代謝活化

化學物質本身無毒或毒性較低。但在體內經過生物轉化後，形成的代謝產物毒性比母體物質增大，甚至產生致癌、致突變、致畸作用，這一過程稱為代謝活化。

人類細胞色素P450-2E1酶，是細胞色素家族P450中主要成員。hCYP2E1基因可編碼二甲基亞硝胺脱甲基酶，此酶可被底物乙醇誘導，參與包括烷烴、烯烴、單環芳烴、一些取代基如滷代）小分子等小分子化合物基團在內的體內代謝活化，其中包括苯、氯乙稀、亞硝胺等一系列直接間接致癌物。在這一代謝過程中，通過細胞色素的代謝後，導致一些反應中間體形成，或可發生代謝後活化效應。即將本無生物活性的前致癌物或弱致癌物活化轉變為親電子化合物，親電子化合物能攻擊許多生物大分子基團。比如，N-亞硝基化合物經過代謝活化產生烷基偶碳類化合物。同時，是丙烯酰胺代謝的重要酶，體外實驗觀察到對丙稀酰胺有一定程度的解毒作用。磺基轉移酶是催化硫酸基團從磷酸腺苷酰硫酸上轉移給各種受體分子的酶。一些羥基代謝產物，例如苯酚及兒茶酚由苯體內代謝而來，是磺基轉移酶的底物 ^[1]  。

亞硝胺(NAs)是一種重要的環境致癌物，廣泛存在於水體、煙草、藥物、酒類和食品中，能夠導致多種動物及人類發生腫瘤。研究表明，NAs在體內經細胞色素P450(CYP450)代謝活化後，生成羥基亞硝胺並進一步分解為活潑親電試劑——碳正離子，導致DNA鹼基的烷化損傷，最終誘發癌症。因此，CYP450催化NAs的代謝活化是其致癌的關鍵步驟，本課題使用量子化學計算方法對NAs的代謝活化反應機理進行了研究，為深入闡明NAs的致癌作用機制提供了理論依據。

使用密度泛函理論(densityfunctionaltheory,DFT)UB3LYP方法對甲基乙基亞硝胺(N-Nitrosoethylmethylamine,NMEA)和二甲基亞硝胺(N-Nitrosodimethylamine,NDMA)在CYP450活性中心鐵卟啉催化下的代謝活化機理進行了研究，探討了在Cpd0和CpdI兩種鐵卟啉活性中心作用下NAs的Cα-H的羥基化過程。對反應過程中各駐點的幾何結構進行了優化，並在更高的LANL2DZ(Fe)/6-311+G(d,p)(C,H,O,N,S)基組上進行了單點能計算。結果表明，CYP450催化NAs羥基化的過程包含兩個步驟——氫抽提反應和回彈反應。氫抽提反應為控速步驟，氫原子從NAs轉移到鐵卟啉的FeO上，是典型的氫原子傳遞(HAT)過程，緊接着鐵卟啉上的羥基回彈到NAs自由基上，形成羥基化代謝產物。低自旋的二線態(LS)和高自旋的四線態(HS)均參與反應，二者的差別不大，符合雙態反應性(TSR)。另外，CpdI催化NMEA的反應能壘為13.27/13.92kcal/mol(LS/HS)；Cpd0催化NMEA的反應能壘為18.96/18.89kcal/mol(LS/HS)，即CpdI催化NAs羥基化比Cpd0作為氧化活性中心更具有優勢，反應更容易發生。

根據“雙區理論”提出的有關NAs致癌的作用機理，NAs分子側鏈上除了α-位可以發生羥基化代謝外，非α-位也可同時發生代謝進而生成兩個親電活性中心，最終導致DNA股間交聯。使用UB3LYP方法對CpdI催化三種烷基亞硝胺(NMEA、NDEA和NMPA)Cβ-H羥基化的反應機理進行了研究。結果表明，Nas的Cβ-H羥基化反應過程與Cα-H羥基化過程相似，均為典型的HAT過程(即氫原子從NAs轉移到鐵卟啉FeO上)，緊接着經歷羥基回彈過程形成羥基化產物。LS和HS也均參與了Cβ-H的羥基化反應，LS和HS的反應能壘差別不大，符合雙態反應性(TSR)。三種烷基NAs的Cβ-H羥基化能壘為16~19kcal/mol，比Cα-H羥基化反應能壘高3~5kcal/mol，這表明Cα-H比Cβ-H更易於發生羥基化。另外，比較了Cα-H和Cβ-H羥基化反應中的軌道能量和碳氫鍵解離能(BDE)。結果表明，在低自旋態下，NDEA的Cα-H過渡態的HOMO-LUMO能量差(∆EHOMO-LUMO)比Cβ-H過渡態的∆EHOMO-LUMO低約為14kcal/mol，Cα-H的BDE比Cβ-H的BDE低6~11kcal/mol，進一步證明了Cα-H比Cβ-H更易於在P450作用下代謝活化 ^[2]  。