物理科学

经典的生物分子随着意想不到的反应性而继续惊喜

像NADH和叶酸这样的生物氢化物因其在发酵和氢转移中的重要性而被早期生物化学家鉴定出来,并且是今天研究最彻底的生物分子之一。圭尔夫大学化学教授迈克尔·登克博士、尼古拉斯·米卢蒂诺维奇博士和凯瑟琳·马尔岑科博士进行的研究表明,这些旧的生物分子仍然可以带来新的惊喜。这些分子可能有巨大的潜力来清除持久性和破坏性的卤代有机分子,如臭名昭著的杀虫剂,在早期环境运动的中心:滴滴涕。

很难说哪个阿尔弗雷德诺贝尔更有名:创造他的同名奖品,或发明炸药。诺贝尔目的是炸药,至少最初是为了使采矿行业更加安全。这是不可避免的,他的各种爆炸性发明也将在战争期间实现大量的死亡,并且很难忽视他的销售销售他的财富。

阿尔弗雷德的弟弟Ludvig死后1888年,故事是这样的:一个法国报纸刊登讣告阿尔弗雷德的错误,标题为“勒玛珊德德拉莫特预兆”:“死亡商人已死”,一个事件被认为是他的原因几乎所有他的财富献给著名的诺贝尔奖。

1948年,诺贝尔生理学或医学奖授予瑞士化学家保罗·赫尔曼Müller,以表彰他发现了滴滴涕的杀虫特性。这种物质被广泛使用,特别是在美国,它被用作商业和家庭杀虫剂。滴滴涕在第二次世界大战期间和战后被广泛用于杀死传播疟疾和斑疹伤寒的昆虫。

叶肉可以是去除持续杀虫剂的答案吗?

Over time, research emerged suggesting that the pesticide posed a risk to health, and after decades of campaigning initiated primarily by Rachel Carson, DDT was banned for agricultural use in the United States in 1972. Like Nobel’s dynamite, Müller’s Nobel-winning DDT saved and still does save lives – possibly even millions – but with unintended consequences.

'永远的化学品'
尽管有严格的规定,滴滴涕及其代谢物仍然存在于环境中。滴滴涕是一种卤化有机分子,这是一类化学惰性的化合物,所以它们在环境中需要很长时间才能被分解。滴滴涕要么被光分解,要么被生物体摄入,在那里它可以进行生物积累,最明显的是被处于食物链顶端的鸟类吸收。通过蛋壳变薄,滴滴涕被认为是导致秃鹰、褐鹈鹕、游隼和鱼鹰数量减少的原因。

从环境中移除这些分子仍然是一个挑战。其中一个问题是,虽然DDT的代谢物被妥善了解,但是即使在几十年的研究兴趣之后,形成这些代谢物的生物过程仍然是不知识的。

脱卤作用
代谢滴滴涕和其他卤化分子的第一步是“脱卤化”,这一过程在迄今为止研究的所有生物体中都存在。这一过程于1963年首次在酵母中被发现,后来在哺乳动物中得到证实。在化学实验室中,使用有机金属试剂进行同样的转化,最常用的是锡氢化物和氢硅烷。这些分子是氢化物供体,这意味着它们提供了负氢离子的来源。

MTHF在叶酸代谢中的关键作用,具有与DNA合成和甲基化的联系。

圭尔夫大学的化学教授Michael Denk博士和博士候选人Nicholas Milutinovic开始研究卤碳化合物和生物分子之间的相互作用,他们发现一类叫做咪唑烷的小分子在常用的卤代溶剂氯仿中不稳定。

接近检查表明,咪唑烷作为氢化物供体,将卤代烃转化为碳氢化合物。继续进行调查,丹麦和米卢蒂诺维奇证实,这种新型反应实际上非常一般,能够脱卤化多种卤代烃,包括具有环境和药用相关性的卤代烃。脱卤对溴化卤化物特别有效,包括惰性阻燃剂1,3,5-三溴苯,在室温下在分钟内进行。

虽然DDT的代谢物是良好的记录,但是形成这些代谢物的生化过程仍然是较差的。

在其结构中含有氟、氯和溴的医用麻醉氟烷(2-溴-2-氯-1,1,1-三氟乙烷)的溴原子被咪唑啉选择性地除去。

叶酸——卤碳代谢中缺失的一环?
至少,这种不寻常的反应性使咪唑啉成为替代通常用于分子选择性脱溴和脱氯的有毒锡氢化物的候选化合物。但是,让这一发现真正引人注目的是,咪唑啉在结构上与叶酸生物分子5,10-亚甲基四氢叶酸(MTHF)的一部分相同。MTHF是一种广泛研究的供氢生物分子,参与DNA甲基化和细胞内DNA碱基和氨基酸的合成。

发现咪唑啉能够进行这些脱卤反应,即使在空气或水分的存在下,意味着这些反应在细胞条件下是可行的——正如MTHF负责卤化有机分子代谢降解中的脱卤步骤的可能性一样。尽管它们的化学结构简单,但咪唑烷在自然界中是罕见的,迄今为止鉴定的少数分子参与了非常重要的功能。另一种咪唑烷生物分子,甲基- h4mpt,在产甲烷古菌物种中发现,是一种氢化酶辅酶,负责分裂分子氢——已知最强的化学键之一。这种令人着迷的反应使Denk的团队与麦克马斯特大学的生物化学家和氢化酶专家Athanasios Paschos合作,以解开隐藏在细胞和试管中的叶酸化学的全部范围。帕斯科斯教授正在比较在活的有机体内他的基因工程氢化酶的活性体外叶酸模型,以发展微生物方法卤碳修复和氢生成。

尽管由于DDT周围的担忧而完成的环境和毒理学研究,但对于它是如何代谢而众所周知的。已经假设许多生物分子负责脱卤素:细胞色素P450酶,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(NADPH)和黄金腺嘌呤二核苷酸(FADH)在过去几十年中均涉及。

叶酸模型对DDT的影响
尽管MTHF作为生物氢化物供体的广泛存在,但之前还没有人提出它会对滴滴涕或任何其他卤化有机分子的脱卤代谢负责。由于知道咪唑烷能够使许多其他卤代烃脱卤,Denk和Milutinovic开始研究咪唑烷作为MTHF的模型化合物对DDT的影响。

DDT的代谢物。代谢DDT的第一步是“脱卤”。

采用有氧和厌氧两种方法研究了MTHF模型对DDT的作用。和我们看到的代谢产物一样在活的有机体内在相同条件下,用多种MTHF模型化合物进行了反应。特别有趣的例子包括滴滴涕代谢物DBP的形成,到目前为止,它被假定是由细胞色素P450产生的。Denk和Milutinovic的观察表明,在无细胞色素P450的有氧条件下,MTHF模型可以获得DBP。

这些代谢降解产品已知超过50年,但它们形成的方式在活的有机体内仍然是一个谜。丹麦和米卢蒂诺维奇的调查结果令人兴奋的证据表明,MTHF是参与DDT代谢降解的生物还原剂。

丹麦和米卢蒂诺维奇的调查结果令人兴奋的证据表明,MTHF是涉及DDT和卤素质代谢的生物学试剂。

代谢破坏
甲基四氢呋喃在分解滴滴涕和其他卤代烃方面的新发现具有有趣的意义。当MTHF在细胞中分解滴滴涕时,滴滴涕本身就被耗尽了。因此,我们有充分的理由相信滴滴涕能够破坏包括MTHF在内的细胞通路,这也许可以解释滴滴涕为什么对昆虫和哺乳动物细胞如此有害。

丹尼斯和米鲁科维奇的最新研究已经扩展到超出MTHF之外的生物氢化物供体。特别感兴趣的是NADH,将糖转化为醇和第一生物氢化物转移剂的关键生物试剂。他们的研究表明,NADH也能够产生大多数滴滴涕代谢物体外,因此不能排除它在滴滴涕代谢中的作用。除了进行化学实验,Denk的研究还使用了高精度的量子化学计算来预测化学反应的结果。计算表明,NADH的碳氢键能——氢化物供体与其他分子相互作用的重要因素——明显低于MTHF。计算结果带来的好消息是,所有有机卤化物——氟化物、氯化物、溴化物和碘化物——原则上都能转化为碳氢化合物;坏消息是,一些卤碳化合物的减少非常缓慢。利用催化剂加速这些缓慢的反应是目前Denk公司的研究重点。

Denk和Milutinovic发现一种叫做咪唑烷的小分子在常用的卤代溶剂氯仿中是不稳定的。
包括Katherine Marczenko在内的研究团队表明,咪唑烷作为氢化物供体,将卤代碳转化为烃。

未来的叶利应用
卤代烃对人类健康有害,Denk实验室的结果有力地证明了它们也会消耗体内的叶酸水平。叶酸水平低被认为是癌症和出生缺陷的重要风险因素。这促使Denk和Milutinovic与宾夕法尼亚州立大学的医学研究人员合作,探索如何利用这些信息来造福人类健康。宾夕法尼亚州立大学的内科医生罗伯特·列侬目前正在评估MTHF模型化合物作为局部还原剂,以对抗由紫外线辐射产生的活性氧引起的氧化应激,并涉及皮肤癌的发展。

有证据表明,滴滴涕被叶酸分解,这对滴滴涕在环境中持续存在的地区也有很好的影响。与许多脱卤方法不同,MTHF模型很容易获得,并且能够在空气和水存在的情况下降解各种卤化化合物——这使它们具有巨大的潜力用于滴滴涕废物场地的修复。

所研究的叶酸分子的直接合成允许生产量身定制的类似物。最有希望的修复候选人之一是聚合物版本,这更容易从修复网站恢复,甚至能够捕获重金属和贵金属。

个人反应

您的修复研究中的下一步是什么?

对于原地修复,我们需要一种可以长时间留在地下而不会泄漏额外化学物质的材料——如果你愿意的话,可以使用卤碳海绵。尼古拉斯发明了一种聚合物,可以做到这一点。同样重要的目标是更好地理解如何通过寻找合适的催化剂来加速反应。

还原是一个非常普遍的过程。你能预见卤碳以外的补救措施吗?

矿渣和工艺残留物的采矿径流含有微量致癌金属离子,如砷、铬和铅。这些离子可以被还原为自由金属进行回收,我们的MTHF模型提供了一种新的水相容方法。

你能看到哪些医学应用?

迄今仍在讨论阶段的第二个主题是我们的叶酸模型与氮芥末,这是癌症的重要类化学治疗方法的反应。一般思想是通过我们的氢化物转移剂保护健康细胞,而不将癌症药物的毒性损害癌细胞。

我们的同事罗伯特Lennon,MD,宾夕法尼亚州彭纳州国家特别感兴趣地评估MTHF模型化合物作为局部试剂,以与反应性氧物种抗击氧化应激。这些通常由UV辐射产生,而且是由环境毒素产生的。这种方法可以减少致癌性,并且还降低了衰老对皮肤的影响。

与我们的同事Aiguo Ren从北京大学的讨论给我们又有了又称的潜在使用MTHF和相关分子来减少出生缺陷的风险。仁教授提出了强大的证据,尤其是神经管缺陷的卤素质和滴滴涕。由于没有任何方法去除生物体中的高脂含氟甘油杀虫剂,因此在分子水平对其不利影响似乎很有前途。

此功能文章是通过批准的研究团队特色而创建的。这是一个协作的生产,由特色辅助,全球分销提供支持。

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