金属配合物与DNA相互作用

小组成员：胡亚楠王晴晴金属配合物与DNA相互作用配位化合物是一类含有中心金属原子（M）和若干配位体（L）的化合物（MLn）。中心原子M通常是过渡金属元素的原子，具有空的价轨道；而配位体L则有一对或一对以上的孤对电子。M和L之间通过配位键结合，成为带电的配位离子，配位离子与荷异性电荷的离子结合，形成配位化合物。有时中心原子和配位体直接结合成不带电的中性配位化合物分子。一、配位化合物二、DNA结构DNA是一种柔性生物大分子，其结构可分为一级结构、二级结构和三级结构。一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序，DNA顺序或序列顺序(或序列结构顺序或序列)是这一概念的简称。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。一级结构DNA一级结构DNA的二级结构就是DNA的双螺旋结构，它是于1953年两个年青的科学家Watson和Crick建立的。这是一个能够从分子水平上阐明遗传基本特征的DNA二级结构，它使长期以来神秘的DNA成为了真实的分子实体。这是分子生物学诞生的标志，并开拓了生物化学和分子生物学发展的未来。二级结构DNA双螺旋结构示意图双螺旋稳定的因素：碱基堆积力DNA分子内部碱基对疏水的芳环堆积所产生的疏水作用力和上下相邻的芳环的π电子的相互作用即称为碱基堆积力，这是维持DNA双螺旋最主要的作用力。两条多核苷酸链间的互补碱基对之间的H键用。主链上带负电荷的磷酸基与溶液中的阳离子之间形成的离子键也是维持双螺旋结构的作用力。DNA三级结构是指DNA分子在二级结构的基础上进一步扭曲和折叠所形成的特定构象。包括线形双链中的扭结、超螺旋、多重螺旋等多种形式。超螺旋是DNA三级结构的最常见的形式。环状分子、线形双螺旋分子两端连接起来或因蛋白质结合而固定时，进一步扭曲都可形成超螺旋。三级结构DNA的一般物理性质溶解特性：DNA为白色纤维状固体，微溶于水，呈酸性，加碱可促进溶解。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂，因此常用有机溶剂(如乙醇)来沉淀DNA。分子的形状及粘度：DNA分子极为细长，因此DNA溶液的粘度很大，加入乙醇后可用玻璃棒将黏稠的DNA搅缠起来。DNA刚性：DNA溶液是呈黏稠状，但DNA双螺旋结构实际上显得僵直具有刚性，经不起剪切力的作用，容易断裂成碎片，这也是目前难以获得完整大分子DNA的原因。降解：溶液状态的DNA易受DNA酶的作用而降解，抽干水分的DNA的性质却十分稳定。三、DNA的性质DNA分子中的嘌呤碱基和嘧啶碱基具有共轭体双键，对260～290nm波段的紫外光有极强的吸收，其最高吸收峰接近260nm。由于蛋白质在这一光区仅有很弱的吸收，因此可利用这一光学特性来定量地检测DNA。DNA在260nm处的光吸收值比组成它的各种核苷酸的光吸收值要小得多(约少30%～40%)，这是因为DNA分子中的碱基紧密地堆积在一起造成的。DNA的紫外吸收性质其他性质，如变性与复性过渡金属配合物与核酸DNA的反应可以分为两类：一类是金属配合物的氧化还原反应，从而造成DNA的氧化；另一类是金属离子与糖磷酸酯骨架配位，使核酸水解。四、金属配合物与DNA的反应DNA中富电子的碱基是金属配合物进攻的首选靶子之一。金属配合物在一定条件下(光照或有辅助氧化剂、还原剂)，进攻核苷酸的戊糖或碱基部位，通过产生扩散或不扩散的羟基自由基、单线态氧分子、配体自由基或光电子转移等，引起一系列化学反应，使DNA链发生氧化断裂。氧化还原反应水解使得磷酸二酯键断裂比氧化还原造成的裂解更有优越性，因为这样不破坏碱基，可以保持遗传信息，也比较容易使裂解产物重新组合起来。金属离子和配合物对促进磷酸二酯键水解能够发挥的有效作用，在于他们具有Lewis酸的功能，可以使磷-氧键激化，有利于其断裂水解反应也可以提供已配位的亲核配体给磷，形成五配位的磷酸酯中间产物。简单金属离子如Zn2+，Pb2+对RNA水解的促进作用也已为人们所了解。金属配合物与DNA的作用方式主要要非共价结合，其中包括静电结合、嵌插作用、沟内结合等；共价结合和剪切作用。静电结合一般认为静电结合作用于带负电荷的DNA双螺旋结构外部，没有选择性[1]。有报道[2]认为核酸分子表面由静电力形成的水化层中的水分子的排列与碱基有关。DNA与配合物作用方式沟内结合是与DNA的大沟或小沟的碱基对边缘直接发生相互作用，大分子蛋白质结合于DNA的大沟槽中，而大多数小分子则是在小沟槽内作用。小沟槽内是A,T富集区，小分子通过与胸腺嘧啶碱基C-2上的羰基氧或腺嘌呤碱基N-3上的氮形成氢键与A-T碱基结合。嵌插结合即在碱基对之间嵌入平面的或几乎平面的芳香环系统，嵌插结合的作用力来自芳环的离域p体系与碱基的p体系间p-p相互作用。通常稠环体系都倾向于结合在GC富集区，而对于一些含有庞大取代基的分子，如吡啶环取代的卟啉分子在与DNA作用时，吡啶环取代基会尽量旋转，以保持与母环的共平面，从而形成良好的堆积形状与DNA碱基嵌合。当DNA靶向分子嵌入DNA碱基对之间后，有的可以直接抑制DNA复制与转录；有的则在经过进一步活化后，使DNA断裂受损而影响其功能。金属配合物与DNA作用的位点(大沟、小沟)、作用的形式(插入、沟结合、静电作用)、有无构型选择或碱基序列选择，需要用多种方法加以确定。常用的研究技术有光谱学方法、NMR技术、流体力学方法，另外还有热力学方法、电化学方法和序列凝胶电泳等。常用研究方法及其特点由于双螺旋结构的DNA分子含有芳香碱基和磷酸生色基团，其电子吸收光谱在260nm左右有一强的吸收峰[3，4]，许多DNA靶向分子或本身具有光学活性，或与DNA结合后产生光学活性，因此用光谱方法通过考察DNA结合其靶向分子后结构上的变化来研究其结合机理，是非常有效和应用最为广泛的方法紫外光谱法其中紫外／可见吸收光谱法是研究小分子与核酸相互作用的一种最常用、最方便的技术。某些小分子如金属配合物亦有吸收谱带，可根据其与DNA相互作用前后DNA或其它分子的吸收谱带的变化对二者相互作用模式进行判断。(1)对于DNA的吸收光谱来说，如导致分子的轴向变化即其构象变化，则产生减色效应及红移现象，且光谱变化的大小与其结合力相关联，即作用越强减色效应越明显；如导致DNA双螺旋结构的破坏，则产生增色效应[3]。增色效应说明配合物可能与其腺嘌呤碱基嵌入到DNA双螺旋碱基对间，引起构成碱基堆积力的疏水作用力和范得华力的相应改变，影响了DNA构象与结构的稳定。(2)对于金属配合物等分子的特征吸收谱带，加入DNA后，如该分子与DNA发生嵌插作用，则该分子的电子吸收光谱的吸收峰位置红移，强度减小：因为插入配体与DNA碱基对可发生π电子堆积，作用配体的π*空轨道与碱基的π电子轨道发生偶合，使能级下降，从而导致π→π*跃迁能减小，产生红移现象；同时，偶合后的π*轨道因部分填充电子，使π→π*跃迁几率减小，产生减色效应[5]。如该分子与DNA发生静电作用或沟槽作用，则紫外可见吸收光谱峰将出现较小的红移，且减色效应不明显[4]。热和碱的作用可以破坏DNA双螺旋结构，使双链变成单链，吸光度A260增大。小分子与DNA结合后会给这种变性带来影响，进而也可考虑小分子与DNA的作用方式嵌插作用对DNA的双螺旋结构起稳定作用，可导致熔解温度Tm值增大5-8oC，而非嵌插作用的小分子不会使Tm值增大如此明显。Ganesh等[6]报道了阳离子表面活性剂与寡聚核苷酸作用后A260随温度的变化曲线为Sigma曲线，由此推断阳离子表面活性剂首先通过静电作用与寡聚核苷酸结合，然后在疏水力的驱动下以协作方式结合于相同的寡聚核苷酸上，从而使溶液中同时存在两种寡聚核苷酸即自由的和与表面活性剂结合的寡聚核苷酸，最终导致出现两个熔链温度。跟踪小分子与DNA作用前后A260随pH的变化情况，也可判断小分子与DNA之间的作用方式。李文友[7]等研究了Ge-132与DNA的相互作用，在Ge-132不存在的情况下，DNA碱变性的pHb为12．27，而变性后增色26％；而在Ge-132存在下，DNA碱变性的pHb为12．90，变性后增色14％，因此初步判断：Ge-132以嵌插方式与DNA发生了作用。[1]靳兰,杨频,李青山.高等学校化学学报.1996,17:1345.[2]Z.Shakked,G.Guzikevich-Guerstein,F.Frolow.Nature,1994,368:469.[3]沈同,王镜岩.生物化学(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1990.54～68．[4]凌连生,杨洗,何治柯等.Ru(bipy)2(dppz)2+与DNA相互作用的光谱研究[J].分析科学学报,2001,17(1):11-15.[5]李红,乐学义,吴建中等.铜(II)邻菲咯啉蛋氨酸配合物与DNA相互作用的研究[J].化学学报,2003,61(2):245～250.[6]敬登伟,张剑,谢克昌等.DNA与表面活性剂的相互作用(I)-基于相行为的宏观研究进展[J]．化学通报，2003，(9)：579～586．[7]李文友,朱守田,何锡文等.光谱法研究Ge-132与DNA的作用机理[J].化学学报,2002,60(1):105-108.