【摘要】：細胞色素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)機制非常重要。但常規(guī)實驗手段存在一定不足,難以捕捉反應(yīng)進程中壽命極短的過渡態(tài)與中間產(chǎn)物,耗費物力時間,受動物實驗“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(density functional theory, DFT)方法,研究尚有爭議的反應(yīng)途徑,嘗試建立基于機理的有效預(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、還原途徑,以及產(chǎn)物形成機制進行了一系列的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低于Cpd I氧化途徑中氯提取過程的能壘。此外,我們還對產(chǎn)物形成過程進行計算,據(jù)此推斷最可能的生成機理,均很好地吻合了代謝實驗觀測到的現(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Cpd I作用下的環(huán)氧化反應(yīng)的活化能量,并確認反應(yīng)能壘與化合物對應(yīng)的電離勢(ionizationpotential, IP)之間存在良好的線性相關(guān)。除加深對反應(yīng)機理的本質(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)化合物極性強弱(偶極矩表征)進行分類,分別得到的數(shù)據(jù)模型(弱極性化合物：R2=0.972；強極性化合物：R2=0.936；訓(xùn)練集)經(jīng)驗證均具有很好的預(yù)測能力和穩(wěn)健性。進一步地,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)象的計算與實驗結(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)實驗趨勢,證實了研究數(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Cpd I作用下的氧化反應(yīng)進行DFT計算,主要就中間產(chǎn)物的形成機制作初步探索。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、大小極性都會對自身及相鄰位點的反應(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,值得進一步深入探索。
【圖文】：

邐ＣＨ＝ＣＨ２逡逑＼邋ＣＨ３逡逑Ｃｙｓ逡逑圖３．１細胞龜素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（見表３．３），圖３．３所示為逡逑Ｃｐｄｌ簡并雙態(tài)下氯己婿發(fā)生Ｃ＝Ｃ鍵環(huán)氧化的相對能量曲線圖。從圖中可ＬNB看到，該逡逑反應(yīng)的起始亦是決定這個反應(yīng)速率的步躁為Ｃ－０鍵的形成，通過過渡態(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)物有足夠的壽命進行重排如生成酪類產(chǎn)物，這同一墊代謝實驗結(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)移過程Ｐ１
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X503.2

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 李曉溪;細胞色素P450酶催化不同底物代謝反應(yīng)機理的理論研究[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];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

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

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

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

2 王興寶;細胞色素酶P450代謝多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）機理的理論研究[D];長春理工大學(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)計算的應(yīng)用研究[D];廈門大學(xué);2008年

本文編號：2676389