E&H专栏｜广东工业大学安太成团队：1-硝基芘代谢与健康风险——多方法鉴定关键酶、途径和代谢物

多环芳烃衍生物广泛存在于环境甚至人体中，但其代谢过程和潜在风险尚不清楚。1-硝基芘被国际癌症研究机构列为潜在致癌物，但其转化机制、转化产物的鉴定、参与代谢酶的亚型的鉴定以及代谢产物对人体健康风险评估的研究尚未完全探索。本文的模拟研究计算对人类P450酶与1-硝基芘的结合和代谢机制提供了有意义的见解，有助于全面了解1-硝基芘的代谢命运和毒性，并引起对硝基衍生物的重视。

本文通过密度泛函理论和分子模拟计算，揭示了1-硝基芘在体内的特异性代谢机制及潜在的健康风险。充分考虑1-硝基芘的所有活性代谢位点，确定了1-硝基芘-4,5-氧化物和1-硝基芘-9,10-氧化物为主要的环氧化产物，6-羟基-1-硝基芘和8-羟基-1-硝基芘为主要的羟基化代谢产物，环氧化是比羟基化更容易发生的过程。CYP 2A13和2E1在与1-硝基芘的结合和代谢过程中发挥了重要作用。此外，健康影响评估显示，1-硝基芘及其代谢物会对胃肠道系统和肺部造成不良影响，环氧化产物增强了与DNA的结合，导致致突变风险增加。这些发现为了解1-硝基芘及其代谢物的代谢和毒性机制提供了科学依据，同时也弥补了人体P450酶催化硝基多环芳烃的数据不足之处。

1. 羟基化产物的鉴定研究

使用密度泛函理论(DFT)筛选了1-硝基芘所有可反应的位点并确定了主要代谢位点，进一步在DFT高水平下计算揭示了P450酶活性位点(Cpd I)对1-硝基芘C ₃ 、C ₄ 、C ₆ 和C ₈ 途径羟基化的转化机制(图1)。结果表明，这4个位点的反应过程从反应物络合物开始，经过渡态、中间络合物、反弹过渡态后形成产物，通过对比反应活化能，C ₆ 和C ₈ 在过渡态时有更低的能垒，更容易发生亲核反应，因此确定6-羟基-1-硝基芘和8-羟基-1-硝基芘是羟基化代谢的主要产物。

图1. 1-硝基芘与Cpd I羟基化反应路径图 (单位: kcal/mol).

2. 环氧化产物的鉴定研究

通过计算研究低自选状态下Cpd I与1-硝基芘在C ₂ 、C ₄ 、C ₆ 、C ₇ 和C ₉ 位点的环氧化反应(图2)。结果表明，1-硝基芘在C ₉ 位点的能垒最低(13.55 kcal/mol)，其次是C ₄ 位点(14.16 kcal/mol)，形成环氧化的过程是亲电加成反应且最容易在C ₉ 位点进行。在亲电加成反应中，能垒随O-C键长度变小而增大，随C-O-C键角的增大而增大，同时发现，键长和键角的结构排列决定了亲电加成产物的类型。与羟基化代谢途径相比，环氧化反应克服的能垒更低，说明亲电加成主导了1-硝基芘在体内的代谢反应，9,10-环氧-1-硝基芘和4,5-环氧-1-硝基芘的生成是Cpd I代谢1-硝基芘的必然产物。

图2. 1-硝基芘与Cpd I环氧化反应自由能图 (单位: kcal/mol).

3. 关键代谢酶的鉴定研究

通过分子动力学(MD)模拟，研究了1-硝基芘与六种P450酶亚型的结合作用(图3)，通过结合自由能确定CYP 2A13和CYP 2E1是代谢1-硝基芘重要的酶。1-硝基芘与P450酶亚型的结合不仅受结合姿态的影响，还受氨基酸类型和数量的影响。CYP 2A13和CYP 2E1活性位点与1-硝基芘代谢位点之间的距离，影响1-硝基芘选择性氧化C ₄ 、C ₆ 、C ₈ 、C ₉ 和C ₁₀ 位点，从而导致主要代谢产物的生成。

图3. 1-硝基芘与六种P450酶亚型的结合构象

4. 代谢产物健康风险

最后，我们进行了表面静电势(ESP)计算评估代谢物的健康风险，发现1-硝基芘的羟基化代谢产物的极性增加，而环氧化产物表面正静电电位明显增加，导致环氧化代谢产物分子的亲电性增加，这增强了它们与DNA的结合，并带来了致突变性的健康风险。

这项工作通过多种计算模拟方式探究了 1- 硝基芘在体内的代谢机制，完善了 1- 硝基芘代谢体系的相关研究，为硝基类多环芳烃衍生物在体内的暴露和代谢激活的评估提供了坚实的理论基础，在未来的研究中，更精确和全面地预测代谢物并关注代谢物对人类健康风险的影响至关重要。