的模擬研究現(xiàn)狀
11.5.1 SOD的模擬研究現(xiàn)狀
11.5.1.1 SOD的模擬研究概況
自從20世紀(jì)80年代初Jippard等率先開(kāi)展了SOD模擬化合物的研究工作以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者參與了SOD的模擬研究工作,合成了許多SOD的模擬化合物,并發(fā)現(xiàn)在這些化合物中有的具有很好的SOD酶活性。到目前為止,發(fā)現(xiàn)和合成的有SOD活性作用的化合物很多,但主要還是配合物。其中,F(xiàn)e-SOD的模擬物由于發(fā)生Fenton反應(yīng)產(chǎn)生而具有毒性,因而失去了其應(yīng)用價(jià)值。這里主要介紹Mn-SOD和Cu,Zn-SOD模擬物的研究情況。
11.5.1.2 Mn-SOD的模擬研究
為解決天然的Mn-SOD相對(duì)分子質(zhì)量大、半衰期短、穩(wěn)定性差、易被蛋白酶水解等不足,對(duì)Mn-SOD的化學(xué)模擬已成為認(rèn)識(shí)天然酶的有力工具,Mn-SOD模擬物替代天然Mn-SOD應(yīng)用于臨床,顯示出良好的應(yīng)用前景。
(1)有機(jī)酸錳配合物對(duì)Mn-SOD的模擬。這類化合物的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,與天然Mn-SOD活性中心的結(jié)構(gòu)差異也比較大,但毒性較小。胡智華等曾合成了乳酸、檸檬酸和酒石酸的錳(Ⅱ)配合物作為Mn-SOD模擬物,并采用氧化四氮唑藍(lán)法和硝基四氮唑藍(lán)法對(duì)3種Mn-SOD模擬物的活性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:乳酸錳配合物的活性最高,檸檬酸錳配合物的活性次之。
圖11-1 1,4,7,10,13-五氮雜十五烷錳配合物(1)和1,4,7,10,13-五氮雜十六烷錳配合物(2)
(2)大環(huán)多胺類Mn-SOD模擬物。Riley等制備了二十多個(gè)大環(huán)多胺類配體用于Mn-SOD模擬物的合成,其中1,4,7,10,13-五氮雜十五烷錳配合物(1)和1,4,7,10,13-五氮雜十六烷錳配合物(2)兩個(gè)化合物(見(jiàn)圖11-1)具有SOD活性。它們?cè)趐H為8.1時(shí)的Kcat值分別為2.20×107(mol·s)-1·L、1.0×106(mol·s)-1·L。化合物1在生理pH值條件下,SOD活性的增加,其Kcat值為4.13×107(mol·s)-1·L;而化合物2在此條件下則無(wú)SOD活性,這主要是由于化合物2在低pH值下不穩(wěn)定所致。化合物1對(duì)心肌梗死的活體研究表明:它能有效地減輕由心臟缺血再灌流引起的損傷?;衔?還可提高NO水平,起到血管松弛和抗血小板凝集的作用。對(duì)該項(xiàng)研究所合成的14~21元環(huán)化合物的構(gòu)效關(guān)系研究表明:N的烷基化、增加或減小環(huán)的大小、改變N原子的個(gè)數(shù)或用O原子取代N原子都可導(dǎo)致合成的Mn-SOD模擬物無(wú)SOD活性,這可能與合成的Mn-SOD模擬物和天然Mn-SOD活性中心結(jié)構(gòu)的相似程度及這些化合物的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性等因素有關(guān)。
Riley等對(duì)化合物1的C-取代衍生物(見(jiàn)圖11-2)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)化合物1的C-取代衍生物多數(shù)都具有較高的SOD活性。在pH為7.4條件下測(cè)定了這些化合物的Kcat值,結(jié)果表明:連接有一個(gè)反式環(huán)己基(R,R構(gòu)型)取代的化合物3的Kcat值較高,為9.09×107(mol·s)-1·L;環(huán)上再連接一個(gè)反式環(huán)己基(都為R,R構(gòu)型)所得到的化合物4的Kcat值大大提高,達(dá)到1.2×108(mol·s)-1·L;如果兩個(gè)反式環(huán)己基一個(gè)為R,R構(gòu)型,另一個(gè)為S,S構(gòu)型時(shí)(化合物5),則活性降低,Kcat值僅為5.4×106(mol·s)-1·L。
圖11-2 1,4,7,10,13-五氮雜十五烷錳配合物的C-取代衍生物
Salvemini等對(duì)M40403(6)和M40404(7)(見(jiàn)圖11-3)進(jìn)行了活性研究,結(jié)果表明:在注射角叉菜膠引發(fā)的大鼠驗(yàn)證模型中,M40403可抑制嗜中性白細(xì)胞的滲透以及前列腺素E2(PGE2)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)等的釋放而發(fā)揮抗炎作用。在大鼠缺血再灌流損傷和休克模型(SAO mode)中,M40403可抑制血漿中TNF-α、IL-1β水平的升高,抑制嗜中性白細(xì)胞的滲透,并可降低再灌流后的血壓,延長(zhǎng)大鼠的存活時(shí)間,而M40404無(wú)上述作用。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明化合物1中C取代基的類型、數(shù)量、位置及立體構(gòu)型都可影響Mn-SOD模擬物的活性。
圖11-3 Mn-SOD模擬物M40403(6)和M40404(7)
(3)卟啉類、酞菁類及膽綠素類Mn-SOD模擬物。Spasojevie等合成了一系列卟啉類、酞菁類及膽綠素類Mn-SOD模擬物(見(jiàn)圖11-4)。其中化合物8~14為水溶性Mn-SOD模擬物,采用細(xì)胞色素分析法在25℃下測(cè)得這些模擬物的lgKcat值在4.30~7.80。雖然這些化合物在體外的SOD樣作用較明顯,但由于中心金屬離子的氧化還原電位偏高而導(dǎo)致金屬離子與配體的結(jié)合力較弱,所以在生理?xiàng)l件下不穩(wěn)定,因而限制了這類化合物的應(yīng)用?;衔?5、16為膽綠素Ⅸ及其衍生物(見(jiàn)圖11-5),中心金屬離子位于五配位的二聚體結(jié)構(gòu)中,它們均有較高的SOD樣活性,lgKcat值分別為7.40、7.70、7.40和7.36。
圖11-4 卟啉類和酞菁類Mn-SOD模擬物
Kachadourian等合成了氯代卟啉類Mn-SOD模擬物(見(jiàn)圖11-6),構(gòu)效關(guān)系研究表明:每增加一個(gè)氯原子,可使化合物的氧化還原電位增加55mV,相應(yīng)的Kcat值也提高65%。因此在合成的5種卟啉類Mn-SOD模擬物中,四氯代化合物17的Kcat值最高,為4.0×100(mol·s)-1·L。
圖11-5 膽綠素類Mn-SOD模擬物
圖11-6 四氯代卟啉類Mn-SOD模擬物(17)和酞菁類Mn-SOD模擬物MnTCPc(18)
2001年,馮清等合成了具有SOD和過(guò)氧化氫酶(CAT)雙功能的酞菁類Mn-SOD模擬物MnTCPc(18),其清除超氧離子和H2O2的IC50值分別為124.5μmol·L-1和7.409μmol·L-1。該化合物還具有降低脂質(zhì)過(guò)氧化的作用。
(4)脫鐵胺類Mn-SOD模擬物。錳的脫鐵胺類配合物是研究較為深入的一類Mn-SOD模擬物。Dart等用MnO2與直鏈脫鐵胺B反應(yīng),制得了一種綠色水溶性的化合物Des-Mn,其SOD活性以含錳量計(jì)算為天然Mn-SOD的0.1%。通過(guò)Des-Mn與兩種Cu(Ⅱ)化合物比較得知,該化合物不與血清蛋白結(jié)合,可在細(xì)胞內(nèi)保持完整狀態(tài),因此血清蛋白的存在對(duì)Des-Mn的活性無(wú)明顯影響。進(jìn)一步研究表明,Des-Mn還可保護(hù)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞免受H2O2和叔丁基過(guò)氧化氫等物質(zhì)的損害。Faulkner等以環(huán)狀的脫鐵胺E代替了直鏈的脫鐵胺B,并采用類似的方法合成了化合物Mn-DFE。它的光譜學(xué)性質(zhì)與Des-Mn相似。與Des-Mn相比,Mn-DFE在EDTA中的穩(wěn)定性更高,但活性比前者小。
(5)其他Mn-SOD模擬物。Baudry等合成了Salen-Mn(Ⅲ)類化合物作為Mn-SOD模擬物。與脫鐵胺類Mn-SOD模擬物相比,Salen-Mn(Ⅲ)類化合物在溶液中的穩(wěn)定性提高,且放置數(shù)周后仍可保持SOD的活性。另外,Deroche、Rajamt等合成了其他一些配體,均能與Mn離子形成Mn-SOD模擬物,取得了較好的效果。
11.5.1.3 Cu,Zn-SOD的模擬研究
Cu,Zn-SOD是SOD家族中的重要一員,被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域。通常,在眾多的小分子模擬物中,銅或鋅模擬物具有較高的活性,為此用化學(xué)手段合成具有相關(guān)結(jié)構(gòu)的銅離子的配合物來(lái)模擬SOD、開(kāi)發(fā)臨床用治療藥物越來(lái)越受到重視。
(1)Cu(Ⅱ)中心結(jié)構(gòu)的模擬。早期對(duì)Cu,Zn-SOD的研究工作大都集中在對(duì)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)配合物,配體多為氨基酸類、水楊酸類,例如3,4-二異丙基水楊酸、甘氨酰組氨酸、博萊霉素、銅氨基酸復(fù)合物等。這類配合物在體外的活性與天然SOD的活性接近,但穩(wěn)定性欠佳,不能在生物反應(yīng)體系中保持活性。自20世紀(jì)80年代以來(lái),Lippard和Kimura等相繼以大環(huán)多胺為配體模擬銅的活性中心。國(guó)內(nèi)有研究人員以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-乙酰基吡啶縮亞胺)根合銅(Ⅱ)與天然SOD的活性中心結(jié)構(gòu)相似,其類SOD活性也較高。
20世紀(jì)90年代初,大環(huán)分子體系用于SOD的模擬研究受到了廣泛的關(guān)注,合成的一些大環(huán)配合物,其配體可以由2,6-二甲?;拎づc1,3-丙二胺縮合而成,也可以由2,6-二乙?;拎づc3-氧雜戊烷-1,5-二胺縮合而成。用核黃素光照法研究以2,6-二甲酰基吡啶與1,3-丙二胺縮合的大環(huán)雙核銅配合物為配體與反應(yīng)的動(dòng)力學(xué),發(fā)現(xiàn)以SCN-為橋基的配合物反應(yīng)速率最高。隨后對(duì)橋基為lm的2,6-二乙?;拎づc3-氧雜戊烷-1,5二胺縮合銅配合物的研究發(fā)現(xiàn),該配合物會(huì)與陰離子發(fā)生鍵合作用。其中:N-3與該配合物鍵合,但并不使咪唑橋斷裂,推測(cè)其可能是Cu2+的軸向鍵合,使Cu2+的配位數(shù)增加;SCN-與該配合物鍵合,并可使咪唑橋斷裂,推測(cè)可能是SCN-取代咪唑橋與Cu2+鍵合。這些大環(huán)銅配合物的活性和穩(wěn)定性均較高,在活細(xì)胞及蛋白質(zhì)等存在的實(shí)驗(yàn)條件下仍能發(fā)揮清除
的活性,是一類很有前途的模擬SOD。
羅勤慧等人首次合成出結(jié)構(gòu)新奇的咪唑橋聯(lián)三核銅化合物,發(fā)展了以二維大環(huán)和三維大環(huán)穴醚為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的超分子化學(xué)及模擬化學(xué),并對(duì)以二氧四胺為配體的Cu(Ⅱ)等配合物體系的SOD模型進(jìn)行了研究,測(cè)定了二氧四胺雙銅(Ⅱ)配合物的活性,證明在生理pH條件下具有高活性、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。還有研究報(bào)道帶功能基的長(zhǎng)鏈Cu(Ⅱ)氨基酸配合物,N-正十三碳酰雙甘肽合銅和二-(N-正十二碳酰雙甘肽合銅)。由于Cu的長(zhǎng)鏈功能配合物在水溶液中形成了膠束,使得活性中心處于一種疏水環(huán)境中,用脈沖輻解法測(cè)定發(fā)現(xiàn)二-(N-正十二碳酰雙甘肽合銅)的活性基本與天然SOD的活性接近,取得較好的模擬效果。
近來(lái)有學(xué)者用以中藥丹參有效成分原兒茶醛、氨基硫脲、硫酸銅為原料合成的原兒茶醛縮氨基硫脲銅(Ⅱ)配合物(PTC),通過(guò)對(duì)PTC清除超氧陰離子自由基及其生物學(xué)作用的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),PTC能顯著地抑制酵母多糖激活的人白細(xì)胞的吞噬發(fā)光,且能降低由白細(xì)胞激活引起的人血液黏度和脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物(MDA)的升高。PTC能使小鼠燒傷模型的炎癥反應(yīng)減輕,并能使燒傷小鼠血清中增高的MDA和一氧化氮代謝產(chǎn)物顯著降低,證明SOD的模擬物PTC是一種很強(qiáng)的超氧陰離子自由基清除劑,對(duì)其介導(dǎo)的組織細(xì)胞的氧化損傷有保護(hù)作用。其原因可能是由于PTC進(jìn)入生物體內(nèi),原兒茶醛、氨基硫脲和Cu各種成分協(xié)同作用,有效清除了自由基。
以上都是對(duì)SOD活性中心Cu(Ⅱ)的模擬,只能部分說(shuō)明SOD的活性。而且,這些模擬物在體外有的具有與天然SOD相近的活性,但在體內(nèi)卻不穩(wěn)定,易為生物配體所取代。同時(shí),游離的Cu2+在體內(nèi)有較高的毒性。目前,在銅模擬SOD的探索中,對(duì)由3,5-二異丙基水楊酸配體構(gòu)成的銅配合物的研究較為廣泛,該配合物已注冊(cè)專利(專利號(hào)為72841-56-6)。Miesel等對(duì)酵母Cu(Ⅰ)巰基組氨酸三甲基內(nèi)鹽[Cu(Ⅰ)-thionein]的研究證明,18μmol/L該品即可50%抑制TPA誘發(fā)PMNL呼吸爆發(fā)產(chǎn)生的活性氧;皮下注射32.5×10-3μmol/kg體重可防止45%以上的活性氧所致肝損傷。
(2)Cu,Zn-SOD活性中心結(jié)構(gòu)的模擬。在天然SOD中由于Cu、Zn的配位環(huán)境不同,空間結(jié)構(gòu)各異,因而合成異雙核Cu、Zn化合物很困難。國(guó)內(nèi)對(duì)異雙核咪唑橋聯(lián)配合物的模擬研究在20世紀(jì)90年代取得了較大的進(jìn)展,其中羅勤慧教授合成出第一個(gè)確定結(jié)構(gòu)的咪唑橋聯(lián)的Cu-Zn異雙核SOD模擬物[(tren)Cu(lm)Zn(tren)](ClO4)和酷似Cu(Ⅱ)活性中心的模型,是較好的SOD模型。此外南京大學(xué)配位化學(xué)研究所得到了另一種異雙核Cu、Zn化合物[(DTMA)Cu(lm)Zn(DTMA)](ClO4),上述兩異雙核Cu的配位環(huán)境均與Cu2Zn2-SOD相似。
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