关于一种新兴分支型全氟和多氟烷基物质（PFAS）替代品相对于传统PFAS与人类血清白蛋白结合亲和力增强的机制洞察：一项多尺度研究

《Journal of Molecular Structure》：Mechanistic Insights into the Enhanced Binding Affinity of an Emerging Branched PFAS Alternative Relative to Legacy PFAS with Human Serum Albumin: A Multiscale Investigation

　　

吴新兰|陈宇杰|郑璐|郭洪光|王柳红|蔡如涛|杜二登

中国常州大学城市建设学院，213164

摘要

本研究结合了多光谱分析、密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟，比较了新型替代品六氟丙烯氧化物四聚体酸（HFPO-TeA）与传统全氟己烷磺酸（PFHxS）与人类血清白蛋白（HSA）的相互作用机制。稳态和时间分辨荧光实验表明，这两种物质主要在HSA的IIA亚域发生结合。PFHxS通过与HSA的静态淬灭作用进行结合，而支链结构的HFPO-TeA则通过静态-动态结合过程与HSA结合。在298 K时，HFPO-TeA的结合常数（1.72×10^4 L·mol^-1）显著高于PFHxS（8.17×10^3 L·mol^-1），表明其结合亲和力更强。热力学数据支持这种结合是自发的且放热的，这是由于范德华力和氢键作用的结果。圆二色性（CD）光谱显示HFPO-TeA对HSA结构有较大影响，使其α-螺旋含量从55.6%降低到43.4%。HFPO-TeA具有更宽的负电势范围（ESP），因此具有更强的静电吸引力，更有可能与HSA结合。基于MD和分子对接结果，MM-PBSA计算表明HFPO-TeA的结合自由能（ΔG.bind = -7.55 kcal·mol^-1）更负，因此其热力学稳定性和结合倾向都优于PFHxS（-6.86 kcal·mol^-1）。这种更高的亲和力是由于HFPO-TeA的支链醚键结构有效降低了能量障碍。随着对传统PFAS的全球限制，PFAS替代品所带来的环境和健康风险越来越受到关注。本研究为评估新兴PFAS替代品的生物安全性和环境风险提供了科学依据。

引言

全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）是一类具有极高热稳定性和独特两亲性的合成有机氟化合物[1]。碳-氟键的极高键能（约485 kJ·mol^-1）使得PFAS具有很强的化学惰性和低生物降解性，导致它们在环境介质中广泛存在，尤其是在工业区中浓度较高[2,3]。作为一类新兴污染物（ECs），PFAS因其相关的环境和健康风险而引起全球关注[4]。《斯德哥尔摩公约》对传统长链PFAS（如PFOA和PFOS）的严格限制促使业界采用了结构替代品，如全氟聚醚（PFPEs）[5]。全氟醚羧酸（PFECAs）在化工和制造业中得到广泛应用，其中HFPO-DA（GenX）是最常用的替代品之一。值得注意的是，六氟丙烯氧化物四聚体酸（HFPO-TeA）经常作为HFPO-DA生产过程中的副产品产生，导致其环境排放量显著增加。根据检测数据，HFPO-TeA经常在含氟化学设施附近的河床沉积物中被检测到，最高浓度达到363 ng·g^-1[6,7]。同时，传统PFAS（如全氟己烷磺酸（PFHxS）仍然对环境和健康构成重大威胁。最近的研究表明，美国科罗拉多州暴露人群中PFHxS的中位血清浓度高达14.8 ng·mL^-1，约为全国平均水平的12倍[8]。因此，深入研究新型醚类替代品HFPO-TeA与传统全氟化合物PFHxS的环境行为和毒理学风险对于全面评估PFAS的健康暴露风险至关重要。

PFAS通过摄入或其他途径进入人体循环系统后，会与各种生物酶和血浆蛋白相互作用[9][10][11]。人类血清白蛋白（HSA）是血浆中最丰富的载体蛋白（浓度为35-50 g·L^-1）[12,13]，通常是PFAS的主要结合目标。PFAS与HSA之间的结合常数通常在10^4到10^6 M^-1之间，并且具有显著的结构依赖性，氟碳链越长，结合亲和力越强[14][15][16][17]。PFAS与HSA的高亲和力结合可以显著降低PFAS的自由分数，防止结合的PFAS被肾小球过滤，从而延长其在体内的半衰期[18]。跨物种研究发现，PFAS的自由分数（f_u）与半衰期之间存在显著负相关：PFOS在99.93%的人血浆中与HSA结合（f_u=0.07%），半衰期为3.3-5.4年。相反，结合力较弱的PFBA（f_u=23%）的半衰期仅为3.1天[19]。这证实了HSA的高亲和力结合是PFAS在体内滞留的关键因素。此外，PFAS会结合到HSA的药物结合位点（如Sudlow位点I），虽然不会显著改变HSA的整体骨架，但会改变局部微环境和二级结构（例如α-螺旋），从而影响HSA的内源性配体转运和生理功能。例如，PFOS使HSA的酯酶活性降低了71.4%[21]。因此，阐明HSA与PFAS相互作用的分子机制是理解PFAS人体毒代动力学和评估长期健康风险的重要前提。

早期的研究广泛探讨了HSA与线性PFAS（包括PFNA[22]、PFOA[23]、PFDA[24]和其他PFCAs[25]）的相互作用。这些研究建立了一个可预测的范式，即PFAS线性同系的结合亲和力与其氟碳链长度呈正相关[26]。然而，随着新型PFAS（如GenX和HFPO-TeA）的出现，这种基于链长的依赖性范式不再适用。醚氧原子或三氟甲基侧链的引入改变了这些新型PFAS的分子疏水性和空间构象，进而改变了它们与HSA的结合亲和力[27]。此外，现有的研究方法主要依赖于传统的生物物理方法（如荧光光谱），无法解析理解复杂配体识别所需的原子和电子层面的细节。因此，结合量子化学描述符和MD模拟的多尺度方法对于理解新型PFAS及其与HSA在电子-结构层面的相互作用至关重要。

本研究选择了新型替代品HFPO-TeA和传统物质PFHxS作为模型污染物，研究它们与HSA的相互作用。HFPO-TeA是一种含有三个醚氧键和三氟甲基侧链的支链全氟聚醚，而PFHxS是一种线性全氟己烷磺酸盐。研究采用了多光谱分析、DFT计算和MD模拟等多种尺度方法，旨在阐明HFPO-TeA/PFHxS与HSA之间的分子识别机制，并评估这些相互作用对HSA生理功能的潜在影响。通过对比支链醚结构与线性磺酸基团的分子识别特性，本研究为新兴PFAS替代品的毒代动力学建模和风险评估提供了坚实的机制基础。

章节摘录

化学物质与材料

人类血清白蛋白（HSA，纯度≥96%）、六氟丙烯氧化物四聚体酸（HFPO-TeA，CAS：65294-16-8）、钾全氟己烷磺酸盐（PFHxS，CAS：3871-99-6）和磷酸盐缓冲盐水（PBS）均购自Aladdin Reagents（中国上海）。特异性探针化合物（包括华法林[≥98%]、布洛芬[≥98%]和利多卡因[≥99%]）也来自同一供应商。HSA储备溶液（5.0×10^-6 mol·L^-1）在PBS（pH 7.4）中配制以用于实验

荧光淬灭与结合亲和力

通过荧光淬灭滴定实验阐明了两种PFAS与HSA之间的相互作用机制。如图1、图S1和图2所示，HSA的固有荧光主要来自其残基，在逐渐加入HFPO-TeA或PFHxS的过程中，荧光强度随浓度增加而降低。在298 K时，当配体与蛋白质的摩尔比为9时，HSA的荧光强度从580.0 a.u.降至312.4 a.u.（降低了46.1%）

结论

本研究通过多光谱表征、DFT计算和MD模拟，比较了新型支链替代品HFPO-TeA与传统线性PFHxS与HSA的结合特性和分子机制。研究表明，HFPO-TeA的蛋白质结合能力显著高于PFHxS。在298 K时，HFPO-TeA的结合常数K_b（1.72×10^4 L·mol^-1）约为PFHxS（8.17×10^3 L·mol^-1）的2.1倍。稳态实验表明...

致谢

感谢国家关键研发计划（青年科学家计划，2023YFC3210100）和徐州市科技计划（KC23405）的支持。本研究还得到了江苏省研究生创新计划（KYCX24_3180、SJCX25_1681、SJCX25_1719）的资助。同时，我们感谢常州大学的高性能计算集群系统（HPCCS-CCZU）在本研究中的化学计算和软件服务支持。

CRediT作者贡献声明

吴新兰：撰写——原始草稿、实验研究、数据分析。陈宇杰：验证、概念化。郑璐：数据可视化、验证、监督。郭洪光：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件开发。王柳红：软件开发、数据管理。蔡如涛：监督、软件开发、数据管理。杜二登：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、数据可视化、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。