论文部分内容阅读
利用定量结构-活性关系(quantitative structure-activity relationship, QSAR)方法开展的环境定量构效关系研究,是对环境中日益增多的各种化学品进行环境效应评价的重要手段。在有机污染化学和生态毒理学研究中,环境定量构效关系研究具有两个基本的功能:探求化学品的环境效应作用机制,为降低化学品对环境的风险提供理论指导;对未知化学品的环境行为和生态毒性进行预测、评价和筛选。因此理想的定量构效关系模型应该既具有较高的预测能力,又能够对化学品的环境效应作用机制做出合理的阐述。本论文以2-羟基-3-烷基-1,4-萘醌植物光系统II(photosystem II, PSII)抑制剂和三唑类杀菌剂为研究对象,通过QSAR研究方法,定量研究了萘醌类化合物的PSII抑制作用机制、活性位点以及三唑类杀菌剂对水生生物的生物致毒机制与活性位点和可能导致的环境效应,研究结果将有助于今后构建能应用于农药环境风险分析的环境定量构效关系模式并开展农药环境效应评价。利用二维定量构效关系(two-dimensional quantitative structure- activity relationship,2D-QSAR)和全息定量构效关系(holographical quantitative structure-activity relationship,HQSAR)法对23个2-羟基-3-烷基-1,4-萘醌化合物的PSII抑制活性进行了研究。并以此为基础,分别利用比较分子场分析(comparative molecular field analysis,CoMFA)和比较分子相似性指数分析(comparative molecular similarity indicesanalysis,CoMSIA)两种三维定量构效关系(three-dimensional quantitative structure-activity relationship,3D-QSAR)方法,对PSII抑制活性进行了研究。所建QSAR模型具有较高的拟合程度和预测能力,能够合理解释该类化合物PSII抑制作用机制。与2D-QSAR相比,HQSAR和3D-QSAR模型具有更高的拟合度和预测能力。QSAR研究表明,该类化合物对PSII抑制可能分为两步:首先化合物从水相迁移到生物相,穿过细胞膜到达作用靶点;接着3-烷基可能与D1蛋白非极性基团发生疏水作用,同时羰基氧原子与D1蛋白氨基酸残基发生氢键作用,从而替代质体醌,阻碍了植物光合作用过程中的电子传递,对PSII产生抑制作用。而3D-QSAR研究进一步指出,3-烷基取代基的形状/大小以及疏水性能够综合影响该类化合物穿透细胞膜的能力,并且4-羰基氧原子更易形成氢键。3-烷基和4-羰基很可能是该类抑制剂与D1蛋白的活性反应中心。为研究三唑类杀菌剂进入水环境后的水生生态毒性,并且为农药的QSAR研究提供基础数据,利用静态实验法分别测定了17种三唑类杀菌剂的48小时大型溞急性运动抑制毒性(EC50(48h))和96小时斑马鱼急性毒性(LC50(96h)),并对该类农药对水生生态安全的影响进行了初步评价。利用2D-QSAR、CoMFA和CoMSIA两种3D-QSAR方法,对三唑类杀菌剂对斑马鱼和大型溞急性毒性进行研究≦SAR模型具有较高的拟合程度和预测能力,能够合理解释该类化合物对斑马鱼和大型溞的生物致毒机制。与2D-QSAR相比,3D-QSAR模型具有更高的拟合度和预测能力。2D-QSAR研究表明,该类化合物对斑马鱼和大型溞产生毒性效应可能为化合物首先穿过细胞膜在生物体内积聚,由疏水性参数(ClogP)和分子拓扑指数(ShpC和Dia)控制,化合物具有一定麻醉毒性;接着与生物大分子间发生电子交换,或亲核取代反应等,可用电性参数(ELUMO、QC1和EQN1)描述,化合物具有反应性毒性并且高于麻醉作用。而3D-QSAR研究进一步表明,三唑环N1原子可能提供电子与细胞色素P450(cytochrome P450,CYP450)卟啉环活性中心亚铁原子形成配位键;苯环和烷基取代基可能与CYP450芳香受体部分发生疏水叠合,阻碍CYP450正常生理功能,从而对斑马鱼和大型溞产生毒性，这可能是该类化合物众多致毒机理中的一种。经过对2D-QSAR和3D-QSAR研究结果比较发现,三唑类杀菌剂对大型溞和斑马鱼的致毒机制类似，并且三唑环、苯环对位以及与硅原子相连的烷基可能是该类化合物与斑马鱼和大型溞生物大分子的活性反应中心。为验证3D-QSAR研究中三唑类杀菌剂对斑马鱼致毒机制的推测,并从分子水平预测该类农药对水生生物的影响与潜在的环境效应,以多效唑为例,测定了不同浓度多效唑对斑马鱼肝脏超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(catalse,CAT)活性的影响。结果表明,SOD和CAT对多效唑的响应机制可能是由于CYP450酶系与污染物发生结合,阻碍了CYP450正常的催化氧化循环过程,使得活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成量增加,从而影响了SOD和CAT活性。