《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Assessing the impact of carbamate insecticide aminocarb on human plasma protein through biophysical and computational methods
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本研究通过荧光光谱、分子对接及量子力学计算等手段，探讨氨基甲酸酯（AMC）与人血清白蛋白（HSA）的相互作用机制，发现AMC静态淬灭结合，亲和力约10^4 M?1，主要依赖疏水及范德华力，结合亚域IB，电子分布影响其相互作用类型，为毒理机制研究提供依据。
作者名单：Shweta Singh、Priyanka Gopi、Palak Sharma、Majji Sai Sudha Rani、Pratik Singh、Akankasha Yadav、Neelima Gupta、Prateek Pandya、Tahseen Raza、Mohd Sajid Ali
印度卡纳塔克邦班加罗尔市Kristu Jayanti大学（被认定为大学）法医学系，邮编560077
摘要
氨基甲酸酯类杀虫剂AMC具有极高的毒性，在印度被广泛使用，导致人类大量接触并引发中毒反应。其结构特征使其能够与多种受体结合，结合亲和力各不相同，从而通过关键的结合相互作用影响其他物质的生物利用度。本研究利用多种光谱技术和分子建模方法探讨了AMC对人体血清白蛋白（HSA）的影响，评估了其结合特性、构象灵活性及结构稳定性。荧光光谱测量结果显示AMC的结合亲和力介于10^4 M^-1至10^4 L^-1之间，结合过程属于静态淬灭机制。热力学分析表明该结合反应为自发过程（自由能变化为-22至-28 KJ/mol），主要由疏水作用力和范德华力驱动，这与分子动力学（MM/PBSA）结果一致。分子对接分析进一步证实AMC与HSA的IB亚域结合，这一发现得到了位移实验和分子动力学模拟的支持。量子力学分析表明，AMC的电子电荷分布使其能够参与π-电荷、二甲氨基基团与阳离子、π-烷基及烷基型之间的相互作用。本研究为理解氨基甲酸酯类化合物与蛋白质的结合机制提供了重要见解，有助于更全面地认识其毒理学特性。
引言
农药是一种用于控制或消灭害虫（如昆虫、杂草、啮齿动物、真菌和细菌）的化学物质，这些害虫可能危害农作物、牲畜和人类健康[1][2][3]。虽然农药能够提高作物产量并保护作物免受害虫侵害，但同时也可能对人类健康和环境造成风险[4]。它们可能对非目标生物（如有益昆虫和野生动物）产生负面影响，并污染土壤、水和空气。此外，接触农药与多种健康问题相关，包括癌症、生殖障碍和神经损伤[5][6]。农药通过与生物受体特异性结合发挥毒性作用，这种结合过程受分子结构、构象灵活性及结合位点性质的控制。这些分子层面的相互作用决定了结合的特异性和强度，在理解毒理学机制中起着关键作用。一旦进入血液循环，小分子会与血浆蛋白结合，从而显著影响其分布、生物利用度和代谢过程。在血浆蛋白中，人体血清白蛋白（HSA）是主要的转运蛋白，具有多个结合位点，具备出色的结构适应性，能够结合多种内源性和外源性化合物（包括药物、毒素和农药）。农药与HSA的结合可能导致蛋白质构象改变，进而影响其他配体的运输和分布。因此，了解农药的结合机制及其引起的结构变化对于阐明其毒理学途径和评估潜在健康风险至关重要。
氨基甲酸酯类杀虫剂AMC是一种广谱杀虫剂，在农业中广泛应用，对蚜虫、螨虫、白粉虱和蓟马等害虫具有高效杀灭效果。它属于N-甲基氨基甲酸酯类化合物，这类化合物以抑制乙酰胆碱酯酶活性而闻名，而乙酰胆碱酯酶在神经传导中起关键作用[7]。研究表明，氨基甲酸酯类杀虫剂与免疫反应异常（如过敏反应、某些自身免疫疾病和多种癌症）的发病率上升有关。它们可能引发、加剧或恶化病理免疫反应，通过引发调控免疫系统的基因突变改变免疫耐受性[8]。
AMC的结构包含一个平面环结构，C4位点有一个二甲氨基基团，C3位点有一个甲基基团，C1位点有一个甲基氨基甲酸酯基团（图1）。其结构中的氢键供体原子和受体原子以及平面环和甲基基团有助于AMC与生物受体结合。
人体血清白蛋白（HSA）是人体血浆中最丰富的蛋白质[9][10]，具有多个结合位点，可结合脂肪酸、激素和药物等小分子，这些位点分布于蛋白质的不同区域[11][12][13]。这些结合位点对分子在血液中的运输和分布至关重要[14][15]。HSA是一种球形蛋白质，分子量约为66,500 Da，由585个氨基酸组成，其中包括位于A亚域的1个色氨酸残基、18个酪氨酸残基和分布在蛋白质各处的31个苯丙氨酸残基[16]。研究农药与HSA的结合机制非常重要，因为作为血浆中的主要转运蛋白，HSA在环境中污染物的运输和分布中起着关键作用[17][18]。因此，了解农药与HSA的相互作用有助于评估其在体内的生物利用度、分布和消除过程[19][20]。许多药物、酶和其他分子也与HSA的某些结合位点结合，农药的结合可能会影响它们的分布和生物利用度。结合研究有助于揭示农药的毒性机制，因为许多农药通过结合体内蛋白质来发挥毒性作用，改变蛋白质的功能或结构[21]。
本研究采用多种技术（包括荧光光谱、圆二色光谱、动态光散射、分子对接、分子动力学模拟和量子力学计算）评估了AMC与HSA的结合机制和潜在毒性。荧光光谱提供了淬灭常数、结合常数和热力学参数的数据；圆二色光谱和动态光散射技术揭示了AMC引起的HSA构象变化；分子对接、分子动力学和量子力学方法用于分析详细的结构信息。
化学物质和样品制备
实验中使用的氨基甲酸酯类杀虫剂AMC（纯度97%，产品代码：102520425，CAS号：2032-59-9，IUPAC名称：4-(二甲氨基)-3-甲基苯基N-甲基氨基甲酸酯）和人体血清白蛋白（HSA，纯度≥99%，产品代码：1003431695，CAS号：70024-90-7）均购自Merck Life Sciences公司。HSA溶解在pH值为7.4的20 mM磷酸钠缓冲液中制备成储备溶液，然后置于4°C下保存过夜；AMC的储备溶液则溶解在DMSO中。实验过程中所有溶液均保持稳定。
毒性评估
为了评估AMC的毒理学特性，使用了ADMETlab 2.0在线服务器。该方法有助于迅速识别短期暴露带来的潜在危害。ADMETlab 2.0的结果显示，AMC在多种生物和环境条件下均表现出较高的毒性[补充表4]。此外，研究还表明AMC能够高效穿过血脑屏障（BBB）。
结论
通过光谱和分子建模技术研究发现，AMC与HSA的结合过程属于静态淬灭机制，结合亲和力约为10^4 M^-1。与其他氨基甲酸酯类杀虫剂相比，AMC与HSA的结合亲和力更强[94]。该结合过程为自发反应，并通过疏水作用力得到稳定。
作者贡献
Shweta Singh：研究方法设计、数据整理、软件使用、数据分析、可视化处理、初稿撰写及修订。
Priyanka Gopi：数据整理、软件使用、数据分析、撰写及修订。
Palak Sharma：数据整理、数据分析、撰写及修订。
Majji Sai Sudha Rani：数据整理、数据分析、撰写及修订。
Pratik Singh：数据整理、数据分析。
Akankasha Gupta：量子力学分析、可视化处理。
Neelima Gupta：量子力学分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
