發(fā)布時(shí)間：2020-05-22 18:09

【摘要】：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(guò)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(jià)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(guò)渡態(tài)與中間產(chǎn)物,耗費(fèi)物力時(shí)間,受動(dòng)物實(shí)驗(yàn)“3R原則”限制等。本論文采用理論計(jì)算手段,主要是密度泛函理論(density functional theory, DFT)方法,研究尚有爭(zhēng)議的反應(yīng)途徑,嘗試建立基于機(jī)理的有效預(yù)測(cè)模型,以期為輔助化學(xué)品環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)其氧化途徑、還原途徑,以及產(chǎn)物形成機(jī)制進(jìn)行了一系列的DFT計(jì)算。我們提出了在有氧條件下,P450酶氧化單體Compound I (Cpd I)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(guò)程,氫提取過(guò)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Cpd I氧化途徑中氯提取過(guò)程的能壘。此外,我們還對(duì)產(chǎn)物形成過(guò)程進(jìn)行計(jì)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(cè)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(jì)算,得到36個(gè)烯烴類化合物在P450酶Cpd I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(duì)應(yīng)的電離勢(shì)(ionizationpotential, IP)之間存在良好的線性相關(guān)。除加深對(duì)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(cè)模型；但對(duì)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(cè)能力和穩(wěn)健性。進(jìn)一步地,通過(guò)對(duì)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,顯示我們所選用的計(jì)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(shì),證實(shí)了研究數(shù)據(jù)的合理有效性。(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(duì)DNA造成損傷引發(fā)后續(xù)毒性效應(yīng)。對(duì)化合物的反應(yīng)性進(jìn)行定量可以預(yù)測(cè)評(píng)估其發(fā)揮親電體介導(dǎo)毒性的潛在能力。我們采用DFT計(jì)算方法考察了37個(gè)不同結(jié)構(gòu)類型環(huán)氧化合物與鳥(niǎo)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)(nucleophilic index)ω之間具有良好的線性相關(guān)性,這就意味著可以通過(guò)更為簡(jiǎn)捷的方式來(lái)替代大計(jì)算量的過(guò)渡態(tài)優(yōu)化過(guò)程。通過(guò)親核指數(shù)ω-建立的環(huán)氧化合物反應(yīng)性預(yù)測(cè)模型(簡(jiǎn)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(cè)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(cè)環(huán)氧合化物毒性、評(píng)價(jià)致突變性／致癌性相關(guān)的SN2反應(yīng)性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(duì)其在P450酶Cpd I作用下的氧化反應(yīng)進(jìn)行DFT計(jì)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,Cpd I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(huì)對(duì)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(shí),四重態(tài)和二重態(tài)條件下可能形成不同的中間產(chǎn)物,值得進(jìn)一步深入探索。
【圖文】：

邐ＣＨ＝ＣＨ２逡逑＼邋ＣＨ３逡逑Ｃｙｓ逡逑圖３．１細(xì)胞龜素Ｐ４５０酶氧化單體Ｃｐｄ邋Ｉ的結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ３．１邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｃｐｄ邋Ｉ邋ｏｆ邋Ｐ４５０ｓ逡逑４１逡逑

氯乙qI是典型的Ｐ４５０酶代謝底物，，有研究表明Ｐ４５０邋２Ｅ１可P暬躉紉襮I生成逡逑相應(yīng)的強(qiáng)親電活性的環(huán)氧化產(chǎn)物［１９２］，一種具有遺傳毒性的致癌物我們ＬＸ氯乙qI逡逑為例，考察了邋Ｐ４５０~#Ｃｐｄｌ介導(dǎo)環(huán)氧化反應(yīng)的具體途徑（見(jiàn)表３．３），圖３．３所示為逡逑Ｃｐｄｌ簡(jiǎn)并雙態(tài)下氯己婿發(fā)生Ｃ＝Ｃ鍵環(huán)氧化的相對(duì)能量曲線圖。從圖中可ＬN(yùn)B看到，該逡逑反應(yīng)的起始亦是決定這個(gè)反應(yīng)速率的步躁為Ｃ－０鍵的形成，通過(guò)過(guò)渡態(tài)４，２ｔＳｅ逡逑（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｓｔａｔｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｅｐｏｘｉｄａｔｉｏｎ）到自由基中間產(chǎn)物邋ＩＭ邋（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋），在所選逡逑用的基組水平下，該自由基中間產(chǎn)物的優(yōu)化結(jié)構(gòu)僅在四重態(tài)ＨＳ條件下得到。在后續(xù)逡逑環(huán)閉合生成環(huán)氧化產(chǎn)物Ｐ（ｐｒｏｄｕｃｔ）的步澡中，ＬＳ無(wú)能壘而ＨＳ有能壘（４ＴＳｒｃ，邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ逡逑ｓｔａｔｅ邋ｆｏｒ也ｅ邋ｒｉｎｇ邋ｃｌｏｓｕｒｅ邋），意味著ＬＳ的中間產(chǎn)物壽命很短進(jìn)而自發(fā)地形成環(huán)氧化產(chǎn)逡逑物，而ＨＳ的中間產(chǎn)物有足夠的壽命進(jìn)行重排如生成酪類產(chǎn)物，這同一墊代謝實(shí)驗(yàn)結(jié)逡逑論相吻合。這一區(qū)別的本質(zhì)在于ＬＳ與ＨＳ路徑不同的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程Ｐ１
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X503.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 李曉溪;細(xì)胞色素P450酶催化不同底物代謝反應(yīng)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2015年

2 朱文娟;溶液中電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率的理論研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

3 王永;細(xì)胞色素P450蛋白酶催化下幾種典型化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的理論研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（大連化學(xué)物理研究所）;2007年

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1 傅志強(qiáng);P450酶活性中心催化轉(zhuǎn)化全氟辛烷磺酸（PFOS）前體化合物的機(jī)理研究[D];大連理工大學(xué);2013年

2 王興寶;細(xì)胞色素酶P450代謝多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）機(jī)理的理論研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2012年

3 張翼飛;甲狀腺激素受體配體結(jié)合力的定量構(gòu)效關(guān)系研究[D];大連理工大學(xué);2011年

4 張麗仙;量子化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用研究[D];廈門(mén)大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2676389