离子液体-酶活性构效关系研究

Ionic liquids (ILs), regarded as green solvents, have been widely used in all fields of chemistry and chemical engineering. However, only in recent years their potential toxicity and bioaccumulation attracted people's attention and their toxicity data are also very poor. At present, the investigations on the toxicity of ILs are mainly focused on individual biological toxicity experiments and few studies concern structure-activity relationship and toxic tests at the molecular level. Enzymes are the widely used biomarkers for monitoring of the toxicity of chenmicals. Spectrometry (fluorescence, Uv/vis and circular dichroism) is a powerful tool for investigating the interaction of enzyme with chemicals at the molecular level. This program attempts to prepare a series of ILs, using enzyme as marker, to study the relationship of the enzymatic activity and the structure of ILs (structure-activity relationship), to discover the driving forces, affinity and conformational changes of enzyme at the molecular level during the interaction process,to set up toxicity prediction model and to provide theoretical reference and basic data for estimating and predicting the toxicity of ILs.

离子液体作为绿色溶剂在化学、化工各个领域得到广泛的应用。然而其潜在毒性、生物积累性等方面的问题直到最近几年才引起人们的重视，其毒理数据十分缺乏。目前，离子液体毒性研究以生物个体毒性实验为主，分子水平的毒性实验及构效关系研究鲜有报道。酶是广泛用于检测、评估化学物质毒性的生物标志物；光谱法（荧光、紫外可见、圆二色光谱）是从分子水平上研究酶-化学物质相互作用的有力工具。本项目拟通过制备系列离子液体，以蛋白酶为标志物，研究酶活性和离子液体结构之间的关系（构效关系）；从分子水平上阐述离子液体-酶相互作用过程中的驱动力、亲和性及酶结构的变化；建立毒性预测模型，为离子液体毒性评估、预测提供理论参考和基础数据。

离子液体被视为环境兼容性溶剂，大规模的应用可导致其流失到环境中。因此，对离子液体进行毒性评估至关重要。酶存在于所有活的动植物体内，是维持机体正常功能的一种必需物质。外界有毒物质侵入动、植物体内往往使酶变性失活。因此，酶非常适合作为污染物毒性评估的标志物。项目主要研究内容及结果如下：.1. 研究九种离子液体对过氧化氢酶活性的影响，采用荧光光谱、紫外可见吸收以及圆二色光谱对离子液体和过氧化氢酶的相互作用机理进行了探讨。研究结果表明，离子液体对过氧化氢酶活性抑制能力与其氢键和疏水性有关；圆二色谱结果表明，在低浓度条件下，离子液体的存在不改变过氧化氢酶分子的二级结构。.2. 以胰蛋白酶为生物标志物，对离子液体的毒性进行了研究。实验结果表明，离子液体能够抑制胰蛋白酶活性，抑制能力取决于离子液体的结构。热力学分析指出离子液体-酶相互作用的熵变和焓变均为负值，说明氢键是二者相互作用主要驱动力。.3. 研究了离子液体对蚓激酶水解酪蛋白的影响。结果表明，在低浓度时，离子液体通过与酪蛋白形成复合物，增加底物亲水性，从而增加蚓激酶活性；在较高浓度时，离子液体通过破坏蚓激酶的氢键网状结构进而降低酶活性。.4. 以乳酸脱氢酶作为标志物，对六种咪唑类离子液体的毒性进行了评估。实验表明，离子液体的疏水性越强对酶的抑制能力越强，通过荧光光谱进一步证明疏水性是乳酸脱氢酶与离子液体之间的主要作用力。.5. 研究了离子液体对脂肪酶活性的影响。结果表明，离子液体对酶活性有抑制作用。热力学分析表明，疏水作用是Cl−和Br−类离子液体与脂肪酶之间的主要驱动力；对于BF4−、CF3SO3−、ClO4−和N(CN)2−四种离子液体，氢键是主要作用力。.本项目通过系统研究离子液体对酶活性的影响，从分子水平上阐述离子液体–酶活性构效关系，建立定量构效关系模型，为离子液体的毒性评估提供理论参考和基础实验数据。