化学生物学-第八章-化学物质与核酸的相互作用

第八章化学物质与核酸的相互作用核酸重要的生命物质基础，对生物的生长发育和繁殖等有重要作用。化学物质与核酸相互作用破坏其模板作用使核酸链断裂，影响基因调控。影响表达功能。研究核酸的结构和功能抗肿瘤、病毒药物机制癌变机理和预警标示物作用的效果生物探针相互作用的亲和力及键合选择性作用模式及其生物活性之间的关系研究内容化学物质的类型各类核酸探针药物诱变剂和致癌物荧光探针、电化学探针等，如：吖啶、吩噻嗪、喹啉类分子、金属卟啉类分子等。抗肿瘤、抗病毒的药物，如:顺铂、阿霉素等。多环芳烃类分子，如:苯并芘等。第一节化合物致突变作用基因一般认为是稳定的，但其稳定性也不是绝对的，DNA结构的改变将导致相应蛋白质一级结构（氨基酸顺序）的变化，从而引起生物特征或性状发生变异。所以，一切生物的变异和进化都可以认为是由于DNA结构的改变而引起蛋白质组成和性质变化的结果。生物体内的基因（DNA）在许多物理、化学、生物等因素的影响下也会发生变化。DNA核苷酸顺序或数目发生改变常常是DNA在复制过程中出现错误产生的。由于DNA是具有复制功能的分子，一旦DNA碱基顺序出错，它就会通过复制机制遗传下去。由于DNA碱基顺序的改变引起生物遗传性状显著变化的现象，称为基因“突变”。一、基因突变的类型单碱基改变大段损伤插入重复缺失化学本质移码碱基置换移位突变的结果1，碱基置换碱基置换是某一碱基配对性能改变或脱落而引起的突变。此时首先在DNA复制时会使互补链的相应位点配上一个错误的碱基，即发生错误配对。这一错误配上的碱基在下一次DNA复制时却能按正常规律配对，于是一对错误的碱基置换了原来的碱基对，最终产生碱基对置换或简称碱基置换。原来的嘌呤被另一种嘌呤置换，或原来的嘧啶被另一种嘧啶置换，都称为转换；原来的的嘌呤被任一种嘧啶置换，或与此相反，原来的嘧啶被任一种嘌呤置换，都称为颠换。无论是转换还是颠换都只涉及一对碱基，是名符其实的点突变，其结果可造成一个三联体密码子的改变；此时可能出现同义密码、错义密码或终止密码。由于错义密码所编码的氨基酸不同，于是基因表达产物的蛋白质有可能受到某种影响，终止密码可使所编码的蛋白质肽链缩短。2，移码移码是DNA中增加或减少了一对或几对不等于3的倍数的碱基对所造成的突变。由于碱基序列所形成的一系列三联体密码子相互间并无标点符号，于是从受损位点开始密码子的阅读框架完全改变，故称移码。其结果是从原始损伤的密码子开始一直到信息末端的氨基酸序列完全改变；也可能使读码框架改变其中某一点形成无义密码，于是产生一个无功能的肽链片段，移码较易成为致死性突变。如：少了或多了一对或几对碱基.3,大段损伤大段损伤是DNA链大段缺失或插入。这种损伤有时可跨越两个或数个基因，涉及数以千计的核苷酸。缺失的片段远远小于光学显微镜可观察到的染色体缺失，故称小缺失。它往往是DNA断裂的结果，有时在减数分裂过程中发生错误联合和不等交换也可造成小缺失。小缺失通常可引起突变。小缺失游离出来的DNA片段可整合到另一染色体某一位置而形成插入。每次整合都可发生突变。小缺失的片段也可倒转后仍插入原来位置而造成基因重排。二、化学诱变剂及其作用原理能够提高生物体突变频率的物质即为诱变剂。大多数诱变剂在诱发生物体发生突变的同时造成生物体的大量死亡。诱变剂的作用原理很多，目前使用的诱变剂基本上可分为物理诱变因子、化学诱变剂和生物诱变因子三大类。下表列出了一些常用的化学诱变剂类型、性质、作用机制和主要生物学效应。部分常用化学诱变剂的类型及作用名称性质作用机制主要生物学效应亚硝酸（HNO2）脱氨基诱变剂碱基脱氨基作用DNA交联；碱基缺失；碱基对的转换5-氟尿嘧啶（5-FU）5-溴尿嘧啶（5-BU）碱基类似物代替正常碱基掺入到DNA分子中碱基对转换吖啶黄、吖啶橙移码诱变剂插入碱基对之间碱基排列产生码组移动氮介(NM)、乙烯亚胺(EI)、硫酸二乙酯(DES)、甲基磺酸乙酯(EMS)、亚硝基胍(NTG)、亚硝基甲基脲(NMU)烷化剂（双功能）烷化剂（单功能）碱基烷基化作用DNA交联；碱基缺失；引起染色体畸变碱基对的转换或颠换1，烷化剂类烷化剂类化合物是能与一个或几个核酸碱基起化学反应，从而引起DNA复制时碱基配对的转换而发生遗传变异的化学物质。这是一类在微生物诱变育种中普通使用的化学诱变剂。烷化剂类诱变剂诱发突变的原理是由于这些诱变剂分子中有一个或多个活性烷基，它们能够转移到DNA分子中电子云密度极高的化点上去置换氢原子进行烷化反应。如在DNA分子中最可能的烷化位点似乎是鸟嘌呤的N-7、N-3位、腺嘌呤的N-3位、胞嘧啶的N-3位等。胸腺嘧啶不能发生烷化作用。SCH2CH2ClCH2CH2ClNCH2CH2ClCH2CH2ClHOCH2CH2OCH2CHCHCH2OCH3CH2SOOOCH3CH3SOOOCH3NHCH2CH2SOOCH3CH2OOCH2CH3CH3NNCH2CH2OCO硫芥子气氮芥环氧乙烷二环氧丁烷乙基磺酸甲酯甲基磺酸甲酯乙烯亚胺硫酸二乙酯-丙酸内酯重氮甲烷H3CNNOCOCH2CH3OCH3CH2NCH3CH2NOCH3NNOCNHNHNO2N-亚硝基-N-甲基烷尿二乙基亚硝胺N-甲基-N'-硝基-N-亚硝基胍碱基环氮原子的烷基化反应在一定条件下，碱基环上的氮原子可以发生烷基化反应。在同样条件下，U和T基本上不起反应。应用CH2N2作为烷基化剂，则所有碱基都能发生上述反应。HNN+H2NOCH3NNRNNRN+NNH2CH3NN+NH2CH3NNRNNNH2N+NRCH3N+NRCH3HNNH2NON+NNH2ORCH3烷基化后的生物学效应DNA分子中的碱基烷基化后的生物学效应主要是，鸟嘌呤的N-7位烷化后，由于分子重量加大，使其与核糖的结合链容易发生水解作用而脱落。鸟嘌呤脱落形成缺口，在生物体自行修补过程中容易产生错误而引起碱基对排列顺序的改变，引起遗传密码子的改变而产生基因突变。DNA分子中的鸟嘌呤是酮式结构与胞嘧啶正常配对。烷化后的鸟嘌呤常以烯醇式结构存在。烯醇式鸟嘌呤由于化学结构的对应关系不能与胞嘧啶配对而与胸腺嘧啶错误配对，便产生碱基对的转换。NNOCH3OHPPPPPPNNNNNOHHHCH2CH2NHCH2CH2ClG：T烷化鸟嘌呤的错误配对是烷化剂诱变的主要原因。脱嘌呤作用结果往往是致死作用多于诱变作用。此外其产生的生物学效应还有烷化后的烷基与另一链上的鸟嘌呤的N-7位烷化而产生DNA链间的交联。烷化后的碱基由于烷化部分带上活性烷基所产生的重量造成碱基开环。2，碱基类似物诱变剂某些化学诱变剂是与天然碱基化学结构十分接近的类似物，它能掺入到DNA分子中而引起遗传变异，即碱基类似物诱变剂。这类诱变剂包括5-溴尿嘧啶(5-BU)、5-氟尿嘧啶、5-氨基尿嘧啶、6-氯胸腺嘧啶、2-氨基嘌呤、6-氯嘌呤和8-氮鸟嘌呤等类似物。碱基类似物诱发基因突变是导致碱基对的转换，也可回复突变。如5-溴尿嘧啶是胸腺嘧啶的结构类似物，它在生物体内以烯醇式和酮式互变结构存在。当5-溴尿嘧啶以烯醇式状态存在时，它能与鸟嘌呤相配对，当以酮式状态存在时它能与腺嘌呤相配对。因此，在机体缺乏胸腺嘧啶时，5-溴尿嘧啶较容易掺入到DNA分子中去。在掺入过程中，会出现两种情况：(1)掺入错误如果5-溴尿嘧啶以烯醇式状态“错误地”掺入到DNA分子中正常的非互补碱基的相对位置上时，则其相对位置上是鸟嘌呤而不是腺嘌呤。在掺入后的第一次复制时，5-溴尿嘧啶又以酮式状态与腺嘌呤相配对，则在第二次复制以后就引起碱基对从G：CA：T的转换。NNOBrRPOHNNNNRPHNHHO鸟嘌呤(G)5-溴尿嘧啶(5-BU)(2)复制错误当5-溴尿嘧啶以酮式状态正确地掺入到正常互补碱基的相对位置上时，则5-溴尿嘧啶的相对化置上是腺嘌呤，在掺入后的第一次复制时，由于它变为烯醇式状态而错误地与鸟嘌呤配对，则在第二次复制以后5-溴尿嘧啶又引起碱基对从A：TG：C转换。NNOOHBrRPNNNNNHHRP腺嘌呤(A)5-溴尿嘧啶(5-BU)3，移码诱变剂有些大分子能以静电吸附形式嵌入DNA单链的碱基之间或DNA双螺旋结构的相邻多核苷酸链之间，称嵌入剂。它们多数是多环的平面结构，特别是三环结构，其长度为0.68nm，恰好是DNA单链相邻碱基距离的两倍。如果嵌入到新合成的互补链上，就会使之缺少一个碱基，如果嵌入到模板链的两碱基之间就会使互补链插入一个多余的碱基。无论多或少1个碱基都会造成移码。如表阿霉素在较低浓度(50g/ml)作用30min，即可显示明显的嵌合效应且不可逆转。吖啶类化合物这类诱变剂包括吖啶黄、吖啶橙等吖啶类化合物。吖啶类化合物插入DNA双螺旋的邻近碱基对之间使DNA链拉长，两个碱基对之间的距离由3.4A增大到6.8A，同时由于吖啶类化合物的插入，造成DNA链上碱基的添加或缺失，这样在DNA复制时，突变点以下的碱基配对发生错误，引起所有遗传密码的转录、翻译错误而造成突变。这种由于遗传密码移动而产生的突变体称为码组错位突变体。NH2NNH2NNH2前黄素5-氨基吖啶吖啶橙吖啶类化合物向DNA链中间插入的示意图4，脱氨基诱变剂有些化学物可对碱基产生氧化作用，改变或破坏碱基的化学结构，有时引起链断裂。例如，亚硝酸能使腺嘌呤和胞嘧啶发生氧化脱氨，分别变为次黄嘌呤和尿嘧啶；羟胺能使嘧啶C-6位的氨基变为羟氨基。这些改变都会造成转换型碱基置换。亚硝酸亚硝酸是常用的脱氨基诱变剂，其作用机理主要是脱去碱基分子中的氨基使腺嘌呤(A)脱去氨基变成次黄嘌呤(H)、胞嘧啶(C)变成尿嘧啶(U)，鸟嘌呤(G)变成黄嘌呤(X)。胞嘧啶核苷在亚硝酸作用下，可以形成重氮盐，再转变为尿嘧啶核苷。因此生物体内亚硝酸的存在有可能改变DNA的碱基组成。NNNH2ORHONONNN2+ORH2ONNOHORHNNOROATHCGC的转换腺嘌呤脱去氨基变成次黄嘌呤后，其b位C原子部分变为酮基不能按原来的配对原则与胸腺嘧啶(T)相联，因为T的b位C原子上也是酮基，而只能与b位C原子是氨基的胞嘧啶(C)配对。同理，胞嘧啶脱去氨基转变为尿嘧啶，不能与鸟嘌呤配对，只能与腺嘌呤配对。便造成ATHCGC和GCUATA碱基对的转换，从而引起遗传信息的错误而造成突变。NNNNHNHHPPP(A)NNOOCH3HPPP(T)NNNNHPPPO(H)NNOPPPNHH(C)NNNNHPPPONHH(G)NNOPPPNHH(C)四、化学致癌物质及其作用机制癌症是严重危害人类健康的疾病之一，据医学专家估计，各国的发病率均在1%以上，占死亡人数的12%～15%。人类癌症约有80%～90%是受环境因素影响而产生的，其中化学致癌物是环境中的主要致癌因素，因此，深刻认识癌症产生的环境因素并进行有效的防治就成了生命科学领域中的重大研究课题。化学致癌物(chemicalearcinosen)使正常细胞转化为癌细胞称为致癌(carcinogenesis)。化学致癌物能引起癌症的化学物质称为化学致癌物。化学致癌物可分为直接致癌物、间接致癌物和促癌物三大类。直接致癌物是指进入机体后不需经体内代谢转化，直接作用于细胞中的大分子化合物(RNA、DNA、蛋白质等)而引起癌症的物质，如某些烷化剂、亚硝酰胺类物质。间接致癌物是指在体内需经代谢活化才与大分子化合物结合的致癌物，如多环芳烃类、亚硝胺类、芳香胺等。促癌物是指本身并不致癌，但当它与致癌物同时作用时，能明显地强化致癌的一类物质，如巴豆油、丙酮、酚、氧化铁粉尘和咖啡因等。大多数化学致癌物属于间接致癌物。体内活化作用主要靠脏脏中的微粒体混合功能氧化酶进行，使原来未经活化不具有致癌性的化学物质--前致癌物变成近致癌物，最终变成有活性的终致癌物，而与生物大分子化合物结合，在远离作用部位引起癌肿。有机致癌物大致可分为多环芳烃类、芳香胺类、偶氮类、亚硝胺类及亚硝酰胺类、烷化剂类、内酯类、性激素、霉菌毒素等等。其中多环芳烃、亚硝