哪一种酶的激活剂是钙离子（NSR模型单原子纳米酶桥联氧化酶催化和氧还原电催化）

哪一种酶的激活剂是钙离子（NSR模型单原子纳米酶桥联氧化酶催化和氧还原电催化）02本文的通讯作者为中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林院士，曾任上海硅酸盐研究所所长，2019年当选为中国科学院院士。他曾从事先进陶瓷材料制备科学\烧结理论\结构陶瓷高温可靠性评价透明陶瓷等研究（1983-2005），现主要从事无机纳米材料，介孔材料与介孔主客体复合材料的合成、非均相催化性能与环境应用；介孔纳米颗粒的可控合成及其生物相容性、多功能化、药物输运和纳米诊疗剂等方面的研究（1998至今）。本次分享一篇发表在National Science Review上的文章Bridging Oxidase Catalysis and Oxygen Reduction Electrocatalysis by Model Single-Atom Catalysts，可开放获取。01作者简介

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2022年3月29日

*编辑：俞纪元

本次分享一篇发表在National Science Review上的文章Bridging Oxidase Catalysis and Oxygen Reduction Electrocatalysis by Model Single-Atom Catalysts，可开放获取。

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作者简介

本文的通讯作者为中国科学院上海硅酸盐研究所的施剑林院士，曾任上海硅酸盐研究所所长，2019年当选为中国科学院院士。他曾从事先进陶瓷材料制备科学\烧结理论\结构陶瓷高温可靠性评价透明陶瓷等研究（1983-2005），现主要从事无机纳米材料，介孔材料与介孔主客体复合材料的合成、非均相催化性能与环境应用；介孔纳米颗粒的可控合成及其生物相容性、多功能化、药物输运和纳米诊疗剂等方面的研究（1998至今）。

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文章简介

氧化酶催化和氧还原（oxygen reduction reaction，ORR）电催化可以基于它们相同的活性来源很好地桥联，使简单的ORR电催化活性测量本质上适用于类氧化酶活性评估。受天然血红素铜氧化酶的启发，作者首次合成了铜/铁掺杂单原子催化剂（single-atom catalysts，SAC），并将其用作催化剂模型，并提出了一种用于快速酶催化评价的有效描述符|j_n|。SAC增强肿瘤治疗效果已被证明是其类氧化酶/ORR活性的作用，所以ORR电催化剂在肿瘤治疗方面具有潜在的应用前景。

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研究内容

作者设计了了四种模型SAC，包括有/无铜或/和铁离子约束在碳基体上：（i）空心掺氮碳球（HNC）；（ii）限制在HNC上的铜单原子（C-HNC）；（iii）限制在HNC上的单个铁原子（F-HNC）；（iv）限制在HNC上的异双核Cu-Fe中心（CF-HNC）。CF-HNC合成示意图如图1所示。

图1. CF-HNCS合成示意图

作者采用TMB的氧化作为模型显色反应。如图2a所示，在去离子水中，显色反应的速度，即类氧化酶活性顺序如下：CF-HNCS > C-HNCS F-HNCS > F-HNCS > C-HNCS ≫ HNCS。该结果表明，协同效应和活性金属原子是影响催化活性的两个重要因素。考虑到商用Pt/C具有显著的ORR活性，在催化O2氧化有机分子方面可能表现出优异的活性。去离子水中的显色反应速度（图2a）表明，商用Pt/C的类氧化酶活性显著高于CF-HNC。然而，计算出的CF-HNC中Cu-Fe的周转频率约为Pt/C中Pt的0.93倍，表明CF-HNC具有出色的类氧化酶活性。用线性循环伏安法（LSV）研究了所有样品在室温（~25℃）下，不同溶液中的ORR活性。所得的ORR活性顺序为Pt/C > CF-HNCS > F-HNCS > C-HNCS ≫ HNC（图2b），与TMB确定的类氧化酶活性顺序高度一致（图2a），表明类氧化酶和ORR活性可能遵循相同的机制，具有相同的活性位点。

图2. CF-HNCS的催化性能。(a)去离子水中各样品显色反应的速度(v)。(b)各样品在O2饱和去离子水中的LSV曲线。(c)去离子水中不同TMB浓度下显色反应的无量纲化速度(Vn)与O2饱和去离子水中ORR 1 ~ 0V归一化平均电流密度绝对值|j_n|的线性拟合。d-f，在O2饱和的0.1 M HCIO4溶液(d)、饱和的SBF溶液(e)和饱和的DMEM溶液(f)中CF-HNCS和参考样品的LSV曲线。CF-HNCS和对比样在O2饱和的0.1 M HClO4溶液 (d)，饱和O2的SBF溶液(e)，饱和O2的DMEM溶液(f)的LSV曲线

在不同TMB浓度下，显色反应的无量纲速度（Vn）和ORR中1到0 V的归一化平均电流密度（|j_n|）的绝对值分别用于表示各种催化剂的类氧化酶和ORR活性。图2c显示了Vn和|j_n|在去离子水良好的线性关系，其中所有皮尔逊相关系数（r）均大于0.985。斜率和截距随着TMB浓度从0.75增加到0.25 mM而增加，表明当底物浓度增加时，酶变得饱和。特别是，0.25和0.125 mM处的线性关系几乎相同，表明y0.125和y0.25可以很好地描述酶反应线性部分中类氧化酶和ORR活性之间的关系。因此，|j_n|是模拟氧化酶催化活性的有效描述符。

此外，在氧气饱和的0.1 M HClO4溶液中，ORR活性还遵循从Pt/C > CF-HNCS > F-HNCS > C-HNCS ≫ HNC（图2d）的顺序，这意味着大量报道的具有显著活性的ORR催化剂可能是模拟氧化酶的替代者。

有趣的是，在氧饱和模拟体液（SBF）和氧饱和DMEM溶液中的ORR活性顺序为CF-HNCS > Pt/C > F-HNCS > C-HNCS ≫ HNC（图2e，f），CF-HNC的ORR活性高于Pt/C，这表明葡萄糖和阴离子（如氯离子和磷酸根）可能会毒害Pt/C。由于CF-HNCS具有很强的抗毒作用和高催化活性，它可能是一种更好的用于癌症治疗的催化剂。作者还通过DFT计算类氧化酶/ORR活性，假设过程如图3a所示。图3b中的自由能曲线显示，C-HNC、CF-HNC-1-Cu（CF-1-Cu）、CF-HNC-2-Cu（CF-2-Cu）、F-HNC、CF-HNC-1-Fe（CF-1-Fe）和CF-HNC-2-Fe（CF-2-Fe）的ORR过电位分别估计为0.96 V、0.77 V、0.82 V、0.80 V、0.59 V和0.81 V。根据自由能值，计算出的ORR活性顺序为CF-HNCS-1 > CF-HNCS-2 > F-HNCS > C-HNCS，与实验结果一致。图3b显示了第一步是Cu上的RDS，而第四步是Fe上的RDS。因此，与其他SAC相比，双原子CF-HNCS-1具有更高的ORR活性，这归因于Cu位对*OOH的吸附增强，有助于O2在CF-1-Cu上质子化，而Fe位对*OH的吸附减弱，有助于从CF-1-Fe中去除H2O。在CF-HNCS-2中，与F-HNCS中的Fe位相比，CF-2-Fe的过电位略有增加，而CF-2-Cu的过电位显著降低至0.77V，甚至低于F-HNCS和CF-HNCS-2中的Fe位。因此，与单原子铜或铁相比，具有最低过电位的双原子Cu-Fe系统显示出最高的ORR活性。

图3. （a）在CF-1-Cu上，ORR在CF-HNCS-1上的反应途径;（b）常见条件下不同活性部位ORR的自由能分布

此外，作者还进行了体外（4T1肿瘤细胞）、体内（4T1荷瘤小鼠）催化抗癌实验，细胞抑制和肿瘤治疗效果均遵循CF-HNCS > F-HNCS > C-HNCS > HNCS的顺序，证实了材料的类氧化酶/ORR活性是肿瘤抑制的原因。

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总结

作者通过一系列实验发现催化剂的类氧化酶和电化学ORR活性在性质上是同源的，并且在数量上彼此显示出良好的线性关系。因此，本文开发了一种基于伏安技术的新型、简便、通用的类氧化酶活性评估方法，不仅可以很好地用于快速筛选数千种潜在的模拟氧化酶催化剂还能启发我们可以通过简单地设计和合成理想的金属中心作为ORR的活性位点来设计高性能仿生酶。

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撰稿：张涵洁

审核：程 远

编辑：周逸夫