谷胱甘肽过氧化物酶模拟物的底物识别与催化机理研究

【摘要】：酶是自然界进化的产物,它是有着高底物特异性和强大催化能力的蛋白质。对酶的分子识别和催化功能的人工模拟,无论在认识酶自身生物进化过程还是酶结构与功能方面都有着十分重要的作用。 谷胱甘肽过氧化酶(GPX)是机体内重要的抗氧化硒蛋白酶,它能清除过量的氢过氧化物以保持机体的活性氧(ROS)代谢平衡,从而保护肌体免遭氧化损伤。许多疾病的产生和ROS有关,如阿尔兹海默尔、免疫系统缺陷病、辐射损伤等,且发病机制也与抗氧化酶水平的变化相关联。因此,GPX作为抗氧剂有着巨大的药用价值。例如,著名的GPX模拟物——“小分子硒酶”ebselen作为抗氧化药物在日本已上市。但是,天然GPX位置分布的多样性导致它们的结构和催化功能存在很大的差异,例如GPX由于亚基结构的不同存在显著不同的底物特异性。迄今,人们并没有完全了解天然GPX的结构和催化机理。因此,对GPX的人工模拟,不仅可以发展可行的药物,而且还能对天然GPX的结构和催化功能提供有用的信息,增进对它的理解。 我们从酶催化的本质(底物结合和分子内催化)出发,利用超分子化学的方法和原理,构建了含碲环糊精和含硒树枝状分子两种GPX模型体系。我们拿这两种GPX模型体系作为研究平台,详细阐明了底物特异性与催化活性的关系,并解释了它们的催化机理。环糊精GPX模型中结合部位的明确性与树枝状分子GPX模型中结合部位的可变性完善了模拟酶的构建,同时提供了重要的酶模拟信息。 我们选定高活性的含碲环糊精GPX模型体系,是因为含碲环糊精体系在环糊精GPX模型中活性最高,并且碲和硒属于同一主族,具有相似的化学性质。通过构建一套测试体系,其中底物既作为反应物也作为酶模型分子识别过程中的探针,我们详细地阐述了含碲环糊精GPX模拟物的底物识别与催化作用的关系。和天然GPX一样,我们发现含碲环糊精GPX模拟物也具有底物特异性,并且对喜好的底物表现了相当高的催化效率。我们的研究不仅给出了一些超分子相互作用信息,而且对GPX的结构与功能的理解提供了重要的模拟信息。另外,我们的催化机理研究无疑有助于对含碲环糊精的性质的理解,促进它作为可能的抗氧化药物的发展进程。 基于对天然GPX结构中催化微环境的理解,我们构建了可由构象变化产生催化微环境的含硒树枝状分子来模拟GPX的催化行为。其中,第三代的树枝状分子是目前非水相体系中催化活力最高的GPX模拟物,它比ebselen高1000倍以上。我们阐明了含硒树枝状分子模拟GPX的催化机理,发现它们的催化机制和天然GPX类似。这是首次引入树枝状分子模板来模拟GPX,我们的研究将有助于这个领域的深入发展。