基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂及其制备和应用

摘要

本发明公开了一种基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂及其制备方法和应用。本发明利用生物分子自组装的方法，所得催化剂包括铜离子、锌离子中的至少一种金属离子和由2～20个氨基酸组成的多肽；氨基酸包括组氨酸、烷基取代组氨酸中的至少一种，且氨基酸中组氨酸、烷基取代组氨酸的总个数占比为50％～100％；烷基取代组氨酸中，烷基的碳原子数为1～3，烷基连接的是组氨酸中咪唑基团1号位N和/或3号位N。本发明实现了单一催化剂同时具有催化酯基水解反应和酚类化合物氧化反应的双功能，并能实现水解‑氧化级联反应的催化。

说明书

技术领域

本发明涉及超分子化学技术领域，具体涉及一种基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂及其制备方法和应用，该催化剂具有催化水解-氧化级联反应能力。

背景技术

结构单元通过非共价相互作用自发形成有序、稳定、更大尺寸聚集体的过程即为自组装。

在被广泛研究的结构单元中，生物大分子由于其来源广、可设计性强等优势受到研究者们的青睐，其通过自组装可获得各种功能的超分子化合物。

组氨酸在生物体中的生命活动中扮演着非常重要的角色，侧链富电子的咪唑环不仅具有较强的生理活性，也具有出色的配位能力。组氨酸的咪唑基团同时可以作为质子供体和受体，因此其成为很多天然酶活性中心的关键配体。同时，咪唑氮具有与含空轨道金属的配位能力，也使得组氨酸和其衍生物，以及含有组氨酸序列的多肽，成为设计制备超分子催化剂的上佳选择。

公告号为CN1329410C的专利说明书公开了使用具有催化性能的咪唑(如组氨酸)官能团催化剂稳定的过渡配合物进行酰基转移。根据该专利技术的介绍，酰基转移反应包括酰基(有机酸脱除羧基的羟基后的余下部分)的转移，可以是在一种化学物种内部进行转移，也可以是由一种化学物种转移到另一种化学物种之上。例如，酰胺的形成，酯交换作用和水解作用。酰基转移反应可在水溶液中由咪唑所催化，咪唑是一种强的亲核物质，可与酰基形成中间反应配合物。进一步的研究表明，含有组氨酸(His或H)残基(一种含有咪唑基的氨基酸)的较小的肽具有水解活性。该专利技术中的“咪唑官能团”可以作广义地理解，它可包括那些具有期望的催化活性的咪唑型结构。咪唑基随后可用不同的方法进行改性。一种有利的多功能咪唑官能团是基于氨基酸组氨酸(α-氨基-4-(或5)-咪唑丙酸)。例如：咪唑官能团中的一个或两个碳原子，可单独地被烷基或卤素所取代。咪唑基团也可在1位被烷基取代。烷基优选具有1-6个碳原子，尤其是1-4个碳原子，如甲基或乙基。卤素包括氟、氯、溴和碘。

级联反应体系当中包含两个及以上的化学反应，其特点在于上游反应的产物，是启动下游反应的底物。

通常，上游获得中间产物扩散到下游反应活性中心将限制整个级联反应的速率。

本发明设计了基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂，实现单一催化剂具有催化酯基水解、酚类氧化两种反应的双功能，使得中间产物产生于同一个活性中心附近，提升催化效率。同时，水解-氧化级联反应催化的实现，有益于在分解芳香酯类农药上的应用。

发明内容

本发明以最小化设计原则，利用生物分子自组装的方法，首先利用了

本发明提供了一种基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂，使用含组氨酸多肽作为主要结构单元，并对组氨酸进行设计，通过不同烷基、不同位置取代组氨酸，改变催化反应效率。

本发明实现了单一催化剂同时具有催化酯基水解反应和酚类化合物氧化反应的双功能，并能实现水解-氧化级联反应的催化，有助于芳香酯类化合物(如芳香酯类农药等)的分解。

具体技术方案如下：

一种基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂，包括：

铜离子、锌离子中的至少一种金属离子，以及

由2～20个氨基酸组成的多肽；

所述氨基酸包括组氨酸、烷基取代组氨酸中的至少一种，且所述氨基酸中组氨酸、烷基取代组氨酸的总个数占比为50％～100％；

所述烷基取代组氨酸中，所述烷基的碳原子数为1～3，如甲基、乙基、丙基等，所述烷基连接的是组氨酸中咪唑基团1号位N和/或3号位N。

所述的基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂，所述氨基酸还可包括疏水性氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、亮氨酸、缬氨酸等中的至少一种。

在一优选例中，所述的基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂，所述金属离子和所述多肽的摩尔比为1～100:200。

本发明还提供了所述的基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂的制备方法，包括步骤：

(1)将所述多肽在有或者没有盐酸助溶的情况下加入到去离子水中，搅拌至溶液澄清后，静置一周以上，得到溶液A；

(2)将含有所述金属离子的可溶性盐溶解于去离子水中，得到溶液B；

(3)将步骤(1)得到的溶液A、步骤(2)得到的溶液B加入到三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，分散均匀后调节pH至5.0～9.0(优选调节pH至6.5)，得到所述基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂。

在一优选例中，所述的制备方法，步骤(2)中，所述可溶性盐包括硫酸铜、醋酸锌中的至少一种。

在一优选例中，所述的制备方法，步骤(3)中，所述三羟甲基氨基甲烷缓冲液的浓度为10～50mM。

所述的制备方法，步骤(3)中，可采用盐酸、氢氧化钠等调节pH。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了所述的基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂在催化酯基水解反应中的应用、在催化酚类化合物氧化反应中的应用以及在催化芳香酯类化合物进行酯基水解-酚类化合物氧化级联反应中的应用。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1、生物大分子自组装方法制备得到超分子催化剂，制备过程简单安全，同时环境友好，生物相容性高。

2、实现单一催化剂双功能，同时能够催化水解、氧化反应。避免级联反应中上游中间产物向另一个下游活性中心扩散导致整体效率不高。

附图说明

图1为实施例1～4的催化剂催化对硝基苯酚乙酸酯水解的反应速率图；

图2为实施例1～4的催化剂催化苯酚氧化的反应速率图；

图3为实施例1～4的催化剂催化乙酸苯酯水解-氧化级联的反应速率图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。如无特别说明，下列各实施例中所采用的试剂均可通过商业购买得到。

实施例1铜/苯丙氨酸-组氨酸(FH)二肽超分子催化剂的制备

组氨酸(H)的结构如下式所示：

1)称取0.1mmol的FH二肽，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的硫酸铜，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为铜/苯丙氨酸-组氨酸(FH)二肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

实施例2铜/苯丙氨酸-组氨酸(FHFHFHFHFHFHFHFHFHFH)二十肽超分子催化剂的制备

1)称取0.1mmol的FHFHFHFHFHFHFHFHFHFH二十肽(氨基酸序列如SEQ ID NO：1所示)，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的硫酸铜，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为铜/苯丙氨酸-组氨酸(FHFHFHFHFHFHFHFHFHFH)二十肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

实施例3铜/苯丙氨酸-3-甲基组氨酸(F3mH)二肽超分子催化剂的制备

3-甲基组氨酸(F3mH)的结构如下式所示：

1)称取0.1mmol的F3mH二肽，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的硫酸铜，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为铜/苯丙氨酸-3-甲基组氨酸(F3mH)二肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

实施例4铜/苯丙氨酸-1-甲基组氨酸(F1mH)二肽超分子催化剂的制备

1-甲基组氨酸(F1mH)的结构如下式所示：

1)称取0.1mmol的F1mH二肽，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的硫酸铜，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为铜/苯丙氨酸-1-甲基组氨酸(F1mH)二肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

实施例5铜/酪氨酸-组氨酸(YH)二肽超分子催化剂的制备

1)称取0.1mmol的YH二肽，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的硫酸铜，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为铜/酪氨酸-组氨酸(YH)二肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

实施例6锌/苯丙氨酸-组氨酸(FH)二肽超分子催化剂的制备

1)称取0.1mmol的FH二肽，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀。向溶液中加入0.1M的盐酸助溶，涡旋搅拌直至澄清，静置一周，获得溶液A。

2)称取1μmol的醋酸锌，加入到1mL的去离子水中，使用涡旋搅拌器分散均匀，获得溶液B。

3)向1mL 50mM的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液中依次加入20μL溶液A和10μL溶液B，使用涡旋搅拌器分散均匀获得溶液C。

4)将溶液C的pH调至6.5获得溶液D，即为锌/苯丙氨酸-组氨酸(FH)二肽超分子催化剂，将其保存于25℃下备用。

为了比较实施例中的催化剂催化酯类水解速率，采用对硝基苯酚乙酸酯作为底物，使用分光光度法进行表征。称取0.1mmol的对硝基苯酚乙酸酯溶解于1mL二甲基亚砜中，得到溶液E，将1μL溶液E加入到99μL溶液D中，使用紫外分光光度计记录402nm处的吸光度变化。根据朗伯比尔定率以及产物在402nm处的摩尔消光系数，可计算得到水解反应速率。金属/组氨酸多肽展现出明显的水解活性，如图1所示，实施例2的多肽组氨酸个数更多，水解活性较实施例1随之提升；实施例3中3-甲基取代的组氨酸多肽相对于实施例1中组氨酸多肽，水解活性明显提升；实施例4中1-甲基取代的组氨酸多肽则几乎失去了水解活性。实施例5中由于酪氨酸的组装能力弱于苯丙氨酸，活性相比于实施例1略低；实施例6中锌金属催化剂表现出与实施例1的铜金属催化剂相近的水解活性。

为了比较实施例中的催化剂催化酚类氧化速率，采用苯酚作为底物，使用分光光度法进行表征。称取0.1mmol的苯酚溶解于1mL二甲基亚砜中，得到溶液E。称取0.1mmol的4-氨基安替比林溶解于1mL二甲基亚砜中，得到溶液F。将1μL溶液E和1μL溶液F加入到98μL溶液D中，使用紫外分光光度计记录510nm处的吸光度变化。根据朗伯比尔定率以及产物在510nm处的摩尔消光系数，可计算得到氧化反应速率。金属/组氨酸多肽展现出明显的氧化活性，如图2所示，实施例3中3-甲基取代的组氨酸多肽相对于组氨酸多肽，氧化活性明显提升；实施例4中的1-甲基取代的组氨酸多肽表现出略低于组氨酸的活性。实施例5中由于酪氨酸的组装能力弱于苯丙氨酸，活性相比于实施例1略低；而实施例6中锌金属催化剂表现出远低于实施例1的铜金属催化剂的氧化活性。

为了比较实施例中的催化剂催化芳香酯类物质的水解-氧化级联反应速率，采用乙酸苯酯作为底物，使用分光光度法进行表征。称取0.1mmol的乙酸苯酯溶解于1mL二甲基亚砜中，得到溶液E。称取0.1mmol的4-氨基安替比林溶解于1mL二甲基亚砜中，得到溶液F。将1μL溶液E和1μL溶液F加入到98μL溶液D中，使用紫外分光光度计记录510nm处的吸光度变化。根据朗伯比尔定率以及产物在510nm处的摩尔消光系数，可计算得到级联反应速率。金属/组氨酸多肽展现出明显的催化级联反应的活性，如图3所示，由于实施例3中3-甲基取代的组氨酸多肽的水解活性和氧化活性都较高，因此表现出最高的催化级联反应的活性。由于实施例4几乎没有表现出水解活性，并没有表现出明显的催化级联反应的活性。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

序列表

<110> 杭州诺莘科技有限责任公司

<120> 基于组氨酸和/或烷基取代组氨酸的含金属超分子催化剂及其制备和应用

<160> 1

<170> SIPOSequenceListing 1.0

<210> 1

<211> 20

<212> PRT

<213> 人工序列(Artificial Sequence)

<400> 1

Phe His Phe His Phe His Phe His Phe His Phe His Phe His Phe His

1 5 10 15

Phe His Phe His

20