硝基還原酶催化硝基咪唑還原機理的密度泛函理論研究

背景介紹低氧是實體腫瘤的普遍特征，利用這一特征開發(fā)的低氧激活前藥（HAP）可在低氧環(huán)境中經(jīng)過還原轉(zhuǎn)化為具有活性的細(xì)胞毒性藥物。由于硝基咪唑（NI）中的硝基基團在常氧環(huán)境下可穩(wěn)定存在而在低氧環(huán)境中發(fā)生還原反應(yīng)，而腫瘤細(xì)胞中的硝基還原酶過表達，NI可在還原酶的作用下被還原使得前藥被激活，或者引起分子碎裂釋放出細(xì)胞毒性藥物，因此NI成為抗腫瘤HAP研究領(lǐng)域的熱點之一。深入揭示NI在低氧條件下的還原機制將為設(shè)計開發(fā)新型靶向性低氧激活抗腫瘤藥物提供理論依據(jù)。文章亮點1.

本文采用DFT方法對2-NI、4-NI和5-NI在硝基還原酶中輔酶FMNH作用下經(jīng)歷6步1e-/1H+轉(zhuǎn)移最終還原為胺基咪唑的反應(yīng)機制進行了研究；2.3種NI第一步反應(yīng)均為直接接受來自FMNH的1e-/1H+；然后以H2O作為質(zhì)子傳遞媒介，繼續(xù)從FMNH得到1e-/1H+生成亞硝基中間體；最后經(jīng)歷4次均為放熱反應(yīng)的1e-/1H+轉(zhuǎn)移過程，生成還原產(chǎn)物氨基咪唑；3.

本研究闡明了以NI為響應(yīng)基團的低氧激活前藥的酶催化還原反應(yīng)機制，為設(shè)計和開發(fā)新型低氧靶向性藥物提供了理論依據(jù)。內(nèi)容介紹1

模型和計算方法以硝基還原酶中的輔酶FMNH、2-硝基咪唑（2-Nitroimidazole，2-NI）、4-硝基咪唑（4-Nitroimidazole，4-NI）和5-硝基咪唑（5-Nitroimidazole，5-NI）為計算模型，探討了硝基還原酶催化2-NI、4-NI和5-NI多次單電子還原后生成2-氨基咪唑、4-氨基咪唑和5-氨基咪唑的反應(yīng)機理，如圖1所示，以2-NI為例，硝基咪唑在還原酶作用下被還原成氨基咪唑的過程共涉及6e-/6H+的轉(zhuǎn)移，可概括為三個步驟：首先，伴隨2e-/2H+的轉(zhuǎn)移，硝基被還原成亞硝基中間體（Int2），同時消除一分子H2O；然后，2e-/2H+的傳遞使亞硝基中間體（Int2）轉(zhuǎn)化為羥胺中間體（Int4）；最后，羥胺中間體（Int4）接受2e-/2H+，脫去一分子H2O生成氨基（PC）。圖1

硝基還原酶中FMNH介導(dǎo)的硝基咪唑假設(shè)還原機理Fig.1

Supposedreductionmechanismofnitroimidazolemediatedbynitroreductase2

結(jié)果與討論2-NI經(jīng)FMNH介導(dǎo)的單電子還原經(jīng)歷6步反應(yīng)，包括第一步和第三步的羥基化反應(yīng)（分別經(jīng)歷過渡態(tài)TS1和TS3）、第二步和第五步脫水反應(yīng)（分別經(jīng)歷過渡態(tài)TS2和TS5）以及第四步和第六步氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)（分別經(jīng)歷過渡態(tài)TS4和TS6）。圖2

B3LYP/6-31+G(d,p)水平上優(yōu)化得到2-NI還原反應(yīng)的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)Fig.2

OptimizedstructuresandparametersofTSsinreductionof2-NIcalculatedatB3LYP/6-31+G(d,p)theoreticallevel不同水平上計算所得2-NI還原反應(yīng)的勢能曲線分別如圖3所示。從圖3所示B3LYP/6-31+G(d,p)水平上氣相中各駐點的相對能量值分析可知，僅有第一步的羥基化反應(yīng)得到Int1是吸熱反應(yīng)（ΔG

=6.89kcal/mol），其余五步反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，整個反應(yīng)過程也為放熱反應(yīng)（ΔG

=-96.62kcal/mol），表明FMNH催化2-NI的還原反應(yīng)在熱力學(xué)上是有利的。圖3

B3LYP/6-311+G(3df,2p)//B3LYP/6-31+G(d,p)水平計算所得FMNH介導(dǎo)2-NI、4-NI和5-NI還原反應(yīng)勢能曲線Fig.3

Energyprofileofthereductionof2-NI,4-NIand5-NImediatedbyFMNHcalculatedatB3LYP/6-311+G(3df,2p)//B3LYP/6-31+G(d,p)theoreticallevel3

結(jié)論本文采用DFT方法對硝基還原酶中輔酶FMNH催化的2-NI、4-NI和5-NI的還原機制進行了研究，探討了三者在FMNH作用下經(jīng)歷6步1e-/1H+轉(zhuǎn)移最終還原為胺基咪唑的能量變化趨勢。結(jié)果表明，3種硝基咪唑第一步反應(yīng)均為直接接受來自FMNH的1e-/1H+；在接下來的第二步反應(yīng)中，以H2O作為質(zhì)子傳遞媒介，Int1從FMNH得到1e-/1H+生成亞硝基中間體Int2