P450酶和环境污染物

1、环境研究院环境研究院201612093 201612093 鲍雷鲍雷Catalog引入P450酶和环境污染物P450酶QM/MM模拟总结引入神奇之环卟啉卟啉（porphyrin）半胱氨酸半胱氨酸+ +血红素= =细胞色素（细胞色素（cytochrome）卟啉卟啉+ +铁铁= =血红素血红素（ protoheme）细胞色素氧化还原酶细胞色素氧化还原酶细胞色素细胞色素P450P450酶酶血红素血红素（protoheme）叶绿素叶绿素（chlorophyll） 引入 P450酶是什么 细胞色素P450酶（Cytochrome P450 proteins, CYPs），是一类含有血红素的相对分子质量在

2、40-60kDa的蛋白基因家族，因其还原态可与CO结合后在波长450 nm处有一最大吸收峰而得名P450，是自然界中最通用的生物催化剂系统之一。其参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢，在原核生物中为游离于胞质中的可溶性蛋白；在真核生物中主要分布在线粒体和内质网内膜上的膜蛋白。自发现P450至今，在Gene Bank中登录的P450核酸序列或氨基酸序列已有17444 多个，分属256个不同的家族，而且这个数字随着研究的进展每年都会增加。引入l在整个P450基因超家族中，虽然P450氨基酸的一级序列存在很大差异，同源性低于20，但他们的空间结构却存在较大的相似性，都是含由亚铁

3、血红素和半胱氨酸组成活性中心结构域的催化氧原子转移的氧化还原酶。P450酶相关生化性质l虽然P450的结构的相似性，但每个酶仍表现结构的多样性及底物特异性等，根据酶的氨基酸序列相似性，分类并命名为家族(CYP1, 2, 3)、亚家族(A, B, C)、单个基因(1, 2, 3,)。l氧化型P450可与多种药物（例如苯巴比妥）、环境污染物和农药（例如滴滴氧化型细胞色素涕）等在CYP的疏水部位结合，形成的吸收光谱称为型示差谱，最大吸收峰在390nm附近，最低吸收谷在420nm附近，所结合的化合物称为型配体（ligand），这些大配体底物，有的对CYPs具有诱导作用。引入还原型的 P450 外来物底

4、物氧化型 P450酶 氧化型的外来物和氧化型的P450复合物还原型辅酶 分子氧P450酶的作用机理水分子P450酶和环境污染物 P450酶的生物指示作用根据外源污染物对 P450 酶系的诱导或抑制效应可以建立酶含量/活性与污染物浓度之间的定量响应关系，实现环境污染早期诊断与预警。不同种类生物体的 P450 酶系对有机污染物具有指示作用。Roos 等试验表明哺乳动物小鼠 P450 1A1 含量与口服的多环芳烃（ PAHs）含量之间也存在明显的剂量-效应关系。随着 PAHs 含量的增加，动物肝和十二脂肠的 EROD活性也逐渐升高，EROD 活性与污染物含量也具有极显著正相关。l P450酶对有机污

5、染物的生物指示P450酶和环境污染物l P450 酶系与重金属之间也存在剂量-效应关系细胞色素P450 1A（CYP1A）酶是I单加氧酶，参与许多细胞功能，例如异生物的代谢。 Korashy 等研究表明，Hg2+、 Pb2+、 Cu2+ 能够增加小鼠肝细胞 P450 1A酶的含量，同时抑制其酶活性。P450酶和环境污染物P450酶的催化降解作用脱卤化羧基化脱烷基化环氧化细菌动物植物假单胞菌的P450cam 是目前了解最清楚的 P450 酶，它可以将六卤乙烷和五卤乙烷分别转化为四氯乙烯、 三氯乙烯成功实现脱卤降解作用。动物体内的 P450 酶是 PAHs 三种主要代谢途径的启动催化因子，在诱导细

6、胞中多余的内源或外生化合物（如药物、 毒物和多不饱和脂肪酸）的分解代谢过程中起核心作用。超累积植物的 P450酶在植物体也承担催化许多次级代谢反应，其介导的反应类型之一是对除草剂、 农药和外源物质的解毒途径。P450酶和环境污染物尽管 P450 可以有效降解多环芳烃等有机污染物，但仅仅依赖P450实现污染物的完全生物降解仍是困难的，必须将P450作为生物降解的催化启因子，结合其他生物工程将 P450 的催化降解产物吸收或分解。Wackett构建了假单孢系统，用P450P450camcam催化五氯乙烷使其还原脱卤，而中间产物通过甲苯双加氧酶进一步氧化脱氯，最终转变为CO2，达到完全降解的效果。P

7、450酶的QM/MM模拟QM/MM方法是使用量子力学方法描述涉及到化学键形成与断裂的活性区域，使用分子力学方法描述反应活性区域外的其它原子部分，从而得到较为精确的计算结果。QM/MM方法简介l整个大分子即为QM/MM的研究范围，关键在于QM部分区域的确定。lLink atom目前主要有两种处理方法，加原子和加轨道。P450酶的QM/MM模拟结构和反应分析P450的催化循环包括形成非常活性的Fe（IV）氧代物质，称为化合物I（ Cpd I ），其被广泛接受为占据P450的大部分底物氧化反应性的物质，以及在其他含血红素单加氧酶。Cpd ICpd IP450酶的QM/MM模拟QM/MM模拟和实际操作

8、lQM / MM建模帮助确认，催化循环中以前由实验研究提出的几个活性位点氨基酸残基的具体作用。The protein environment is believed to have an effect on the electronic structure of Cpd I, as differences have been observed between QM and QM/MM calculations. The main observed difference is in the distribution of the unpaired electron shared between

9、the porphyrin ring and the cysteine sulfur .Choice of QM methodChoice of QM method The B3LYP density functional is a popular method for modelling P450-catalyzed reactions Determination of MM region Determination of MM region Finding the correct Finding the correct wavefunctionwavefunction for for Cp

10、dCpd I I A method that can accurately model transition metals is required Several empirical corrections to add dispersion interactions to B3LYP have been developed structuremodels of peptide chain and hydrogen atoms through CHARMM Optimize the geometries Model Link atoms as hydrogen atoms The thiola

11、te group results in a more accurate description of the Cpd I wavefunction the methylmercaptide ligand is more representative in QM/MM models 总结P450酶系是一个在生命体内广泛分布的酶家族，对环境污染物倾入机体反应灵敏，同时在污染物治理领域有着不容小觑的利用潜力。QM/MM方法在P450酶的催化机理和与污染物的相互作用研究方面任重道远。参考文献1 维基百科.2 张丽.细胞色素 P450 的高效原核表达及应用于持久性有机污染物的检测D.中南名族大学.201

12、0.3 尚卫辉,李永涛,舒薇 ,等. P450酶系对污染物的生物指示和催化降解机制 J.环境科学与技术2009.32(6).12-16.4 Roos P H. Differential induction of CYP1A1 in duodenum，liver and kidney of rats after oral intake of soil containing poly-cyclic aromatic. hydrocarbonsJ.Arch Toxicol,2002,76(2):75-82. 5 Korashy H M，El -Kadi A. The role of redox se

13、nsitive transcription factors NF-B and AP-1 in the modulation of the Cyp1a1 gene by mercury， lead and copperJ. Free Radical Biology & Medicine,2008,44：795-806.6 Wackett LP. Recruitment of co-metabolic enzymes for environmental detoxification of organohalides J.Environ.Health Perspect,1995,103：45-48. 7 Richard Lonsdale, Jeremy N. Harvey and Adrian J. Mulholland . A practical guide to