评估有机磷污染物二氧苯并福斯的对映选择性神经毒性：利用细胞学、分子生物学和计算毒理学方法进行的机制研究

《ACS Omega》：Evaluating the Enantioselective Neurotoxicity of Organophosphorus Pollutant Dioxabenzofos: Mechanistic Studies Employing Cellular, Molecular, and Computational Toxicology Assays

乙酰胆碱酯酶（AChE）介导的（S）-二噁苯磷神经毒性作用具有对映体选择性，其抑制效果强于（R）-异构体（IC50分别为5.28 μM和17.2 μM）。分子机制显示，（S）-二噁苯磷通过氢键与Ser-203、Tyr-337等关键残基结合，并形成稳定的π-π堆积，增强生物亲和力；（R）-异构体因构象变化导致非共价相互作用减弱。动态模拟表明，（S）-异构体与AChE的构象更稳定，其RMSD值较低，且氢键和π-π相互作用强度更高。能量分解显示，静电贡献是主要驱动力，（S）-异构体结合自由能更低（-23.55 kcal/mol），印证其更强的神经毒性。研究为评估手性有机磷污染物环境健康风险提供了理论依据。

　　该研究围绕手性有机磷污染物——二氧苯膦的神经毒性作用展开，特别是其对SH-SY5Y神经细胞中乙酰胆碱酯酶（AChE）的立体选择性影响。手性化合物因其分子结构的不对称性，在生物体内可能表现出显著的活性差异，这种现象在环境科学和毒理学领域引起了广泛关注。研究的目的是揭示手性二氧苯膦对人类健康风险的微观机制，特别是在神经毒性方面，这对环境安全和人类健康具有重要的现实意义。

二氧苯膦是一种广泛使用的农业杀虫剂，其分子结构包含一个手性中心（磷原子），因此存在两种对映体：（R）-二氧苯膦和（S）-二氧苯膦。在实验中，研究者发现这两种对映体在抑制SH-SY5Y细胞内AChE活性方面表现出明显的立体选择性差异。通过细胞实验，研究者测定出（R）-二氧苯膦的IC50值为17.2 μM，而（S）-二氧苯膦的IC50值为5.28 μM，这表明（S）-二氧苯膦对AChE的抑制作用更强。这一结果暗示了对映体之间在生物亲和力上的显著差异，而这种差异可能与它们在细胞内与AChE相互作用的模式密切相关。

为了进一步探讨这种立体选择性神经毒性的分子机制，研究者采用了一系列生物物理和计算毒理学方法，包括分子对接实验、分子动力学（MD）模拟以及能量分解分析。这些技术帮助研究者分析了对映体与AChE之间的相互作用方式，揭示了关键氨基酸残基在神经毒性反应中的作用。例如，（R）-二氧苯膦与AChE的结合自由能为?15.43 kcal mol?1，而（S）-二氧苯膦的结合自由能为?23.55 kcal mol?1，说明（S）-二氧苯膦与AChE之间的相互作用更加紧密，从而导致更强的神经毒性。

研究发现，二氧苯膦对映体在与AChE结合时，其分子构型和取向的不同是导致其神经毒性差异的重要因素。在分子对接实验中，（R）-二氧苯膦与AChE形成了一些非共价相互作用，如氢键和硫-π相互作用，但这些相互作用的强度和稳定性不如（S）-二氧苯膦。而（S）-二氧苯膦能够与AChE中的关键残基形成更稳定的氢键，如与Ser-203和His-447等残基的相互作用，从而增强了其与AChE的生物亲和力。这些相互作用不仅影响了AChE的结构稳定性，还可能干扰其正常的催化功能，进而引发神经毒性反应。

在动态分子模拟中，研究者进一步分析了AChE在与二氧苯膦对映体结合时的构象变化。结果表明，（R）-二氧苯膦的结合导致AChE的构象更加不稳定，表现为根均方偏差（RMSD）和回转半径（Rg）的变化。相比之下，（S）-二氧苯膦的结合使AChE的构象更加稳定，这种稳定性可能是其更强的神经毒性作用的原因之一。此外，AChE的构象灵活性也在对映体之间的神经毒性差异中扮演了重要角色。例如，在与（S）-二氧苯膦结合后，AChE的α-螺旋结构减少了，而无规卷曲增加了，这可能表明其结构在结合过程中经历了一定的调整，从而增强了对（S）-二氧苯膦的亲和力。

能量分解分析进一步揭示了对映体之间神经毒性差异的分子基础。研究发现，结合自由能的差异主要来源于静电相互作用（ΔG??）和范德华力（ΔG??）。其中，静电相互作用在（S）-二氧苯膦的神经毒性中发挥了更重要的作用。这说明（S）-二氧苯膦在与AChE的相互作用中，能够更有效地利用其分子结构中的电荷分布，从而增强与酶的结合能力。而（R）-二氧苯膦的结合自由能较低，表明其与AChE的相互作用不如（S）-二氧苯膦紧密，导致其神经毒性作用较弱。

研究还探讨了二氧苯膦对映体在AChE结合区域的相互作用模式。通过分析非共价键的类型和距离，研究者发现（S）-二氧苯膦能够与AChE中的多个关键残基形成稳定的氢键和π-π堆积，这些相互作用不仅增强了其与酶的结合能力，还可能影响AChE的结构稳定性，进而影响其催化活性。例如，（S）-二氧苯膦与Ser-203和His-447残基的氢键相互作用显著增强，而（R）-二氧苯膦则在这些残基上表现出较弱的结合能力。此外，（S）-二氧苯膦还能够与AChE中的芳香族残基形成“三明治”型的π-π堆积，这种堆积模式有助于增强其与酶的亲和力，从而引发更强的神经毒性反应。

研究还揭示了AChE的构象变化对二氧苯膦对映体的神经毒性影响。通过动态分子模拟，研究者发现（S）-二氧苯膦的结合能够使AChE的构象更加稳定，而（R）-二氧苯膦的结合则导致AChE的构象出现较大的扰动。这种构象变化可能影响了AChE与对映体之间的相互作用方式，从而导致不同的神经毒性表现。例如，在与（R）-二氧苯膦结合后，AChE的α-螺旋结构减少，而无规卷曲增加，这可能意味着其结构在结合过程中经历了较大的调整，从而降低了其与对映体的结合能力。

综上所述，该研究通过多维度的实验和计算方法，揭示了手性二氧苯膦对SH-SY5Y神经细胞中AChE的立体选择性神经毒性作用。研究发现，（S）-二氧苯膦与AChE的结合更加紧密，能够形成更多的非共价相互作用，如氢键和π-π堆积，从而增强其对AChE的抑制作用。而（R）-二氧苯膦的结合则相对松散，导致其对AChE的抑制能力较弱。这些结果不仅为评估手性有机磷污染物的神经毒性风险提供了重要的理论依据，也为未来的环境健康风险评估和毒理学研究提供了新的视角。通过揭示对映体与AChE之间的微观相互作用机制，研究有助于更精确地理解手性污染物对生物体的潜在危害，从而为环境保护和人类健康保障提供科学支持。