棉酚衍生物抑制脲酶活性的机理及其构效关系研究

Soil urease can hydrolyze urea to form ammonia and carbon dioxide, and it is the main reason of N loss. Urease inhibitors can enhance efficiency of plant uptake for nitrogen and reduce environmental pollution. It is the research hotpoint of looking for urease inhibitor with low-price and high-efficiency.Gossypol is a polyphenolic compound in cottonseed with abundant natural resources. Based on the early discovery of inhibition activity of gossypol acetate, the works of the following will be carried out. By modifying the aldehyde groups with primary amine and amino acid, and protecting the phenol hydroxy, oxidating of the compounds in mild reaction condition to their oxidation state (qiunone), we can obtain a series of gossypol derivatives, and then screen out the compounds with urease inhibition activity. With the characterization of gossypol derivatives by means of IR, NMR,etc, and the comparation of regularity of the structure change of the derivatives and activity of urease inhibition, the structure-activity relationship will be clear and definite. The mechanism can be found out by research of the inhibition activity of gossypol derivatiives for urease of different origin, and the dynamic characteristics. The results will privide reference of increasing N use efficiency, and a new way of the development of new-type urease inhibitors.

土壤中的脲酶可将尿素水解为氨和二氧化碳，是造成氮素流失的重要原因之一。脲酶抑制剂可提高植物对尿素的利用率，减少环境污染，寻找价廉高效的脲酶抑制剂成为研究热点。棉酚是一种存在于棉籽中的多酚类化合物，自然资源丰富。本项目在前期发现醋酸棉酚能够较好地抑制脲酶活性的基础上拟进一步开展以下研究工作：用伯胺和氨基酸修饰棉酚的醛基，保留活性的酚羟基，并在较温和的条件下对这些化合物进行氧化，制备相应的氧化态化合物(醌型)，筛选对脲酶抑制活性高的化合物；通过红外光谱和核磁共振等手段对棉酚衍生物进行结构表征，对比研究系列化合物结构逐步改变的规律与脲酶抑制活性的规律，明确构效关系；进而，研究棉酚衍生物对不同来源脲酶的抑制作用及其动力学特征，了解抑制作用机理。研究结果将为提高氮肥利用率提供新思路，为低成本新型脲酶抑制剂研发提供新途径。

棉酚是一种天然产物，主要存在于棉籽中的色腺体。鉴于其已知的生物活性，本项目首次将棉酚及其衍生物作为一种新型的脲酶抑制剂，研究其对脲酶活性的抑制作用,并探讨了醋酸棉酚对土壤脲酶的动力学特性的影响。为了提高抑制剂的稳定性及脲酶抑制活性,以醋酸棉酚为原料合成棉酚及其衍生物，进行尿素酶活性的抑制实验；同时，使用Autodock软件进行抑制剂与刀豆脲酶的分子对接，以此辅助解释棉酚及其衍生物对脲酶的抑制作用。主要内容及结果如下：.（1）棉酚的脲酶抑制活性研究。棉酚在不同浓度尿素溶液的体系中进行了酶活性的抑制实验，通过剩余尿素浓度的检测计算脲酶酶促反应速率。结果表明，醋酸棉酚对土壤脲酶活性的抑制能力随醋酸棉酚浓度的增大而增强。以尿素浓度的倒数和酶促反应速率的倒数为横纵坐标作双倒数曲线图,揭示了在醋酸棉酚的影响下，米氏常数Km和酶促反应最大速率Vmax都降低；随着醋酸棉酚浓度的增大，在温度30℃时， Km值由3.918 mol/L降到1.164 mol/L，Vmax值由1.185×10-4 mol/(g•h)降到5.6×10-6 mol/(g•h)。此外，在醋酸棉酚的影响下，热力学特征表现为活化能Ea、温度系数Q10和活化焓变∆H有所下降。.（2）以醋酸棉酚为原料合成棉酚及其棉酚衍生物包括左旋棉酚、棉酚腙和阿朴棉子酚、棉酚-L-丙氨酸钠席夫碱和棉酚-L-色氨酸钠席夫碱，并进行了脲酶活性抑制实验。通过尿素酶活性抑制实验对棉酚及其衍生物进行了评估，结果表明每一种化合物都能够抑制尿素酶的活性。在相同的条件下，它们的半抑制浓度值分别为2.62×10-5 mol/L(醋酸棉酚)、1.1×10-4 mol/L(左旋棉酚)、5.17×10-5 mol/L(棉酚腙)、9.82×10-6 mol/L(阿朴棉子酚)、6.126×10-4 mol/L(棉酚-L-丙氨酸钠席夫碱)和2.279×10-4 mol/L(棉酚-L-色氨酸钠席夫碱)。.3）进行了左旋棉酚、阿朴棉子酚和棉酚腙与Jack bean urease (PDB ID:3LA4)的分子对接，模拟计算了它们结合的自由能、活性作用点、抑制常数和所形成的氢键。分子对接的结果与这三个化合物对尿素酶的抑制实验结果吻合，揭示了1, 1'-OH，6, 6'-OH和7, 7'-OH在抑制Jack bean urease活性过程中起到关键的作用。