P450酶活性中心催化有機阻燃劑和多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)化機制的計算模擬.pdf

1、細(xì)胞色素P450酶催化轉(zhuǎn)化是多數(shù)外源化合物在生物體內(nèi)代謝消除的重要途徑。P450酶代謝轉(zhuǎn)化能夠起到解毒作用，使污染物極性增強，促進(jìn)其排泄過程;然而，反應(yīng)過程的中間體或產(chǎn)物可能易與生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）結(jié)合產(chǎn)生毒性增強效應(yīng)。因此，研究P450酶的代謝反應(yīng)機制對評價有機污染物的生物轉(zhuǎn)化歸趨、毒理效應(yīng)和健康風(fēng)險具有重要意義?；诨铙w動物和試管實驗等傳統(tǒng)方法探究P450酶代謝轉(zhuǎn)化過程面臨動物倫理、耗時費力、依賴設(shè)備、化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品缺乏等困境，

2、難以捕捉和定性高活性反應(yīng)中間物種，難以滿足數(shù)量巨大且不斷增長的有機化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險評價的客觀需求。因此，有必要發(fā)展外源化合物的P450酶代謝轉(zhuǎn)化路徑和產(chǎn)物的預(yù)測方法。隨著量子化學(xué)理論方法的快速發(fā)展以及計算機性能的高速提升，計算模擬已成為解決上述問題的重要手段，在預(yù)測有機物的理化性質(zhì)、環(huán)境轉(zhuǎn)化路徑和產(chǎn)物分布、動力學(xué)等方面具有優(yōu)勢。已有P450酶催化反應(yīng)機制的研究主要集中于常規(guī)化學(xué)底物（如烷烴、苯等）、內(nèi)源激素、藥物分子等。相比之下，種類眾多

3、且結(jié)構(gòu)各異（烷基、芳基、鹵代）的環(huán)境有機污染物的P450酶代謝轉(zhuǎn)化機制仍有待揭示。
　　本研究采用計算模擬方法，考察了P450酶活性中心(CompoundⅠ)催化典型阻燃劑和多環(huán)芳烴類污染物的代謝轉(zhuǎn)化機制，揭示了CompoundⅠ催化轉(zhuǎn)化多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)生成二羥基化(di-HO-PBDEs)和多溴二苯并二嗯英(PBDD)產(chǎn)物的分子機制，預(yù)測了典型有機磷系阻燃劑(OPFRs)被CompoundⅠ代謝轉(zhuǎn)化的路徑和產(chǎn)物，闡明了多

4、環(huán)芳烴(PAHs)被CompoundⅠ代謝活化反應(yīng)特征及其與P450酶的結(jié)合模式，具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)采用量子化學(xué)密度泛函理論(DFT)計算，以2，2'，4，4'-四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)為模型化合物研究了PBDEs被CompoundⅠ催化轉(zhuǎn)化的機制，發(fā)現(xiàn)PBDEs首先被CompoundⅠ氧化產(chǎn)生羥基化產(chǎn)物(HO-PBDEs)。苯環(huán)碳原子π加成是反應(yīng)的限速步驟，PBDEs未取代碳原子是優(yōu)勢反應(yīng)位點，且低溴代PBD

5、Es更容易反應(yīng)。與PBDEs羥基化機制不同，di-HO-PBDEs需要以HO-PBDEs為先導(dǎo)底物，通過CompoundⅠ催化的HO-PBDEs酚羥基摘氫和羥基反彈機制生成。二羥基化過程不涉及環(huán)氧化物中間體，解釋了環(huán)氧化物水解酶對反應(yīng)結(jié)果無影響的實驗現(xiàn)象。計算發(fā)現(xiàn)僅有異環(huán)di-HO-PBDEs(OH連接醚鍵鄰位和間位碳原子)能進(jìn)一步代謝成PBDD:di-HO-PBDEs與CompoundⅠ發(fā)生酚羥基摘氫反應(yīng)，生成的二酮中間體經(jīng)芳基雙自由

6、基偶聯(lián)機制生成HO-PBDD。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)已被PBDEs大鼠肝微粒體代謝實驗證實。
　　(2)基于DFT計算和分子對接方法，以磷酸三苯酯(TPHP)、三(2-丁氧乙基)磷酸酯(TBOEP)和三（1，3-二氯-2-異丙基）磷酸酯(TDCIPP)為模型化合物，預(yù)測了OPFRs被CompoundⅠ代謝轉(zhuǎn)化的機制。發(fā)現(xiàn)TPHP發(fā)生苯環(huán)羥基化，TBOEP和TDCIPP發(fā)生烷烴羥基化。OPFRs的代謝反應(yīng)活性具有結(jié)構(gòu)依賴性，反應(yīng)由易到難的次序為:

7、烷基取代(TBOEP)＞芳基取代(TPHP)＞氯烷基取代(TDCIPP)。TPHP苯環(huán)羥基化產(chǎn)物與TBOEP/TDCIPP烷烴羥基化產(chǎn)物的二次代謝反應(yīng)機制各有差異，預(yù)測的主要產(chǎn)物與他人試管實驗的結(jié)果相符。揭示了TPHP經(jīng)質(zhì)子穿梭形成para-HO-TPHP及OPFRs經(jīng)O-脫烷基/芳基反應(yīng)生成相應(yīng)的二酯類產(chǎn)物(DPHP，BBOEP，BDCIPP)的新機制。還發(fā)現(xiàn)磷酸二酯類產(chǎn)物的進(jìn)一步代謝過程受到分子解離形態(tài)的影響，離子化使得DPHP和B

8、DCIPP反應(yīng)活性增強，但顯著降低BBOEP的反應(yīng)活性。
　　(3)基于DFT計算和分子對接方法，研究了CompoundⅠ催化16種美國環(huán)保局優(yōu)先控制PAHs的代謝反應(yīng)，并考察了人CYP1A2酶與PAHs的結(jié)合過程。發(fā)現(xiàn)CompoundⅠ與16種PAHs芳烴碳原子的π加成反應(yīng)具有位點選擇性。在五種可能產(chǎn)物（環(huán)氧化物、四面體加和物、環(huán)己烯酮、N-質(zhì)子化中間體和羥基化產(chǎn)物）中，環(huán)氧化物是主要的中間產(chǎn)物。發(fā)現(xiàn)6種致癌性PAHs（(屈)、