《纳米酶》共读之旅 | 第3章·类GOx纳米酶·根之茂者其实遂

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图1. 第三章书页影像

葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）是大家较为熟知的天然酶，广泛应用于血糖仪。除此之外，它在食品、纺织、生物医药等领域也有着广泛的应用。一个有趣的例子是利用GOx消耗葡萄汁中的部分葡萄糖，减少发酵后酒精含量，从而生产低度葡萄酒。其原理如图2所示：在氧气存在下，GOx催化β-D-葡萄糖氧化产生D-葡萄糖酸-δ-内酯和H2O2。由于这一反应生成了H2O2，GOx也能用于纺织品漂白和口腔抗菌。

图2. 葡萄糖氧化酶的催化反应

GOx是典型的由蛋白质骨架和辅因子（黄素腺嘌呤二核苷酸，flavin adenine dinucleotide, FAD）构成的酶。本章较为详细地阐述了GOx的结构及其催化机制。文中提及“葡萄糖氧化酶的催化活性位点位于一个深的锥形腔的底部，其顶点位于中间黄素环的N5 原子中心，锥底面由His 516、His 559 上的N 及水中的氧构成的圆所组成。”读者可能比较疑惑，这个“锥形腔”到底在什么地方呢？图3b尝试勾画出了“锥形腔”的位置；图3c则显示了β-D-葡萄糖O1 羟基的位置。关于GOx催化的分子机制，2.2.1.3节已有详述，这里不再赘述。

图3. GOx的催化位点。（a）无底物时，氧化型葡萄糖氧化酶的催化位点（来源于PDB 结构1CF3）。洋红色部分为与催化活性有关的残基His 559，His 516 及Glu 412；绿色部分为FAD 分子；红色球代表中心水分子，用以指示底物存在时β-D-葡萄糖O1 羟基的位置。（b）黄色线条勾画出了“锥形腔”。（c）显示了β-D-葡萄糖O1 羟基的位置。

GOx用途如此广泛，前人是否尝试开发过其模拟酶呢？

为了取代GOx，研究者尝试开发了“无酶葡萄糖传感器”。这类传感器通常使用贵金属Pt、Pd、Au、Ni及其氧化物、Cu及其氧化物等修饰电极，实现葡萄糖的电催化氧化；也有研究者尝试使用碳纳米材料。另一方面，常见的血糖仪利用电子媒介体（mediator）来进行电极和GOx的电子传递；因此早期研究也聚焦于开发新型分子媒介体或者利用纳米材料（纳米结构）替代分子媒介体。尽管利用分子印迹聚合物（MIP）可实现葡萄糖的选择性识别，但据此构筑的GOx模拟酶仍较为少见。

那么，纳米酶呢？

天然GOx通过催化脱氢氧化将葡萄糖转化为葡萄糖酸和双氧水，这是一个氧气的两电子还原过程。然而，氧气还可以通过四电子还原生成水。从底物选择性角度考虑，欲很好地模拟GOx，其产物应为双氧水而非水。早期研究发现，金纳米颗粒能催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和双氧水——这很好地模拟了GOx的催化反应。为了进一步确认脱氢催化机制与两电子还原过程，董老师团队巧妙地利用ABTS+•代替氧气作为氢的受体，证实了金纳米颗粒确实实现了葡萄糖的脱氢氧化；进一步通过电化学手段确认了该过程为氧气的两电子而非四电子还原（图4）。与金不同，铂、钯等贵金属纳米颗粒虽然也能催化葡萄糖氧化，但其产物为四电子还原的水。因此，从底物选择性角度而言，金纳米颗粒显然是更优的类GOx纳米酶。（读者可结合“第二章互动题目十四：产物选择性”印证思考纳米酶的产物选择性。）

图4（原图3.29）. 贵金属纳米粒子催化氧化葡萄糖的机制。

很自然地，我们会追问：类GOx的金纳米酶，其底物选择性如何呢？这里的“选择性”通常指底物选择性。前文所述的金纳米颗粒，如不对其表面进行修饰，通常对底物缺乏选择性。但若引入分子印迹，则能赋予其底物选择性。

书中列举的两个例子则属于手性选择性：其一是利用L/D型氨基酸与L/D-葡萄糖相互作用的差异；其二是利用环糊精与L/D-葡萄糖相互作用的差异。

笔者有幸在读博期间得到董老师的指导；自己独立建立研究小组后，因从事纳米酶研究，先生更成为笔者在该领域的领路人。

先生是分析化学和电化学领域的大家，早年间便致力于化学修饰电极等研究。先生极具科研洞察力，早在2008年就将电化学技术引入纳米酶研究体系（图5）；后续又利用电化学技术，有效区分了类GOx金纳米酶催化过程中的两电子与四电子还原路径，确证了金纳米颗粒在功能上对天然GOx的良好模拟。

题目中引用了“根之茂者其实遂”（其下句为“膏之沃者其光晔”）。窃以为，此比喻恰如其分地描绘了先生深厚的学术积累在纳米酶领域结出的丰硕成果。

图5. 董先生利用电化学方法研究Fe3O4纳米酶催化活性。

参考文献：

应用化学, 2012, 29, 611-616.

化学进展, 2015, 27, 585-593.

Electrochemistry Communications, 2008, 10, 1524-1526.

互动：

1. 类OXD纳米酶的活性描述符可能有哪些？

2. 给出FAD中各手性碳原子的R/S构型。

3. 葡萄糖氧化酶催化反应中的两个氢原子，哪个是以质子形式进行转移？哪个是以氢原子形式进行转移？

4. 书中图1所示的产物D-葡萄糖酸-δ-内酯如何转换成葡萄糖酸？

5. 基于葡萄糖氧化酶的血糖仪，其相关反应会生成H2O2么？

6. 类漆酶纳米酶只能催化多酚类化合物？

7. 请简述漆酶催化酚类的氧化机制。

8. NOX家族分类那几类？哪些NOX可以产生超氧阴离子自由基？哪些NOX可以产生过氧化氢？

撰稿：楼南雄