本文關(guān)鍵詞：烷基亞硝胺在細(xì)胞色素P450作用下的代謝活化機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 亞硝胺 細(xì)胞色素P450 羥基化反應(yīng) 代謝活化 密度泛函理論

【摘要】：亞硝胺(NAs)是一種重要的環(huán)境致癌物,廣泛存在于水體、煙草、藥物、酒類和食品中,能夠?qū)е露喾N動(dòng)物及人類發(fā)生腫瘤。研究表明,NAs在體內(nèi)經(jīng)細(xì)胞色素P450(CYP450)代謝活化后,生成羥基亞硝胺并進(jìn)一步分解為活潑親電試劑——碳正離子,導(dǎo)致DNA堿基的烷化損傷,最終誘發(fā)癌癥。因此,CYP450催化NAs的代謝活化是其致癌的關(guān)鍵步驟,本課題使用量子化學(xué)計(jì)算方法對(duì)NAs的代謝活化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究,為深入闡明NAs的致癌作用機(jī)制提供了理論依據(jù)。使用密度泛函理論(density functional theory,DFT)UB3LYP方法在LANL2DZ(Fe)/6-31+G(d,p)(C,H,O,N,S)基組上對(duì)甲基乙基亞硝胺(N-Nitrosoethylmethylamine,NMEA)和二甲基亞硝胺(N-Nitrosodimethylamine,NDMA)在CYP450活性中心鐵卟啉催化下的代謝活化機(jī)理進(jìn)行了研究,探討了在Cpd 0和Cpd I兩種鐵卟啉活性中心作用下NAs的Cα-H的羥基化過(guò)程。對(duì)反應(yīng)過(guò)程中各駐點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,并在更高的LANL2DZ(Fe)/6-311+G(d,p)(C,H,O,N,S)基組上進(jìn)行了單點(diǎn)能計(jì)算。結(jié)果表明,CYP450催化NAs羥基化的過(guò)程包含兩個(gè)步驟——?dú)涑樘岱磻?yīng)和回彈反應(yīng)。氫抽提反應(yīng)為控速步驟,氫原子從NAs轉(zhuǎn)移到鐵卟啉的Fe O上,是典型的氫原子傳遞(HAT)過(guò)程,緊接著鐵卟啉上的羥基回彈到NAs自由基上,形成羥基化代謝產(chǎn)物。低自旋的二線態(tài)(LS)和高自旋的四線態(tài)(HS)均參與反應(yīng),二者的能壘差別不大,符合雙態(tài)反應(yīng)性(TSR)。另外,Cpd I催化NMEA的反應(yīng)能壘為13.27/13.92 kcal/mol(LS/HS);Cpd 0催化NMEA的反應(yīng)能壘為18.96/18.89 kcal/mol(LS/HS),即Cpd I催化NAs羥基化比Cpd 0作為氧化活性中心更具有優(yōu)勢(shì),反應(yīng)更容易發(fā)生。根據(jù)“雙區(qū)理論”提出的有關(guān)NAs致癌的作用機(jī)理,NAs分子側(cè)鏈上除了α-位可以發(fā)生羥基化代謝外,非α-位也可同時(shí)發(fā)生代謝進(jìn)而生成兩個(gè)親電活性中心,最終導(dǎo)致DNA股間交聯(lián)。因此,本課題使用UB3LYP方法LANL2DZ+**(Fe)/6-311+G(d,p)(C,H,O,N,S)//LANL2DZ+**(Fe)/6-31+G(d,p)(C,H,O,N,S)基組上對(duì)Cpd I催化三種烷基亞硝胺(NMEA、NDEA和NMPA)Cβ-H羥基化的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,Nas的Cβ-H羥基化反應(yīng)過(guò)程與Cα-H羥基化過(guò)程相似,均為典型的HAT過(guò)程(即氫原子從NAs轉(zhuǎn)移到鐵卟啉Fe O上),緊接著經(jīng)歷羥基回彈過(guò)程形成羥基化產(chǎn)物。LS和HS也均參與了Cβ-H的羥基化反應(yīng),LS和HS的反應(yīng)能壘差別不大,符合雙態(tài)反應(yīng)性(TSR)。三種烷基NAs的Cβ-H羥基化能壘為16~19 kcal/mol,比Cα-H羥基化反應(yīng)能壘高3~5 kcal/mol,這表明Cα-H比Cβ-H更易于發(fā)生羥基化。另外,比較了Cα-H和Cβ-H羥基化反應(yīng)中的軌道能量和碳?xì)滏I解離能(BDE)。結(jié)果表明,在低自旋態(tài)下,NDEA的Cα-H過(guò)渡態(tài)的HOMO-LUMO能量差(?EHOMO-LUMO)比Cβ-H過(guò)渡態(tài)的?EHOMO-LUMO低約為14 kcal/mol,Cα-H的BDE比Cβ-H的BDE低6~11 kcal/mol,進(jìn)一步證明了Cα-H比Cβ-H更易于在P450作用下代謝活化。使用分子對(duì)接方法對(duì)CYP450與不同結(jié)構(gòu)烷基亞硝胺的相互作用進(jìn)行了研究,將10種人類CYP450和5種大鼠CYP450與8種NAs分子進(jìn)行對(duì)接,通過(guò)比較GOLD打分函數(shù)的分值結(jié)合對(duì)接構(gòu)象,獲得了對(duì)接體系的合理結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,對(duì)接分?jǐn)?shù)較高的P450亞型為2A6和2E1,而CYP2E1和CYP2A6這兩種酶在呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)均高度表達(dá),因此這合理地解釋了體外模擬代謝實(shí)驗(yàn)中觀察到的CYP2E1和CYP2A6代謝NAs時(shí)有較高代謝活性的現(xiàn)像,并會(huì)誘發(fā)肝癌、鼻咽癌和食管等器官產(chǎn)生腫瘤。從對(duì)接所得復(fù)合物的活性中心結(jié)構(gòu)可以看出,2A6活性中心的Thr275和2E1活性中心的Thr270是與NAs形成氫鍵的主要氨基酸殘基;Cα位H原子與鐵卟啉鐵原子的距離均約為4?,而Cβ-H原子與CYP450活性中心鐵卟啉的距離均在6?左右,表明α-碳原子離活性中心鐵卟啉距離更近,因而更有利于被代謝活化。本研究不僅闡明了P450催化NAs代謝活化的反應(yīng)機(jī)理,而且提出了非α-位代謝活化可能是亞硝胺致癌作用中不可忽視的重要因素。本研究對(duì)深入揭示亞硝胺的致癌作用機(jī)理具有重要意義,為亞硝胺分子結(jié)構(gòu)與致癌活性關(guān)系研究提供了理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：亞硝胺 細(xì)胞色素P450 羥基化反應(yīng) 代謝活化 密度泛函理論
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R730.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 N-亞硝基類化合物簡(jiǎn)介12-16
• 1.2.1 N-亞硝基類化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)介12
• 1.2.2 N-亞硝基類化合物自然界的存在和生物合成12-13
• 1.2.3 N-亞硝基類化合物致癌作用13-16
• 1.3 細(xì)胞色素P450酶16-22
• 1.3.1 細(xì)胞色素P450的結(jié)構(gòu)及功能16-18
• 1.3.2 細(xì)胞色素P450酶催化化合物代謝18-21
• 1.3.3 亞硝胺在細(xì)胞色素P450作用下代謝活化21-22
• 1.4 本論文的主要研究工作22-25
• 第2章 烷基亞硝胺在鐵卟啉的兩種活性中心作用下羥基化代謝機(jī)理25-39
• 2.1 引言25-26
• 2.2 計(jì)算模型與方法26-27
• 2.3 結(jié)果與討論27-38
• 2.3.1 細(xì)胞色素P450的兩種活性中心的比較27-35
• 2.3.2 溶液環(huán)境對(duì)兩種活性中心的影響35-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第3章 P450催化下亞硝胺C~α-H和C~β-H羥基化代謝機(jī)理39-57
• 3.1 引言39-40
• 3.2 計(jì)算模型與方法40
• 3.3 結(jié)果與討論40-55
• 3.3.1 Cpd I作用下亞硝胺C~α-H羥基化代謝過(guò)程40-45
• 3.3.2 Cpd I作用下亞硝胺C~β-H羥基化代謝過(guò)程45-53
• 3.3.3 Cpd I催化亞硝胺同分異構(gòu)體羥基化代謝及其C-H鍵解離能53-55
• 3.4 本章小結(jié)55-57
• 第4章 亞硝胺與細(xì)胞色素P450酶的分子對(duì)接研究57-75
• 4.1 引言57-58
• 4.2 受體分子的準(zhǔn)備及分子對(duì)接的方法58-61
• 4.2.1 人類細(xì)胞色素P450酶的準(zhǔn)備58-59
• 4.2.2 大鼠細(xì)胞色素P450酶的準(zhǔn)備59-60
• 4.2.3 亞硝胺與CY P450對(duì)接方法60-61
• 4.3 結(jié)果與討論61-73
• 4.3.1 亞硝胺與人類細(xì)胞色素P450酶的分子對(duì)接研究61-70
• 4.3.2 亞硝胺與大鼠細(xì)胞色素P450酶的分子對(duì)接研究70-73
• 4.4 本章小結(jié)73-75
• 結(jié)論75-77
• 參考文獻(xiàn)77-85
• 攻讀碩士期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文85-87
• 致謝87

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 沈潤(rùn)南,尉遲力,馬清泉,李樹本,華紹峰;甲基單胞菌Methylomonas sp.GYJ3中甲烷單加氧酶羥基化酶組分的純化和性質(zhì)[J];生物化學(xué)雜志;1997年03期

2 ;有機(jī)文摘[J];中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志;2008年01期

3 曾志剛;羅紅兵;翟龍飛;徐欣;俞巖青;黃海;;放線菌SIIA243對(duì)維生素D_3的羥基化研究[J];中國(guó)抗生素雜志;2014年02期

4 葛文中;李楠;姜宮凌俠;;甾體C_7-羥基化研究進(jìn)展[J];生物技術(shù)通報(bào);2007年02期

5 ;[J];;年期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張生勇;孫曉莉;李曉曄;;對(duì)位取代的1,2-二苯基乙烯的合成及其不對(duì)稱二羥基化反應(yīng)[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（上冊(cè)）[C];1999年

2 宋少青;饒日川;張愛(ài)民;;多壁碳納米管缺陷作為苯羥基化反應(yīng)的活性位[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第11分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 石榮榮;崔咪芬;湯吉海;張進(jìn)平;喬旭;;鐵酸銅復(fù)合氧化物對(duì)苯羥基化反應(yīng)的活性考察[A];第二屆全國(guó)精細(xì)化工藥物（醫(yī)藥、農(nóng)藥、獸藥）中間體學(xué)術(shù)交流會(huì)論文專輯[C];2005年

4 楊瑞光;李桂英;胡常偉;;鐵活性炭附載四氧化三鐵催化苯酚羥基化的研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第1分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

5 顧曉利;崔咪芬;張進(jìn)平;喬旭;;金屬酸鹽催化劑對(duì)苯酚羥基化反應(yīng)的活性考察[A];第一屆全國(guó)化學(xué)工程與生物化工年會(huì)論文摘要集(上)[C];2004年

6 陳永正;;生物催化不對(duì)稱羥基化反應(yīng)[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第6分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

7 徐加泉;劉慧慧;李桂英;胡常偉;;活性炭催化苯直接羥基化制苯酚[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第5分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

8 徐加泉;李桂英;胡常偉;;活性炭催化苯直接羥基化制苯酚[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第11分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

9 孟慶偉;宮斌;蘇田;廉明明;蔡元春;;手性藥物催化β-酮酸酯不對(duì)稱α-羥基化反應(yīng)研究[A];2011年全國(guó)藥物化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議——藥物的源頭創(chuàng)新論文摘要集[C];2011年

10 劉慧慧;李桂英;胡常偉;;載鐵活性炭催化甲苯直接羥基化制備甲酚研究[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第5分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前7條

1 楊秋生;催化直接羥基化法制備萘酚的研究[D];天津大學(xué);2010年

2 顧穎穎;高選擇性苯羥基化反應(yīng)的研究[D];華東師范大學(xué);2007年

3 鐘永科;活性炭載鐵催化劑上幾種典型芳烴一步羥基化反應(yīng)研究[D];四川大學(xué);2007年

4 張進(jìn);苯直接催化氧化羥基化合成苯酚研究[D];四川大學(xué);2005年

5 顧曉利;苯酚羥基化反應(yīng)新型催化劑與工程技術(shù)基礎(chǔ)研究[D];南京工業(yè)大學(xué);2005年

6 楊瑤;吡啶衍生物的微生物羥基化及其酶的基因克隆與表達(dá)的研究[D];南京師范大學(xué);2008年

7 王波;多相催化體系中芳烴及其衍生物的烷基化和羥基化[D];大連理工大學(xué);2002年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 葉鵬金;萘羥基化制備萘酚的研究[D];上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院;2015年

2 羅瑩瑩;CuTHPP/γ-Al_2O_3催化苯酚羥基化反應(yīng)的研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2016年

3 陳耀;鐵系分子篩催化劑的制備及其苯酚羥基化性能研究[D];東南大學(xué);2016年

4 楊順莉;烷基亞硝胺在細(xì)胞色素P450作用下的代謝活化機(jī)理研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2016年

5 霍孝雨;Amycolatopsis sp.CGMCC1149新型羥基化酶基因的克隆、表達(dá)及其洛伐他汀羥基化的研究[D];江南大學(xué);2013年

6 柳艷娟;無(wú)金屬參與的烯烴分子間氨羥基化反應(yīng)研究[D];東北師范大學(xué);2014年

7 袁永軍;胺促進(jìn)的苯分子氧氧化羥基化反應(yīng)研究[D];湖南大學(xué);2009年

8 趙瑋瑋;赭曲霉發(fā)酵法催化甾體11α-羥基化反應(yīng)研究[D];南昌大學(xué);2012年

9 曹艷輝;Amycolatopsis sp.ST2710轉(zhuǎn)化洛伐他汀為無(wú)錫他汀羥基化的研究[D];江南大學(xué);2012年

10 朱艷婧;苯酚雙氧水直接羥基化反應(yīng)催化劑研究[D];浙江師范大學(xué);2009年

，

本文編號(hào)：843570