幾類典型環(huán)境污染物細(xì)胞色素P450酶代謝及DNA損傷機(jī)制的理論研究.pdf

1、細(xì)胞色素P450酶(cytochrome P450)在生物體內(nèi)源物質(zhì)合成、外源化合物轉(zhuǎn)化（代謝解毒/活化）過程中均起著極為重要的作用。特別地，一些有毒或致癌化合物本身不直接發(fā)揮毒性效應(yīng)，而是經(jīng)P450酶代謝后生成活性代謝產(chǎn)物，與蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子發(fā)生共價結(jié)合。由于P450酶的多功能性，以及其與后續(xù)反應(yīng)中的DNA分子在生物體生理健康方面的意義，研究揭示相關(guān)機(jī)制非常重要。但常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段存在一定不足，難以捕捉反應(yīng)進(jìn)程中壽命極短的過渡態(tài)

2、與中間產(chǎn)物，耗費(fèi)物力時間，受動物實(shí)驗(yàn)“3R原則”限制等。本論文采用理論計算手段，主要是密度泛函理論(densityfunctional theory，DFT)方法，研究尚有爭議的反應(yīng)途徑，嘗試建立基于機(jī)理的有效預(yù)測模型，以期為輔助化學(xué)品環(huán)境與健康風(fēng)險評價提供依據(jù)和參考。主要包括以下四部分內(nèi)容:
　　(1)為了解P450酶代謝鹵代化合物的反應(yīng)機(jī)理，我們以四氯甲烷(CCl4)和三氯甲烷(CHCl3)作為模型化合物，對其氧化途徑、還原途

3、徑，以及產(chǎn)物形成機(jī)制進(jìn)行了一系列的DFT計算。我們提出了在有氧條件下，P450酶氧化單體CompoundⅠ(CpdⅠ)與CCl4發(fā)生氯氧基化（氯提取）反應(yīng)，并遵循典型的Groves型氫提取/自由基反彈機(jī)理;而在CHCl3的有氧代謝反應(yīng)中，相較于氯提取過程，氫提取過程更易發(fā)生。進(jìn)一步地，我們采用Marcus理論研究了CCl4和CHCl3還原途徑，電子由P450酶五配位亞鐵(Ⅱ)-卟啉復(fù)合物轉(zhuǎn)移到鹵代烷烴所需克服的能壘遠(yuǎn)低于CpdⅠ氧化途徑

4、中氯提取過程的能壘。此外，我們還對產(chǎn)物形成過程進(jìn)行計算，據(jù)此推斷最可能的生成機(jī)理，均很好地吻合了代謝實(shí)驗(yàn)觀測到的現(xiàn)象。
　　(2)很多物質(zhì)在P450酶生物轉(zhuǎn)化后能形成活性代謝產(chǎn)物，以烯烴類化合物為例，經(jīng)代謝生成的環(huán)氧化產(chǎn)物，具有潛在的致癌效應(yīng)。我們采用DFT計算，得到36個烯烴類化合物在P450酶CpdⅠ作用下的環(huán)氧化反應(yīng)的活化能量，并確認(rèn)反應(yīng)能壘與化合物對應(yīng)的電離勢(ionization potential，IP)之間存在良好的

5、線性相關(guān)。除加深對反應(yīng)機(jī)理的本質(zhì)了解外，這還提供了一種快速可行的預(yù)測模型;但對于大數(shù)據(jù)集需預(yù)先根據(jù)化合物極性強(qiáng)弱（偶極矩表征）進(jìn)行分類，分別得到的數(shù)據(jù)模型（弱極性化合物:R2=0.972;強(qiáng)極性化合物:R2=0.936;訓(xùn)練集）經(jīng)驗(yàn)證均具有很好的預(yù)測能力和穩(wěn)健性。進(jìn)一步地，通過對P450介導(dǎo)的環(huán)氧化與羥基化反應(yīng)區(qū)域選擇性現(xiàn)象的計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，顯示我們所選用的計算與能量校正方法所得到的結(jié)果能夠很好地重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)趨勢，證實(shí)了研究數(shù)據(jù)的合理

6、有效性。
　　(3)親電性環(huán)氧化合物能與DNA親核位點(diǎn)發(fā)生SN2反應(yīng)，對DNA造成損傷引發(fā)后續(xù)毒性效應(yīng)。對化合物的反應(yīng)性進(jìn)行定量可以預(yù)測評估其發(fā)揮親電體介導(dǎo)毒性的潛在能力。我們采用DFT計算方法考察了37個不同結(jié)構(gòu)類型環(huán)氧化合物與鳥嘌呤N7位點(diǎn)發(fā)生親核加合反應(yīng)的途徑，并在大數(shù)據(jù)集下發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的活化能壘與軟硬酸堿理論（the theory of hard and soft acids and bases，HSAB）衍生的親核指數(shù)(n

7、ucleophilicindex)ω-之間具有良好的線性相關(guān)性，這就意味著可以通過更為簡捷的方式來替代大計算量的過渡態(tài)優(yōu)化過程。通過親核指數(shù)ω-建立的環(huán)氧化合物反應(yīng)性預(yù)測模型（簡單環(huán)氧化物:R2=0.970;多環(huán)環(huán)氧化物:R2=0.976;全數(shù)據(jù)集）具有很好的穩(wěn)健性和預(yù)測能力，更重要的是，由于環(huán)氧化合物化學(xué)反應(yīng)性與生物活性間良好的定量/定性關(guān)系，這一基于HSAB理論的模型亦在輔助預(yù)測環(huán)氧合化物毒性、評價致突變性/致癌性相關(guān)的SN2反應(yīng)性

8、方面有著一定的可行性。
　　(4)我們選取有代表性的部分呋喃類化合物，對其在P450酶CpdⅠ作用下的氧化反應(yīng)進(jìn)行DFT計算，主要就中間產(chǎn)物的形成機(jī)制作初步探索。多數(shù)情況下，CpdⅠ作用于呋喃環(huán)鄰位（2位、5位）生成的中間產(chǎn)物以二酮類化合物為主，作用于間位（3位、4位）生成的中間產(chǎn)物以環(huán)氧化合物為主。呋喃環(huán)上取代基的位置、大小、極性都會對自身及相鄰位點(diǎn)的反應(yīng)性造成不同影響，且在多位取代時，四重態(tài)和二重態(tài)條件下可能形成不同的中間產(chǎn)物