文摘

我们系统地研究了可逆性,时间流逝,oxygenation-deoxygenation 15自然的属性氨基acid-Co (II)配合物通过紫外可见分光光度计、极谱氧电极,和DFT计算,分别探讨之间的关系协调的结构和可逆的氧化氨基acid-Co (II)配合物。结果显示,氨基酸结构中扮演着重要角色的可逆氧化这些复合物的性质。具体的配置胺基酸组影响电子有限公司(2)转让的轨道的啊₂;这种现象也倾向于可逆Co-O的形成和分离₂债券的时候啊₂坐标(II)配合物。因此,co-coordination氨基和羧基团体是有限的行列式复合物吸收O₂可逆的。毗邻胺基酸单元显然影响复合物的分子氧亲和力和抗氧化能力。氨基酸的存在(或亚氨基的)和羟基组毗邻胺基酸组增加了oxygenation-deoxygenation率和可逆的循环次数。我们的发现证明一个新的机制来开发可逆氧化复合物和揭示氧载体的氧化。

1。介绍

含氧复合物应该调查是否作为一种天然氧载体模型化合物作为一种环境友好催化剂(1- - - - - -6]。氧化、相关机制和配置的氧合配合物作为模型化合物天然氧载体被广泛探讨的7- - - - - -13]。不结盟运动合成的单核细胞氧合配合物晶体和猜测他们的氧化机制,系统地调查他们的衰老过程,也就是说,活化分子氧的氧化过程的含氧复杂1,14- - - - - -17]。例如,近年活化分子氧(执行各种生物反应8,10,18- - - - - -20.]。分子氧的活化酶活跃网站发生通过几个步骤:(1)O₂结合降低金属中心;(2)superoxo然后peroxo物种生成;o - o键金属hydroperoxo复合物的裂解;和high-valent metal-oxo氧化剂形成(2,3,21- - - - - -26]。研究已经证明了生物酶激活氧气分子机制。然而,可逆氧化复合物,可作为血红蛋白的模型化合物,已经很少报道,因为可用的氧化复合物不稳定;因此,研究人员难以描述的确切结构产品的经验(27,28]。遇到两个主要问题研究中涉及的氧化钴配合物在水溶液中:(1)复合物吸收分子氧立即在环境条件下形成的,(2)老化现象或含氧的氧化发生复杂,直到衰老过程完成(29日,30.]。尽管利率的老化或氧化钴配合物不同,含氧复合体在不同国家存在。因此,含氧化合物后应立即为这些化合物形成的解决方案而不是成为分开后的解决方案。紫外可见分光光度计和极谱氧电极用于在线监测氧化和脱氧的连续交替O₂和N₂atm。质谱计是用来描述复合物和确定其结构29日- - - - - -31日]。

席夫碱配体和卟啉主要是在含氧复合物的可逆氧化11,24];然而,这些复合物的可逆氧化性能差在水溶液和室温。伯克等人调查histidine-Co (II)和证明氧化发生可逆性在水溶液中在室温下(32]。考虑这个先前的研究中,马爹利和其他研究人员检测有限公司(II)与氨基酸和二肽复合物,可以可逆地吸收氧气(33,34]。在我们的研究中,四组的配体与不同的N / O, N / N, O / O双官能的团体(35),如氨基酸、氨基醇,聚胺类,和multicarboxylic酸被选中。有限公司(II)配合物的氧合性能进行了比较分析。以下结果:O / O双官能的集团的公司(II)配合物不具有氧化性质;复合物的N / N双官能的集团可以吸收氧气,但不能进行可逆性;复合物的N / o类型双官能的组织是相对不同的;氨基acid-Co (II)配合物表现出明显可逆氧性能;和氨基alcohol-Co (II)配合物吸收氧弱和不可逆性。然而,研究还没有确定因素造成氨基acid-Co复合物表现出氧化可逆性。

公司配合物中,氨基acid-Co复合物显示不同氧化可逆性。这个不寻常的发现的基础上,我们认为的胺基酸组在配体可以是关键组与这种复合物的可逆氧化有关。因此,我们合成了一系列新型氨基acid-Co (II)配合物,发现公司复合物可以可逆地吸收分子氧(28,35,36]。事实上,胺基酸单元在一个配体是一个关键结构部件与这些复合物的可逆的氧化性质有关。

探索和协调的因素结构,确定氧化可逆性自然水溶性氨基acid-Co复合体,我们选择15胺基酸(计划1),进行了详细的调查他们在水溶液在室温下氧化性能。测量pH值在一个特定的范围,这些复合物的主要国家。我们还进行了全面的比较分析来确定配体结构之间的关系和分子氧亲和力的复合物。

本研究旨在确定基本结构单元负责可逆双氧吸收。这项研究还旨在识别辅助官能团,提高双氧吸收的可逆性。我们相信,我们的研究结果将非常有助于阐明和揭示氧载体的氧化机理。

2。实验

2.1。材料

氨基酸和有限公司(CH₃首席运营官)₂h·4₂O是购自上海阿拉丁试剂有限公司有限公司(中国)。氨基酸和水的解决方案是用蒸馏水。高纯度(99.99%)₂和N₂被使用。所有的化学品都是使用前未经纯化。

以下仪器被用于实验:紫外可见光谱仪(uv - 2450、日本岛津公司、日本)、红外光谱仪(VERTEX70-RAMAN II,力量公司、德国;测试条件:dpi: 4.0厘米⁻¹,扫描数量:100,ATR和水作为背景),蠕动泵(中国Pgeneral PS19-2) (PP2)便携式溶解氧测定仪(嗨9146,汉娜仪器、意大利),和酸度计(PHS-3C、上海Shengci仪器有限公司,中国)。

2.2。紫外可见分光光度法

表1提供了一个列表的浓度胺基酸和有限公司(II)准备相应的复杂的解决方案。光谱被记录为25.0±0.1°C使用UV2450分光光度计1厘米的小池的光谱范围内200 - 600 nm或最大吸收峰(每个复杂的pH值在一定的)。

2.3。质谱分析

质谱进行与水域Quattro总理XE质谱仪配有电喷雾电离源(Micromass,曼彻斯特,英国)。

2.4。吸收(建设)ph曲线

对于每个氨基酸,有限公司(II)解决方案与一个已知浓度不一胺基酸溶液的摩尔比率1:3或1:2,根据胺基酸物种(表1)。的按照之前与pH曲线构造方法描述(28),和合适的pH值范围检查每个复杂的选择ph曲线。

2.5。测定分子氧吸收和释放的可逆性

氧化和脱氧动力学测定使用PP2流动注射装置(28]。的氧化和脱氧的可逆性氨基acid-Co (II)配合物被记录的吸光度的变化₂和N₂饱和的解决方案。吸光度的区别吸光度之间O₂ 和N₂大气被认为是评价复合物的吸收能力啊₂。oxygenation-deoxygenation周期的数量()获得了估计每个复杂的抗氧化作用的耐力。

2.6。Oxygenometry

溶解的浓度₂在解决方案与配合物的氧合的演变。溶解的浓度₂溶液中测定按照先前所描述的方法(28]。

2.7。DFT计算

计算进行了高斯03 w程序包(37]。通过B3LYP方法完整的几何形状进行了优化计算。在所有的计算,LANL2DZ基础设置,以及相应的有效的核心潜力,用于金属原子。我感觉(d)的基础上设置用于C, H, N, O原子。

3所示。结果与讨论

的氧化和可逆的表演15氨基acid-Co复合物进行调查。Ala-Co复杂被用来作为一个例子来演示实验过程。

3.1。复杂地层

3.1.1。紫外可见光谱

图S1A(在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/3585781)显示了阿拉巴马州的紫外可见光谱和Co(2)盐溶液和它们的混合物。混合物的光谱明显不同于公司或单独配体;这个结果证实,该复合物形成。也观察到类似的结果其他氨基acid-Co系统,所表示的紫外可见光谱。图S1礼物Ser-Co的紫外可见光谱,什共同,Lys-Co。

3.1.2。红外光谱学

的红外光谱图S2显示L和Ala-Co (II), Ser-Co,什共同,Lys-Co。显然,这些配合物的光谱明显不同于氨基酸,仅指复合物的形成。

3.1.3。质谱分析

所有氨基酸acid-Co复合物是由女士,结果表现出复合物的形成。数字S3和S4的ESI质谱什共同和Ala-Co。

3.2。确定合适的pH值条件的形成α氨基Acid-Co复杂

有限公司(II)配合物可以在不同的pH值,因为形成差异的协调能力的氨基酸有限公司(II)。ph曲线的复合物是根据记录的紫外可见分光光度法进行测定实验的一部分。每个复杂的合适的pH值是根据这些选择ph曲线。表2列出了合适的含氧复合物的形成和pH值。

图S5介绍了图的Ala-Co pH曲线(曲线1),Ser-Co(曲线2),什共同(曲线3),和Lys-Co(曲线4)。这些复合物的形成的合适的pH值是得出的结论如下:9.3 - -1.2 (Ala-Co), 9.5 - -9.8 (Ser-Co), 7.8 - -10.3(什共同)和10.3 - -10.8 (Lys-Co);他们的作品也通过摩尔比率方法确定相应的pH值,和他们的公式是公司(Ala)₃有限公司(Ser)₂有限公司(他的)₂,公司(赖氨酸)₃,分别。其他氨基acid-Co系统是在相同的方法进行测试。

3.3。测定分子氧的吸收和释放的可逆性

在N₂氛围,在阿拉巴马州和公司(II)盐的解决方案是混合在pH值为9.5,Ala-Co复杂解决方案显示出不同的光谱与两个主要吸收峰在水溶液中365和540海里,从而说明复杂的形成(图1(一)曲线1)。双氧增加时,Ala-Co复杂的突然增加的吸收强度在365纳米(图1(一)曲线1′),溶液的颜色迅速从亮粉红色变成橙黄色,因此表明Ala-Co很容易含氧在室温下在水溶液中。这种光谱变化是由电荷转移引起的从氧气有限公司(II) (LMCT) [24]。当从二氮气氛改变了分子氧,随后回二氮(定义为一个周期),光谱改变定期根据气氛的变化(图1(一)曲线2和3为N₂和2′,3′O₂)。这些结果证实,Ala-Co oxygenation-deoxygenation反应是可逆的。其他氨基acid-Co复合物被以同样的方式进行测试。Ser-Co的光谱变化,什共同,Lys-Co显示这三个钴配合物的氧化作用是可逆的(数据1 (b),1 (c),1 (d))。其他钴配合物的光谱下降显然经过三个周期,但什共同的光谱15个周期后保持不变。这些结果表明,自然氧化发生氧化,什共同度过了一个非常棒的可逆的氧化能力。表2提供的结果所有15个氨基酸复合物的可逆性。

3.4。Oxygenometry方法

进化的溶解双氧浓度在气密检查复杂的解决方案是使用溶解氧测定仪为3—11 pH值范围内,随后从11回到3为25.0±0.1°C。图S6展品溶解双氧浓度的图作为pH值的函数(从3 - 11和3)的Ala-Co Ser-Co,什共同,Lys-Co复合物。这些浓度曲线溶解分子氧的氧化与脱氧的同时,从而表明复杂的氧化作用是可逆的。

氧化作用的可逆性氨基acid-Co复合物也在相同的程序,检查结果列在表中2。获得的结果从oxygenometry还同意与紫外可见分光光度法。

15胺基酸复合物具有亲和性分子氧,其中14可以可逆地结合分子氧在合适的pH值;然而,Cys-Co只能氧气但没有释放它(表2)。

3.5。Oxygenation-Deoxygenation的动力学α氨基Acid-Co复合物

三个oxygenation-deoxygenation周期后,Ala-Co (II)复杂仍然保持可逆性能。时间周期的oxygenation-deoxygenation Ala-Co (II)决心说明完整的氧化的氧合的复杂过程和抗衰老的能力。时间在流逝N为吸光度的变化₂和O₂是交替地通入系统观察氧化物种的进化。吸光度的差在N₂和O₂在一个周期是用来识别复杂的氧化能力。图2代表的oxygenation-deoxygenation动力学Ala-Co (II)复杂。Ala-Co (II)复杂花了84分钟来完成一个oxygenation-deoxygenation周期。氧化花了28分钟,而脱氧花了两次完成。动力学结果(图2(一个))表明,Ala-Co复杂可以维持八个连续oxygenation-deoxygenation周期超过10 h在室温下在水溶液中。Ser-Co持续20小时(图27个周期2 (b)),和什共同(图2 (c))和Lys-Co(图2 (d))550 110年45 h, h和20。其他氨基acid-Co复合物也在同一个程序,检查和结果列在表3。

3.6。比较研究

所有15胺基酸钴配合物,除了半胱氨酸,显示可逆的氧化性质但表现出不同的分子氧的亲和力;因此,进行了系统的比较研究,揭示了氨基酸的结构之间的关系和氧化复合物的性质。只有一个甲基与Ala-Co复杂胺基酸组;因此它被用作参考胺基酸钴配合物。在比较研究中,除了可逆性,氧化和脱氧和可逆的循环次数有关的对比参数。一些规则从比较研究得出的结论。

4所示。讨论

所有胺基酸钴配合物表现出可逆结合分子氧的能力,除了Cys-Co (II)。一般来说,氧化时间复杂的比脱氧作用时间短几乎所有的复合物。什共同收益率最低和分别为1和7.5分钟。Glu-Co Asp-Co达到最大和分别为93和100分钟。公司的配体复合物被安排从最短的基础上持续时间最长的双氧吸收饱和(:分钟):(1),爵士(17),刺(18),g(22),阿拉巴马州(28),(箴=参数)(33),瓦尔(35),满足(37),赖氨酸(42),Asn (50), Asp (83), Gln(87),和Glu (93)。同样,公司的配体复合物被安排从最短的基础上持续时间最长的完整的双氧释放(:分钟):他(7.5),爵士(17),刺(25)、专业(33),瓦尔(50),阿拉巴马州(56),满足(57)(Arg =赖氨酸)(58),Asn (67), g (75), Glu (87), Gln(92),和Asp (100)。什共同复杂需要更少的时间比其他复合物在oxygenation-deoxygenation过程;这一发现表明,氧载体的什共同复杂是一个很好的模型。根据理论计算结果,通常是超过这些复合物时H债券形式之间的配体和O₂绑定。

另一个重要的特征参数来评估复杂的氧化性质是oxygenation-deoxygenation的循环次数。我们的研究结果表明,什共同的最大循环数550,而g只显示2周期。公司的配体复合物从最高到最低的安排取决于他们可以维持5%至100%的原始氧化能力:他(550)、专业(40),Arg(33),爵士(27),(Glu = Gln) (24), (Val =赖氨酸)(20),用力推(17)、(16)会面,Asp (12), Asn (11), Ala (8), g (2)。

表2和3显示的结果比较分析一个周期的时间和周期数(14)胺基酸钴配合物。

Ala-Co复杂花了84分钟来完成一个oxygenation-deoxygenation周期。这个复杂的也可以维持八可逆循环(表3)。此外,Gly-Co Val-Co和Pro-Co(97、85和66分钟,resp)显示一个类似的周期时间Ala-Co。所有这些氨基酸有类似的烃基阿拉巴马州;因此所有这些配合物有类似的协调结构。然而,周期的订单数量减少的减少烷基链中碳原子的数量。

他的钴配合物的氧合性能,爵士,和用力推与Ala-Co相比明显改善;这些复合物周期乘以8.5,34岁和43分钟,以及可逆循环的数量550,27日和17日,分别。在这项研究中,我们假设这个改进是因为他们有一个杂原子组相邻的氨基酸组。存在一个原子的杂原子集团(NH₂与氨基酸或哦)坐标,加上公司(II),有助于形成复合物,提高氧化能力。

Cys-Co复杂可以绑定到双氧但没有可逆性,尽管它也一个协调原子;这个观察可能是因为S原子是更大、更基本与N和O原子相比,它增加了电子密度之间的金属离子和分子氧,从而增加Co-O的粘结强度₂释放分子氧,使其更加困难。这个结果与报告一致的协调能力将小幅增加金属配合物配体时包含S组(38]。

相比Cys-Co复杂,Met-Co复杂显示Ala-Co可逆氧化模式类似,几乎同一时间一个oxygenation-deoxygenation周期(95分钟,16可逆循环)。这一发现可能是由于一个事实,即脂肪族S原子不能配合公司(II),因为它是离氨基酸组;相反,只有氨基酸单元可以协调会见了有限公司(II)、阿拉巴马州和它的行为一样。然而,脂肪族年代发挥了作用的抵抗复杂自然氧化增加16的可逆的循环次数。

参数和赖氨酸有另一个北半球₂组织可以作为一个潜在的配体的协调小组。然而,nh₂是远离胺基酸单元在Met-Co;因此氨基酸之间的协调和(2)弱得多。因此,分子氧亲和力的公司(II)配合物对参数和赖氨酸类似Ala-Co,及其周期Ala-Co也几乎相同。Arg-Co抵抗自然氧化和Lys-Co nh改进₂组和他们的可逆循环的数量增加到33和20,分别。

Glu、Gln额外-CONH₂和羧基团体在他们的结构,它们分别表现出了相似的氧化能力。第二羰基Glu Gln可以用作协调小组;但是,它不配合其氨基酸组,与相同的有限公司(II)离子。相反,这一组坐标与另一个公司(II)离子形成线性高分子在有限公司(II)配合物的形成。因此,时间一个oxygenation-deoxygenation周期Glu、Gln扩展到180和179分钟,分别和他们的可逆循环的数量也提高到24。

Asn还包含一个-CONH₂组,但它拥有一个ch₂组不到Glu的链。羰基化合物在Asn能促进其协调与公司(II)离子。因此,Asn的一个周期是117分钟,比Glu更快。Asp也表现Gln,仍存在一个循环时间为183分钟,而Gln的几乎是一样的。然而,可逆循环的Asp和Asn都保留在11和12,分别。

所有以上14充氧胺基酸钴配合物有紫外可见吸收。所有的脂肪族的特征吸收峰胺基酸钴配合物是相似的,出现在约365海里,从而揭示出含氧物种的胺基酸钴配合物有很大的相似性的协调结构和模式。

一些差异之间存在的氧合配合物什共同Pro-Co和其他含氧复合体,和紫外可见吸收峰出现在374和380海里,分别。结果是由于这样的事实,这两种氨基酸有芳环,可以稳定复合物,使吸收带红移。基于这些结果,吸收峰在365纳米含氧物种的特征吸收峰的复杂。在这样的情况下,紫外可见光谱在365海里可以用来描述脂肪族含氧复合物。

比较研究的基础上,我们提出胺基酸组是可逆的氧化特性的基本单位负责这些14复合物。其他官能团还会影响速度,循环次数和其他氧化性质。可逆的氧化率和周期的过程主要是由氨基酸的协调能力。组,如组氨酸的咪唑,可以配合氨基酸形成更稳定的复合物与有限公司(II),将导致什共同复杂表现出更快的氧化和脱氧率。

额外的协调组织氨基酸的存在也会影响配合物的氧化能力。nh的存在₂(nh),在相邻的一个位置-哦胺基酸单元可能会增加oxygenation-deoxygenation利率和可逆的循环次数。杂原子集团与链式的胺基酸可以抑制氧化,增加循环的数量。

5。可逆的氧化机制

DFT的计算进行了结构模型的研究化合物,和Ala-Co和已报告什共同的结果28,39,40]。理论计算和实验结果的基础上,公司(II)配合物的氧化机制提出如下。

当一个复杂的分子氧结合,d轨道有限公司(II)的分裂,和电子的分布在3d轨道。含氧复合物的能量水平有限公司(II)的轨道是相当接近的能量水平分子氧的轨道。因此,电子的轨道可以转移双氧形成了Co-O的轨道₂债券(24]。

的氨基acid-Co (II)配合物可以可逆地结合O₂根据co-coordination氨基和羧基组。N原子的电负性小的原子O, N和孤对电子接近中央有限公司(II);因此,有限公司(2)上的电子云密度增加。这种现象有利于转移电子有限公司(II)轨道的啊₂并形成Co-O₂债券的时候啊₂坐标与有限公司(2)复杂。根据理论计算,氧化前后c的债券的长度,切断,Co-O,和Co-N复合物缩短;Ala-Co [39),Co-O和Co-N 2.0889 - -2.266和2.2131 - -2.2137在复杂的长度,分别;氧化后,Co-O Co-N成为1.941 - -1.984和2.1368 - -2.2059,分别。为什共同(40],Co-O、Co-N Co-N(咪唑)是2.2723,2.0113和2.0775,2.2847,1.9847,1.9910,分别在复杂;氧化后,Co-O、Co-N Co-N(咪唑)成为1.9519,1.9286,1.9361,2.0006,1.9632,1.9580,分别。这些结果表明,氨基和羧基团体结合氧化。协调羧基可以Co-O的接合₂债券更稳定的peroxo复杂形式。电子的跃迁和接合,O₂绑定时O成了可逆₂和N₂大气层或者改变。可逆的氧化复合物会发生,如图3和4。

6。结论

我们的研究显示的结构细节胺基酸在决定中扮演着重要角色的可逆氧化/脱氧能力形成的复合物(II)和氨基酸。我们观察到,辅助组织有关胺基酸组会影响配合物的亲和力分子氧和接受antiautoxidation的能力。特别是,nh的存在₂(nh)或-哦组在一个位置相邻的氨基酸单位提高oxygenation-deoxygenation利率和可逆的循环次数。一群杂原子与氨基酸的链提高抗氧化,可能增加可逆循环的数量。因此,可逆的氧化机理,氨基acid-Co (II)配合物,也就是说,强给电子体的相互作用的氨基,羧基的接合是一个重要的现象,这些复合物的可逆的氧化。这一战略可能会提供一个有用的新型氧载体的基础。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

财政支持中国的国家自然科学基金(21162027和21162027号)。

补充材料