金屬酶

按照金屬離子和酶蛋白結(jié)合的穩(wěn)定程度又可分為金屬酶和金屬激活酶兩類。金屬酶中，它們牢固地結(jié)合在一起，金屬離子通常為活性中心。在金屬激活酶中，它們松散地結(jié)合，但金屬離子卻是酶活性的激活劑。金屬酶種類很多，以含鋅、鐵、銅的酶最多，如鐵金屬酶-細胞色素C。也有含鉬、錳等其他金屬離子的酶。例如細胞色素氧化酶除含有鐵離子還含有銅離子。

大部分β-內(nèi)酰胺酶的活性位點是絲氨酸殘基，但也有一小部分活性位點為金屬離子的酶類。第一個發(fā)現(xiàn)的以金屬離子為活性中心的酶是由蠟樣芽抱桿菌產(chǎn)生的頭孢菌素酶，能被EDTA所抑制，之后世界各地均發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)生這類酶的各種細菌。1988年Bush首次將該酶定名為金屬β-內(nèi)酰胺酶(metalloβ-1actamase)，簡稱金屬酶。

金屬β-內(nèi)酰胺酶耐受β-內(nèi)酰胺酶抑制劑且可水解幾乎所有β-內(nèi)酰胺類抗生素(包括亞胺培南)。該酶已在氣單胞菌、嗜麥芽窄食單胞菌、洋蔥伯克霍爾德氏菌中發(fā)現(xiàn)，其中嗜麥芽窄食單胞菌的亞胺培南耐藥性由染色體介導(dǎo)，而脆弱擬桿菌、肺炎克雷伯氏菌、銅綠假單胞菌中質(zhì)粒介導(dǎo)的突變株在日本已有報道。由粘質(zhì)沙雷氏菌產(chǎn)生的金屬β-內(nèi)酰胺酶IMP-1型可在類似接合子的intl3上移動，已經(jīng)傳播到銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯氏菌和產(chǎn)堿桿菌。金屬酶可以水解碳青霉烯類和開發(fā)的第四代頭孢菌素。金屬β-內(nèi)酰胺酶有廣泛傳播的潛力，對幾乎所有的β-內(nèi)酰胺類抗生素均具有水解活性，是所知的最強的β-內(nèi)酰胺酶-。

對化學(xué)反應(yīng)具有催化作用的高分子。主要有天然高分子催化劑和合成高分子催化劑兩大類。前者如酶，后者如固定化酶、模擬酶和高分子金屬催化劑等。

在生物體內(nèi)所進行的化學(xué)反應(yīng)，幾乎全部是酶催化的。酶是由各種氨基酸聯(lián)結(jié)組成的高分子，有的還含有金屬離子(金屬酶)。酶的特點是在常溫常壓下具有很高的活性和選擇性。發(fā)酵工業(yè)早就使用酶作為催化劑。但是，酶是水溶性的，不容易回收再使用，因此在實際應(yīng)用上受到很大的限制。為了克服這個缺點，到了20世紀(jì)50年代，人們開始研究把酶連接在合成高分子上的所謂固定化酶。

利用酶的官能團(-NH2、-COOH、-SH、咪唑基、苯酚基等)與合成高分子的官能團進行反應(yīng)可以制得。例如，含-C6H4NCS的聚丙烯酰胺與含-NH2的酶作用，可得如下的固定化酶(見結(jié)構(gòu)式a):

固定化酶可用于催化氧化、還原、重排、水解、異構(gòu)化等反應(yīng)。例如，固定化氨基?；缚墒筃-酰化-D，L-氨基酸進行選擇性水解。所產(chǎn)生的L-氨基酸可利用溶解度的差別，與N-?；?D-氨基酸分離,此法已工業(yè)化。固定化酶屬于半合成高分子催化劑。

60年代,關(guān)于模擬酶的合成高分子催化劑的研究逐漸活躍起來。酶的催化作用,與其具有光學(xué)活性的特殊高級結(jié)構(gòu)和高分子鏈上的各種官能團所引起的分子內(nèi)協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。因此,所謂模擬酶就是用合成方法來模擬酶的結(jié)構(gòu)，以獲得高活性、高選擇性的催化劑。最簡單的模型是在高分子鏈上引進種種官能團。例如，聚4-乙烯咪唑(b) 能夠催化對硝基苯酚乙酸酯的水解，而其催化活性比低分子咪唑 (c)高。如果除了咪唑基以外還含有苯酚基的高分子(d)，則它在堿性溶液(pH為9.1)中

的催化活性更高。這些現(xiàn)象被認(rèn)為是高分子效應(yīng)所引起的。

模擬金屬酶的高分子催化劑叫做高分子金屬催化劑。在此以前，均相催化劑用的是有機金屬絡(luò)合物，雖然活性和選擇性較高，但是在空氣中或受潮后容易失去活性，對金屬反應(yīng)器有腐蝕性，反應(yīng)后分離和回收催化劑困難，在工業(yè)上的應(yīng)用受到了一定的限制。為了克服這些缺點，60年代末期，出現(xiàn)了把有機金屬絡(luò)合物固定在高分子上的所謂高分子金屬催化劑。例如，高分子銠絡(luò)合物 (e)

和相對應(yīng)的低分子銠絡(luò)合物RhCl【P(C6H5)3】3,都能在常溫常壓下催化烯烴的加氫，并且反應(yīng)機理也相似。所不同的是，低分子絡(luò)合物溶液接觸到空氣就失去活性，而且有腐蝕性;但是高分子銠絡(luò)合物在空氣中很穩(wěn)定，幾乎沒有腐蝕性，而且反應(yīng)完成后，用過濾的方法可回收使用。另一個特點是用高分子催化劑時，加氫速率受烯烴分子的形狀和大小的影響較大，即底物(反應(yīng)物)選擇性高;但用低分子絡(luò)合物時，選擇性很低。另外，由于高分子效應(yīng)，某些高分子金屬絡(luò)合物比低分子 金屬絡(luò)合物催化活性高。例如,芳香烴的加氫是比較困難的,用一般的低分子催化劑,需要在高溫高壓下才能夠進行。但是用二氧化硅為載體的聚γ-二苯基膦丙基硅氧烷-鉑絡(luò)合物(f),在常溫常壓下對各種芳香烴的加氫具有較高的催化活性，而且穩(wěn)定性也較高。此外，在氧化、硅氫加成、異構(gòu)化、醛化、聚合等方面也出現(xiàn)了很多有效的高分子金屬催化劑。