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自然和人工合成的雌激素作为能够影响人和动物内分泌系统,导致雄性动物雌性化、生殖能力降低的一类有害物质,越来越受到人们的关注。这类污染物的特性,如生物富集性、持久性及极低浓度便能引发生理学上的响应(ng/L),使得其在地表水和废水中很难借助传统水处理技术去除。作为白腐真菌分泌的一类胞外酶,木质素过氧化物酶(LiP)广泛分布于自然环境中,具有很强的氧化能力,能够催化去除多环芳烃、多氯联苯等多种持久性有机污染物,也是自然环境中降解木质素的主要作用酶之一。白腐菌在分泌LiP的同时还分泌少量的藜芦醇,藜芦醇是LiP的天然底物,其存在会影响LiP的催化性能。本文以人工合成和自然形成的雌激素为研究对象,首先研究了在各种反应条件下LiP催化去除雌激素的反应效率,同时考察了藜芦醇(VA)和天然有机质对LiP催化去除雌激素反应行为的影响;接着又分析鉴定了LiP催化去除雌激素反应的反应产物以及反应产物在水中的存在形态,通过分子模拟计算,本文也分析了该酶催化底物反应可能发生的途径;由于我们发现VA、天然有机质的存在对LiP催化雌激素的反应行为产生影响,因此本文又研究了藜芦醇、天然有机质对该反应所生成的产物的影响;除了考察反应过程中底物的变化,我们也追踪了反应过程中LiP活性的变化,探究了反应过程中酶的失活机理和防止酶失活的措施、方法;为了进一步从分子水平上揭示影响木质素过氧化物酶催化雌激素反应效率的机理,运用分子模拟软件探索了酶与底物的结合过程,建立了酶催化底物反应速率与底物分子结构之间的联系。
研究结果主要概括如下:
(1)在过氧化氢存在条件下,LiP催化去除水中雌激素的反应能够高效地发生,并且该反应的最优pH值在4左右、最优H2O2浓度为10μM;pH值或H2O2浓度的进一步升高都会降低该反应的反应效率;反应体系中藜芦醇的存在能够加强LiP对雌激素的催化去除效率,只要20分钟便能将19μM17β-雌二醇(E2)100%去除(无VA体系中,反应60分钟,19μME2的去除率仅为40%左右);藜芦醇的反应位点位于木质素过氧化酶的表面,而雌激素与LiP的结合位点可能位于酶中心的heme空腔内;反应体系中5 mg TOC L-1天然有机质的存在对LiP催化去除雌激素反应的影响不大,但5 mg TOC L-1天然有机质的存在对含藜芦醇体系中LiP催化去除雌激素反应的影响却很大,研究表明这是由于天然有机质与藜芦醇之间存在位点竞争作用,该竞争作用抑制了藜芦醇对LiP催化性能的增强作用,并且天然有机质浓度越高该抑制作用越大。
(2)通过对LiP催化去除E2反应产物的研究发现:a)LiP催化去除E2反应的主要产物是聚合物,只有少量E2被降解为雌酮(E1);b)LiP催化E2所生成的聚合物在水中的溶解度可能很小,其在水中的存在形态很可能为絮状胶体,很容易被0.45微米滤膜过滤,这在水处理过程中有非常重要的意义;c)程序性加酶反应能够将受E2污染水体中的雌激素效应彻底去除:d)LiP催化去除E2反应产物的聚合途径可能是E2酚环的邻位与邻位之间通过共价键作用进行的;e)藜芦醇在反应体系中的存在不仅使反应产物多了E1和E2的交叉聚合物,而且还促使反应从低聚物向高聚物方向迁移;f)天然有机质的存在减少了E2产物的生成,可能原因是E2自由基与天然有机质之间发生了交叉聚合导致了反应产物的减少。
(3)对LiP催化去除雌激素反应过程中酶活性的追踪结果表明:在LiP高效催化去除E2的反应中,藜芦醇的存在加快该反应进行的原因是由于VA对LiP催化性能的增强作用,该增强作用归因于两个不同的机理:(a)VA能够保护过氧化物酶使其免于失活;(b)VA的存在可能改变了LiP的催化活性中心。关于(a),我们的实验结果显示在过氧化氢过量条件下LiP反应生成LiPⅢ,LiPⅢ是酶循环过程中暂时的失活态,其能够在VA的作用下恢复为具有催化活性的基态酶。关于(b),我们发现了VA的存在与否极大地影响了反应动力学参数KM和kCAT值,这一结果支持了关于LiPⅡ-VA·+复合体存在的假设,该假设认为在LiP和过氧化氢体系中,VA反应生成了VA·+,VA·+与LiPⅡ的活性中心发生很强的耦合作用形成了LiPⅡ-VA·+复合体,由此改变了活性中心的结构并导致了LiP催化性能的相应改变。
(4)实验测定了有无VA条件下LiP催化去除四种雌激素的初始反应速率常数,利用初始反应速率常数拟合了米氏方程,进而得到了反应速率常数(kCAT)。数据表明酶催化雌激素反应的反应速率常数(kCAT)值之间差异很大,为了从分子水平上探索引起上述变化的原因,我们借助分子模拟软件研究E2与LiP血红素活性中心的相互作用,发现LiP催化雌激素反应速率常数(kCAT)与底物酚环上羟基中氢原子和氨基酸HIS47中8N之间的距离成很好的线性关系,并由此建立了定量结构-活性相关关系式。同时,通过比较HRP与LiP催化去除酚类化合物的反应机理,我们推测上述两反应过程中电子转移机理相似,即电子都是从底物转移到与heme邻近的组氨酸上,催化反应速率的快慢与组氨酸和底物之间的距离相关。