抗壞血酸（H2A，又稱維生素C）是一種廣泛存在于各種食物中的維生素，它是一種抗氧化劑，可幫助保護細胞免受自由基的影響。近年來，抗壞血酸也被作為一種高效的促氧化劑，用于癌癥治療。然而，抗壞血酸“抗氧化”和“促氧化”作用相互“矛盾”，人們尚不清楚該生物醫(yī)學功能雙面性背后的分子機制，阻礙了抗壞血酸在生物醫(yī)學中的應(yīng)用。
由于在原子水平上具有與天然酶相似的催化中心，單原子納米酶被視為天然酶的替代物，被廣泛應(yīng)用于生物傳感、藥物相互作用和疾病治療等領(lǐng)域。然而，以單原子納米酶作為天然酶模型探索H2A氧化過程中氧氣還原機制的研究鮮有報道。近日，東南大學張袁健團隊報道了使用Fe-N-C納米酶作為鐵蛋白模擬物探索H2A催化氧化過程中Fe離子的脫出現(xiàn)象及其對氧氣還原選擇性的影響機制。
圖1. Fe-N-C納米酶及N-C納米酶催化H2A氧化的（a）能量圖和（b）反應(yīng)機理圖 該研究合成了Fe-N-C納米酶和對照樣品N-C納米酶，發(fā)現(xiàn)其均具有良好的類抗壞血酸氧化酶活性；但是對同時發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)呈現(xiàn)出不同的選擇性，即Fe-N-C納米酶催化四電子氧氣還原反應(yīng)（4e- ORR），N-C納米酶催化二電子氧氣還原反應(yīng)（2e- ORR）。對照和毒化實驗表明Fe-N-C納米酶和N-C納米酶分別以Fe-Nx和N-C位點為主要的活性中心；經(jīng)實驗和理論計算推測，這些活性位點與O2間的吸附能存在差異，影響斷鍵位置，進而導(dǎo)致不同氧氣還原反應(yīng)中間態(tài)的形成和產(chǎn)生氧氣還原選擇性的差異。值得一提的是，O2對N-C活性位點的弱吸附誘導(dǎo)游離態(tài)ROS中間體（O2·?）的產(chǎn)生，同時還促進了2e- ORR路徑；相反，F(xiàn)e-Nx活性位點和O2間的強吸附誘導(dǎo)結(jié)合態(tài)Fe-OO和Fe=O中間體的產(chǎn)生，促進4e- ORR路徑（圖1）。 圖2. Fe-N-C納米酶催化抗壞血酸氧化的三種路徑 進一步研究發(fā)現(xiàn)Fe-N-C納米酶是一種多相催化劑，除了Fe-Nx活性位點以外，還存在少量“不活潑”的N-C活性位點，它們在催化過程中產(chǎn)生痕量的超氧陰離子（O2·?）并累積，進而進攻Fe-N-C中部分不穩(wěn)定的Fe-Nx游離為Fe離子（高達420 ppb），進而形成新的N-C位點。經(jīng)N-C位點催化產(chǎn)生的過氧化氫（H2O2）與游離的Fe離子會形成Fenton體系，就此組成新的2+2e? ORR路徑（約40%）。更為重要的是，當游離的Fe離子遠離催化劑時，由于催化H2A氧化過程中Fe-Nx活性位點含量的下降，更多的N-C活性位點被激活，從而導(dǎo)致H2O2的產(chǎn)率上升（圖2）。 總而言之，該研究提出在Fe-N-C納米酶催化H2A氧化過程中存在Fe離子的脫出現(xiàn)象，揭示了“不活潑”N-C位點的活化途徑和對氧還原選擇性的影響機制，并闡明了氧氣還原的三條不同途徑。該研究不僅有助于構(gòu)建具有明確構(gòu)效關(guān)系的納米酶體系，并且對理解H2A促氧化效應(yīng)清除癌細胞及其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。 論文信息 Insights into Iron Leaching from an Ascorbate-Oxidase-like Fe-N-C Nanozyme and Oxygen Reduction Selectivity Xuwen Cao?, Caixia Zhu?, Qing Hong, Xinghua Chen, Kaiyuan Wang, Yanfei Shen*, Songqin Liu, Yuanjian Zhang* 東南大學化學化工學院的碩士生曹栩雯和博士生朱彩霞為本工作共同第一作者，通訊作者為東南大學化學化工學院張袁健教授和醫(yī)學院沈艷飛教授，該工作得到了國家自然科學基金的資助。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202302463
