毒死蜱与DNA嘌呤碱基作用机制的研究

1 引言 毒死蜱作为一种广谱有机磷农药，广泛用于蔬 菜、果树、小麦、水稻、玉米等作物的病虫防治 [1]。 毒死蜱自然降解速率较慢，并能通过食物链传递， 继而对生态环境和人体健康产生危害 [2] 。毒死蜱毒 性主要是通过抑制乙酰胆碱酯酶的活性，影响生物 大分子的合成和与神经递质受体的相互作用，还可 诱导活性氧形成，降低基因组的稳定性，促进癌症
要：采用循环伏安（CV） 、阳极微分脉冲伏安（ADPV）和电化学阻抗谱（EIS）技术研究了毒死蜱与
DNA 嘌呤碱基（鸟嘌呤和腺嘌呤）的相互作用，应用密度泛函理论（DFT）计算了上述各物质的化学势（μ） 、 电负性（χ） 、亲电指数（ω） ，评价了毒死蜱（CPF）与鸟嘌呤和腺嘌呤的作用强度，分析其内在作用机理。结 果表明：在相互作用中，毒死蜱为亲电试剂，而 DNA 嘌呤碱基为亲核试剂；与腺嘌呤相比，毒死蜱与鸟嘌呤 间的结合常数大、电荷转移数高、相互作用能大，因而对鸟嘌呤的致毒作用强于腺嘌呤。 关键词：毒死蜱；DNA 嘌呤碱基；电化学测试；密度泛函理论 中图分类号：X503.225 A 文献标识码： 文章编号：1009-9115(2017)05-0003-06 DOI：10.3969/j.issn.1009-9115.2017.05.002
2 材料和方法 2.1 材料 所用化学试剂皆为分析纯，由上海晶纯科技有 限公司提供。 浓度为 1×10–3 mol·L-1 的毒死蜱储备液 用毒死蜱和无水乙醇配制，5×10–3 mol·L-1 的嘌呤碱 基储备液由鸟嘌呤、腺嘌呤和 1 mol·L-1 氢氧化钠溶 液配制，测试所用电解液是将储备液用去离子水稀 释至所需浓度。 2.2 电化学测试 电化学测试由 CHI 650C 电化学工作站完成， 选用三电极体系：Ag/AgCl、铂电极和直径为 2 mm 玻碳电极分别用作参比电极、 辅助电极和工作电极。 测试所用电解液由 100 mmol·L-1 磷酸缓冲溶液和 10 mmol·L-1 NaCl 溶液配制而成， 并用 1 mol L-1 氢氧化 钠调节溶液的 pH=8.0。测试之前对电解液通氮气除 氧 30 min。循环伏安电位扫描范围为 -1.5 V～ 1.5 V， 扫描速率为 100 mV·s-1；阳极微分脉冲电位扫描范 围为 -1.5 V～ 1.5 V，扫描速率为 50 mV·s-1；电化学 阻抗谱测试的阳极极化电位为 1.0 V， 施加的正弦电 位振幅为 5 mV，频率范围 10 000 Hz~0.01 Hz。 2.3 密度泛函理论（ DFT）模拟 密 度 泛 函 理 论 计 算 模 拟 由 Materials Studio Dmol3 软件包完成 [10]，采用广义梯度近似（ GGA） 、 双数值基加极化扩展轨道的双值扩展基（ DNP ）和 BLYP 法对毒死蜱和嘌呤碱基进行结构优化，其优 化结构如图 1 所示。
的萌生和恶化 [3] 。此外，毒死蜱还具有肝毒性、肾 毒性，并能导致免疫异常 [4]。 目前，毒死蜱毒性的研究主要集中于水生生物 和小型动物的饲喂研究，该研究耗时长，并且缺乏 对毒死蜱毒性机理的探究分析。与此相比，循环伏 安（ CV）和阳极微分脉冲伏安（ ADPV）电化学测 试技术可用以分析污染物与生物大分子间的相互作 用 [5]；电化学阻抗谱（ EIS）可用于检测生化分子 [6]，
────────── 基金项目：河北省自然科学基金（B2016203012） 收稿日期：2017-03-19 作者简介：林江华（1981-） ，女，河北迁安人，学士，助理工程师，研究方向为环境污染控制技术。 通讯作者：宋来洲（1972-） ，男，山东五莲人，博士，教授，研究方向为水污染控制。
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第 39 卷第 5 期
唐山师范学院学报
2017 年 9 月
继 而 评 价 有 害 物 质 的 生 物 毒 性 [7] 。 密 度 泛 函 理 论 （ DFT ）可用于孤立分子的结构和能量研究， DFT 化学势（ μ ） 、电负性（ χ ） 、亲电指数（ ω ） ， Fukui 函数等化学反应活性参数可用以揭示分子间的相互 作用 。与 DNA 嘧啶碱基相比，腺嘌呤和鸟嘌呤更 容易与有害物质相互作用 ，因此选用腺嘌呤和鸟 嘌呤为目标物，可有效评价环境污染物对生物分子 的毒性。 本研究采用循环伏安、阳极微分脉冲伏安和电 化学阻抗谱测试技术，分析毒死蜱与鸟嘌呤和腺嘌 呤的相互作用； 应用 DFT 活性参数 μ、 χ、 ω 和 Fukui 函数值（ fk+ 、 fk- 分别用以表示其亲电、亲核的反应 活性），探究毒死蜱与鸟嘌呤和腺嘌呤的化学反应 活性和结合位点，通过电荷转移数（ ΔN）和相互作 用能（ ΔE）计算揭示其作用强度。本研究将为从分 子层面上研究有机磷农药的生物毒性提供指导，也 为有机磷农 药与生物分 子作用模型 的建立提供 依 据，继而为有机磷农药的分子水平上生物毒性研究 提供借鉴。
第 39 卷第 5 期 Vol.39 No.5
唐山师范学院学报 Journal of Tangshan Normal University
2017 年 9 月 Sep. 2017
毒死蜱与 DNA 嘌呤碱基作用机制的研究
林江华 1，王秀丽 2，宋来洲 2
（1. 迁安市环境保护局 综合管理科，河北 迁安 摘 064400；2. 燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004）
The Mechanism Investigation of Chlorpyrifos Interacting with DNA Purine Bases
LIN Jiang-hua1, WANG Xiu-li2, SONG Lai-zhou2
(1. Integrated Management Section, Environmental Protection Bureau of Qianan City, Qianan 064400, China; 2. College of Environmental & Chemical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China) Abstract: Cyclic voltammetry (CV), anodic differential pulse voltammetry (ADPV), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) three electrochemical tests in conjunction with the density functional theory (DFT) calculation were used to illustrate the interactions between Chlorpyrifos (CPF) and DNA purine bases (guanine and adenine). The DFT reactivity descriptors, i.e., chemical potential (μ), electronegativity (χ) and electrophilicity (ω) were calculated to explore the chemical reactivity of the above-mentioned reagents; then the interactions between CPF and the purine bases were evaluated, and the interacting inherences were revealed. The results indicate that CPF serves as electrophiles, while guanine and adenine act as nucleophiles. Compared with adenine, the binding constant of chlorpyrifos interacting with guanine is larger, the number of charge transfer is higher, and the interaction energy is stronger. Thus, chlorpyrifos shows a higher toxicity to guanine than adenine. Key Words: chlorpyrifos; purine base; electrochemical test; density functional theory
林江华，等：毒死蜱与 DNA 嘌呤碱基作用机制的研究
鸟嘌呤有更强的生物毒性。
图2
毒死蜱与碱基作用的循环伏安曲线
图3Leabharlann 毒死蜱与碱基作用的阳极脉冲伏安曲线
注：(a)毒死蜱-鸟嘌呤；(b)毒死蜱-腺嘌呤
注：(a)毒死蜱-鸟嘌呤；(b)毒死蜱-腺嘌呤
毒死蜱与鸟嘌呤和腺嘌呤作用强弱可由碱基氧 化峰电位的偏移率来衡量，由公式 (1)计算 ：
% Interaction Ebase ECPF base 100 Ebase
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3.1.3
电化学阻抗谱（ EIS）
毒死蜱加入前后鸟嘌呤和腺嘌呤溶液的电化学 (1) 阻抗谱如图 4 所示，阻抗谱数据解析所用等效电路 如图 5 所示。
式中，Ebase、ECPF-base 分别为毒死蜱加入前后嘌呤碱 基的氧化峰电位。与单纯嘌呤碱基相比，毒死蜱加 入使鸟嘌呤 与腺嘌呤后 的氧化峰电 位分别偏移 了 8.97%和 8.04%， 可见毒死蜱与鸟嘌呤的相互作用强 于腺嘌呤。这与周武元 [12]的研究结果一致。 3.1.2 阳极微分脉冲伏安法（ ADPV） 毒死蜱对鸟嘌呤和腺嘌呤作用的阳极脉冲伏安 曲线如图 3 所示，测试过程中，嘌呤碱基浓度保持 为 100 μmol·L-1， 而毒死蜱的加入浓度为 0、 0.4、 0.8、 1.2、1.6 μmol·L-1。由图 3 可见，随着毒死蜱浓度的 增加，鸟嘌呤和腺嘌呤其对应的氧化峰电流逐渐减 小，表明毒死蜱与碱基存在分子间化学作用 [13]，其 作用强度大小可由式 (2)中的结合常数（ Kf）衡量。