全氟烷基物质与人血清白蛋白的分子结合机制：构象重排、生物蓄积潜能与毒代动力学启示

本研究针对全氟烷基物质（PFAS）的环境持久性与生物蓄积性风险，通过多光谱技术与分子对接模拟，系统解析了PFOA/APFO与人血清白蛋白（HSA）的分子互作机制，发现氟驱动疏水作用主导的1:1复合物形成于Sudlow位点I，诱导HSA构象紧缩及α-螺旋增加，揭示PFAS通过削弱HSA配体转运功能延长其体内滞留的新机制，为评估PFAS健康风险提供分子毒理学依据。

　　

在当今工业化进程中，全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）作为一类具有卓越表面活性、耐腐蚀性和热稳定性的合成化学品，被广泛应用于消防泡沫、金属电镀和防护涂层等领域。然而，这些物质因其极强的碳-氟键稳定性和抗降解能力，成为环境中难以消除的持久性污染物。更令人担忧的是，PFAS可通过食物链在生物体内累积，并通过母乳传递至新生儿，对人类健康构成潜在威胁。近年来，多项生物监测研究在人体血液、乳汁甚至肝癌组织中发现PFAS的踪迹，其浓度水平与肿瘤进展标志物呈剂量相关性，凸显出深入探究其生物体内行为机制的紧迫性。

尽管PFAS的环境存在和暴露途径已得到广泛关注，但对其在人体内的分子传输机制，特别是与血液中关键转运蛋白——人血清白蛋白（Human Serum Albumin, HSA）的相互作用仍知之甚少。HSA是人体血浆中含量最丰富的蛋白质，负责运输内源性和外源性物质，维持胶体渗透压和血液缓冲功能。其与外来化合物的结合能力直接影响这些物质在体内的分布、代谢和毒性表现。因此，揭示PFAS与HSA的分子结合特性，对于理解PFAS的生物蓄积潜能和毒代动力学行为具有关键意义。

为此，李琴阳等研究人员在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表了一项系统研究，通过整合多种生物物理分析技术和计算模拟方法，深入探究了两种典型PFAS化合物——全氟辛酸（Perfluorooctanoic Acid, PFOA）和全氟辛酸铵（Ammonium Perfluorooctanoate, APFO）与HSA的分子互作机制。该研究不仅明确了结合位点和作用力类型，更首次揭示了PFAS诱导HSA构象重排并增强其疏水性的新机制，从分子层面解释了PFAS在体内长期滞留的潜在原因。

研究人员主要采用荧光光谱（包括稳态荧光、同步荧光和三维荧光）、紫外-可见吸收光谱、圆二色光谱以及分子对接模拟等技术手段。通过荧光猝灭实验和Stern-Volmer方程分析，确定了PFAS与HSA的结合常数和猝灭机制；利用竞争性置换实验确定了结合位点；通过傅里叶变换红外光谱和圆二色光谱分析了蛋白质二级结构的变化；最后采用分子对接技术从原子层面模拟了相互作用模式。

3.1. PFAS与HSA的结合性能

通过荧光光谱分析发现，随着PFOA和APFO浓度增加，HSA在337 nm处的荧光发射峰强度显著降低，并出现蓝移现象（最大蓝移5 nm），表明PFAS与HSA发生了结合作用，且改变了HSA荧光团周围的微环境极性。通过比较280 nm和295 nm激发波长下的荧光响应，发现色氨酸（Trp）残基是主要的结合位点。

3.2. PFAS与HSA结合的机制

3.2.1. 荧光猝灭类型的识别

Stern-Volmer分析显示，猝灭常数（K_SV）随温度升高而降低（从298 K的12.75×10³ L/mol降至310 K的9.74×10³ L/mol），且猝灭速率常数（K_q）远高于最大扩散碰撞系数（2.0×10¹⁰ L·mol^-1·s^-1），结合时间分辨荧光结果，证实为静态猝灭机制，即PFAS与HSA形成了基态复合物。

3.2.2. 结合动力学分析

双对数模型拟合结果显示，结合位点数n接近1，表明HSA与PFAS以1:1化学计量比结合。结合常数K_a在310 K时达到最高（PFOA：64.24×10³ L/mol；APFO：44.80×10³ L/mol），属于中等强度结合，且温度升高有利于结合反应，说明PFAS在人体温度下更易与HSA结合。

3.2.3. 结合热力学评价

通过Van't Hoff方程计算得到ΔH和ΔS均为正值（PFOA：ΔH=276.10 kJ/mol，ΔS=959.19 J/(mol·K)），表明疏水作用力是主要驱动力。ΔG为负值证实结合过程是自发的。

3.2.4. HSA结合位点的确定

采用位点特异性探针（苯丁唑酮用于Sudlow位点I，布洛芬用于Sudlow位点II）的竞争实验表明，PFAS主要结合在Sudlow位点I（亚结构域IIA），这是HSA与内源性物质（如脂肪酸和胆红素）结合的关键位点，提示PFAS可能干扰HSA的正常生理功能。

3.2.5. 分子对接模拟

分子对接结果显示，PFOA分子和全氟辛酸根离子均结合在HSA的亚结构域IIA。涉及的关键氨基酸包括HIS-242、LYS-199、ARG-257等。相互作用力包括疏水作用（Pi-烷基、烷基）、氢键（常规氢键和C-H…F非常规氢键）、卤键（氟效应）和范德华力。氟原子的高电负性使其能够与带正电的氨基酸残基（如赖氨酸、精氨酸）产生强烈吸引，而全氟烷基链的强疏水性则促进了与疏水氨基酸的相互作用。

3.3. 结合过程中HSA构象变化的光谱分析

3.3.1. 紫外-可见吸收光谱

HSA在209 nm和279 nm处的吸收峰强度随PFAS添加而增加，表明肽键和芳香氨基酸微环境发生变化，证实了静态猝灭机制。

3.3.2. 傅里叶变换红外光谱

酰胺I带（C=O伸缩振动）和酰胺II带（C-N伸缩和N-H弯曲振动）的峰位和强度变化表明HSA二级结构发生了重排。

3.3.3. 同步荧光光谱

Δλ=60 nm时的荧光猝灭更显著，再次证实Trp残基是主要作用位点。Δλ=15 nm时的蓝移（最大1 nm）表明Tyr残基周围极性环境改变。

3.3.4. 三维荧光光谱和共振瑞利散射光谱

Rayleigh散射峰（Peak A）强度降低表明HSA分子聚集更紧密；特征峰（Peak B）强度降低21.8%-24.12%并出现蓝移，表明HSA疏水性增强。共振瑞利散射强度降低证实HSA流体力学半径减小。

3.3.5. 圆二色光谱

HSA在208 nm和222 nm处的特征峰形保持不变，但α-螺旋含量从56.7%增加至59.3%，β-转角也有所增加，表明PFAS诱导HSA结构更加紧凑，疏水性增强，这可能是PFAS在体内滞留时间延长的结构基础。

本研究系统揭示了PFAS与HSA的分子相互作用机制：PFAS通过氟驱动的疏水作用力与HSA的Sudlow位点I（亚结构域IIA）结合，形成1:1化学计量比的基态复合物，结合过程为自发的静态猝灭机制。结合诱导HSA发生构象重排，表现为α-螺旋含量增加、流体力学半径减小和疏水性增强，这种结构变化可能损害HSA的配体转运功能，从而延长PFAS在血液循环中的滞留时间，增加其生物蓄积潜能。

该研究的创新性在于：首次系统比较了PFOA与其铵盐APFO的结合行为差异，揭示了羧基电离状态对结合强度的影响；采用多光谱与计算模拟相结合的方法，阐明了卤键、氢键和疏水力的协同作用机制；最重要的是，发现了PFAS诱导的结构紧缩效应可能通过削弱HSA功能而延长PFAS系统暴露时间，建立了分子结合事件与生物蓄积潜力之间的直接联系。

这些发现为评估结构多样的PFAS健康风险提供了预测框架，强调了氟原子在环境持久性和生物分子识别中的双重作用。从公共健康视角，这项工作不仅深化了对PFAS毒代动力学行为的理解，也为制定针对性的暴露干预策略（如开发竞争性配体或氟靶向螯合剂）提供了分子基础，对推进基于分子毒理学的化学品风险管理具有重要意义。