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2-羟基-14-萘醌光系统II抑制剂和三唑杀菌剂环境定量构效关系研究

作　者: 丁峰
导　师: 宋文华
学　校: 上海交通大学
专　业: 环境工程
关键词: 光系统II抑制剂三唑杀菌剂环境效应定量结构-活性关系作用机制
分类号: X132
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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(E_LUMO、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。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-38
  1.1 化学品环境效应的定量构效关系研究进展  14-20
    1.1.1 二维定量构效关系  14-15
    1.1.2 分子全息定量构效关系  15-16
    1.1.3 三维定量构效关系  16-19
    1.1.4 QSAR 方法比较  19-20
    1.1.5 模型的检验  20
  1.2 萘醌类和三唑类农药简介  20-25
    1.2.1 2-羟基-1,4-萘醌类光系统Ⅱ抑制剂  20-22
    1.2.2 三唑类杀菌剂  22-25
  1.3 有机污染物的水生生物毒性研究进展  25-27
  1.4 本论文研究意义、内容及技术路线  27-30
    1.4.1 研究目的、意义  27
    1.4.2 研究主要内容  27-28
    1.4.3 技术路线  28-30
  参考文献  30-38
第二章萘醌类除草剂光系统抑制活性二维定量构效关系研究  38-57
  2.1 引言  38
  2.2 材料与方法  38-41
    2.2.1 pI_(50)测定  38-39
    2.2.2 2D-QSAR 研究方法  39-40
    2.2.3 HQSAR 研究方法  40-41
  2.3 结果与讨论  41-53
    2.3.1 2D-QSAR 研究  41-44
    2.3.2 HQSAR 研究  44-48
    2.3.3 模型质量评价  48-52
    2.3.4 2D-QSAR 与HQSAR 方法比较  52-53
  2.4 本章小结  53-54
  参考文献  54-57
第三章萘醌类除草剂光系统抑制活性三维定量构效关系研究  57-77
  3.1 引言  57
  3.2 材料与方法  57-60
    3.2.1 pI_(50)测定  57-58
    3.2.2 3D-QSAR 研究方法  58-60
  3.3 结果与讨论  60-74
    3.3.1 3D-QSAR 模型  60-62
    3.3.2 抑制机理、活性位点分析  62-69
    3.3.3 模型质量评价  69-72
    3.3.4 活性预测  72-73
    3.3.5 2D-QSAR、HQSAR 和3D-QSAR 方法比较  73-74
  3.4 本章小结  74-75
  参考文献  75-77
第四章三唑类杀菌剂急性毒性研究  77-89
  4.1 引言  77
  4.2 材料与方法  77-81
    4.2.1 实验药品  77-78
    4.2.2 主要仪器  78
    4.2.3 大型溞急性运动抑制毒性实验  78-80
    4.2.4 斑马鱼急性毒性实验  80-81
  4.3 结果  81-83
    4.3.1 大型溞急性运动抑制毒性  81-82
    4.3.2 斑马鱼急性毒性  82-83
  4.4 三唑类杀菌剂对水生生态安全的初步评价  83-85
  4.5 本章小结  85-86
  参考文献  86-89
第五章三唑类杀菌剂急性毒性二维定量构效关系研究  89-109
  5.1 引言  89
  5.2 材料与方法  89-93
    5.2.1 pI_(50)活性数据  89-92
    5.2.2 构成方程参数计算  92
    5.2.3 2D-QSAR 研究  92-93
  5.3 结果与讨论  93-104
    5.3.1 参数计算结果  93-95
    5.3.2 斑马鱼急性毒性2D-QSAR 研究  95-100
    5.3.3 大型溞急性毒性2D-QSAR 研究  100-104
  5.4 本章小结  104-106
    5.4.1 斑马鱼急性毒性2D-QSAR 小结  104-105
    5.4.2 大型溞急性毒性2D-QSAR 小结  105-106
  参考文献  106-109
第六章三唑类杀菌剂急性毒性三维定量构效关系研究  109-137
  6.1 引言  109-110
  6.2 材料与方法  110-113
    6.2.1 pI_(50)数据  110-111
    6.2.2 3D-QSAR 研究方法  111-113
  6.3 结果与讨论  113-131
    6.3.1 斑马鱼急性毒性3D-QSAR 研究  113-123
    6.3.2 大型溞急性毒性3D-QSAR 研究  123-130
    6.3.3 2D-QSAR 和3D-QSAR 方法比较  130-131
  6.4 本章小结  131-133
    6.4.1 斑马鱼急性毒性3D-QSAR 研究  132
    6.4.2 大型溞急性运动抑制毒性3D-QSAR 研究  132-133
  参考文献  133-137
第七章三唑类杀菌剂对斑马鱼酶活效应研究  137-146
  7.1 引言  137-139
  7.2 材料与方法  139-141
    7.2.1 实验药品  139-140
    7.2.2 斑马鱼的管理和饲养  140
    7.2.3 主要仪器  140
    7.2.4 酶活测定  140-141
    7.2.5 统计分析  141
  7.3 结果与讨论  141-144
    7.3.1 结果  141-143
    7.3.2 讨论  143-144
  7.4 本章小结  144
  参考文献  144-146
第八章总结与展望  146-150
  8.1 主要结论  146-148
  8.2 主要创新点  148
  8.3 展望  148-150
致谢  150-151
攻读博士学位期间已发表的学术论文、承担及参加课题目录  151-152

2-羟基-14-萘醌光系统II抑制剂和三唑杀菌剂环境定量构效关系研究

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