基于分子对接的类二恶英类多氯联苯的拉曼光谱增强

辛美玲， 邱尤丽， 张书京， 李 鱼*

(1. 华北电力大学 环境科学与工程学院， 北京 102206；2. 华北电力大学 资源环境系统优化教育部重点实验室， 北京 102206)

1 引 言

多氯联苯(PCBs)被广泛用于热交换剂、润滑剂、变压器和电容器内的绝缘介质、增塑剂以及阻燃剂等重要的化工产品[1]，是环境中存在的一类典型含氯有机污染物。大量的PCBs副产品被释放到环境中将造成严重污染，影响生态系统[2-3]，因其具有半挥发性、持久性、生物富集性和高毒性等特点而被联合国环境规划署列为首批需要削减和控制的12种持久性有机污染物之一[4]。PCBs单体之间的毒性差别很大，毒性最强的单邻位或无邻位氯代的共平面同族体，称为类二恶英类PCBs，其生态环境毒性是不能忽略的，因此在环境样品中对其分析有很重要的意义[5]。由于PCBs的降解十分缓慢，到目前为止，它们仍然广泛地存在于空气、水、土壤、沉积物和生物区，因此对生态环境及人类健康有不可估量的潜在威胁。

常规PCBs的分析检测方法主要有高效液相色谱法、气相色谱法、分光光度法和色谱质谱联用法[6-7]。由于PCBs的极性和化学性质相似，209种单体在色谱上的分离是一个难题[8]。目前国内外通行的标准分析方法主要是总量的分析，土壤、底泥和生物组织中单体的分析方法还处在研究阶段，如Huang等[9]的“环境样品中毒性单体的测定”，他们运用2-(1-甲基)甲乙基石英柱和高效液相色谱，将中和环境样品中的非邻位取代、单邻位取代和双邻位取代进行分离，最后用GS/MS测定。2002年，Litten、Simon[10]等对USEPA的改进方法进行全面的分析和研究，对水样中209种单体的分离技术做了全面的讨论。但目前建立的检测方法不但复杂且耗时，还可能产生二次污染，且现场检测适用性差。拉曼光谱是一种散射光谱，它的产生基于光与分子的非弹性碰撞，广泛用于物质分子结构的研究。拉曼光谱具有较宽的测定范围，试样制备处理简单，而且拉曼光谱已经应用于检测多环芳烃、三聚氰胺等物质[11-13]。

近年来，量子化学中的密度泛函理论(DFT)在分子的拉曼与红外振动光谱上得到了广泛的应用研究，在大量的实验结果对比中显示了它的可信性[14-15]。本文对13种类二恶英类PCBs(PCB77、81、105、114、118、123、126、156、157、169、170、180、189)的拉曼光谱进行了计算[16]。分子对接的原理是源于“锁-钥原理”，酶与配体分子会进行识别，若要达到最优匹配状态，就要在对接过程中相互适应，从而引起酶与配体构象的改变。因此，本文借助分子对接技术会改变配体结构这一特性，提取13种类二恶英类PCBs经分子对接后的构型，计算其拉曼强度，比较了对接前后分子结构改变所对应的拉曼振动强度的变化趋势。

2 理论计算

借助Gaussian09软件，利用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d)水平下对气态环境中PCBs分子进行优化，在最优结构下计算其拉曼特征振动光谱，并用计算函数和基组组合的修正因子(0.9614)进行修正[17]。计算关键字为opt=modredundant，freq=raman。采用美国Tripos公司的SYBYL-X2.0软件进行分子对接，选取Tripos力场，采用分子程序Minimize对每个分子进行能量优化，加载MMF94电荷。对接之前，对从PDB数据库中获得的蛋白质受体分子进行预处理，去除自身的配体、金属离子和水分子，将极性氢与点电荷加入，使结合口袋暴露出来。对接过程中膨胀系数和临界系数分别为指定的默认值1和0.5。

3 结果与讨论

3.1 类二恶英类PCBs的理论拉曼振动光谱

13种PCBs的拉曼振动光谱有共同的振动模式，主要归属为苯环变形、C—C 伸缩、C—H摇摆、C—H 伸缩以及各种形式的耦合。观察其振动模式，其中苯环的变形振动为PCBs的特征振动，拉曼光谱频率为1632.77～1652.06cm-1。其振动强度以及频率见表1。

表1 类二恶英类PCBs拉曼振动强度及频率

3.2 基于分子对接的类二恶英类PCBs拉曼振动光谱

3.2.1 PCBs与Bpha酶的分子对接

环境中的PCBs可以依靠微生物进行缓慢降解，其中好氧生物降解为主要方式。PCBs的生物降解主要由4种降解酶参与，分别是Bpha、Bphb、Bphc、Bphd，其中联苯双加氧酶(Bpha)是4种酶中唯一一个直接与PCBs接触的，因此对其降解起决定性作用[18]。

本文采用SYBYL-X 2.0中的Surflex-Dock模块对接模拟PCBs与Bpha(PDBID∶3GZX)的结合模式。为获得正确的构象分析结果，应确保对接模拟获得的化合物与受体结合的合理性，为此应首先验证对接的可靠性。具体方法为：从蛋白晶体中提取天然配体重新对接进受体内，然后将天然配体对接生成构想与蛋白/配体复合物晶体结构进行对比。如果对接生成的构象与晶体结构中重原子(非氢原子)间的均方根偏差(RMSD)值小于0.02 nm，则认为对接是可靠和准确的。本文提取3GZX中的联苯(BNL)，重复对接到3GZX结合位点。结果表明，对接后BNL的位置几乎和3GZX晶体中原本的BNL在相同的位置，对接后的BPY和晶体结构中BNL的RSMD的平均值为0.002 4 nm，说明Surflex-Dock在重现配体的结合模式上是可靠的，对接过程所采用的参数设置是合适的，可用来预测PCBs与Bpha酶的结合构象。其对接打分函数见表1。

3.2.2 分子对接后的拉曼振动光谱

13种类二恶英类PCBs与BPha酶经分子对接后，提取其对接后分子结构，对其进行拉曼振动光谱计算，结果见表2。比较分子对接前后的拉曼振动强度发现，PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、PCB-180的拉曼振动均有所增强，其增强幅度在2.9%～213.98%之间，其中PCB-170的增强幅度最大。对接前后的拉曼光谱频率在1 631.57～1 651.94 cm-1之间，与对接前的拉曼光谱频率相比，整体发生蓝移。拉曼强度提升，其对应的频率值降低，发生一定程度的蓝移；拉曼强度下降，其对应的频率值升高，发生一定程度的红移。PCB-77的拉曼振动强度降低幅度最大(-76.20%)，说明PCB-77与Bpha酶的对接效果最好。观察其打分函数为最高(3.95)，即低氯取代(一至四氯)的PCBs好氧生物降解效果较好，这与Nabavi等的研究结果一致[19]。上文观察其特征振动为苯环变形，因此本文选取二面角为结构变量进行分析。观察对接前后的二面角变化发现，PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、PCB-180经分子对接之后，其二面角均减小，其中PCB-170的二面角减小49°，减小幅度最大，其拉曼振动强度增强最大；PCB-114、PCB-123、PCB-126、PCB-157对接后的拉曼振动强度增降幅较小，变化不明显，其主要原因为PCB-114、PCB-123、PCB-126、PCB-157对接后的二面角变化程度较小，导致拉曼振动强度增降幅不明显。因此推断，二面角的变化程度越大，其拉曼振动强度增降幅越大，且随二面角逐渐减小，拉曼强度逐渐增大。PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-156、PCB-170、 PCB-180的苯环上邻位均有氯原子取代，邻位的C—Cl键对PCBs的二面角有很大影响，分子对接后会较大程度地改变其空间构型，导致其拉曼振动强度增大。

表2 分子对接后13种类二恶英类PCBs拉曼振动强度及其频率

3.2.3 PCBs分子二面角大小与拉曼强度变化

上文推断发现，随二面角逐渐减小，拉曼强度逐渐增大。为研究PCBs分子二面角与拉曼振动强度之间的关系，对13种PCBs对接前后的二面角变化范围进行划分，选取其中只改变二面角大小、保证其他结构与最优结构保持不变的10个结构计算其拉曼振动强度。其函数变化关系见表3，在显著性水平p=0.01的情况下，PCBs的拉曼振动强度与二面角变化均呈线性关系，rmin=0.765 7>r0=0.764 6，符合统计学检验标准。其中PCB-81、PCB-105、PCB-114、PCB-118、PCB-170、PCB-180的二面角逐渐减小，拉曼振动强度不断增大；PCB-77、PCB-123、PCB-126、PCB-157、PCB-169、PCB-189的二面角逐渐增大，拉曼振动强度不断减小。

本文借助分子对接，提取对接后的分子结构，发现对接后的分子二面角减小，其拉曼振动增强，因此在实际光谱检测应用中，可针对PCBs的二面角进行改变，其拉曼振动是否增强以便于识别。研究发现，Stille偶联反应和Scholl反应在生成新物质过程中能够调控化合物的结构。石鑫等[20]以5,6-二溴苯并噻二唑为核心，以Stille偶联反应和Scholl反应为主要手段合成了16a和16b两个螺烯类高度扭曲的共轭分子，控制二面角从26.7°达到了44.8°。龚炎彬等[21]利用Scholl反应合成芘并茈酰亚胺；南光明等[22]对Lewis酸诱导芳三氮烯为底物的Stille偶联反应进行研究，均对其合成的物质结构进行了有效的调控。同时新型分子设计中可设计二面角减小的新型PCBs分子，从而达到增强拉曼振动的目的，便于其检测识别。

表3 PCBs分子二面角大小与拉曼振动强度函数关系(p=0.01，n=10)

4 结 论

本文利用密度泛函理论计算出13种类二恶英类PCBs拉曼光谱的振动强度及频率，并借助分子对接技术，计算对接后PCBs分子结构的拉曼振动强度以及频率。对接后，拉曼振动强度增大2.9%～213.98%。改变二面角可以不同程度地影响拉曼振动强度，随二面角的减小，拉曼振动强度呈一定线性增大趋势，可为实际中提高PCBs的检测灵敏度提供一定的理论依据。

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