解析α-氨基酸各官能团对其CoⅡ 配合物可逆氧合性能的影响论文
解析α-氨基酸各官能团对其CoⅡ 配合物可逆氧合性能的影响论文
天然氧载体( 如血红蛋白和肌红蛋白) 对生物体内分子O2的传递和贮存等生命活动起着重要的作用，研究其作用方式和机理对探索生物体奥秘具有重要意义.但是天然氧载体结构复杂，影响氧合作用的因素众多，因此常选择结构相对简单的过渡金属配合物作为模型化合物来模拟研究生物的氧合作用.在众多人工氧载体模型化合物中，常用的金属离子为Co ( Ⅱ) ，Fe ( Ⅱ) ，Cu ( Ⅰ) 和Mn ( Ⅲ)等，Co( Ⅱ) 由于具有良好的稳定性而被广泛研究. 氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物在近似生理环境( 室温、水溶液) 中表现出良好的氧合可逆性，因此研究氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物的氧合机理有利于揭示生物氧载体的可逆载氧理.Hearon 等首先发现了His-Co( Ⅱ) 配合物在水溶液中具有很好的可逆氧合性能. Martell 等发现His-Co( Ⅱ) 和其它氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物室温下在水溶液中具有不同的可逆氧合性能，是研究氧载体很好的模型化合物.为了研究Co( Ⅱ) 配合物可逆吸收分子O2的机理，我们分别选择了不同的双官能团配体: α-氨基酸类( —NH2和—COO- ) 、α-氨基醇类( —NH2和—O- ) 、多胺类( —NH2) 和含羟基的羧酸类( —O-和—COO- ) 配体，对比研究了其Co( Ⅱ) 配合物在水溶液中的氧合性能，发现只有氨基酸类配体的Co( Ⅱ) 配合物具有可逆吸氧性能. 通过测试20 多种氨基酸的氧合性能，发现α-氨基酸Co( Ⅱ) 配合物都具有可逆氧合能力，而β-氨基酸Co( Ⅱ) 配合物没有氧合能力.因此，确定α-氨基酸结构单元为其Co( Ⅱ) 配合物具有氧合能力的关键单元.
为了考察α-氨基酸官能团邻位再联结一个官能团后对可逆吸氧性能的影响，分别研究了2，3-二氨基丙氨酸( DAPA) 和β-( 2-吡啶基) -α-丙氨酸( PyA) 的氧合性能，结果发现引入的氨基和吡啶基使α-丙氨酸( Ala) 氧合性能有明显的提高. 对His、组氨醇和组胺的Co( Ⅱ) 配合物的对比研究表明，—COO-的共轭作用对Co( Ⅱ) 配合物的可逆吸氧性能有着重要的作用.α-氨基酸中包含3 种官能团( —NH2，—O-和—COO- ) ，为了弄清α-氨基酸结构单元中各官能团本身及其之间的协同作用对氧合作用的贡献，本文选择氧合性能良好的组氨酸( His) 为研究对象，分别利用Fmoc 保护基掩蔽—NH2、甲酯基( —OMe) 取代—O-和去除—COO-氧合结构单元后研究其氧合性能. 通过红外表征、氧电极测试和质谱分析等方法均可以判断配合物配位、氧合前后的形态变化. 但由于Co( Ⅱ) 配合物吸氧前后的UV-Vis 光谱差异明显，因此UV-Vis 光谱法是实时表征Co( Ⅱ) 配合物氧合反应最简单、可靠的手段. 本文通过UV-Vis 光谱在室温下考察了His 和几种类His 物质的氧合可逆性和氧合动力学性质，对比评价了其氧合性能，从而确定了各官能团对氧合作用的影响. 本文研究结果对探讨α-氨基酸单元中各官能团对可逆氧合作用的贡献、发现并合成具有良好可逆吸氧的模型化合物及揭示生物氧载体的可逆载氧机理提供了重要实验依据.
1 实验部分
1. 1 试剂与仪器
组氨酸、苯丙氨酸( Phe) 、N，1-二-Fmoc-L-组氨酸[Fmoc-His( Fmoc) ]、组氨酸甲酯( His-OMe) 和Fmoc-L-苯丙氨酸( Fmoc-Phe ) 购于吉尔生化( 上海) 有限公司; 组胺( Hist ) 和四水合醋酸钴[Co( OAc)2·4H2O，Co( Ⅱ) ]购于成都西亚化工股份有限公司; N，N-二甲基甲酰胺( DMF) 购于天津市致远化学试剂有限公司; N2和O2的纯度均为99. 9%.UV2550 型紫外-可见光谱仪( 日本Shimadzu 公司) ; XS105DU 型高精度天平( 瑞士Mettler Toledo 公司) ; PHS-3C 型pH 计( 上海盛磁公司) .
1. 2 氨基酸Co( Ⅱ) 配合物氧合可逆性测试
移取10. 0 mL 配体溶液于样品池中，在N2气保护下加入10. 0 mL Co( Ⅱ) 水溶液( 表1) ，用NaOH调节溶液pH 值，在300 ～ 600 nm 波长范围内测定N2气氛下配合物的吸收光谱; 然后通O2气10 min，在O2气氛下测定氧合配合物的吸收光谱. 此前先分别测定配体溶液与Co( Ⅱ) 溶液的吸收光谱.
1. 3 Co( Ⅱ) 配合物氧合动力学测试
在pH= 7. 3 ～ 9. 0 和Co( Ⅱ) 氧合配合物最大吸收波长条件下，分别在通入O2和N2时测定吸光度随时间的变化. 以一次交替充入N2 /O2的测试为1 个可逆氧合循环，通过测试吸光度的变化来评价配合物的`可逆氧合性能.
2 结果与讨论
为确定α-氨基酸各官能团在氧合过程中的贡献，以His 作为母体，分别选择掩蔽—NH2、取代—O-和去除—COO-后的类His 化合物进行氧合性能研究
2. 1 α-氨基酸结构单元中—NH2对氧合性能的影响
2. 1. 1 His-Co( Ⅱ) 与Fmoc-His( Fmoc) -Co( Ⅱ) 配合物氧合性能及动力学性能研究由UV-Vis 光谱[图2( A) ]可见，室温下，Co( Ⅱ) ( 谱线a) 在520 nm 附近处有微弱的吸收峰，His 配体( 谱线b) 溶液在300 ～ 600 nm 波长范围内没有明显的特征吸收峰. N2气氛下混合Co( Ⅱ) 和His 溶液，谱线发生变化( 谱线c) ，表明两者配位形成His-Co( Ⅱ) 配合物，此时溶液呈浅粉色. 用O2代替N2，在320 和384 nm 处出现2 个新的较强的吸收峰，溶液颜色迅速由浅粉色变为黄色，表明His-Co( Ⅱ) 与O2发生作用，生成氧合配合物. 再通入N2时氧合吸收峰会明显降低，光谱曲线与初始曲线重合( 谱线c') ，黄色溶液又会变成浅粉色，表明His-Co( Ⅱ) 氧合配合物发生脱O2作用. 重复通入O2时光谱曲线又会增加至初始通O2附近位置( 谱线d') ，表明His-Co( Ⅱ) 配合物具有良好的可逆吸收-释放O2性能.
2. 1. 2 Phe-Co( Ⅱ) 与Fmoc-Phe-Co( Ⅱ) 配合物氧合性能及动力学性能研究为了进一步确定—NH2对氧合作用的影响，同时选择了Phe 和Fmoc-Phe 2 种氨基酸进行对比研究. 由UV-Vis 光谱可见，室温下Phe 配体( 谱线b) 溶液在300 ～ 600 nm 波长范围内均未出现明显特征吸收峰. 在N2气氛下混合Co( Ⅱ) 与Phe 溶液，谱线发生变化( 谱线c) . 用O2代替N2，在385 和540 nm 附近出现2 个新的较强的吸收峰( 谱线d) ，溶液颜色迅速由粉红色变为橙黄色，表明Phe-Co( Ⅱ) 配合物与O2发生作用，生成氧合配合物. 再次通入N2，385 nm 处的氧合吸收峰的强度减弱，谱线下降( 谱线c') ，溶液颜色由橙黄色变成浅粉色，Phe-Co( Ⅱ) 氧合配合物发生脱氧作用. 重复通入O2，溶液颜色又会变回橙黄色，光谱曲线又会上升( 谱线d') . 由此可以判定Phe-Co( Ⅱ) 配合物具有可逆的吸收-释放O2性能.
2. 2 α-氨基酸结构单元中—O-对氧合性能的影响为验证α-氨基酸结构单元羧基中—O-的作用，用—OMe 基团取代—O-，选择His-OMe 对比His 进行氧合性能测试. 室温下His-OMe 配体( 谱线b) 溶液在300 ～ 600 nm 波长范围内没有明显的特征吸收峰. N2气氛下混合Co( Ⅱ) 和His-OMe 溶液，谱线发生变化( 谱线c) ，形成浅粉色的( His-OMe) -Co( Ⅱ) 配合物. 用O2代替N2，在320 和385 nm 处出现2 个新的较强的吸收峰( 谱线d) ，溶液颜色迅速由浅粉色变为黄色，表明( His-OMe) -Co( Ⅱ) 与O2发生作用，生成氧合配合物. 再通入N2时谱线明显降低( 谱线c') ，黄色溶液又会变成浅粉色，表明( His-OMe) -Co( Ⅱ) 氧合配合物发生脱O2作用. 重复通入O2时谱线又会增强至初始通O2附近位置( 谱线d') ，证明( His-OMe) -Co( Ⅱ) 配合物具有良好的可逆吸收-释放O2性能.
3 结论
通过UV-Vis 分光光度法研究了α-氨基酸结构单元中各官能团对氧合性能的影响，发现—NH2在氧合配合物中起到重要作用，为α-氨基酸-Co( Ⅱ) 吸收O2的核心官能团. 在α-氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物中存在—NH2即可发生氧合反应吸收O2，没有—NH2则无法发生氧合作用; —COO- 对α-氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物可逆吸放氧性能影响很大，没有—COO- 不能释放O2; —O- 对α-氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物的氧合性能和可逆性无影响. 在实验结果和前期研究的基础上，以His-Co( Ⅱ) 为模型，探讨了α-氨基酸-Co( Ⅱ) 配合物可逆吸收和释放O2的机理. 本文研究结果初步确定了α-氨基酸结构单元中3 种官能团对其Co( Ⅱ) 配合物氧合性能的影响，对发现和合成具有良好可逆吸氧性能的化合物具有参考价值.