聚苯乙烯纳米塑料调控钴(II)-过氧化氢酶相互作用的分子机制

《Journal of Hazardous Materials》：Molecular mechanisms underlying the modulation of Co(II)-catalase interactions by polystyrene nanoplastics

　　

• •
  PS-NPs减缓了Co(II)相关的外观CAT活性增加。
• •
  Co(II)和PS-NPs–Co(II)滤液呈现出明显不同的表观ITC响应。
• •
  在Co(II)暴露期间，PS-NPs改变了CAT血红素Soret响应。
• •
  一个简化的PS模型显示较少的CAT–Co(II)接触和更多的血红素口袋暴露。

引言

随着全球塑料产量的持续增长，大量塑料废弃物不断进入自然生态系统。据估计，即使实施所有可行的干预措施，2016年至2040年间释放到环境中的塑料污染累计量仍可能达到7.1亿吨[1]。通过长期的物理风化、光化学氧化和生物降解，环境中的塑料碎片可逐渐碎裂成粒径低于1 μm的纳米塑料(NPs)[2], [3]。由于NPs具有极大的比表面积、高的表面自由能和异质的表面电荷分布，它们不仅能直接与生物大分子相互作用，还能吸附和富集重金属等环境污染物。因此，NPs可能会改变共存污染物的环境运输、生物可利用性和分子作用方式，从而产生与单一污染物造成的效果不同的联合效应[4], [5], [6], [7], [8]。

近年来，人们越来越关注纳米塑料和重金属的联合污染[6], [7]。先前的研究表明，环境中的塑料颗粒可以累积各种金属，包括Co，并且某些塑料材料上的Co吸附在长时间环境暴露后可能仍未达到饱和，这表明塑料颗粒可能充当环境Co的界面载体[9], [10]。在纳米尺度上，羧基化的聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)从界面化学的角度也已被证明可以吸附Co(II)[11]。因此，当NPs和Co(II)在水体环境、土壤孔隙水或其他环境水微环境中共存时，它们可能通过静电吸引和表面络合形成动态界面复合物，从而改变Co(II)接近并与生物大分子相互作用的方式。尽管关于NPs和Co在生物体内共定位或共同运输的直接证据仍然有限，但这些发现支持了它们共同暴露和界面相互作用的环境合理性。

先前的研究进一步表明，NPs可以调节重金属与蛋白质之间的相互作用。Du等人比较了单独Cd和聚苯乙烯纳米塑料与Cd联合暴露对人类血清白蛋白的影响。他们发现，NPs的存在进一步加剧了Cd诱导的蛋白质构象和功能改变，这可能是通过蛋白质吸附在颗粒表面来改变Cd与蛋白质的相互作用过程[12]。此外，Hu等人报道了PS-NPs直接干扰过氧化物酶(CAT)的二级结构、芳香族残基微环境和聚集状态，导致其催化活性降低[13]。这些发现表明，NPs不仅可能通过界面吸附改变重金属-蛋白质相互作用，还可能直接影响功能性蛋白质。然而，现有研究主要集中在Cd等典型重金属上[6], [7], [8], [12]，而NPs在Co(II)存在下的分子效应仍知之甚少。

钴(Co)是一种重要的过渡金属，广泛用于锂离子电池、特种合金和化学催化。随着电动汽车和储能产业的快速发展，Co的全球生产和消费量及其潜在的环境释放量持续增加[14], [15]。Co可能在采矿、冶炼、电池生产和回收以及废弃物处置过程中进入水环境、土壤和沉积物。由于这些环境区室也是微塑料和纳米塑料的主要汇，NPs和Co(II)在环境中的共存被认为是合理的。

尽管Co是维生素B₁₂的必需组分，但游离或过量的Co(II)可以破坏氧化还原稳态，促进活性氧(ROS)的积累，并诱导脂质、DNA和功能性蛋白质的氧化损伤[16], [17], [18]。先前的研究表明，Co介导的自由基生成与H₂O₂有关，且CAT可以显著抑制相应的自由基信号。CoCl₂暴露也与CAT活性和表达的降低有关[19], [20], [21]。这些发现表明，CAT可能是Co诱导的氧化应激过程中受影响的抗氧化防御系统的重要组分。

CAT是抗氧化防御系统中一种关键的含血红素酶，能高效催化H₂O₂分解为H₂O和O₂，从而限制H₂O₂的积累及其导致的氧化损伤[22], [23]。其催化活性高度依赖于其整体构象、二级结构、芳香族氨基酸微环境、底物进入通道和血红素活性中心的完整性[23], [24]。分子水平的研究表明，PS-NPs可以直接结合CAT，诱导蛋白质骨架松弛，改变其二级结构和芳香族残基微环境，并降低其催化活性[13], [25]。因此，CAT不仅与Co(II)诱导的ROS产生和氧化应激密切相关，也是PS-NPs直接靶向的功能性蛋白质。因此，它为连接NPs的界面效应、Co(II)的氧化毒性和蛋白质结构与功能的变化提供了合适的分子模型。

然而，Co(II)与CAT直接相互作用的结合热力学、结合位点和构象后果仍知之甚少。更重要的是，尚不清楚PS-NPs的存在是否改变了Co(II)对CAT的可及性，重塑了其结合模式和相互作用强度，从而调节了CAT的结构稳定性和催化功能。

因此，本研究选择CAT作为代表性的含血红素抗氧化酶。首先评估了单独Co(II)和NPs-Co(II)体系对CAT催化活性的影响。然后，结合等温滴定量热法、多光谱分析、分子对接和分子动力学模拟，从结合热力学、蛋白质构象变化和分子相互作用模式的角度，阐明PS-NPs调节CAT-Co(II)相互作用的分子机制。通过比较有无PS-NPs存在时Co(II)与CAT的相互作用模式，本研究旨在阐明纳米塑料界面如何调节重金属-蛋白质相互作用，并为理解纳米塑料-重金属联合污染的潜在毒性提供分子水平的理论依据。

章节摘要

化学试剂

过氧化氢酶(CAT；来源于牛肝；酶活性≥2,000 U/mg蛋白；CAS号9001-05-2)购自北京索莱宝科技有限公司(北京，中国)。六水合氯化钴(CoCl₂·6H₂O；纯度≥98%；CAS号7791-13-1)购自上海集萃生物技术有限公司(上海，中国)。聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs；供应商规定的名义直径：100?nm；目录号PS000100)购自北京中科雷鸣道金

不同暴露条件下CAT催化活性的变化

CAT是一种代表性的含血红素氧化还原酶，其催化H₂O₂分解的能力依赖于血红素活性中心和周围的蛋白质微环境[42], [43]。因此，蛋白质构象、聚集状态和血红素微环境的变化可能会影响CAT的催化效率[30], [42], [43]。活性测定测量H₂O₂分解的变化，而Soret带响应则提供关于

结论

在本研究使用的无细胞测定条件下，Co(II)在0.5–0.8?mM范围内增加了背景校正后的表观CAT活性，而匹配的NPs-Co(II)处理通常减轻了这种增加；在0.6和0.8?mM时出现了显著差异。ITC对直接Co(II)滴入CAT和滤后的NPs-Co(II)制备液滴入CAT的滴定产生了不同的表观热谱。由于这些滴定使用了20?mM HEPES中的不同制备液，其拟合的热力学参数代表

意义声明

目前对纳米塑料-金属共污染在分子层面的理解仍然有限，特别是关于纳米塑料界面如何改变金属-蛋白质相互作用。本研究证明，PS-NPs通过改变表观结合热力学、减少Co(II)与酸性CAT残基的直接接触以及重新组织血红素口袋微环境，重塑了Co(II)-过氧化氢酶相互作用。这些变化减轻了Co(II)诱导的CAT激活，表明纳米塑料可以

未引用参考文献

76

CRediT作者贡献声明

李香香：可视化、指导。王晓阳：可视化、软件。郭舒琪：方法论、形式化分析。毕文迪：写作–原稿、调查、数据管理、概念化。刘汝涛：写作–审阅与编辑、指导、资源、项目管理、资金获取。齐云涛：概念化。王金虎：软件。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(编号：22276113, U1806216, 21876103和21777088)、国家重点研发计划(编号：2022YFC3701301)和重要科技创新项目培育基金(编号：708058)的资助。我们感谢山东大学微生物技术国家重点实验室的李志峰博士、朱静和屈晶瑶在Malvern MicroCal PEAQ-ITC的ITC实验和J-1500的CD测定方面提供的帮助和指导。

毕文迪|王晓阳|郭舒琪|李香香|齐云涛|王金虎|刘汝涛