烷基亚硝胺在细胞色素P450作用下的代谢活化机理研究

发布时间：2017-09-13 12:00

  本文关键词：烷基亚硝胺在细胞色素P450作用下的代谢活化机理研究

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【摘要】：亚硝胺(NAs)是一种重要的环境致癌物,广泛存在于水体、烟草、药物、酒类和食品中,能够导致多种动物及人类发生肿瘤。研究表明,NAs在体内经细胞色素P450(CYP450)代谢活化后,生成羟基亚硝胺并进一步分解为活泼亲电试剂——碳正离子,导致DNA碱基的烷化损伤,最终诱发癌症。因此,CYP450催化NAs的代谢活化是其致癌的关键步骤,本课题使用量子化学计算方法对NAs的代谢活化反应机理进行了研究,为深入阐明NAs的致癌作用机制提供了理论依据。使用密度泛函理论(density functional theory,DFT)UB3LYP方法在LANL2DZ(Fe)/6-31+G(d,p)(C,H,O,N,S)基组上对甲基乙基亚硝胺(N-Nitrosoethylmethylamine,NMEA)和二甲基亚硝胺(N-Nitrosodimethylamine,NDMA)在CYP450活性中心铁卟啉催化下的代谢活化机理进行了研究,探讨了在Cpd 0和Cpd I两种铁卟啉活性中心作用下NAs的Cα-H的羟基化过程。对反应过程中各驻点的几何结构进行了优化,并在更高的LANL2DZ(Fe)/6-311+G(d,p)(C,H,O,N,S)基组上进行了单点能计算。结果表明,CYP450催化NAs羟基化的过程包含两个步骤——氢抽提反应和回弹反应。氢抽提反应为控速步骤,氢原子从NAs转移到铁卟啉的Fe O上,是典型的氢原子传递(HAT)过程,紧接着铁卟啉上的羟基回弹到NAs自由基上,形成羟基化代谢产物。低自旋的二线态(LS)和高自旋的四线态(HS)均参与反应,二者的能垒差别不大,符合双态反应性(TSR)。另外,Cpd I催化NMEA的反应能垒为13.27/13.92 kcal/mol(LS/HS);Cpd 0催化NMEA的反应能垒为18.96/18.89 kcal/mol(LS/HS),即Cpd I催化NAs羟基化比Cpd 0作为氧化活性中心更具有优势,反应更容易发生。根据“双区理论”提出的有关NAs致癌的作用机理,NAs分子侧链上除了α-位可以发生羟基化代谢外,非α-位也可同时发生代谢进而生成两个亲电活性中心,最终导致DNA股间交联。因此,本课题使用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)基组上对Cpd I催化三种烷基亚硝胺(NMEA、NDEA和NMPA)Cβ-H羟基化的反应机理进行了研究。结果表明,Nas的Cβ-H羟基化反应过程与Cα-H羟基化过程相似,均为典型的HAT过程(即氢原子从NAs转移到铁卟啉Fe O上),紧接着经历羟基回弹过程形成羟基化产物。LS和HS也均参与了Cβ-H的羟基化反应,LS和HS的反应能垒差别不大,符合双态反应性(TSR)。三种烷基NAs的Cβ-H羟基化能垒为16~19 kcal/mol,比Cα-H羟基化反应能垒高3~5 kcal/mol,这表明Cα-H比Cβ-H更易于发生羟基化。另外,比较了Cα-H和Cβ-H羟基化反应中的轨道能量和碳氢键解离能(BDE)。结果表明,在低自旋态下,NDEA的Cα-H过渡态的HOMO-LUMO能量差(?EHOMO-LUMO)比Cβ-H过渡态的?EHOMO-LUMO低约为14 kcal/mol,Cα-H的BDE比Cβ-H的BDE低6~11 kcal/mol,进一步证明了Cα-H比Cβ-H更易于在P450作用下代谢活化。使用分子对接方法对CYP450与不同结构烷基亚硝胺的相互作用进行了研究,将10种人类CYP450和5种大鼠CYP450与8种NAs分子进行对接,通过比较GOLD打分函数的分值结合对接构象,获得了对接体系的合理结构。结果表明,对接分数较高的P450亚型为2A6和2E1,而CYP2E1和CYP2A6这两种酶在呼吸系统和消化系统均高度表达,因此这合理地解释了体外模拟代谢实验中观察到的CYP2E1和CYP2A6代谢NAs时有较高代谢活性的现像,并会诱发肝癌、鼻咽癌和食管等器官产生肿瘤。从对接所得复合物的活性中心结构可以看出,2A6活性中心的Thr275和2E1活性中心的Thr270是与NAs形成氢键的主要氨基酸残基;Cα位H原子与铁卟啉铁原子的距离均约为4?,而Cβ-H原子与CYP450活性中心铁卟啉的距离均在6?左右,表明α-碳原子离活性中心铁卟啉距离更近,因而更有利于被代谢活化。本研究不仅阐明了P450催化NAs代谢活化的反应机理,而且提出了非α-位代谢活化可能是亚硝胺致癌作用中不可忽视的重要因素。本研究对深入揭示亚硝胺的致癌作用机理具有重要意义,为亚硝胺分子结构与致癌活性关系研究提供了理论依据。
【关键词】：亚硝胺 细胞色素P450 羟基化反应 代谢活化 密度泛函理论
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R730.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 N-亚硝基类化合物简介12-16
• 1.2.1 N-亚硝基类化合物的结构和性质介12
• 1.2.2 N-亚硝基类化合物自然界的存在和生物合成12-13
• 1.2.3 N-亚硝基类化合物致癌作用13-16
• 1.3 细胞色素P450酶16-22
• 1.3.1 细胞色素P450的结构及功能16-18
• 1.3.2 细胞色素P450酶催化化合物代谢18-21
• 1.3.3 亚硝胺在细胞色素P450作用下代谢活化21-22
• 1.4 本论文的主要研究工作22-25
• 第2章 烷基亚硝胺在铁卟啉的两种活性中心作用下羟基化代谢机理25-39
• 2.1 引言25-26
• 2.2 计算模型与方法26-27
• 2.3 结果与讨论27-38
• 2.3.1 细胞色素P450的两种活性中心的比较27-35
• 2.3.2 溶液环境对两种活性中心的影响35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 P450催化下亚硝胺C~α-H和C~β-H羟基化代谢机理39-57
• 3.1 引言39-40
• 3.2 计算模型与方法40
• 3.3 结果与讨论40-55
• 3.3.1 Cpd I作用下亚硝胺C~α-H羟基化代谢过程40-45
• 3.3.2 Cpd I作用下亚硝胺C~β-H羟基化代谢过程45-53
• 3.3.3 Cpd I催化亚硝胺同分异构体羟基化代谢及其C-H键解离能53-55
• 3.4 本章小结55-57
• 第4章 亚硝胺与细胞色素P450酶的分子对接研究57-75
• 4.1 引言57-58
• 4.2 受体分子的准备及分子对接的方法58-61
• 4.2.1 人类细胞色素P450酶的准备58-59
• 4.2.2 大鼠细胞色素P450酶的准备59-60
• 4.2.3 亚硝胺与CY P450对接方法60-61
• 4.3 结果与讨论61-73
• 4.3.1 亚硝胺与人类细胞色素P450酶的分子对接研究61-70
• 4.3.2 亚硝胺与大鼠细胞色素P450酶的分子对接研究70-73
• 4.4 本章小结73-75
• 结论75-77
• 参考文献77-85
• 攻读硕士期间所发表的学术论文85-87
• 致谢87

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本文编号：843570