NNK结构与其代谢机理和致癌性研究

JournalofBaojiUniversityofArtsandSciences(NaturalScience),Vol.27,No.4,pp.287-290,Dec.2007

*

NNK结构与其代谢机理和致癌性研究

张 红1,刘 铭2

(1.徐州广播电视大学,江苏徐州221006;2.江苏万邦生化医药股份有限公司,江苏徐州221002)

摘 要:目的 从化学结构的角度研究4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(4-(methylnitro-samino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone,NNK)的代谢机理和致癌性。方法 利用HyperChem计算化学软件,在扩展休克分子轨道法的基础上进行计算,分析计算结果,阐述NNK的代谢机理以及其致癌性。结果 前线轨道的能量差很小,而且LUMO能量低于原子轨道能量,决定了NNK代谢反应既可以接受电子作为氧化剂发生还原反应,也可以提供电子作为还原剂发生氧化反应。电荷分布的局部集中,为亲电试剂的进攻提供了便利。无论是NNK还是其初级代谢产物,高风险诱变性和致癌性基团的存在是其具有潜在致癌性的基础。结论 从计算结果可以对NNK的代谢机理和致癌性作出令人满意的合理解释。

关键词:NNK;休克分子轨道理论;代谢机理;致癌性

中图分类号:R966 文献标志码:A 文章编号:1007-1261(2007)04-0287-04

TheeffectofstructureonNNKmetabolismandtumorigenicity

ZHANGHong1,LIUMing2

(1.XuzhouRadio&TVUniv.,Xuzhou221006,Jiangsu,China;2.JiangsuWanbangBiopharmaCo.Ltd.,Xuzhou221002,Jiangsu,China)

Abstract:Aim TostudytheeffectofstructureonNNK(4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone)metabolismandtumorigenicity.Method HyperChem,acomputationalchemistrysoft-ware,wasused.TheextendedH󰀁ckelmolecularorbitaltheorywasselectedinHyperChemtocalcu-lateenergylevels,chargesforexplainingNNKmetabolismanditscarcinogenicity.Results HOMOenergyleveliscloseLUMOenergylevel,whileLUMOenergylevelislowerthanatomicorbitals,thisshowsthatfrontorbitsmayreceiveelectronorgiveelectroninredoxreactions.Thechargecontribu-tioncentralizesafewatomswhichreactwithelectronacceptor.Therearehighriskfragmentsofmu-tagenicityandtumorigenicityinNNKanditsprimarymetabolitesmolecules,thisisabasicthatNNKanditsprimarymetaboliteshavetumorigenicity.Conclusion TheNNKmetabolismandtumorigenic-itymaybeexplainedreasonablybythecalculationresults.Keywords:NNK;H󰀁ckelmolecularorbitaltheory;metabolism;tumorigenicity NNK的全称是4-(N-甲基-N-亚硝胺)-1-(3-吡啶基)-丁酮(4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone),是烟草特有亚硝胺(To-bacco-SpecificNitrosamines,TSNA)中具有强致癌性物质之一[1]。从20世纪60年代初至今,近半个世纪以来,已鉴定出8种TSNA,如N-亚硝基去甲基烟碱(N-nitrosonornicotine,NNN)、N-亚硝基假木贼碱(N-Nitrosoanabasine,

NAB)、N-亚硝基新烟草碱(N-Nltrosoanat-abine,NAT)、4-(N-甲基-N-亚硝胺)-4-(3-吡啶基)-1-丁醛(4-(N-methy-lN-nitrosamino)-4-(3-pyridyl)-1-butanal,NNA)等。NNK和NNN结构式如图1所示。

有关TSNA的致病机理已有大量报道,特别是NNK是一种强烈地动物致癌剂,它能使动物活体和离体的人体组织中的DNA甲基化,有可

*收稿日期:2007-09-07,修回日期2007-10-05.通讯作者:刘 铭,E-mail:liumingq@yahoo.com作者简介:张 红(1963-),女,江苏徐州人,高级讲师,研究方向:高等化学教育与教学管理.

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宝鸡文理学院学报(自然科学版)2007年

能引起肿瘤;有人发现NAB能引起Fischer鼠的食道癌,NNN导致Fischer鼠的腺瘤、肺癌[1~5];研究结果表明NNN和NNK都表现出较强活性,而且其中NNK的活性又高于NNN;现在一般研究认为NNN和NNK主要是通过生物降解与动物体内的DNA和血红蛋白发生键合作用,产生致癌性

[1~5]

[6]

。有多项研究结果表明,NNK对肺

图1 NNK和NNN结构图Fig.1 StructuresofNNKandNNN

有很强的致癌性,如1mgNNK即可能使实验鼠出现呼吸道癌。本文目的在于应用计算化学软件HyperChem,在扩展的休克分子轨道理论的基础上进行理论计算,从其结构的角度对于NNK的代谢机理和致癌性给予合理地解释。

2 NNK代谢机理[1,2,7~9]

NNK的代谢方式主要有3种,即羰基还原、吡啶氮氧化以及A-羟基化,详细代谢机理见图2。

[7]

图2 NNK代谢机理Fig.2 SchemeofNNKmetabolism

3 计算结果分析

3.1 前线轨道能有利于发生代谢反应

采用扩展的休克分子轨道理论(ExtendedH󰀁ckelMolecularOrbitalTheory,EHMOT)分

别对NNK通过3种途径代谢所产生的主要代谢物的能级进行了计算,其前线轨道能级列入表1。

由表1可知NNK的前线轨道的能级非常接近,HOMO能级与LUMO能级二者相差不足0.6eV,而且LUMO的能级低于原子轨道的能级,所以决定了NNK易于发生氧化反应和还原反应的 第4期张 红等 NNK结构与其代谢机理和致癌性研究

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特性。吡啶氮氧化反应(见图2(2)、(3))和羰基还原反应(见图2(5))就是最好的例证。

表1 前线轨道能计算结果

Table1 ThefrontorbitalenergiescalculatedbyEHMOT

CarcinogenEHOMO/eVE

LUMO/

攻,H自然是最简单而且最合适的亲电试剂之一,使图2中(5)式反应得到合理解释。吡啶环上的N则以配位键的形式与O形成八隅体结构,使NNK以吡啶N氧化的代谢方式形成NNK-N-氧化物,图2中的(2)和(3)式反应就是最好的例证。3.3 协同效应导致吡啶环A-羟基化

对于NNK的A-羟基化反应而言,如果是HO向吡啶环靠近,与C(6)成键似乎更为合理,但是还应该考虑其他因素的影响如空间位阻、静电互斥等。C(5)和C(6)位置与C(2)位置相比较,前二者对于HO的靠近空间位阻相对较大;而C(2)位置相对而言空间位阻较小,在综合电荷分布和空间位阻等多种因素相互协同的影响之后,导致吡啶环的羟基化发生在A位。

3.4 NNK能量与温度的关系

分子动力学模拟结果表明,NNK的总能量随温度的变化在一定的范围内波动不大,动能随温度升高而逐渐增加,呈现出线性关系;势能随温度的变化趋势整体而言是随着温度的升高而势能降低,无论是NNK还是6-OH-NNK都是如此(见图4和

--

NNK-10.76-10.170.59

NNAL-12.16-10.122.04

NNK-N-Oxide-12.17-10.132.04

6-OH-NNK-12.09-10.131.96

eV

vE/eV

3.2 电荷分布局部集中有利于发生亲电反应通过EHMOT计算,NNK的3种主要代谢

产物的电荷分布详见表2。表2中的原子编号参考图3,但是应该说明,O(16)表示图2中尚未出现的NNK-N-Oxide和6-OH-NNK分子中氮的配位氧或者羟基氧(见图2)。

图3 NNK骨架的原子编号

Fig.3 Atoms'numbersofNNKframework

表2 电荷分布

Table2 Chargescontributioninmolecules

AtomC(1)C(2)N(3)C(4)C(5)C(6)C(7)C(8)O(9)C(10)C(11)N(12)C(13)N(14)O(15)O(16)

NNKandItsMetabolites

NNK-0.0690.298-0.7490.3610.2210.0670.8200.099-1.0900.0180.2470.1750.1730.224-0.911

NNAL-0.0760.391-0.8290.2520.0220.0490.4980.032-0.912-0.0120.2120.1800.1640.221-0.917

NNK-N-Oxide

-0.0430.2160.6920.2090.027-0.0010.500-0.018-0.9020.0050.2270.1820.1820.220-0.915-1.170

6-OH-NNK

-0.1070.857-0.8060.3410.0220.0690.501-0.019-0.9030.0050.2280.1820.1820.219-0.915-0.810

图5),但是并非呈现出线性发展态势,而是在约40kJ的范围内振荡。例如我们选择于人体体温接近

的307~316K(26~43e),对其势能随温度的变化进行图示,见图6(NNK)和图7(6-OH-NNK)。

图4 NNK能量与温度的关系

Fig.4 TherelationofNNKenergyandtemperature

图6和图7表明,无论是NNK还是6-OH-NNK,其势能对温度变化比较敏感,几乎没有平稳期。人体温的微小变化都会对势能产生影响,使NNK和6-OH-NNK随时都有可能对人体造成危害。加之体温因人而异(成年人不同于小孩;男性不同于女性)、因时而异(上午不同于下午,女性经期前后有别);就是一个人,体内各组织的温度也不同,在安静时,肝代谢最活跃,温度最高;其次,是心脏和消化腺。这些温度的变化对于吸烟 由表2可知,NNK的电荷主要集中于吡啶环的氮N(3)、羰基氧O(9)以及亚硝基氧O(15)上。这种电荷分布对于解释NNK代谢过程中,为什么易发生吡啶环上的N氧化反应和羰基的加氢还原反应提供了结构基础。在NNK结构中,O(9)周围电荷最为密集,有利于亲电试剂的进290

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者或者被动吸烟者体内NNK代谢的影响是显而易见的。性和致癌性、诱变性高风险致病基团存在的客观性,是决定NNK本身具有强致癌性的基础。当然,NNK的代谢机理可能更为复杂(如酶的作用等),这些因素本文尚未考虑,仅仅是从NNK及其初级主要代谢产物的结构出发进行了研究,虽然存在不足,但可以给予较为合理的解释。

图5 6-OH-NNK能量与温度的关系

Fig.5 Therelationof6-OH-NNKenergyandtemperature

参考文献:

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图6 NNK势能与温度的关系Fig.6 TherelationofNNKpotential

energyandtemperature

图7 6-OH-NNK能量与温度的关系Fig.7 Therelationof6-OH-NNKpotential

energyandtemperature

4 高风险致病基团的分析

无论是NNK还是其初级代谢产物,就其高风险致病基团分析,表3中列出了诱变性和致癌性高风险基团或者是代谢物分子。这些基团存在于NNK或者代谢物之中,表明无论是NNK还是其代谢物,诱变性和致癌性的结构因素是不可否认的客观存在事实。

由上述分析不难看出,NNK的结构决定了其代谢方式,NNK和其初级代谢产物对温度的敏感(编校:邓珠平)