氯酚类污染物与牛血清白蛋白相互作用的表观及微观效应研究

发布时间：2020-05-17 11:22

【摘要】：氯酚类污染物是持久性污染物中重要的一类物质,具有强毒性、持久性、难降解性及可能的致癌性等特点。尽管很多国家都已经将部分氯酚类污染物列为优先控制污染物,由于氯酚类污染物的不易降解性和生物富集系数高等特点,在不同环境介质,如地表水、沉积物、生物体甚至人体血液中仍检测到氯酚类物质的存在。因此,对氯酚类污染物的毒性机理研究十分必要。然而,目前有关氯酚类污染物的毒性研究主要集中在氯酚类污染物对生物体的毒性剂量关系和细胞毒性效应方面,而对氯酚类污染物与分子大分子相互作用效应及微观机理研究较少报道。进入机体的环境化学污染物与蛋白质相互作用是决定其在体内运输、分配、致毒和代谢活性的主要因素,研究氯酚类污染物与血清白蛋白相互作用的微观机制及分子机理,对深入探索其致毒、代谢及机体防御和解毒机制,并进行相关预测具有重要科学意义和应用价值。本论文以牛血清蛋白作为模型蛋白,从分子水平上研究了氯酚类污染物与血清蛋白的相互作用,具体研究内容及结论如下： (1)用荧光光谱法研究了五种氯酚类污染物(邻氯酚、对氯酚、2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和五氯酚)与牛血清白蛋白(BSA)相互作用的荧光猝灭效应。结果表明,2,4-氯酚、2,4,6-二三氯酚和五氯酚对BSA的固有荧光具有明显猝灭效应,其微观作用机制为形成不发荧光的复合物的静态猝灭作用,三种氯酚类污染物与BSA的结合常数K大小顺序依次为五氯酚,2,4,6-三氯酚和2,4-二氯酚。计算的热力学参数表明,三种氯酚类污染物与BSA的主要作用力类型为疏水性作用力为主,但不排除静电作用力。竞争性位点取代实验表明,其主要结合位点为BSA的疏水性空腔区域(位点Ⅰ),结合氯酚类污染物的分子结构推测三种氯酚类污染物与BSA的结合方式为以疏水性的苯环与BSA的疏水性空腔之间的疏水作用为主,且以离子化的酚羟基与BSA的带电氨基酸基团的静电结合为补充。影响氯酚类污染物疏水性能的苯环上的氯原子数决定着氯酚类污染物与BSA的结合力大小。同时,根据BSA荧光发射光谱与氯酚类污染物的紫外吸收光谱之间存在的光谱重叠,计算了氯酚类污染物与BSA相互作用的能量转移。邻氯酚和对氯酚与BSA相互作用未产生荧光猝灭效应,它们之间是否存在相互作用需用其它方法加以证实。 (2)用荧光猝灭法研究了Cu2+、Pb2+两种离子与BSA的结合情况,并在此基础上研究了有机-无机混合污染物联合作用对BSA的荧光猝灭效应的影响。研究结果表明,Cu2+离子对三种氯酚类污染物(2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和五氯酚)与BSA相互作用的荧光猝灭机制和结合常数均产生影响,它们之间可能存在竞争性结合；Pb2+离子仅对三种氯酚类污染物与BSA的结合常数产生影响,它们之间可能形成三元复合体系。 (3)用等温量热滴定法对五种氯酚类污染物与BSA相互作用的结合反应热力学进行了研究,2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和五氯酚与BSA相互作用均产生较大放热量,采用独立位点结合模式通过迭代最小二乘法拟合得到的相互作用结合常数与荧光猝灭法计算值近似,证实了这三种氯酚类污染物与BSA的疏水作用为主要作用力。邻氯酚和对氯酚与BSA的滴定研究产生相对较小的放热量,说明这两种氯酚与BSA之间存在着弱的相互作用,其作用位点可能是在BSA分子的表面作用结合。 (4)用紫外光谱、同步荧光和三维荧光光谱、圆二色光谱和红外光谱等多种光谱分析方法研究了类污染物与BSA的微观作用机制。结果表明,氯酚类污染物与BSA的相互作用对BSA氨基酸残基周围的微环境敏感,但不会改变BSA以α-螺旋为主的二级结构。 (5)用一维和二维核磁共振谱研究了氯酚类污染物与BSA相互作用前后氯酚类污染物分子苯环和酚羟基上氢原子化学位移的变化。结果表明,与BSA相互作用后,五种氯酚类污染物分子的氢原子化学位移均有不同程度改变,证实了它们均与BSA发生相互作用。通过氯酚类污染物与BSA相互作用核磁共振谱的化学位移分析,随着氯酚分子上氯原子数目增多,氯酚类污染物分子与BSA之间的相互作用,从以氢键形式在BSA表面的结合,逐渐过渡到插入到BSA疏水性空腔内部的疏水性结合。 (6)用分子对接模拟计算法模拟了五种氯酚类污染物与BSA相互作用的空间结合方式。结果表明,邻氯酚和对氯酚在BSA分子心形表面沟壑处发生弱的氢键作用；2,4-二氯酚、2,4,6-三氯酚和五氯酚在BSA的结合位点位于BSA的疏水性空腔区域,它们可以轻易地进入到BSA空腔内部,BSA通过在结合位点附近大量的疏水性氨基酸残基与氯酚类污染物之间较强的疏水作用力来维持这三种氯酚类污染物在BSA结合位点的稳定性。2,4-二氯酚和2,4,6-三氯酚结合在BSA的相同结合位点,与Ser310和Arg280氨基酸残基形成氢键,五氯酚与BSA的Arg280和Tyr173氨基酸残基之间形成氢键。量子化学计算结果表明三种氯酚类污染物与BSA形成复合物的稳定性大小依次为五氯酚、2,4,6-三氯酚和2,4-二氯酚。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X13

【参考文献】