生物酶體系中有機(jī)磷毒理和有機(jī)氯脫氯的理論研究.pdf

1、酶是生物體內(nèi)一類具有催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子，因具有高效、專一以及作用條件溫和等特點(diǎn)而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用。面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，酶在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用也開始得到越來越多的研究關(guān)注。酶與環(huán)境污染有著相當(dāng)密切的關(guān)系，環(huán)境污染物可以通過直接損傷酶的結(jié)構(gòu)和功能而對(duì)生物體造成急性危害;而另一方面，許多酶又會(huì)對(duì)環(huán)境污染物有降解作用，這在一定程度上有消除污染，緩解環(huán)境危機(jī)的意義。研究污染物對(duì)酶的毒理作用，了解酶

2、中毒機(jī)理，能為藥物設(shè)計(jì)與解毒提供有價(jià)值的指導(dǎo);而研究酶對(duì)污染物的降解作用則可以使酶更廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物檢測(cè)與修復(fù)治理等領(lǐng)域。目前已有多種實(shí)驗(yàn)手段可以對(duì)酶的結(jié)構(gòu)功能以及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，但都無法詳細(xì)描述其反應(yīng)過程，這在一定程度上限制了對(duì)酶的研究。量子力學(xué)與分子力學(xué)聯(lián)用的方法(QM/MM)則可以直接從原子層面對(duì)酶反應(yīng)過程進(jìn)行研究探索而逐漸成為研究酶等生物大分子反應(yīng)的重要手段。
　　本論文采用結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬的QM/MM方法研究了生

3、物酶體系中有機(jī)磷毒理與有機(jī)氯脫氯的反應(yīng)過程，獲得了酶反應(yīng)體系的詳細(xì)信息，探討了酶的活性來源與反應(yīng)特征，補(bǔ)充驗(yàn)證并解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，豐富了對(duì)酶的認(rèn)識(shí)并促進(jìn)了其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　一、巴拉奧松抑制的乙酰膽堿酯酶的自發(fā)活化與老化機(jī)理
　　有機(jī)磷酸酯類化合物可以使生物體內(nèi)的乙酰膽堿酯酶發(fā)生磷酸化而失去分解乙酰膽堿的能力，從而造成神經(jīng)傳導(dǎo)的紊亂。磷酸化的乙酰膽堿酯酶還可以進(jìn)一步發(fā)生自發(fā)活化或老化反應(yīng)。目前對(duì)這兩類反應(yīng)的研究較少，尤其

4、是老化反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理以及關(guān)鍵氨基酸、水分子等在反應(yīng)過程中的作用都不明確。本論文以有機(jī)磷酸酯類農(nóng)藥巴拉奧松為例，在QM/MM方法下模擬研究其抑制的乙酰膽堿酯酶的自發(fā)活化以及老化反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，自發(fā)活化反應(yīng)是活性中心的一個(gè)水分子在組氨酸His447的極化下進(jìn)攻巴拉奧松的中心磷原子而引發(fā)，而老化反應(yīng)則是由谷氨酸Glu202極化另外一個(gè)水分子進(jìn)攻巴拉奧松烷氧基上的α碳原子來完成。研究還發(fā)現(xiàn)甘氨酸Gly122能同時(shí)促進(jìn)自發(fā)活化和老化反應(yīng)，絡(luò)氨

5、酸Tyr133對(duì)自發(fā)活化反應(yīng)略有阻礙效果而Gly121能夠強(qiáng)烈抑制老化反應(yīng)的進(jìn)行。此外，本論文還發(fā)現(xiàn)Gly120等六個(gè)氨基酸對(duì)巴拉奧松抑制的乙酰膽堿酯的自發(fā)活化和老化反應(yīng)有相反的影響。本論文對(duì)于深入了解酶的結(jié)構(gòu)功能提供了新的研究方法。
　　二、組氨酸不同質(zhì)子化狀態(tài)對(duì)二甲基磷抑制的乙酰膽堿酯酶的老化影響
　　本論文經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)老化反應(yīng)中對(duì)催化水分子有極化作用的氨基酸為谷氨酸，而活性中心的組氨酸并未直接參與到反應(yīng)中去。但是根據(jù)該

6、氨基酸空間位置以及電性信息可推斷出其必然會(huì)對(duì)老化反應(yīng)產(chǎn)生影響。而且組氨酸上的咪唑基是一種兩性催化功能基團(tuán)，生物體內(nèi)的組氨酸通常都是既有酸的形式存在也有堿的形式存在。因此，該組氨酸的不同質(zhì)子化狀態(tài)有可能會(huì)對(duì)磷酸化乙酰膽堿酯酶的老化反應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。本論文以二甲基磷酸酯類化合物為例，在QM/MM方法下模擬研究其抑制的乙酰膽堿酯酶在His447不同的質(zhì)子化狀態(tài)下的老化反應(yīng)過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，His447在非質(zhì)子化狀態(tài)下更容易發(fā)生老化反應(yīng)。進(jìn)一步

7、研究分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)子化的His447可以通過直接的氫鍵作用或者通過改變反應(yīng)體系其他氨基酸的空間位置而間接削弱Glu202羧基的負(fù)電性，從而弱化其對(duì)催化水分子的極化作用繼而造成老化反應(yīng)勢(shì)壘的升高。由此結(jié)論可推測(cè)，打破反應(yīng)體系酸堿平衡使質(zhì)子化的His447濃度升高，可延緩老化反應(yīng)的發(fā)生，從而為有機(jī)磷中毒爭取更多的解毒時(shí)間。同理，提高非質(zhì)子化His447的含量可使磷酸化的乙酰膽堿酯酶發(fā)生快速老化而增強(qiáng)有機(jī)磷的毒性。本論文的研究可以為設(shè)計(jì)農(nóng)藥或者解

8、毒藥物提供新的思路并對(duì)乙酰膽堿酯酶的結(jié)構(gòu)功能有了新的認(rèn)識(shí)。
　　三、六氯環(huán)己烷脫氯化氫酶對(duì)γ-六氯環(huán)己烷的脫氯機(jī)理研究
　　γ-六氯環(huán)己烷是一種重要的環(huán)境污染物，其可以在六氯環(huán)己烷脫氯化氫酶LinA的降解下發(fā)生兩次脫氯化氫反應(yīng)。LinA的結(jié)構(gòu)功能分析發(fā)現(xiàn)其對(duì)降解底物中離去的氫和氯具有一定的選擇性，但初次脫氯化氫反應(yīng)的產(chǎn)物并不符合發(fā)生二次反應(yīng)的條件。本論文在此基礎(chǔ)上對(duì)LinA催化γ-六氯環(huán)己烷發(fā)生兩次脫氯化氫反應(yīng)的生物轉(zhuǎn)化路徑

9、進(jìn)行修正，認(rèn)為初次脫氯化氫完成后的產(chǎn)物并不直接進(jìn)行二次脫氯化氫反應(yīng)，而是經(jīng)過了一步自身異構(gòu)化使分子中出現(xiàn)滿足LinA催化離去的氫和氯后再發(fā)生二次脫氯化氫。經(jīng)過模擬研究驗(yàn)證了本論文的假設(shè)，并且證實(shí)了實(shí)驗(yàn)推測(cè)的不穩(wěn)定降解產(chǎn)物的存在，還從能量角度揭示了鞘脂單胞菌科微生物對(duì)γ-六氯環(huán)己烷進(jìn)行兩次脫氯化氫的意義。此外，本論文還發(fā)現(xiàn)亮氨酸Leu21和半胱氨酸Cys71對(duì)LinA發(fā)揮脫氯化氫功能有抑制作用，這一研究發(fā)現(xiàn)可以為LinA的定向突變改造提供

10、潛在的突變位點(diǎn)。
　　四、鹵代烷脫鹵素酶降解1，2-二氯丙烷的對(duì)映體選擇性研究
　　鹵代烷脫鹵素酶LinB因具有廣泛的底物特異性和簡單的降解條件而在目前的污染物生物修復(fù)方面有廣泛的應(yīng)用，其對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性極強(qiáng)的有機(jī)氯污染物1，2-二氯丙烷有一定的降解活性。此外，1，2-二氯丙烷分子內(nèi)存在手性碳，目前并不確定LinB對(duì)其的脫氯降解是否具有對(duì)映體選擇性。本論文采用QM/MM方法在原子層面模擬研究了鹵代烷脫鹵素酶LinB對(duì)1，2-二氯

11、丙烷兩種對(duì)映異構(gòu)體的脫氯水解反應(yīng)過程。證實(shí)了LinB在催化降解這種外消旋混合物時(shí)具有較高的對(duì)映體選擇性，其對(duì)R型異構(gòu)體的降解能力強(qiáng)于S型。進(jìn)一步的空間構(gòu)型分析認(rèn)為，1，2-二氯丙烷兩種異構(gòu)體在LinB活性中心的不同取向產(chǎn)生其各自獨(dú)特的酶內(nèi)部微環(huán)境，導(dǎo)致(S)-DCP附近出現(xiàn)一個(gè)可強(qiáng)烈抑制(S)-DCP脫氯反應(yīng)的水分子，使LinB表現(xiàn)出對(duì)映體選擇性。此外，對(duì)活性區(qū)域周圍氨基酸靜電影響分析發(fā)現(xiàn)Gly37可抑制LinB對(duì)DCP兩種異構(gòu)體的降解