DMSO还原酶和它的化学模拟系统

DMSO还原酶的化学模拟系统包括金属双二硫纶复合物和S-氧化物之间的反应。受到已知的反应自由能与反应进程的相关图的启发，得到反应经历如下四个阶段：接近(即底物朝金属中心的接近)；结合(金属-氧键的结合)；断裂(即硫-氧键的断裂)和离开(即产物的离开)。拉电子基团促进第一阶段的反应，供电子基团促进后三个阶段的反应。整个反应中第一阶段是限速步骤，所以拉电子基团促进整个反应。这个反应过程的建立可以进一步肯定三个中间体包括两个过渡态的存在。上述工作使得以金属双二硫纶为催化中心的转氧反应的机理的研究更上了一层楼。
关键词：DMSO还原酶，钨双二硫纶，
 
DMSO reductase and its chemical biomimetic system
Xiaoping Wang
4118 Teakwood Drive Mississauga ON Canada L5C 3L6
 
Abstract
The model system toward mimicking the oxo-transfer reaction of S-oxides mediated by DMSO reductase may contain metal bis(dithiolene) complex and the S-oxide. Under the inspiration of the known reaction coordinate, the oxo-transfer reaction of the above model system was assumed to experience four stages: approaching(the approaching of the substrate toward metal center); binding(the binding of metal-oxygen bond); breaking (the breaking of sulphur-oxygen bond) and leaving(the leaving of the product). EWGs may accelerate the whole reaction. This assumption may confirm the chemical valence of the three intermediates including two transitional complexes. The above work further improves the research of the mechanism of DMSO reductase centered by metal bis(dithiolene) complexes. 
Keywords: DMSO reductase, tungsten bis(dithiolene).
 
金属二硫纶结构是生物体内普遍的催化中心。DMSO还原酶以蝶呤为辅酶。蝶呤含有金属双二硫纶结构。当底物DMSO被还原时，蝶呤辅酶的还原性的金属催化中心被氧化，一个氧原子从DMSO转移到金属中心；当氧原子从金属中心转移到质子或三取代膦形成水或三取代氧膦时，还原性的金属中心再生。
 
根据上述的DMSO还原酶的转氧反应，人们设计出了如下的模型化合物来探索该反应的反应机理：

 
该化合物带有四个横向的配体和一个轴向的配体，可以立体地调配金属中心的电子性质。四个横向的配体分别带有如下五个取代基：Br, F, H, Me和OMe，其中Br和F是拉电子取代基，Me 和OMe是供电子取代基。一个轴向的配体分别带有如下五个取代基：CN, Br, H, Me和NH2，其中CN和Br是拉电子取代基，Me和NH2是供电子取代基。经过一系列复杂的线性自由能关系和速率常数的换算得到假设的自由能与反应进程的相关图，可从图中得到反应包含一个中间体和两个过渡态(一共三个中间体)。
 
根据上述的自由能与反应进程的相关图的启发，本人另辟蹊径，在突发的灵感召唤下，得到了如下的反应历程：
 
The mechanism of the reduction reaction is as follows:
 

1. Approach:

 

2. Binding:

3. Breaking:

 

4. Leaving:

总的来讲, 上述的第一步历程是需能量的, 得到过渡态T1, 第二步历程是放能量的,得到中间体I, 第三步历程是需能量的, 得到过渡态T2, 最后一步历程是放能量的, 得到氧化的金属双二硫纶复合物。
 
由此我们暂且可以得出这样的结论：二电子转移的氧化-还原反应一般经历四个阶段，需能量的反应物接近阶段，接着放能量的第一个电子的流动阶段，然后需能量的第二个电子的流动阶段，最后放能量的产物分开阶段。我们还可以暂且得出这样的结论：DMSO还原酶本身没有直接参与反应的进行，它搭建了一个舒适的反应容器供其辅酶与底物的直接反应。
 
致谢：
本论文得到了加拿大多伦多大学化学系无机化学教研组全体老师包括Ian Manners, Robert Morris, Ulrich Fekl, John Powell和Geoffrey Ozin的支持，在此深表感谢。
 
参考文献：

1. Trends in biochemical sciences 2002 27 360~367;
2. JACS 1953 77 334;
3. Biochemistry 1999 38 8501~8511;
4. J.Mol.Biol. 2000 299 593~600;
5. JACS 2002 124 4312~4320;
6. 无机化学