（材料学专业论文）替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究.pdf

替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质 的理论研究 材料学专业 研究生：查东指导教师：李来才教授 本文用量子化学密度泛函理论研究了替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物 的性质，具体的内容如下： ( 1 ) 替拉杂明酶催化代谢产物脱羟基机理； ( 2 ) 替拉杂明酶催化代谢产物水解机理； ( 3 ) 替拉杂明酶催化代谢产物的核磁共振碳谱的理论研究； ( 4 ) 替拉杂明酶催化代谢产物异构体的理论研究： ( 5 ) 替拉杂明酶催化代谢产物一水化合物的性质。 对替拉杂明酶催化产物脱羟基微观过程( g a t e s 模型) 进行了较为详细的理 论计算研究。研究发现：替拉杂明( m 1 ) 酶一级催化代谢中间体脱羟基反应，有两 条通道，反应生成的代谢中间体m 4 与m 5 均能发生酶二级催化脱羟基反应并生成 同一产物m 8 。通过比较理论计算值与实验值，我们得到：考虑溶剂化效应下的 能量是比较合理可信的，同时通过比较所有可能的脱羟基过程活化能，我们可以 得到：在替拉杂明( m 1 ) 两步酶催化产物脱羟基反应中，相对而言，酶二级催化产 物脱羟基较难。在替拉杂明( m 1 ) 母体酶一级催化脱羟基过程所生成的产物m 4 和 m 5 中，m 4 因其稳定性小，脱羟基过程活化能也不大，更容易进一步发生后续反 应而最终生成m 8 ，也就是说m 8 主要是由m 4 产生的，整个反应最终的重要产物 应该是m 5 和m 8 。 对替拉杂明酶催化代谢产物的两种水解机理( b r o w n 模型和d e n n y 模型) 的微 观过程进行了较为详细的理论计算研究，结果发现：b r o w n 模型路径的速控步骤 | l 是勰l 一舔2 l 一酣s ，活芘辘鸯5 s + 7k c a l 肺o l ；丙d e n n y 模型貉径魏逮控步骤是 f m 2 一t s 2 2 一m 2 2 ，漓化能为6 0 6k c a l m o l 。因此，对予同样是水解机瑾的两种 模型，b r o w n 模型在能量上更为可行些。最蓐结合我罪，辩g a t e s 模型的研究缕 果，比较三种模毅，在m l m 2 一惦反成过程中，b r o w n 模型的速控步骤活化能 拢d e n n y 模型的婺低，g a t e s 模型的滔他能最小，因此榴辩面言，反瘟按g a t e s 模型进行痘滚最为有裁。 在b 3 l y p 6 - 3 1 g ( d 翥l b 3 l y p a - 3 1 l + g ( d ) 水平上，优化了4 种化合物和四甲鏊 疆，同时闻密度泛瓣b 3 l y p 方法在相f 掰罄维水平并考虑溶剂效应的基础上，用g i a o 方法计算了4 种化物和四甲基硅的核磁共振碳谱。绍粜表明用密度泛函b 3 l y p 方法： 至6 - 3 1 6 ( d ) 蒸缎承平主优能四释纯合物静构型，然艨弼g i a o 方法，在6 - 3 1 g ( d ) 鏊缓隶平上采谤舞俄合镌静菝磁共掇骥谱，其计算结聚岛实验续莱最为嘲奄。 在密度泛蔽b 3 l y p 6 3 i g ( d ) 计辫z k 平上，对替拉杂孵掰次游摧强健落产纺 分别所对应的1 2 种异构体在气相和承相中可能存在构溅进行了全自由度优忧 并计算出落们的总能量、焓、熵、蠢布斯自由能。o n s a g e r 反成场溶剂模型用于 水相的诗算。较详细她讨论了水溶埘纯作藤辩异掩体豹能量、几何掏型、电襁分 裙取程摄掇的影响。诗算续果圈已鸯豹实验结果薹零一致。 采焉密度涎醴瑗论b 3 l y p 方法对替拉杂髓豹各耱酶镤纯产弱与永掰澎戒熊 氢键复合物进 亍了研究，分析了备簸龠物的稳定化能几何构型特征及电荷变化 情况等。结果表明器种酶催他产物姆水之闻能够稳定静麓台物，这些复合物的相 对稳定性与形成氲键复合物过程中的电荷转移情况以及几何构型分布等方面因 素蠢密切豹关系，璃孵我们酶研变还裘碉：对氢捷复台秘熬稳定佳能进行零虑缝 和基组重叠误差梭歪是狠毒必要瓣。 关键词：替拉杂明，模型机理，理论研究，活化能，n m r ，异构体 t h e o r e tic a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e ro f t i r a ) a z a m i n e e n z y i c a t a l y s i m e t a b o liteslrapazamne sg n z y m a t l cc a t a s i sm e t a b ot e ， a n dt h eirh y d r o g e nb o n d e dc o m p le x es m a j o r ：m e t e r i a l ss c i e n c e g r a d u a t es t u d e n t ：z h ad o n g a d v i s e r ：p r o f e s s o rl i l a i c a i t h ec h a r a c t e ro ft i r a p a z a m i n e s t h e i rh y d r o g e nb o n d e dc o m p l e x e sh a s t h e o r y ( d f t ) e n z y m a t i cc a t a l y s i sm e t a b o l i t e sa n d b e e ns t u d i e db yd e n s i t yf u n c t i o n a l ( 1 ) t h em e c h a n i s mo f h y d r o x y l r a d i c a lr e l e a s ef r o m t i r a p a z a m i n e ，s u n d e r g o i n ge n z y m a t i cc a t a l y s i s ( 2 ) t h eh y d r o l y s i sm e c h a n i s mo fm e t a b o l i cp r o d u c tf r o mt i r a p a z a m i n e ，s u n d e r g o i n ge n z y m a t i cc a t a l y s i s ( 3 ) t h e o r e t i 。c a ls t u d yo nt h en c - n m ro ff o u rm e t a b o li cp r o d u c t s ( 4 ) t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h et i r a p a z a m i n ee n z y m a t i cc a t a l y s i sm e t a b o l i t e s t a u t o m e r s ( 5 ) w e a k l yh y d r o g e nb o n d e dc o m p l e x e sb e t w e e n t i r a p a z a m i n ee n z y m a t i c c a t a l y s i sm e t a b o lit e sa n dw a t e r t h em i c r o c o s m i cm e c h a n i s mo fi t su n d e r g o i n ge n z y m a t i cc a t a l y s i s t o p r o d u c eo h 。r a d i c a lh a sb e e ns t u d i e db yd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h em i c r o c o s m i cp r o c e s s e so fi t su n d e r g o i n gf i r s t e n z y m a t i cc a t a l y s i st op r o d u c eo h r a d i c a la r et w op a r a l l e lr e a c t i o n c h a n n e l s b o t hm 4a n dm 5c o u l du n d e r g os e c o n d a r ye n z y m a t i cc a t a l y s i st o p r o d u c eo h r a d i c a l t h er e s u l t so fc o m p u t e da c t i v a t i o n e n e r g yo f i ，、 p r o d u c i n go h r a d i c a lf r o mm 2a n dm 3a r ec l o s et ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a c o m p a r i n ga l la c t i v a t i o ne n e r g yo ft h em i c r o c o s m i cp r o c e s s e s ，t h em a i n p r o d u c t sa r em 5 a n dm 8 t w o d i f f e r e n th y d r o l y s i s m e c h a n i s m so fm e t a b o li cp r o d u c tf r o m t i r a p a z a m i n e se n z y m a t i c c a t a l y s i s h a v e b e e ns t u d i e d b yd e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er a t e c o n t r o l l i n g s t e po fb r o w n sm o d e lw a sm 2 l t s 2 l m 5 ，w h o s ea c t i v a t i o ne n e r g yw a s5 5 7 k c a l m 0 1 t h er a t e c o n t r o l l i n gs t e po fd e n n y sm o d e lw a st s 2 2 一m 2 2 一 m 5 ，w h o s ea c t i v a t i o ne n e r g y w a s6 0 6k c a l m 0 1 t h r o u g hc o m p a r i n g a c t i v a t i o nb a r r i e r so fr a t e c o n t r o l l i n gs t e po f t h e s et w om o d e l s ， b r o w n sm o d e lw a sm o r ef e a s i b l et h a nd e n n y s o nt h eo t h e rh a n d ，d u r i n g m l m 2 一m 5p r o c e s s 。t h ea c t i v a t i o nb a r r i e r so fg a t e s m o d e lw a st h e s m a l l e s t ，s oc o m p a r a t i v e l yt h er e a c t i o no fg a t e s m o d e lw a st h em o s t 1i k e l yt oo c c u r d e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y ( d f t ) c a l c u l a t i o nw i t h b 3 l y p e x c h a n g e c o r r e l a t i o n f u n c t i o n a lh a sb e e np e r f o r m e do nw e a k l yb o u n d h y d r o g e nb o n d e dc o m p l e x e s b e t w e e nt i r a p a z a m i n ee n z y m a t i cc a t a l y s i s m e t a b o l i r e sa n dw a t e r t h es t a b i l i z a t i o ne n e r g i e s ，g e o m e t r ys t r u c t u r e s a n dc h a r g ec h a n g e so ft h e s ec o m p l e x e sh a v eb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tc a t a l y s i sm e t a b o l i t e sa n dw a t e rc a nf o r ms t a b l e h y d r o g e nb o n d e dc o m p l e x e s f o rt h es t a b i l i z a t i o ne n e r g i e sc a l c u l a t i o n ， i ti si m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt om a k ez e r op o i n tv i b r a t i o n a le n e r g y ( z p v e ) a n db a s i ss e ts u p e r p o s i t i o ne r r o r ( b s s e ) c o r r e c t i o n s 。 t m s a n df o u rc o m p l e x e sh a v e b e e no p t i m i z e db yb 3 l y p 6 3 1 g ( d ) a n d b 3 l y p 6 3 1i + g ( d ) l e v e l s o nt h eb a s i st h ea b s o l u t es h i e l d i n gv a l u e so f t m sa n df o u rc o m p l e x e sh a v eb e e nc a l c u l a t e db yd i f f e r e n tb a s i ss e t sa n d am e t h o dg i a o t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta sc a l c u l a t i n gn u c l e a rm a g n e t i c ( n m r ) 。t h eb e t t e rr e s u l t sc a nb e e ng o t t e nb yg i a o a tb 3 l y p 6 3 1 g ( d ) l e v e l m o l e c u l a rs t r u c t u r e so ft w e l v et i r a p a z a m i n ee n z y m a t i cc a t a l y s i s m e t a b o l i t e st a u t o m e r sw e r ec a l c u l a t e da tt h eb 3 l y p 6 3 1 g ( d ) l e v e l 。b o t h i ng a sa n da q u e o u sp h a s e s ，w i t hf u l lg e o m e t r yo p t i m i z a t i o n t h eo n s a g e r s o l v a t et h e o r ym o d e lw a se m p l o y e df o ra q u e o u ss o l u t i o nc a l c u l a t i o n s t h e s t r u c t u r e ，t o t a le n e r g y ，s t h n d a r de n t h a l p y ，s t a n d a r de n t r o p ya n ds t a n d a r d g i b b sf r e ee n e r g yw e r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：t i r a p a z a m i n e ，m o d e lm e c h a n i s m ，t h e o r e t i c a ls t u d y ，a c t i v a t i o n b a r r i e r ，n m r ，t a u t o m e r 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 第一章前言弟一早闩ui 1 1 乏氧及乏氧现象 。 1 1 1 乏氧和肿瘤乏氧 乏氧是人和动物肿瘤共有的特征，是实体肿瘤发展过程中的普遍现象。实验 观察与测定表明，几乎所有的实体肿瘤中均有乏氧细胞存在，一般为1 0 2 0 左右，但也有高达5 0 的，或者低于1 的。 乏氧能诱导肿瘤细胞发生一系列基因表达的改变以适应环境。分子生物学研 究发现n 2 1 ，乏氧不仅使肿瘤产生针对放、化疗的保护蛋白，增加对放、化疗的 抵抗性，而且使肿瘤内氧调节蛋白( o x y g e nr e g u l a t e dp r o t e i n s ，o r p ) 、血管内 皮生长因子( v a s c u l a re n d o t h e li a lg r o w t hf a c t o r ，v e g f ) 等表达增加，从而使 肿瘤自身的侵袭性也增加。 引起肿瘤乏氧的原因很多，如肿瘤无限制生长而引起耗氧量增加；淋巴回流 不良导致组织间隙高压，血供不足及p h 值低；富氧血液分流入肿瘤组织中不完 善的血管等，但具体机制尚未完全阐明。 目前普遍认为的乏氧细胞形成机制主要是：( 1 ) 慢性乏氧：即远离血管的肿 瘤细胞因超过了氧的有效弥散距离( 1 0 0 ，- - 1 5 0um ) 而处于乏氧状态，这种由于超 过了功能性血管有效供氧范围而引起的乏氧称为慢性乏氧。( 2 ) 急性乏氧：由于 肿瘤血管网结构和功能异常或肿瘤组织间液压升高使血管内血流暂时减少或阻 滞，也会导致血管周围细胞缺氧，这种由血管原因所致的短暂血流中断、血管周 围细胞乏氧称为急性乏氧口1 。过去认为这两种形式的乏氧对细胞影响是相似的， 但现在已有研究显示急性乏氧可增加肿瘤转移机会。 1 1 2 肿瘤乏氧的临床意义 乏氧可产生增生抑制反应，即肿瘤组织氧浓度减少后导致增生期细胞减少。 增生抑制反应也是细胞对抗癌药的基本反应，呈现离血管距离增加而杀灭细胞递 减现象。临床上已证实肿瘤乏氧的存在，不仅是导致放疗耐受和化疗耐受的重要 因素，而且使肿瘤更具有侵袭性，容易发生远处转移。此外，肿瘤乏氧尚可导致 细胞凋亡( 又称细胞程序性死亡) 和诱发肿瘤血管形成。 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 1 2 克服肿瘤内乏氧细胞的方法 近2 0 年来，已探讨多种不同的方法来克服肿瘤内乏氧细胞对非手术治疗的抗 拒性，其中3 种基本的方法包括：高压氧、选择性乏氧细胞增敏剂和生物还原剂 【钉 0 高压氧法是给患者吸入2 5 2 2 一- 4 0 4 3k p a 的1 0 0 的纯氧，以提高血流中 的氧含量，目前较一致的看法是高压氧应用于头颈部肿瘤可能提高疗效，但由于 操作复杂，且只能改善慢性乏氧，现已放弃这种方法n3 。乏氧细胞增敏剂能在固 定照射损伤的过程中替代氧的作用。硝基咪唑m i s o 是乏氧细胞增敏剂的代表化合 物，但分次照射时2 h m i s o 却增效不明显，主要原因是缺乏有效的药物浓度，神经 毒性限制t m i s o 的总剂量( 1 2g p m 2 ) ，因此在多分次照射方案中因剂量太低而不 能对乏氧细胞产生显著的放射增敏效应。生物还原剂是一类对乏氧细胞有特异毒 性的药物，在乏氧条件下能被还原的一类药物，通常产生一种比原先化合物更活 跃的代谢产物。当前有3 类生物还原剂已在临床应用：( 1 ) 苯三氮环二氮氧化物 ( s r 4 2 3 3 ) ；( 2 ) 多功能硝基咪唑类( r s u l 6 0 9 ) ；( 3 ) 苯醌类抗生素( 如m m c 、p o r 、 e 0 9 ) 4 - 7 1 。 这些方法中，多数学者认为生物还原剂可能是最有希望克服肿瘤乏氧的方法 之一，其中当前临床研究最多的是替拉杂明( t i r a p a z a m i n e ，s r 4 2 3 3 ) ，它是该类 制剂中的主导化合物临引。 1 3 替拉杂明( tir a p a z a min e ) 1 3 1 简介 通常认为，缺氧会降低癌细胞对放疗的敏感性，而缺氧细胞常见于实体瘤。 现已开发出多种用以增加这些细胞对放疗的敏感性的药物。其中，研究较充分的 一类为硝基杂环类药物。该类药物能提高缺氧细胞对放疗的敏感性，能减少细胞 内硫醇并和细胞大分子形成加合物，并具有细胞毒性，能降低细胞对射线损害的 修复能力，且可增加毒性氧衍生物的生成，增加肿瘤细胞对化疗和放疗的反应性。 致力于开发出新的放射增敏剂的b r o w n 和他的合作者发现了替拉杂明h 1 。替 拉杂明s r 4 2 3 3 ( t i r a p a z a m i n e ，t p z ；w i n 5 9 0 7 5 ，3 - a m i n o - i ，2 ，4 - b e n z o t r i a z i n e l ， 4 - d i o x i d e ，t i r a z o n e ) 是一种生物还原剂，可以替代含硝基的放射增敏剂阳1 。 2 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 除了功能类似于硝基以外，它能够吸引研究者兴趣的基本功能还在于放射增敏剂 如果含有少许基本胞族将会更有药效n 们。由于硝基芳香族放射增敏剂会导致神经 毒害，因此替拉杂明所具有的亲脂性：亲水性比就更为理想川。b r o w n 和他的合 作者惊奇地发现替拉杂明对于乏氧细胞具有超过5 0 至u 2 0 0 倍普通毒性的选择性毒 性n 1 。1 9 8 6 年b r o w n 4 , 组介绍替拉杂明并非将其作为放射增敏剂，而是作为乏氧 选择性毒素n 1 。他们推荐替拉杂明作为抗瘤试剂使用，并提供了一些替拉杂明生 物活性机理的证据h 1 。 1 3 2 造成介质化替拉杂明d n a 破坏的单电子还原药物 在活体细胞内由替拉杂明引起的d n a 链断裂主要归因于单电子酶还原产物 自由基物种( 图1 ) n3 1 。f i t z s i m m o o n s 和t o c h e r 的发现支持这一理论，他们认为 d n a 链的断裂需要一个还原系统的存在n 2 。b r o w n 和他的合作者发现在哺乳动 物细胞内，替拉杂明被还原( 图2 ) h j 引。虽然这些还原代谢产物并没有显示出毒 素性h 1 引，但替拉杂明外观上的毒性相应被还原n6 1 7 3 。自由基中间体参与的进一 步证据包括b r o w n 的实验。他们将自由基清除剂二甲基亚砜增加到经过替拉杂明 处理后的细胞中n ，自由基清除剂抑制了药物毒性n 。电子顺磁共振被用于探测 产生于替拉杂明和老鼠肝脏微粒孵化产生的自由基物种n 引。单电子酶还原产物自 由基物种与氧所发生的返复氧化解释了所观察到的乏氧选择性毒性1 9 。2 引。 i o 一 卿呼i i ； m 赛ol 啡n 卜黼 莳 2 l o 。 j is o d ic a t h 2 0 ，旬h 图1d n a 破坏的t p z 单电子还原反应m 1 f i g u r e1o n e e l e o t r o nr e d u c t i o no ft p zt oar a d i c a i i n t e r m e d i a t el e a d st od n ad a m a g e 3 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 0 n h 2 i 1 1 v i v o r e d u c t i o n o l 图2 活体中的t p z 还原h 蚓 f i g u r e2t p zu n d e r g o e sr e d u c t i o ni nv i v o n 人 n n h 2 1 3 3 引起d n a 破坏的替拉杂明活化 所有的证据都表明d n a 是替拉杂明关键的生物靶17 2 3 。2 们。举例来讲，在某种 经过替拉杂明处理后的细胞中，有一定剂量的相互依赖且无序的d n a 合成体乜5 1 。 当替拉杂明在d n a 存在的条件下被还原时，l a d e r o u t e 和b a k e r 分别证实了硫代 巴比妥酸加合物的存在n 量2 。硫代巴比妥酸加合物是脱氧核糖氧化物形成的特征 物质乜5 1 。另外的结果也显示活体细胞中，在超螺旋体d n a 存在条件下，替拉杂明 单电子还原反应会导致单链和双链的破坏n 屯2 2 矗引。更为重要的是，在厌氧条件下， d n a 修复破损细胞对于替拉杂明的治疗是非常敏感的乜3 2 5 1 。 1 3 4 替拉杂明的还原和d n a 破坏的化学机理 许多酶系统都具有对替拉杂明的还原能力，它们的单电子还原电势在一4 5 0 m y 左右3 2 引。其中细胞色素p 4 5 0 还原酶被广泛应用 2 3 2 8 o 当替拉杂明从这些酶还原系统中接收一个电子时，它的自由基中间体主要有 两种反应途径( 图1 ) h j 吼2 p 22 1 。单电子中间体除了可能引起d n a 破坏以外，还可以 被氧气氧化生成过氧化物和母体药物。 虽然很清楚的是，为了破坏d n a ，替拉杂明需要进行单电子活化，但是d n a 破坏试剂具体的本质和机理还存在争议。目前推测的机理主要有三种。第一种机 理：b r o w n 小组和l a u d e r o u t e 认为替拉杂明自由基直接从d n a 骨架上抽氢生成 中间体，随后水解( 图3 ) n 5 _ 。第二种机理：质子化自由基中n - o 键的溶血化断 裂而形成的羟基造成了d n a 的破坏( 图4 ) 乜2 矧。第三种机理：d e n n y 和他的合作 者伽最近提出的自由基经过重排，随后水解( 图5 ) 口们。 对第一种机理的支持：l a d e r o u t e 和他的合作者运用辐射作用生成可进行质 4 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 控的还原自由基将替拉杂明转化啪2 。l a d e r o u t e 强调过程中存在一个捕捉自由 基，它可以通过电子供体或电子提取的共振来达到稳定状态乜“3 。 对第二种机理的支持：g a t e s 和他的合作者发现了导致还原代谢物生成的羟 基自由基的形成( 图4 ) 2 0 , 2 2 o 在其它含氮杂环系统中，导致芳构化反应的n 一0 键 的均裂也广泛涉及2 。3 6 l 。 羟基的直接检测是非常困难和非决定性的。看起来目前还没有确定的证据证 明破坏d n a 的物种就是羟基或是药物自由基( 图4 和图5 ) 。有可能氢原子提取机 理和羟基机理同时作用的结果。 第三种机理的支持：d e n n y 小组认为自由基很可能先发生水解和重排生成 2 2 ，而不是首先与d n a 发生反应( 图5 ) 3 7 o 他们不相信质子化的自由基可以像 l a u d e r o u t e 或b r o w n 提出的那样氧化d n a 。数据显示氮中心自由基是一类氧化性 很强的自由基，它可以引起d n a 的氧化性破坏，于是d e n n y 小组提出了氮中心自 由基的重排性质口氐3 引。 d e n n y 所提出的d n a 破坏机理也包含了各种各样不同的自由基结构。该自由 基是失去了一个氧，经历了重排的氮中心自由基。有趣地是，l l o y d 及其合作者 所进行地电子顺磁共振实验支持了d e n n y 的观点，l l o y d 认为单电子还原t p z 的 氮环上有一个高电子密度位置n 引。 5 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 h 1 一巧d n a ，h d n a q d a m a g e 图3t p z 破坏d n a 的b r o w n 机理5 引1 fig u r e 3m e c h a nis mo ft p zp r o p o s e db yb r o w na n do t h e r s t h er e a c t i v ed r u gr a d i c a la b s t r a c t sah - a t o md ir e c t i yf r o md n a i o - n 1 e 雠n h j h r 中 p 蔡 6 d n a d a m a g e n h 2 l o 伊。 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 图4t p z 破坏d n a 的g a t e s 机理2 2 粕1 f i g u r e4m e c h a n is mo ft p zp r o p o s e db yg a t e sa n dc o w o r k e r s h o m o i y s i so ft h ep r o t o n a t e dd r u gr a d i c a il e a d st oh y d r o x y lr a d i c a ip r o d u c t i o n h y d r o x yi r a dic aia b s t r a c t sah - a t o mf r o md n a 0 一 图5t p z 破坏n d a 的d e n n y 机理3 fig u r e5m e c h a nis mo ft p zp r o p o s e db yd e n n yg r o u p p r o t o n a t e dd r u gr a dic air e a rr a n g e st oan - c e n t e r e dr a dic aiw hic ha b s t r a c t sah - a t o m f r o md n a 1 3 5 替拉杂明的基础研究进展 ( 1 ) t p z 作为放疗增敏剂与放射线联合治疗恶性实体肿瘤的作用机制 经过长期的研究证实，几乎所有的人类恶性实体肿瘤中无论肿瘤的大小均存 在乏氧细胞，一般约占肿瘤细胞的10 2 0 左右，也有高达5 0 或者少至1 ， 还有一些细胞介于乏氧状态与有氧状态之间。恶性实体肿瘤内的乏氧细胞当氧张 力低于0 1 5m m h g 时就会产生对放射治疗的抵抗性，其氧增强比( o x y g e n a t i o n e n h a n c e m e n tr a t e ，o e r ) 为2 1 5 - 3 1 0 ，即杀灭乏氧细胞所需剂量是杀灭有氧细胞 所需剂量的三倍。在有氧状态下，由于分子氧的存在而把应在照射中能得到修复 的损伤固定下来，不再产生修复。因此，肿瘤乏氧细胞经照射后产生的损伤中， 由于乏氧，可以使它们得到修复，也就增加了对放射线的抵抗性9 。删。t p z 能选 7 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 择性的杀伤乏氧细胞， 氐l e t 射线则主要杀伤非乏氧细胞，两者联合应用，将使放 射治疗的效果大大增强。 ( 2 ) t p z 作为化疗增敏剂与顺铂联合应用治疗恶性肿瘤的分子机制的研究进展 t p z 对人及啮齿类动物肿瘤细胞作用相似性提示，t p z 在人类恶性实体肿瘤的 治疗中，与放射治疗或与顺铂等化学药物联合应用将会是一种有广泛应用前景的 药物】。 1 4 密度泛函理论( d e n sit yf u n c tio n alt h e o r y 简称d f t ) h 2 。町 1 4 1 密度泛函理论简介 长期以来，密度泛函理论( d e n s i t yf u n c t i o n a lm e t h o d ，d f t ) 只在固体物理 中应用，即用电子密度对固体表面结构进行全部物理量的计算。1 9 9 0 年以来， d f t 在化学领域的应用急剧发展，它与分子轨道法的h y b r i d 法，比单用分子轨 道法优越得多。 近年来，密度泛函理论方法逐渐被人们广泛采纳和应用，并且取得了很大的 成功，k o h n 由此获得了1 9 9 8 年的诺贝尔化学奖。h o h e n b e r g 和k o h n 证明：在静 态表面势能( 如：原子核) 的存在下，体系总能量( 包括电子的相关和交换效应在 内) 是电荷密度的特殊泛函。该总能量的极小值是体系的基态能量，而从产生这 个极小值的电子电荷密度可以准确导出单个粒子的基态能量。k o h n 和s h a m 认为 可以用一组完全等价的自洽单电子方程来解决多电子问题。对于位于固定位置 尺；) 的原子核，总能量函数可以写为以下几项之和： e i n ( r ) 】一几撕m 呐+ 丢艚挑州n r ) 】( 1 ) 式( 1 ) 中，前两项是经典的库仑相互作用项( 分别为电子和粒子之间以及电子和电 子之间的相互作用) ，它们都是电子电荷密度，l ( r ) 的简单函数。这一方程与 h a r t r e e 方法类似，不同的是：最后一项g m ( r ) 】中包括了交换( e x c h a n g e ) 和相 关( c o r r e l a t i o n ) 效应项以及单个粒子的动能： g i n ( r ) = z 咒( ，) + e 工。【，z ( ，) 】 ( 2 ) 其中，玎，z o ) 】是当电荷密度为n ( r ) 时没有电子相互作用的体系的动能，e 如印( r ) 】 是包含交换和相关作用的体系的能量。 ： 8 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 根据h o h e n b e r g k o h n 定理，当基态电荷密度发生变化时，( 1 ) 式所给出的总 能量函数是不变的，也就是说，( 1 ) 式应该服从下面的条件： p ( r ) 错旷( r ) + 杩办州晰= o ( 3 ) 式中，肛。( r ) 是交换一相关能量对电子电荷密度的导数。同时还要求电荷密度变 化时，体系中粒子的数目也要保持不变。粒子数为： n 2 p ( ，) 咖 ( 4 ) 通过以下条件可以对此加以约束： j 6 咒( r ) d r = o ( 5 ) 将粒子数保持恒定的条件( 5 ) 式带入( 3 ) 式可得： 鬻= 等气咖鸺小， 该式的值为一常数v ，是粒子数不变时的l a g r a n g e 系数。而用有效势能y ( ，) ( 没 有包含电子一电子相互作用项) 表示的相关的体系的方程是： 掣：6 t i n ( r ) + y ( r ) ：1 ， ( 7 ) 翻( r )f i n ( r ) 比较( 6 ) 式和( 7 ) 式可以得到： 附) = v , o n ( r ) + 焉d r + z s c ( r ) ( 8 ) 这表明，可以通过k o h n s h a m 单粒子轨道妒；的变化来间接改变，l ( r ) ，这时，动 能算子可用单粒子态表示为： r = n - 丢门- m m j 4 7 , i “( ，) ( 一v 2 ) 妒r ( r ) a r ( 9 ) 那么，通过解s c h r s d i n g e r 方程可以得到有效势能y ( r ) 影响下没有相互作用的 粒子的解： 【一尝v 2 + y ( r ) 冲j ( ，) = s j 妒j ( ，) 么m 此时，电荷密度为： n ( r ) = 妒沁渺，r ) 从方程( 1 0 ) 的解可以得到基态的能量和电子电荷密度， 9 ( 1 0 ) ( 1 1 ) 并从中推导出所有参数。 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 从代表k o h n s h a m 能量泛函的( ) 式的极小值可得到粒子在固定位置怛，】- 时体系 的基态电荷密度。 1 4 2 密度泛函与h a r t r e e - f o c k 法的比较( 表1 ) 表1d f 法与h f 法的比较 对电子交换与电子相关，d f 法所得结果都不甚完全，而h f 法则分别得正确 解和完全无解。h f 法的a bi n i t i om o 是建立在g a u s s i a n 型基本函数基础上， 由r o o t h a a n 程序统一起来的，而h f 法的计算程序是以g a u s s i a n 和s l a t e r 数值 为基础的函数值，它必须进行数值积分，否则也不能解析交换相关相互作用。在 这个问题上必须考虑两个方面，一是除交换相关相互作用的其他各项，用h f 法 可以g a u s s i a n 型基本函数为基础进行解析；此外，对部分或全体进行数值积分 l o 替拉杂明酶催化代谢产物及其水合物性质的理论研究 时，基本函数应尽可能的正确才好。 d f 法在计算大分子时比分子轨道法优越，它不仅变四中心积分为三中心积 分，而且对电子相关的计算，用p o s t h f 法常得到难以理解的结果，而d f 法则 由自洽场收敛，能得含有电子相关因素的能量，这一点至关重要。 目前，d f 法正处于第四代，计算程序的特征是混合法( h y b r i d 法) ，即先用 分子轨道程序，然后再用d f 程序，这样做即可取代分子轨道法的p o s t - h f ，得 出电子相关能，这个计算程序，位能不须组合，虽时间较h f 法长，但排除了组 合带来的误差，故精确度极高。 d f 法是基态计算法，现在推广到各种自旋多重激发态的计算，即从激发一 重项向相同的自旋多重激发态推广，这方面正处于理论开发阶段。 参考文献： 1 b o s ，r ：z h o n g ，h ：h a n r a h a n ，g f ，e ta 1 l e v e lo fh y p o x i a i n d u c i b l e f a c t o r 一1 a l p h ad u r i n gb r e a s tc a r c i n o g e n e s i s c a n c e ri n s t , 2 0 0 1 ，9 3 , 3 0 9 3 1 4 2 k o u m e n i s ，c ：a l s r c o n ，r ：h a m m o n d ，e ，e ta 1 r e g u i a t i o no fp 5 3b yh y p o x i a d i s s o c i a t i o no ft r a n s c r i p t i o n a lr e p r e s s i o na n da p o p t o s i sf r o mp 5 3 d e p e n d e n t t r a n s a c t i v i t i o n g o l 国，b i o l ，2 0 0 1 ，2 1 ，1 2 9 7 1 3 1 0 3 b r o w n ，j m ：g i a c c i a ，a j t h eu n i q u ep h y s i o l o g yo fs o l i dt u m o r s ：o p p o r t u n i t i e s ( a n dp r o b l e m s ) f o rc a n c e rt h e r a p y c a n c e rr e s , 1 9 9 8 ，5 8 , 1 4 0 8 1 41 6 4 z e m a n ，e m ：b r o w n ，j m ：l e m m o n ，m j e ta 1 s r 一4 2 3 3 ：an e wb i o r e d u c ti v ea g e n t w i t hh i g hs e l e c t i v et o x i c i t yf o rh y p o x i cm a m m a l i a nc e l i s n tjr a d i a to n c e b i o l p h y s , 1 9 8 6 ，1 2 1 2 3 9 1 2 4 4 5 b r o w n ，j m ：w a n g 。l h t i r a p a z a m i n e ：l a b o r a t o r yd a t ar e l e v a n tt o c l i n i c a l a c t i v i t y a n t i c a n c e rd r u gd e s ，1 9 9 8 。j a5 2 9 5 3 9 6 k e l s o n ，a b ：m c n a m a r a ，j p ：p a n d e y ，a ，e ta 1 1 ，2 ，4 一b e n z o t r i a z i n e l ， 4 一d i o x i d e s a ni m