【纳米】Angew. Chem. ：Fe-N-C类抗坏血酸氧化酶的催化机制

抗坏血酸（H₂A，又称维生素C）是一种广泛存在于各种食物中的维生素，它是一种抗氧化剂，可帮助保护细胞免受自由基的影响。近年来，抗坏血酸也被作为一种高效的促氧化剂，用于癌症治疗。然而，抗坏血酸“抗氧化”和“促氧化”作用相互“矛盾”，人们尚不清楚该生物医学功能双面性背后的分子机制，阻碍了抗坏血酸在生物医学中的应用。

由于在原子水平上具有与天然酶相似的催化中心，单原子纳米酶被视为天然酶的替代物，被广泛应用于生物传感、药物相互作用和疾病治疗等领域。然而，以单原子纳米酶作为天然酶模型探索H₂A氧化过程中氧气还原机制的研究鲜有报道。近日，东南大学张袁健团队报道了使用Fe-N-C纳米酶作为铁蛋白模拟物探索H₂A催化氧化过程中Fe离子的脱出现象及其对氧气还原选择性的影响机制。

该研究合成了Fe-N-C纳米酶和对照样品N-C纳米酶，发现其均具有良好的类抗坏血酸氧化酶活性；但是对同时发生的氧气还原反应呈现出不同的选择性，即Fe-N-C纳米酶催化四电子氧气还原反应（4e^- ORR），N-C纳米酶催化二电子氧气还原反应（2e^- ORR）。对照和毒化实验表明Fe-N-C纳米酶和N-C纳米酶分别以Fe-N_x和N-C位点为主要的活性中心；经实验和理论计算推测，这些活性位点与O₂间的吸附能存在差异，影响断键位置，进而导致不同氧气还原反应中间态的形成和产生氧气还原选择性的差异。值得一提的是，O₂对N-C活性位点的弱吸附诱导游离态ROS中间体（O₂^·−）的产生，同时还促进了2e⁻ ORR路径；相反，Fe-Nx活性位点和O₂间的强吸附诱导结合态Fe-OO和Fe=O中间体的产生，促进4e⁻ ORR路径（图1）。

进一步研究发现Fe-N-C纳米酶是一种多相催化剂，除了Fe-N_x活性位点以外，还存在少量“不活泼”的N-C活性位点，它们在催化过程中产生痕量的超氧阴离子（O₂^•−）并累积，进而进攻Fe-N-C中部分不稳定的Fe-Nx游离为Fe离子（高达420 ppb），进而形成新的N-C位点。经N-C位点催化产生的过氧化氢（H₂O₂）与游离的Fe离子会形成Fenton体系，就此组成新的2+2e⁻ ORR路径（约40%）。更为重要的是，当游离的Fe离子远离催化剂时，由于催化H₂A氧化过程中Fe-N_x活性位点含量的下降，更多的N-C活性位点被激活，从而导致H₂O₂的产率上升（图2）。

总而言之，该研究提出在Fe-N-C纳米酶催化H₂A氧化过程中存在Fe离子的脱出现象，揭示了“不活泼”N-C位点的活化途径和对氧还原选择性的影响机制，并阐明了氧气还原的三条不同途径。该研究不仅有助于构建具有明确构效关系的纳米酶体系，并且对理解H₂A促氧化效应清除癌细胞及其在生物医学领域的应用提供了新思路。