 岍 h ) c h ( e t 2 0 ) 】分别与邻氨基苯甲酸1 ，2 一( n h 2 ) ( c 0 2 田c 6 地反应得到两种 【w ( x ) c 1 3 ( h 0 2 c c 6 r t o - x 呻】2 【x = o ，n p h 】钨配合物。 前人合成的钨酶模拟配合物大多数都是以双硫烯类化合物为配体，即都是以 s 为配位原子。本实验室以n 、o 同为配位原子，用邻苯二酚、邻氨基酚、邻苯 二胺以及2 , 3 二羟基萘等配体，合成了以乙二胺作抗衡阳离子，通式为 m 0 2 ( o c 6 h 4 0 ) 2 】” m - - m o ( v ) 、w 和m o n 5 w d 0 j 】的3 种为配位阴离子的 铝钨配合物，并进行了晶体结构及谱学表征1 2 7 2 9 】。还报道了邻氨基酚为配体的 m o ”c h ( h n c 6 h 4 0 ) 2 3 一配位阴离子合成及结构表征， 本文承袭导师的工作，主要研究了在室温下以邻苯二酚、邻苯二胺、2 , 3 二 羟基萘等为配体的钨配合物的合成、晶体结构以及有关谱学性质。 参考文献： 【l 】1h i l l e ，r c h e m r e v 1 9 9 6 ，9 6 , 2 7 5 7 2 8 1 6 【2 】j o h n s o nm k ，r e e sdc ，a d a m sm w w c h e m r e v 1 9 9 6 , 9 6 ，2 8 1 7 - 2 8 4 0 3 】g o d d a r d ，ca ；h o l m ，r h ；i n o r g c h e m 1 9 9 9 ，3 8 ，5 3 8 9 - 5 3 9 8 【4 】4t u c c i ，g c ；d o n a h u e ，j p ；h o l m ，r h ；i n o r g c h e m 1 9 9 8 ，3 7 ，1 6 0 2 - 1 6 0 8 【5 】s u n g , k m ，；h o l m ，r h ；j a m c h e m s o c 2 0 0 1 ，1 2 3 ，1 9 3 1 - 1 9 4 3 6 s t e p h e n e d ，g e o r # n a m a ，r o y l b ，e ta 1 j a m c h e m s o c ，1 9 9 6 , 1 1 8 ：1 3 8 7 - 1 3 9 7 7 b r a d s h a w b ，c o l l i s i o nd ，g a r n e rcd ，c ta 1 c h e m c o m m u n ，2 0 0 1 ，1 ：1 2 3 1 2 4 【8 b r a d s h a wb ，b m s m o m a ，g a m e rcd ，c ta 1 c h e m c o m m u n ，1 9 9 8 ，3 ：4 1 7 - - 4 1 8 【9 d i n s m o r ea ，b r i c k s jh ，g a r n e rcd ，e t a 1 j c h e m s o c ，p e r k i nt r a n s , 1 9 9 7 , 8 0 1 8 0 7 【1 0 y a d a vj ，d a s sk ，s a r k a s j a m c h e m s o c ，1 9 9 7 ，1 1 9 ：4 3 1 5 - 4 3 1 6 【1 1 d a ss k ，b i s w a s d ，c h a u d h u r y pk ，e t a 1 j a m c h e m s o c ，1 9 9 4 , 1 1 6 ：9 0 6 1 9 0 7 0 【1 2 c h r i s t i a n l ，j a m e s p d tc h r i s t i n e a g ，c t a l j a m s o c ，1 9 9 8 ，1 2 0 ( 3 2 ) ：8 1 0 2 8 1 1 2 【1 3 】g o d d a r dc a ，h o l mrh i n o r g c h e m ，1 9 9 9 3 8 ：5 3 8 9 - 5 3 9 8 【1 4 s u n gk - m ，h o l mrh j a m c h e m s o c ，2 0 0 2 ，1 2 4 ：4 3 1 2 - - 4 3 2 0 【1 5 】l o r b e rc ，d o n a b u ejp ，g o d d a r dca e ta l j a m c h e m s o c ，1 9 9 8 ，1 2 0 ：8 1 0 1 - 8 1 1 2 2 首都师范大学硕士学位论文 1 6 】t u c c ig c ，d o n a h u ejp h o l mrh 血o i g c h e m ，1 9 9 8 ，3 7 ：1 6 0 2 1 6 0 8 【1 7 l i r ab s ，w i l i e rmw ，h o l mr h j a m c h c m s o c ，2 0 0 1 ，1 2 3 ：8 3 4 3 - 8 3 4 9 【1 8 l i mb s ，h o l mr h j a m c h e m s o c ，2 0 0 1 ，1 2 3 ：1 9 2 0 - 1 9 3 0 1 9 】k i e m o o ns u n g ，r h h o l m ，j a m c h e m s o c ，2 0 0 1 ，1 2 3 ：1 9 3 1 1 9 4 3 【2 0 】d v f o m i t c h e v , b s l i m ，r h h o l m ，i n o r g c h e m ，2 0 0 1 ，4 0 ：6 4 5 - 6 5 4 【2 1 b s l i m ，d v f o m i t c h e v , r h h o l m ，i a o r g c h e m ，2 0 0 1 ，4 0 ：4 2 5 7 - - 4 2 6 2 2 2 】k i e m o o ns u n g ，r h h o l m ，i n o r g c h e m s o c ，2 0 0 0 ，3 9 ：1 2 7 5 1 2 8 1 2 3 】k i e - m o o ns u n g ，r h h o l m ，i n o r g c h e m s o e ，2 0 0 1 ，4 0 ：4 5 1 8 4 5 2 5 【2 4 】r e d s h a w c ，w i l d i n s o n g ，s w e e t t k n ，e ta 1 p o l y h e d r o n ，1 9 9 3 ，1 2 ：2 0 1 3 - 2 0 1 9 【2 5 】r e d s h a wc ，w f l d i n s o ng ，s w e e tt kn ，e t a 1 p o l y h e d r o n ，1 9 9 3 ，1 2 ( 1 9 ) ：2 4 1 7 - 2 4 2 0 2 6 h u m p h r e ysm ，r e d s h a wc ，h o l m e sk e ，e ta 1 h o r g a n i c ac h i m i c aa c t a ， 2 0 0 5 ，3 5 8 ：2 2 2 - 2 2 6 2 7 l ux m ，l i usc - m a ox a ，b ux h ，j m 0 1 s t r u e t ，2 0 0 1 , 5 6 2 ：8 9 - 9 4 2 8 】l u a o m i n g ( 鲁晓明) ，l 抽s h u n - c h e n 酷d 顺成) ，m a ox i - a n ( 毛希安) ，e ta 1 c h i n j c h e m 。 2 0 0 3 ，2 1 ：6 5 0 - 6 5 4 【2 9 】l ux i a o - m i n g ( 鲁晓明) ，s o n gf u - g e n ( 宋富根) ，l o uf u 一3 t a n ( 娄福艳) , e ta 1 c h i n j c h e m ，2 0 0 3 ，2 1 ：1 4 7 4 1 4 7 7 d 0 l ux i a o - m i n g ( 鲁晓明) ，l uj i n g - f e n ( f 1 5 芬) ，m a ox i - a n ( 毛希安) c h i n j c h e m ，2 0 0 2 ，2 0 ， 6 1 7 6 2 1 3 首都师范大学硕士学位论文 第2 章文献综述 近年来发现，w 也是一种具有生物活性的微量生命元素。由于w 在生物体 内的含量极少，因此与其同族元素m o 相比，发现其在生物体内的存在以及重要 的生物活性相对较晚。二十世纪七十年代第一次公开报道钨元素存在于生物体内 以来旧1 ，尚没有明显进展。1 9 8 3 年，从热醋酸菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o a c e t i u m ) 中提取的第一种天然钨酶，甲酸脱氢酶( f d h ) 问世，该酶虽具有明显的生物化 学和光谱学特征，但当时并没有引起科研工作者的广泛关注。1 9 9 0 年，从超高 温古生菌( h y p e r t h e r m o p i l i ca r c h a e a ) 体内提取出第二种钨酶，即醛氧化还原酶 ( a l d e h y d eo x i d o r e d u c t a s e ，a o r ) ，这才引起了人们对于钨酶研究的浓厚兴趣。 1 9 9 5 年，有关提取钨酶的研究方面取得了突破性的进展，在提取的数目上表现 尤为明显，到目前为止提取的钨酶已达十二种之多，并对这些酶的结构和活性进 行了研究，结果表明，钨酶具有以下性质： ( 1 ) 催化时都形成w ”w “电势对，通过电子或原子的转移起到催化的作用； ( 2 ) 都含有 4 f e - - 4 s 簇合物，其结构如图2 1 所示； ( 3 ) 在催化活性中心，金属都是与一个或两个特殊的配体铝蝶呤配位的， 配位原子为s 原子。 p r o t e i n o , 。f e s s 二i f 4 p 。t e i l l j i l i m 耐n - 三二”，p r o l 咖 固2 1 4 f a - - 4 s 簇台物的结构 值得注意的是，虽然几乎所有的钨酶都与同种生物，或血缘生物体内存在的 钼酶具有类似的结构与性质 4 - 7 1 ，换言之，在钨酶与钼酶共存的生物体系中，金 属离子钼可以被金属离子钨取代，但是那些仅依赖于金属离子钨作用的酶，却不 能用金属离子钼所取代嘲。随着钨酶在生物体内的作用逐步得到重视，及其模拟 的功能配合物在探究钨酶的生理活性和催化机理研究中所作的突出贡献，使钨氧 4 首都师范大学硕士学位论文 转移酶活性结构因子的仿生合成、生理活性以及催化机理研究成为研究热点。 2 1钨酶发现的历史 1 9 8 3 年，l j a l l 则a h l 从嗜酸的梭状芽孢杆菌中分离出了甲酸脱氢酶( f d h ) ； 1 9 8 9 年，s i m o n 从嗜酸的梭状芽孢杆菌中分离出了羧酸还原酶( c a r ) ；1 9 9 0 年， a d a m s 从激烈热球菌中分离出了醛氧化还原酶( a o r ) ：1 9 9 2 年，t h a u e r 从沃氏 甲烷杆菌和热自养穆尔氏菌中分离出了n 甲酰亚甲基呋喃脱氢酶( f m d h ) ；1 9 9 3 年，a d a m d s 从激烈热球菌中分离出了甲醛铁氧化还原蛋白酶( f o r ) ：1 9 9 4 年， a d a m s 从激烈热球菌中分离出了甘油醛3 磷酸铁氧化还原蛋白酶( g a p o r ) ； 1 9 9 5 年，h a n s a n 从巨大脱硫孤菌中分离出了醛脱氢酶( a d h ) ；1 9 9 5 年，s c h i n k 从乙炔粘土杆菌中分离出了乙炔水化酶( a 1 1 ) 。 2 2 钨酶的分类 根据酶的催化活性中心的结构，可将钨酶分为三大类，如表2 1 所示： 表2 1钨酶的分类、催化活性中心及其生理作用 t a b i e 2 1c i a s s l f i c a t i o n s t r u c t u r eo fa c t i v ec e n t r ea n dp h y s i o i o g i c a ie f f e c to f t u n g s t o e n z y m e s 5 首都师范大学硕士学位论文 2 2 1a o r 族 钨酶总体上可分为三类：a o r 族，f ( m ) d h 族，a h 族，绝大多数钨酶都归 属于a o r 族。a o r 族中最主要的是a o r 、f o r 、g a p o r 。a o r 最初是从强 烈炽热球菌( p y r o c o c c u sf u n o s u s ) 1 9 , 1 0 】中提取的，晶体结构测定表明该酶是同型 二聚酶( h o m o d i m c r i c e n z y m e ) ，每个聚合亚单元包括一个f 4 f c 4 s 簇和一个w 配 位单元，而两个聚合亚单元通过一个f e 金属离子进行桥连，并同时与组氨酸和 谷氨酸残基的侧链络合。因此，a o r 全酶( h o l o e n z y m e ) 含有2 个w 离子和9 个f e 离子，其中钨离子与两分子蝶呤络合构成钨酶活性结构因子即钨酶辅因子。 超高温古生菌除了含有a o r 以外，还含有另外两种钨酶，即甲醛铁氧化还 原蛋白酶( f o r ，f o r m a l d e h y d e f c r r e d o x i no x i d o r c d u c t a s e ) 1 1 1 】和甘油醛一3 磷酸根 铁氧化还原蛋白酶( g a p o r ，g l y c e r a l d e h y d e 3 一p h o s p h a t ef e r r e d o x i no x i d o r e d u c t a s e ) 1 2 1 。f o r 还可以从附岸热球菌( t h e r m o c o c c u sl i t o r a l i s ) 中提取，但g a p o r 目前只能从超高温古生菌中提取。f o r 属于同型四聚酶( h o m o t e t r a m e r i ce n z y m e ) ，它的每个亚单元包含1 个w 离子和4 个f c 离子，另外在氨基酸序列上 显示与a o r 有5 9 的相似。g a p o r 为三种钨酶中具最少特征的种单体酶 ( m o n o m e r i c e n z y m e ) ，与a o r 和f o r 不同，它的每个亚单元含有2 个z n 离子。 这三种钨酶的基本单元中均含钨双蝶呤配位基团和 4 f e 4 s 原子簇，除了结构相 似外，另共同特点是它们都能催化醛的氧化反应，方程式为： c h 3 c h o + h 2 0 ；昔c h 3 c o o 。+ 3 h + + 2 e 一 ( 1 ) 这三种钨酶主要差别在于各自所作用的底物不同，a o r 既能氧化脂肪族醛 又能氧化芳香族醛，有一个较宽的作用范围，且在相同氨基酸的醛衍生物中具有 最商的氧化效率：f o r 的底物特性非常有限，仅仅能氧化小分子的脂肪醛 ( c 1 c 3 ) ；g a p o r 对有较高亲和力的底物甘油醛3 磷酸( g a p ) 有极好的专一 性，而a o r 和f o r 不能氧化醛磷酸酶。 除这三种钨酶外，a o r 族还包括了从蚁酸醋酸梭菌( c l o s t r i d i u mf o r m i c o a c e t i c u m ) 中发现的羧酸还原酶( c a r ，c a r b o x y l i ca c i dr e d u e t a s e ) 。该名来源 于c a r 能使无活性的羧酸具有还原能力，同时c a r 也能催化该反应的逆反应， 即醛的氧化。由于c a r 的分子特性和超高温古生菌钨酶的分子特性很相似，尤 其是与超高温古生菌的a o r 分子性能极为相似，所以把c a r 归到a o r 族。 6 首都师范大学硕士学位论文 a o r 族的另一种钨酶是从巨大脱硫弧菌( d e s u l f o v i b r i og i g a s ) 中获得的醛 脱氧酶( a d h ，a l d e h y d ed e h y d r o g e n a s e ) ，其性能也与超高温古生菌的a o r 非 常相似。 2 2 2 f ( m ) d h 族 f ( m ) d h 族包括两种钨酶，一种是f d h 甲酸脱氢酶( f o r m a t ed e h y d r o g e n a s e ) ， 另一种是甲酰亚甲基呋喃脱氢酶( f m d h ，n f o r m y l m e t h a n o f u r a nd e h y d r o g e n a s e ) ， 这两种酶所作用的底物分子均为c 0 2 。 f d h 是最早提取的含钨酶1 1 3 】，它最初是从含c a r 的热醋酸菌( c l o s t r i d i u m t h e r m o a c e t i