烟草特异亚硝胺(tobacco-specific nitrosamines,TSNAs)是一类广泛存在于烟草制品中的亚硝胺致癌物,是烟草制品引发肺癌和口腔癌的主要因素之一。TSNAs类化合物本身较为稳定,但进入生物体内经过细胞色素P450酶的代谢活化后,其代谢产物表现出明显的致癌活性。TSNAs结构不同,致癌活性也有很大差异,并且肿瘤发生的部位也具有特异性。研究表明,TSNAs的致癌代谢途径主要是在P450酶的催化下,首先发生α-羟基化反应生成α-羟基亚硝胺,随后α-羟基亚硝胺分解后的产物与DNA结合,可以使DNA碱基烷基化,并最终导致肿瘤的产生。实验上已经对TSNAs在P450酶中的代谢和致癌性开展了相关研究,但并没有深入探讨不同的活化路径。因此,本论文通过量子化学的计算方法对TSNAs的羟基化反应进行了模拟,为该类化合物致癌活性的相关研究提供理论基础。一、使用简化的Compound I(Cpd I)模型模拟P450酶活性中心,基于密度泛函理论(DFT),对N′-亚硝基降烟碱(NNN)的α-羟基和β-羟基代谢路径进行了理论模拟。计算结果表明,NNN羟基化反应在高自旋(HS)四重态和低自旋(LS)二重态势能面上均能发生。反应经过两个特征阶段,首先是NNN与Cpd I形成高低自旋态初始复合物,NNN的α-氢原子抽提并转移到Cpd I中与Fe相连的氧原子上,形成PorFe-OH与α-自由基中间体,随后PorFe-OH上的OH转移给α-自由基中间体形成α-羟基化NNN。尽管α-羟基化NNN的稳定性相对较高,但亚硝胺基团和α-羟基之间的相互作用能使α-羟基化NNN进一步分解成高致癌活性的重氮氢氧化物。在LS势能面上α-羟基化是主要代谢路径,而在HS势能面上,NNN脱硝基能与α-羟基化竞争,形成解毒的麦斯明碱(myosmine)。因此,在研究NNN代谢时,致癌的α-羟基化和解毒的脱硝基化需同时考虑以公正地评价NNN致癌性。本论文还进一步研究了NNN的吡啶N-氧化以及降烟碱和环氧化物的形成途径,完善了NNN的体内代谢过程研究,建立了NNN代谢过程的机理模型,为后续相关实验提供了有力的理论支持。二、基于DFT计算研究了P450酶活性中心Cpd I催化4-(甲基亚硝胺基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)发生α-甲基(1′)羟基化和α-亚甲基(3′)羟基化的机理信息。反应经过的路径与NNN一致。在反应中,氢原子的抽提决定了反应的速率。在α-羟基NNK的反应中,1′-羟基NNK反应能垒为16.0/14.9 kcal/mol(HS/LS),3′-羟基NNK反应能垒为15.3/14.3 kcal/mol(HS/LS)。结果表明,在NNKα-羟基化过程中,LS势能面上在形成α-羟基NNK时所需要跨越的能垒比HS低,所以LS势能面上α-羟基化是主要代谢路径。此外,对比NNK 1′-和3′-羟基化的能量信息发现,3′-羟基化路径是优势代谢路径。三、基于DFT计算进一步研究了Cpd I催化N′-亚硝基假木贼碱(NAB)和N′-亚硝基新烟草碱(NAT)代谢活化的反应机理。结果表明,NAB和NAT的羟基化反应过程与NNN和NNK的类似。氢原子抽提过程也是反应的决速步骤,反应中没有呈现明显的自旋选择性,与烷烃羟基化反应过程类似,符合双态反应性(TSR)。反应中2′-羟基NAB反应能垒为20.5/18.8 kcal/mol(HS/LS),6′-羟基NAB为11.5/13.6 kcal/mol(HS/LS);2′-羟基NAT反应能垒为22.3/23.6 kcal/mol(HS/LS),6′-羟基NAT为13.0/12.9 kcal/mol(HS/LS)。综合比较,NAB所需要跨越的能垒比NAT低,更容易发生代谢活化反应,因此NAB在羟基化反应中是优势代谢路径。本课题在研究和论述烟草中四种TSNAs时,构建起相应的化学反应模型,对其代谢过程进行分析和描述,从而来揭示代谢反应机理。对于不同的TSNAs,在生物体内的代谢过程存在一定差异,反应所经历的能垒高度是不一样的,优势路径也各不相同,这些都为后续相关领域的课题研究提供了有效的理论支持,进一步提升了相关研究的整体水平。