金屬(離子)配合物歧化酶的研究進展

金屬元素在整個生命體系中發(fā)揮著重要作用。眾所周知，25種元素是生命周期所必需的。以下就金屬酶，特別是超氧化物歧化酶及其生物模擬的研究現(xiàn)狀、應用展望和應關注的問題進行簡要的概述。1金屬離子參與體內(nèi)活動的研究金屬（離子）配位化學是與眾多學科密切相關的交叉學科，是當前國際上十分活躍的前沿科學。近代化學鍵理論的發(fā)展就與配位化學研究密切相關。多次諾貝爾化學獎授予與配位化學有關領域的學者，如Taube,Hoffman,Marcus,Lehn等。配位化學與材料科學、生命科學和信息科學密切相關，互相交叉、滲透，產(chǎn)生了許多新的構(gòu)想和前沿分支。在生命科學領域，十多年來，國際學術(shù)界對金屬離子在體內(nèi)的存在狀態(tài)、功能和模擬以及金屬配合物藥物的作用機理等方面進行了深入的富有成效的研究。代表性的成果有：Taube和Gray的電子轉(zhuǎn)移研究；Barton的配合物小分子對DNA選擇性識別及序列探針。順鉑、碳鉑已成為臨床應用最廣的抗癌藥物。歐洲各國生物無機化學家已提出將金屬離子及化合物在藥物中的作用，作為2000年的歐洲共同體的聯(lián)合研究項目。在國內(nèi)，北京醫(yī)科大學在金屬離子在人體中的作用領域做了大量工作，取得了很好的成績；南京大學配位化學研究所較早地注意到了功能性配合物作為分子基材料和超分子配位化學的學術(shù)意義及其潛在的應用前景。研究工作側(cè)重于合成具有明確結(jié)構(gòu)的功能化合物，尋找分子結(jié)構(gòu)與功能之間的關系，通過研究超分子的光電功能、金屬離子識別和活化底物的機理，將會對生命過程的闡明、酶的模擬開發(fā)、新能源和新催化劑的開發(fā)起重要作用。研究含金屬大分子的溶液結(jié)構(gòu)、規(guī)律及其生物功能間的關系。闡明某些酶和底物，抗體和抗原間的作用。模擬某些重要金屬酶的結(jié)構(gòu)功能，并使其實用化，合成具有抗癌、抗病毒的配合物藥物，研究藥物包合物，改善藥物的毒副作用；發(fā)展大分子的結(jié)構(gòu)和序列探針，并用于實際。在鉑抗癌藥物的作用機理及低毒高效抗癌新藥的研制，金屬蛋白溶液結(jié)構(gòu)的2DNMR,SOD酶、B2其它類型的sod關于金屬酶的化學模擬，近十幾年來，國內(nèi)外主要集中在對超氧化物歧化酶的研究上。超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD,EC1.15.1.1）是生物體內(nèi)普遍存在的一種金屬蛋白酶，是機體內(nèi)超氧自由基的天然清除劑。按其結(jié)合的金屬離子的不同，主要可分為銅鋅超氧化物歧化酶（Cu,Zn-SOD）、錳超氧化物歧化酶（Mn-SOD）和鐵超氧化物歧化酶（Fe-SOD）三種，此外，還有Ni-SOD目前國內(nèi)外SOD的應用主要集中在抗輻射、抗腫瘤、抗衰老及自身免疫性疾病上，治療的病種有：輻射損傷、缺血再灌注綜合癥、氧中毒、皮膚病、類風濕關節(jié)炎、燒傷、骨關節(jié)炎、老年性白內(nèi)障、家族性肌肉萎縮癥等。SOD有抗這些疾病的功能，顯示出優(yōu)異的醫(yī)學性能，故為化學、生物和醫(yī)學界人士所關注。但SOD有難于透過細胞膜、半衰期命短（僅5～8min）、穩(wěn)定性不高等缺點，使臨床應用受到限制。為此用化學手段合成具有結(jié)構(gòu)和功能類似于SOD的配合物來模擬SOD，將為進一步認識SOD的結(jié)構(gòu)與功能的相關規(guī)律性和開發(fā)研制新型SOD制劑，提供重要的理論根據(jù)當前國際上在無機生物化學方面對SOD進行研究，從兩方面入手：1）將天然酶看作大分子配合物進行研究，企圖了解酶結(jié)構(gòu)和功能的關系，如Bertini等用NMR等譜學方法，對天然酶中活性中心周圍蛋白鏈構(gòu)象、氨基酸功能、小分子的作用等進行了許多工作。國內(nèi)南京大學羅勤慧教授用電化學方法研究Cu,Zn-SOD中咪唑橋的斷裂過程及其在電極上的吸附行為2.1酸類氧漂植物早期對Cu,Zn-SOD的研究工作大都集中在對Cu(II)中心結(jié)構(gòu)的模擬上，主要是尋找具有歧化功能的Cu(II)的配合物，如配體為氨基酸類、水楊酸類，這類配合物在體外的活性與天然SOD活性相近，但穩(wěn)定性低。20世紀80年代起，Lippard和Kimura等相繼以大環(huán)多胺為配體模擬銅的活性中心。國內(nèi)羅勤慧等人以2-乙?；拎づc二胺縮合，在Cu(II)存在下得到了一系列Cu(II)的配合物，其中1,4-亞丁基-二(2-乙?；拎たs亞胺)根合銅(II)[Cu(aptn)(ClO20世紀90年代初，大環(huán)分子體系用于SOD的模擬研究受到廣泛關注，在國內(nèi)羅勤慧等人合成了一些大環(huán)配合物2.2mn-sod的模擬與Cu,Zn-SOD相比，Mn-SOD的活性中心結(jié)構(gòu)簡單，而且在生物體內(nèi)Mn離子的毒性最小，因此Mn-SOD模擬物的合成最近受到廣泛關注2.3sod的模擬研究自1975年以來，F(xiàn)e-SOD模擬物有大量的報道縱觀近年來對SOD的模擬研究，我們可以看出以下一些特點：首先，對SOD的模擬研究的重點，從對Cu,Zn-SOD的模擬轉(zhuǎn)移到對Mn-SOD的模擬。這是因為游離的Cu3其它特殊的分子模擬物和金屬離子天然SOD及其模擬物在治療由氧化應激所導致的疾病方面有著非常廣闊的應用由于低分子量SOD模擬物具有無免疫損傷、低物質(zhì)消耗、組織滲透性好，潛在的口服性以及在體內(nèi)可能具有更高的穩(wěn)定性等優(yōu)點，所以對這些新的SOD模擬物的探索能使我們能更好地理解超氧陰離子、過氧亞硝基陰離子、一氧化氮等自由基的生物學功能，從而使我們對由氧化應激所導致疾病的理解不斷深化。有理由相信，SOD模擬物的研究將不僅在揭示由氧化應激所導致疾病的機理方面發(fā)揮重要作用，而且將為發(fā)現(xiàn)對這些疾病具有治療作用的特效藥物奠定基礎。SOD不僅在臨床上大顯身手，而且近年來又被廣泛地應用于日用化工行業(yè)。含有SOD的化妝護膚品倍受女士的青睞，其產(chǎn)品具有很強的競爭力。如市場上銷售的奧琪、大寶、紫羅蘭、永芳等高級護膚化妝品，都因添加了SOD而成為搶手貨。隨著SOD被廣泛應用于護膚霜、洗面奶、香皂等領域，以及活性氧、疾病診斷和抗輻射等方面的研究，SOD將成為廣大藥廠和日用化工廠的重要原料。因此合成具有精確活性中心結(jié)構(gòu)、熱力學穩(wěn)定、動力學惰性的模擬物將是未來研究的重點。隨著金屬離子在生命體系中的作用更深層次地被人們所認識，這一領域的研究呈現(xiàn)出廣闊的前景；進一步研究金屬離子與生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、酶等）的相互作用；從生物體中發(fā)現(xiàn)和分離新的金屬蛋白、金屬酶并了解其功能；從分子和細胞水平上探索金屬離子抗病毒以及抗癌的機理；運用各種新型分析手段對活細胞內(nèi)的金屬離子的化學過程進行動態(tài)跟蹤；用各種分子模擬的方法來輔助設計新的無機藥物等都將成為這一領域的最新研究方向，同時中藥及中藥礦物中金屬活性的研究也有巨大的發(fā)展前景。這無疑要求我們將研究思維從生物無機化學拓展到生物化學、分子生物學、神經(jīng)科學乃至力學和計算機，并將其結(jié)合起來。4對正確處理與模擬物的關系目前該領域研究工作存在的主要問題是：模擬物的催化活力與天然酶相比普遍較低，且專一性較差；模擬物的非特異性催化可能對生物體產(chǎn)生不良影響，甚至是很強的毒害作用，致使其實用價值受到很大的限制。所以，模擬物在生物體內(nèi)的安全性成為尋找新型配體時的重要依據(jù)。其次，模擬物的電化學研究以及系統(tǒng)、全面表征模型物的研究工作仍屬薄弱環(huán)節(jié)，限制了對模擬物結(jié)構(gòu)及影響催化活性諸因素的較全面的認識。對超氧化物歧化酶及其模擬物領域進行研究，作者認為擬解決如下關鍵問題：1）在SOD實際應用中，要避免盲目性，除了補充有關實驗數(shù)據(jù)外，更應對相關理論進行研究，闡明機理，只有這樣才能使我國現(xiàn)有的應用研究持久深入，才有可能把我國SOD的應用研究提高到國際水平。2）較長時間以來，在無機生物化學的SOD研究多側(cè)重于用NMR等波譜分析技術(shù)研究活性中心周圍的有關蛋白鏈和配位