细胞色素P450酶介导的芳香族化合物代谢机理的研究

摘要

芳香族化合物(Aromatic Compounds)的来源与分布都非常广泛，是环境中典型的有机污染物。该类化合物的分子结构中一般都带有苯环，当其进入生物体后极易引发致畸、致癌、致突变效应，对人类的健康产生巨大的威胁。细胞色素P450酶(Cytochrome P450)作为自然界中的万能氧化酶对进入生物体的外源性化合物尤其是一些间接致癌物的代谢转化（包括代谢解毒和代谢活化）中起着至关重要的作用。这类化合物进入生物体后，经细胞色素P450酶的氧化激活生成极易与体内的DNA、蛋白质等生物大分子上的亲核位点发生共价结合的亲电分子，引起肿瘤，诱发癌症。因此，深入了解这类化合物在P450酶介导下的代谢路径具有极其重要的意义，这有助于诊断环境污染的状况和程度，并为早期环境预警提供理论支撑。但由于常规的实验手段存在诸多限制，例如，P450酶的活性单体CpdⅠ(CompoundⅠ)、Cpd0(Compound0)等在反应过程中转瞬即逝，极其难以捕捉，给化学反应动力学的研究带来极大的困难。因此我们采用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算的方法来对这些反应进行研究。主要分为以下三部分内容:
　　(1)本位取代反应（ipso-Substitution）是P450酶代谢对位取代苯酚类化合物的一种重要途径，却鲜有用量子化学计算的方法来研究其内在机制的报道。我们以双酚A为模型化合物对其在P450酶的CpdⅠ介导下的本位取代反应路径与氧加成路径进行计算，比较后发现本位取代反应路径为优势反应路径，即:P450酶的CpdⅠ活性中心的氧将酚上的氢提取后反弹到对位或邻位生成相应产物，该路径发生在低自旋二重态下，速率决定步骤为氢原子的提取。同时我们研究了一系列对位不同取代基苯酚发现本位取代反应的过渡态能垒与取代基效应密切相关，随对位取代基特性常数σp的增大而增大。
　　(2)苯并(a)芘(Benzo[a]pyrene)作为一种典型的P450酶底物，具有极强的致癌效应。本研究从反应动力学及热力学方面对P450酶的CpdⅠ环氧化苯并(a)芘各活性位点的路径进行比较，结合前人关于离域能的研究进一步解释了该反应中出现的区域选择性现象。并对该反应的主产物之一—9，10-环氧化苯并芘的形成路径进行分析，得出该反应主要发生在低自旋二重态的结论。
　　(3)芳香胺类化合物（Aromatic Amine）可以在P450酶的CpdⅠ作用下代谢活化生成氮正阳离子自由基，与体内的亲核分子发生共价结合诱发癌症。本研究通过DFT方法计算了包括普通芳香胺与氮杂环芳香胺在内的28中芳香胺类化合物氢在P450酶的CpdⅠ介导下的兼并双态下氢提取反应的平均活化能垒ΔE*，发现该能垒ΔE*与N-H键的解离能(Bond Dissociation Energy, BDEN-H)之间存在着良好的线性相关。通过BDEN-H与ΔE*建立的预测模型（简单芳香胺:R2=0.92;氮杂环芳香胺:R2=0.95）具有良好的稳健性和预测能力。这为快速有效预测此类化合物的代谢活性甚至潜在的致癌性风险提供了依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 细胞色素P450简介

1．1．1 细胞色素P450酶的结构

1．1．2 细胞色素P450酶的催化循环

1．1．3 细胞色素P450酶的催化反应机制

1．2 环境中典型的芳香族类化合物

1．2．1 对位取代苯酚类化合物

1．2．2 多环芳烃类化合物

1．2．3 芳香胺类化合物

1．3 计算方法

1．3．1 密度泛函理论

1．3．2 B3LYP泛函

1．3．3 溶剂效应与计划连续介质模型

1．4 研究内容与目标

第2章 细胞色素P450酶介导的对位取代苯酚类化合物代谢机理的研究

2．1 前言

2．2 计算方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 细胞色素P450酶氧化单体CpdⅠ氧化代谢双酚A的反应路径

2．3．2 不同对位取代苯酚的代谢与对位取代基特性常数

2．4 本章小结

第3章 细胞色素P450酶环氧化苯并芘机理的研究

3．1 前言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第4章 细胞色素P450酶介导的芳香胺类化合物氢提取反应的计算预测

4．1 前言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 P450酶的CpdⅠ作用下的简单芳香胺类化合物的H提取反应

4．3．2 模型的建立与验证

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

英文名词索引

攻读硕士学位期间研究成果

致谢