P450酶和环境污染物要点.pptx

P450酶与环境污染物 相互作用及其QM/MM模拟 环境研究院 201612093 鲍雷 Catalog 引入 P450酶和 环境污染物 P450酶 QM/MM模拟 总结 引入 引入 引入 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。 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,…)。 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Ⅰ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Ⅰ型配体（ligand），这些大配体底物，有的对CYPs具有诱导作用。 引入 Ⅱ Ⅲ 还原型的 P450 外来物 底物 氧化型 P450酶 氧化型的外来物和氧化型的P450复合物 Ⅰ 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。 P450酶对有机污染物的生物指示 P450酶和环境污染物 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 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P450cam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。 P450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。 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。 Link 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 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 I P450酶的QM/MM模拟 QM / 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 the porphyrin ring and the cysteine sulfur . Choice of QM method The B3LYP density functional is a popular method for modelling P450-catalyzed reactions Determination of MM region Finding the correct wavefunction for Cpd I A method that can accurately model transiti