金屬有機框架(MOF)納米材料作為納米酶引起了人們的廣泛關注。一方面因為MOF結構中的金屬離子和有機配體都可以被設計為活性位點。另一方面MOF的孔道結構可以調(diào)控底物的擴散，進而來影響其催化活性。近年來關于納米酶活性位點的研究報道也層出不窮，這里我將分享一篇采用有機配體作為催化位點的納米酶，發(fā)表在2012年Angew. Chem. Int. Ed上的一篇文章，題目是Zirconium-Metalloporphyrin PCN-222: Mesoporous Metal–Organic Frameworks with Ultrahigh Stability as Biomimetic Catalysts，該工作由德州農(nóng)工大學周宏才教授課題組報道。金屬卟啉在自然界中有許多重要的作用，如光捕獲、氧氣運輸以及催化等。其中鐵卟啉是許多過氧化物酶以及蛋白質(zhì)的輔因子，包括過氧化物酶、細胞色素c、血紅蛋白和肌紅蛋白。受此啟發(fā)，作者基于鋯氧簇(Zr6 cluster)和鐵卟啉分子Fe-TCPP(TCPP=tetrakis(carboxyphenyl)porphyrin)構建了一種非常穩(wěn)定的MOF納米材料用于天然過氧化物酶的模擬，即PCN-222(Fe) (PCN=Porous Coordination Networks)，其中一個Zr6和8個羧基配位，結構如圖1所示。PCN-222(Fe)相比于其他金屬有機框架而言，具有較大的孔徑(3.7 nm)，足以使得過氧化物酶底物從溶液擴散到催化位點。
圖1. PCN-222示意圖
PCN-222(Fe)對酸環(huán)境和高溫具有超強的耐受性，這一點可以通過XRD和BET測試證明。如圖2所示，經(jīng)過水、沸水、2 M HCl、4 M HCl、8 M HCl以及濃鹽酸處理24 h后仍然具有非常好的結晶性。同時，N2吸附脫附曲線也沒有發(fā)生顯著變化，說明其比表面積以及孔徑分布得以維持。PCN-222(Fe)的穩(wěn)定性主要源自于Zr4+和O的強相互作用。
圖2. PCN-222(Fe)經(jīng)過各種條件處理之后的XRD譜圖(a)以及N2吸脫曲線和孔徑分布(b)
進一步，作者以鄰苯三酚作為過氧化物酶底物(圖3a)，在雙氧水存在下測定其動力學參數(shù)。如圖3b-c所示，通過測定不同濃度底物的初始反應速率、速率與濃度的雙倒數(shù)作圖，且實現(xiàn)了一個非常良好的線性擬合，最終得到米氏常數(shù)Km為0.33 mM，速率常數(shù)Kcat為16.1 min-1，遠遠高于血紅素的2.4 min-1。隨后以3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)為底物，比較不同金屬卟啉基PCN-222的催化性能，結果發(fā)現(xiàn)只有PCN-222(Fe)在雙氧水存在下可以使得TMB發(fā)生顯色反應(圖3d)。
圖3.鄰苯三酚作為底物的反應方程式(a), 動力學測試(b-c)，不同金屬卟啉基PCN-222加入到TMB溶液中(含雙氧水)反應1 min，1為無，2-8分別對應PCN-222(Fe), PCN-222(Mn), PCN-222(Co), PCN-222(Ni), PCN-222(Cu), PCN-222(Zn), PCN-222
除了測試鄰苯三酚動力學以外，作者也測定了TMB以及鄰苯二胺(OPD)的動力學參數(shù)，結果表明PCN-222(Fe)活性仍比血紅素的高。出現(xiàn)這一結果的主要原因是1：單位分子質(zhì)量下該MOF的催化位點濃度遠高于天然酶，如辣根過氧化物酶(HRP)；2：三維的框架可以防止鐵卟啉分子發(fā)生聚集；3：介孔的結構不會影響底物的擴散。總之，該文章首次采用鐵卟啉同時作為催化位點和有機配體與鋯氧簇組裝成為穩(wěn)定性很高的介孔MOF材料，又證明了其具有優(yōu)異的類酶催化活性，為后續(xù)研究工作提供了非常重要的指導和幫助。
撰稿：李通
校審：劉雨風、馬浩辰
編輯：徐庚辰
