（微生物学专业论文）稀土络合物的合成、抑菌性及抑菌机理的研究.pdf

摘要 本文合成了e ut bl a yg d 五种稀土元素的一系列络合物，并对所合成稀土络合物 的物理化学性质以及抑菌性进行了测定，进而对稀土元素抑菌机理进行了初步探索。 利用稀土元素e u n l a y g d ，以q 萘甲酸、p 蔡甲酸、口萘乙酸、b 萘乙酸为第一 配体，以l ，1 0 邻菲哕啉为第二配体合成了e u ( a n m a ) ，p h e n h 2 0 、t b ( a - n m a ) 3 p h e n h 2 0 、l a ( a - n m a ) 3 p h e n 、g d ( a - n m a ) 3 p h c n h 2 0 、y ( a - n m a ) 3 p h c ne u ( a - n a a ) 3 p h e n 、t b 0 - n a a ) 3 p h e n 、l a ( a n a a h p h e n 、y ( a - n a a ) 3 p h c n 、o d ( a - n a a ) 3 p h c n 、 e u f l 3 - n a a ) 3 p h c n 、t b ( b - n a a h p h e n 、l a ( j 3 - n a a ) 3 p h c n 、y ( p - n a a ) 3 p h e n 、g d ( b n a a ) 3 p h c n - h 2 0 共1 9 种稀土络合物，成品为白色干燥粉末，都有较好的热稳定性。 通过滤纸条扩散法对所合成稀土络合物进行了抑菌谱的测定，发现稀土络合物较单 纯的稀土离子及配体对不同菌株均表现较强的抑制作用，具有广谱抗菌性能：从中选取 埃希氏大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，绿脓杆菌，酵母菌，表皮杆菌，枯草芽孢杆菌六种 不同类型的菌种为代表，采用滤纸片扩散法，对所合成的稀土配合物以及相应配体的抑 菌能力进行测定及比较，结果显示稀土氯化物和各酸性配体抑菌圈直径基本上小于等于 1 0m m ，没有明显的抑菌效果：配体p h e n 的抑菌圈直径在1 l 2 lm m ，各配合物的抑菌 圈直径在1 5 2 8 5r a m ，说明p h e n 和各配合物均有较好的抑菌效果，且相同浓度时配合 物的抑菌效果明显强于邻菲哆啉：并通过比较发现同种络合物对于不同的菌株络合物表 现不同的抑菌性能，当稀土离子相同改变酸性配体时，配合物对实验菌的抑制作用会发 生相反的变化：最后测定了各络合物的最低抑制浓度( m i c 值和m b c 值) ，m i c 值为 4 3 5 p g m l 。m b c 值为8 7 p g m l 。 通过观察稀土络合物作用前后的菌体形态变化来确定稀土络合物是否作用于菌体 表面结构；并根据稀土元素在紫外激发下发荧光的原理，通过荧光倒置显微镜观察，对 稀士络合物的菌体作用位点进行了初步的定位，结果发现稀土络合物可吸附在菌体表 面：电子扫描显微镜观察发现稀土盐离子，p h e n ，稀土络合物均对细菌形态有不同程度 的破坏，并且稀土盐离子，稀土络合物可吸附于菌体表面，而p h e n 在菌体表面无吸附 现象，这与荧光倒置显微镜的观察结果一致。因此，稀土络合物对菌体的抑制作用的机 理，可以是破坏了菌体形态，破坏了细菌细胞壁，破环了细菌细胞膜，还有可能破坏了 i l l 细菌生命赖以生存的酶系统，破坏了菌体的遗传物质。 i v 关键词：稀土络合物抑菌抑菌机理 a b s 仃a c t i nt h i sp a p e r ，w eh a v es y n t h e s i z e das e r i e so fc o m p l e x e so fr a r ee a r t he l e m e n t s ，a n dt h e p h y s i c a la n dc h e m i c a ln a t u r eo ft h er a r ee a r t hc o m p l e x e sw c i em e a s u r e d 弱w e l la st h e a n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e s i na d d i t i o nt h ea n t i b a c t e r i a lm e c h a n i s mo ft h er a r ee a r t he l e m e n t s w e r ep r e l i m i n a r i l ye x p l o r e d e u ( a - n m a ) 3 p h e n h 2 0 、t b ( a - n m a ) 3 p h e n h 2 0 、l a ( a - n m a ) 3 p h e n 、g d ( a n m a ) 3 p h e n h 2 0 、y ( a - n m a ) 3 p h e ne u ( a - n a a ) 3 p h e n 、t b ( c t - n a a ) 3 p h e n 、l a ( a - n a a ) 3 p h e n 、 y ( a - n a a ) 3 p h e n 、g d ( a - n a a ) 3 p h e n 、e u ( 1 k n a a ) 3 p h e n 、t b ( p - n 从) 3 p h e n 、l 丑( p n 从) 3 p h e n 、 y ( p - n a a ) 3 p h e n 、g d ( 1 3 - n a a ) 3 p h e n 。h 2 0w e r es y n t h e s i z e du s i n gt h er a r ee a r t he ut bl ay g d ，t h ef i r s tl i g a n da - n a p h t h o i ca c i d ，1 3 - n a p h t h o i ca c i d ，a - n a p h t h a l e n e a e e t i ca c i d ，p - n a p h t h a l e n ea c e t i ca c i da n dt h es e c o n dl i g a n dl ，10 p h e n a n t h r o l i n e t h e19k i n d so fr a r e e a r t hc o m p l e x e sw e r ed r yw h i t ep o w d e r ，a n de x h i b i t e dg o o dt h e r m a ls t a b i l i t y t h ea n t i b a c t e r i a ls p e c t r u mo ft h er a r ee a r t hc o m p l e x e sw a sd e t e r m i n e db yt h ef i l t e rp a p e r d i f f u s i o nm e t h o d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea n t i b a c t e r i a la c t i v i t yo ft h e mt od i f f e r e n t t y p e so fs t r a i n sw a ss t r o n g e rt h a nt h ep u r er a r ee a r t hi o n sa n dt h el i g a n d s ，w h i c hw i t hb r o a d - s p e c t r u ma n t i - b a c t e r i a lp r o p e r t i e s ；e s c h e r i c h i ac o l i ，s t a p h y 7 l o c o c c u sa u r e u s ，p s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a , y e a s t ，s k i nb a c t e r i aa n d b a c i l l u ss u b t i l i sw e r es e l e c t e da sr e p r e s e n t a t i v e s ，t h e a n t i b a c t e r i a lc a p a c i t yo ft h er a r ee a r t hc o m p l e x e sa n di t sl i g a n d sw a sd e t e r m i n e db yt h ef i l t e r p a p e rd i f f u s i o nm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n h i b i t i o nz o n ed i a m e t e ro ft h er a r ee a r t h c h l o r i d e sa n dt h ea c i d i cl i g a n d sw a se q u a lt oo rl e s st h a n10m m b a s i c a l l y ，w h i c hh a dn o a p p a r e n ti n h i b i t o r ye f f e c t ；w h i l et h ei n h i b i t i o nz o n ed i a m e t e ro ft h el i g a n dp h e nw a sa b o u t 1 1 2 lm m ，t h ei n h i b i t i o nz o n ed i a m e t e ro f t h er a r ee a r t hc o m p l e x e sw a sa b o u t1 5 - 2 8 5m i l l ， w h i c hi l l u s t r a t e dt h a tp h e na n dt h ec o m p l e x e sa l lh a db e t t e ra n t i b a c t e r i a le f f e c t y e t ，w h e nt h e c o n c e n t r a t i o nw e r es a m e ，t h ea n t i b a c t e r i a le f f e c to ft h ec o m p l e x e sw a sb e t t e rt h a nt h a to ft h e p h e n w ea l s of o u n dt h a to n ek i n do fc o m p l e x e sc o u l dd i s p l a yd i f f e r e n ta n t i b a c t e r i a le f f e c t s a g a i n s td i f f e r e n ts t r a i n s ，a n dw h e nt h ea c i d i cl i g a n d sc h a n g e d ，t h ea n t i b a c t e r i a le f f e c to ft h e c o m p l e x e sw o u l dc h a n g ea c c o r d i n g l y f i n a l l y ，t h em i ca n dt h em b co ft h er a r ee a r t h v c o m p l e xw e r ed e t e r m i n e da st h em i c i s4 3 5 t t e m ia n dt h em i bi s8 7 t t g m i t h ec h a n g e so ft h et h es h a p eo ft h es t r a i n sw e r eo b s e r v e db e f o r ea n da f t e rt h et r e a t m e n t o ft h ec o m p l e xt oc o n f i r mw h e t h e rt h ec o m p l e x e sc o u l da f f e c tt h ec e l ls u r f a c es t r u c t u r e ；a n d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a tt h er a r ee a r t he l e m e n t sc o u l ds e n do u tf l u o r e s c e n c eu n d e rt h e u ve x c i t a t i o n ，ap r e l i m i n a r yp o s i t i o n i n gt ot h er o l eo fc e l lp o s i t i o nw a so b s e r v e db yu s i n g f l u o r e s c e n c ei n v e r t e dm i c r o s c o p ea n df o u n dt h a tt h er a r ee a r t hc o m p l e x e sc o u l db ea t t a c h e d t ot h et h ec e l ls u r f a c e t h er a r ee a r t hi o n s ，p h e na n dt h ec o m p l e x e sc o u l dd a m a g et h es h a p eo f t h ec e l lb yo b s e r v i n gw i t hs e ma n dt h er a r ee a r t hi o n sa n dt h ec o m p l e x e sc o u l da l s oa b s o r b o nt h ec e l ls u r f a c ew h i l et h ep h e nc o u l dn o t , w h i c hw a sa c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l to ft h e f l u o r e s c e n c ei n v e r t e dm i c r o s c o p e t h ea b o v er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er a r ee a r t hm a y b e d a m a g et h ec e l ls u r f a c eo r t h em e m b r a n eo re n z y m e sa n ds oo n v l k e yw o r d s ：r a r ee a r t hc o m p l e x e s b a c t e r i o s t a t i cb a c t e r i o s t a t i em e c h a n i s m 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文稀土络合物的合成、抑菌性及抑菌机理的研究，是在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：飒跌 少j 7 年岁月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ：茬确、氓 如。罗年f 月2 多日 千 )，1釉泊猁刁确f椰，哗 i y c1， 教v 。黝一 熊a 子 ，芬 专“日 1 九哆 名月 堑r 币年 i，自，f 刻彳， 导抄 引言 稀土元素包括化学元素周期表中镧系元素一镧( l a ) 、铈( c e ) 、镨or ) 、钕( n d ) 、 钷( p m ) 、钐( s m ) 、铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽、镝( d y ) 、b ：0 i o ) 、铒( e r ) 、铥( 1 m ) 、镱( n ) 、 镥( l u ) ，以及与镧系的1 5 个元素密切相关的两个元素镜( s c ) 和钇( y ) 共1 7 种元 素，它们总称为稀土元素( r a r ee a r t h ) ，简称稀土( r e 或r ) 。 我国稀土资源非常丰富，稀土在各领域应用广泛，近年来，稀土在生命科学领域的 研究不断深入，发现其不但有独特的生理生化特性。同时还有很好的抗菌、消炎、抗肿 瘤等作用。并且在探索抑菌机理的理论基础上，稀土元素这些独特的性质得到了广泛的 应用。 在9 0 年代研究初期，人们证明稀土离子具有较好的抑菌性，然而稀土离子的抗 菌作用，相对于常规的化学杀菌剂，抗生素等较弱。随着研究的深入，人们又发现，当 稀土离子与一些相应的配体络合，如氨基酸、蛋白质、咪唑、邻菲咯啉、s c h i f f 碱等， 就会表现出比单纯离子或单纯配体更强的抑菌效果。 而对于稀土络合物的抑菌机理，研究仍处于探索阶段，目前尚没有较好的解释。不 过，人们已逐渐从分子水平上来研究稀土的生物活性。已有文献报道，稀土可与细胞 壁、细胞膜、酶、蛋白质、d n a 、r n a 作用：细菌细胞壁主要成分为肽聚糖和磷壁酸， 在弱酸性条件下，稀土配合物中的n h ，+ 与细菌细胞壁所含的肽聚糖和磷壁酸等解离 出的阴离子结合，影响了细胞壁的通透性，阻碍了营养物质进入微生物体内，限制了微 生物的生长繁殖；稀土离子或稀土配合物可与肽聚糖中的c o o h ，c = 0 或磷壁酸中的 p = o ，p o 作用后，肽聚糖或磷壁酸的构象发生改变，形成细胞壁通道，稀土离子 或稀土配合物进入细胞内，与细胞内的d n a 、酶、蛋白质等生物分子作用，并可阻碍d n a 到r n a 的转录，使细胞的生长代谢受到抑制；由于稀土配合物中含有的邻菲咯啉， 它与生物分子如d n a ，r n a 等有很强的亲合性，而d n a ，r n a 是传递信息的物质 基础，所以稀土配合物的生物活性明显优于稀土离子，更易通过细胞膜进入细胞，导致 细胞死亡。此外，稀土离子与c a 2 + 半径相似，与o 、s 、n 等的络合能力大于c a 2 + ， 是c a 2 + 优异的拮抗剂。这些可能与稀土的抑菌性有很大的关系。 本文利用稀土元素e u t bl a y g d ，以a 一萘甲酸、b 萘甲酸、a 萘乙酸、口萘乙酸为 第一配体，以l ，1 0 邻菲哕啉为第二配体，合成了e u ( a - n m a ) 3 p h e n h 2 0 等1 9 种稀土 络合物，并对其抑菌性能作了研究，实验证明，稀土络合物对本文所选菌株均表现出良 好的抑制效果，稀土配合物的抑菌作用较简单的稀土盐和配体明显增强：其抑菌性呈 剂量效应。此外，还从形态观察入手，观察稀土络合物作用前后的菌体形态变化来确定 稀土络合物是否作用于菌体表面结构，根据稀土元素在紫外激发下发荧光的原理，通过 荧光倒置显微镜观察，对稀土络合物的菌体作用位点进行了初步的定位，结合电子扫描 显微镜观察，来确定稀土络合物对菌体形态是否有破坏作用。 2 1稀土元素及其络合物生物效应研究进展 近年来，稀土在生命科学领域的研究不断深入，发现其具有独特的生理生化特性， 同时还有很好的抗菌、消炎、抗肿瘤等作用。并且在探索抑菌机理的理论基础上，稀土 元素这些独特的性质得到了广泛的应用，本文论述了稀土元素在抑菌，抗病毒，抗肿瘤 等方面的研究进展及其应用。 稀土元素包括化学元素周期表中镧系元素一镧( l a ) 、铈( c c ) 、镨( p r ) 、钕( n d ) 、 钷( p m ) 、钐( s n l ) 、铕( e u ) 、钆( g d ) 、铽f i b ) 、镝( d y ) 、钬( h o ) 、铒、铥( t l n ) 、镱( ) ) 、 镥( l u ) ，以及与镧系的1 5 个元素密切相关的两个元素钪( s o ) 和钇( y ) 共1 7 种元 素，它们总称为稀土元素( r a r ee a r t h ) ，简称稀土( r e 或r ) 。 我国稀土资源非常丰富，经过多年的研究，稀土离子具有独特的生理、生化特性， 同时还有很好的消炎、杀菌、抗癌、抗凝血、镇痛作用【l 】，尤其在抑菌，抗病毒，抗肿 瘤等方面有着很好的效果，并且通过毒理学实验表明，稀土元素在一定剂量下，属于低 毒物质【2 】，在医药应用上，比起常规一些抗菌抗病毒抗肿瘤药物有更好的效果，因此， 研究稀土元素微生物学效应，有着深远的意义。 1 1稀土元素的抗菌研究 1 1 1 稀土元素抑菌的探索阶段 在研究初期，人们发现适宜浓度的稀土元素对微生物的增长有轻微的刺激作用，但 随着培养时间的延长，促进作用减弱。提高稀土元素的浓度，对微生物的生长产生抑制 作用，即双向调节作用，有文献报道，稀土离子l a 3 + 4 0 0 p g m l 对大肠杆菌有刺激作用， 当浓度大于4 0 0 p g m l 时对大肠杆菌有抑制作用【3 】。但有关报道证明，适量高浓度的稀土 元素表现出来的抑菌性能并非高盐浓度使细胞失水致死，而是其他的抗菌机理，有待进 一步研究。 吴士筠【4 1 等进行了l a ( i i i ) 抑菌实验的研究，证明l a 离子对大肠杆菌、金黄色葡萄球 菌和枯草芽孢杆菌有不同程度的抑制作用，并且抑菌作用与l a 离子浓度成剂量关系。 p r 3 + 对大肠杆菌也有抑制作用。通过多年的实验，人们已逐渐认识和证实稀土离子具有 抑菌作用。 3 1 1 2 稀土多元配合物抑菌的研究 然而，稀土离子的抗菌作用，相对于常规的化学杀菌剂，抗生素等较弱，人们又发 现，当稀土离子与一些相应的配体络合，如氨基酸、蛋白质、咪唑、邻菲咯啉、s c h i f f 碱等就会表现出比单纯离子或单纯配体强的抑菌效果。 陆晓红【5 l 等合成了1 1 种新型的单水杨醛缩赖氨酸s c h i f f 碱与稀土硝酸盐的配合物 【m ( n 0 3 ) h l n 0 3 ( m = l a ，n d ，s m ，e u ，g d ，t b ，d y , h o ，e r ，t m ，y ；h l = c ，h n ，o , n 2 亚 水杨基，2 6 2 氨基赖氨酸。并由实验证明配合物试样对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的杀死作 用显著。配合物对金黄色葡萄球菌的抑菌试验表明l a 配合物的抑菌活性强于其他 配合物。总体上看，配体对实验菌株有抗菌活性，而在形成配合物后抗菌活性进一步增强。 氨基酸是蛋白的基本组成单元，有着重要的生物功能，何其庄等合成了稀土与邻菲 咯啉，苯丙氨酸的双核稀土络合物并通过琼脂扩散法进行了抗菌活性的测定，实验证明 络合物对大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，白色酵母菌有良好的抗性，其抑菌性能优于单纯 的稀土离子以及其对应的配体。 为了探索稀土与喹喏酮药物配合物的抗菌效果，曹风歧等人合成的l a 、p r 、n d 和s m 氧氟沙星配合物和杨波等人合成的l a 、c e 和n d 氧氟沙星配合物对金黄色葡萄 球菌和大肠杆菌均有较强的抗菌活性，其中稀土离子对氧氟沙星的抗菌能力无抑制作 用，且能稳定细胞膜及溶酶体膜，调节肾上腺，减轻创面炎症，加速愈合。稀土氧氟沙 星配合物有望成为具有收敛、抗菌、消炎价值的药物【6 ，7 1 。 咪唑、嘧啶和吡啶类稀土配合物：咪唑、嘧啶和吡啶及其衍生物具有一定的抗菌、 抗炎和抗肿瘤等生物活性，它们与稀土形成的配合物已受到人们的广泛重视。赵天成【8 】 等人选择了抑菌性强的苯并咪唑为配体，与稀土氯化物合成配合物，结果表明n d 配合 物和n d 氯化物在低浓度时对土壤微生物均有促进生长的作用，在较高浓度时具有抑菌 作用，并且两作用都在相应作用浓度范围内随浓度的增大作用而增强。 其它稀土配合物： k a r t h i k e y a n 9 1 等研究了抗生素与稀土配合物的联用情况，得 j ； 了四环素( t c ) 的稀土配合物l n ( t c ) c 1 3 】2 h 2 0 ( l n = l a ，p r ，n d ，s m ，g d ，t e ，d y 和 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长抑制率分别为9 0 - - 1 0 0 和2 3 1 , - - - 4 0 5 ，而 配体四环素则为8 8 4 和6 7 5 。这可能与菌体结构有很大关系。y a n g 等【i o 】研究发现， 吡哌酸( p p a ) 的稀土配合物m ( p p a ) 4 c 1 3 ( m = p r ，s m 和和l a ( p p a h c i c i2 对大肠杆 菌、枯草杆菌、肺炎链球菌和绿脓杆菌表现出良好的抑制作用，且l a 的配合物的抑菌 4 活性最好。 1 1 3 稀土元素抑菌机理的初步研究 l 细菌细胞壁主要成分为肽聚糖和磷壁酸，在弱酸性条件下，稀土配合物中的- n i - p + 与细菌细胞壁所含的肽聚糖和磷壁酸等解离出的阴离子结合，影响了细胞壁的通透性， 阻碍了营养物质进入微生物体内，限制了微生物的生长繁殖。 2 稀土离子或稀土配合物可与肽聚糖中的c o o h ，c = o 或磷壁酸中的p 司，p - o 作用后，肽聚糖或磷壁酸的构象发生改变，形成细胞壁通道，稀土离子或稀土配合物进 入细胞内，与细胞内的d n a 、酶、蛋白质等生物分子作用，并可阻碍d n a 到r n a 的 转录，使细胞的生长代谢受到抑制。 3 由于稀土配合物中含有邻菲咯啉，它与生物分子如d n a 。r n a 等有很强的亲 合性，而d n a ，r n a 是传递信息的物质基础，所以稀土配合物的生物活性明显优于稀 土离子，更易通过细胞膜进入细胞，导致细胞死亡。 1 1 4 抑菌机理探索的进展 1 1 4 1 稀土对细胞壁l p s 或肽聚糖的作用 革兰氏阴性茵细胞壁内膜由磷脂链、蛋白构成，外膜由脂多糖( l p s ) 、肽聚糖和周 质构成。脂多糖具有控制细胞进出的部分选择屏障功能，能透过嘌呤、嘧啶、双糖、肽 等物质，阻止溶菌酶、抗生素、去污剂。要维持l p s 的稳定性必须有足够的c a 2 + 存在， 若用e d t a 螯合剂除去c a 2 + ，会使l p s 解体。这时内壁层的肽聚糖就会暴露出来易被 溶菌酶水解。模拟分子动力学也表明，在l p s 装配中没有金属离子易解离。因为稀土离 子与c a 2 + 有相近的离子半径和极其类似的配位特征，有人提出l a 3 + 可以从结合部位取代 c a 2 + t l l l 。但是由于l a 3 + 和c a 2 + 之间有不同的电子电荷，l p s 的分子结构发生改变。结 构的变化会导致l p s 解离，m 酽+ 也可被置换释放到溶液中。 通过s e m 和a f m 观察稀土l a 3 + 离子处理后大肠杆菌细胞壁的形态，可见其细胞壁 凸凹不平。并且用l a 3 + 处理后大肠杆菌细胞容易被溶菌酶攻击。此外，电感耦合等离子 体质谱( 1 5 2 m s ) 的测量显示，有相当数量的c a 2 + 和m 9 2 + 从细胞壁上解离出来。这是由于 l a 3 + 取代装配细菌l p s 的c a 2 + 和m 酽+ 使细胞表面的l p s 被破坏，从而改变了细胞外膜 的通透性和功能1 1 2 】。通过a f m 观察p p + 对e c o l i 的作用，表明p r 3 + 改变了其外膜的结构， i c p m s 测得游离的c u 2 + 增多，p r 3 + 改变了细胞膜的通透性。x r a y 研究证明p r 可从c a 2 + 的结合位点上取代c a 2 + 离子【1 3 】。 革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌细胞壁主要成分为肽聚糖和磷壁酸，胞壁较厚。当y 3 + 或配合物 y ( t m p ) ( h 2 0 ) 3 】c i 作用于金黄色葡萄球菌时，低浓度促进细菌生长。可能因为 肽聚糖的构象发生改变，营养物质可通过细胞壁进入细胞内，使细胞代谢加快：随着浓 度的增加，金黄色葡萄球菌细胞壁肽聚糖或磷壁酸的构象完全改变，形成通道，影响菌 体通透性。当p + 或 y ( t m p ) ( h 2 0 ) 3 c l 达到一定浓度时，表现为毒性作用，使细菌的生 长代谢受到抑制直至完全停止。由于卟啉( t m p ) 与生物分子有强的亲和性，配合物脂 溶性较好，易于和细胞壁上c = o 。p = o 结合，浓度较大时，细胞壁通透性被破环，而 且y ( t m p ) 的生物活性优于y 3 + ，比y 3 + 更易通过细胞膜而进入细胞，与胞内物质易形成 y ( t m p ) 生物配合物，造成细胞正常生理活动受到干扰，从而使细胞失去活性【1 4 】。 1 1 4 2 稀土与细胞质膜的作用 稀土离子和配合物与细胞膜的作用可以从多方面来考虑。 第一，稀土与膜磷脂相互作用。李新民等【1 4 】以人红细胞为材料，研究稀土对细胞膜 的影响。应用荧光探针技术研究发现：低浓度稀土离子对红细胞膜流动性影响较小，而 较高浓度稀土离子则使膜的有序性增大，流动性减小，这与对膜质体的研究结果十分吻 合。黄芬等用核磁共振( n m r ) 方法研究了稀土离子及配合物与二棕榈酰磷脂酰胆碱 ( d p p c ) 和( s p m ) 脂质体的互相作用。稀土离子可以与磷脂极性头p l o 键键合，键 合后磷脂极性集团仍平行于膜平面。稳定的稀土配合物( 柠檬酸) 对磷脂双分子层结构 影响很小【1 5 1 6 1 。稀土离子对d p p e 脂双层的影响较大，低浓度降低了脂酰链的流动性， 改变了稀土离子碳氢链的晶格排列，高浓度增大脂酰链的流动性，导致碳氢链的结构无 序1 1 7 1 。s e r g ig a r c i a - m a n y e s 等报道金属阳离子可大量结合在脂双层上，用大肠杆菌细胞 膜试验也证明这一点。当金属离子浓度提高时，阳离子包括n a + 和c a z + 对细胞膜都有穿 透作用。金属离子对细胞膜的稳定性起着重要的作用【1 8 】。 第二，稀土可以和膜上转运蛋白结合或与膜代谢蛋白相互作用，使蛋白活性或膜通 道大小发生变化，从而提高膜主动或被动运输能力。 第三，稀土的跨膜作用。稀土离子要进入细胞，首先要通过细胞质膜。稀土离子及 配合物能否透过细胞膜进入细胞，从而与细胞内的组分相互作用的问题，已成为研究稀 土生物效应机理的焦点。长期以来人们一直存在不同的看法。对于不同类型细胞的研究 有不同的实验结果，不同种类的细胞又有不同的摄入方式。 多数学者认为稀土离子能与细胞膜作用，在稀土离子浓度低于l m m o l l - 时不能透 6 过细胞膜，而稀土浓度增加则会使细胞膜破坏l - 9 1 。有报导认为稀土进入肝细胞是以胞吞 小泡方式摄入的。孙洪业用红细胞摄入钇和铈的实验证明稀土阴离予以柠橡酸络合阴离 子形式经阴离子通道进入红细胞。铷铯主要通过n a + k + 泵的主动运输方式跨膜，c a 2 + 信道对r b + c s * 没有通透作用，微量的c s + 可以模拟n a + l i + - 反向协同运输的方式跨膜。 在允许h c o f 存在的p h 环境下，- d 部分c s + 以c i c s c o f 交换的形式通过膜上带3 蛋 白进入人红细胞这种跨膜方式得到介质酸碱度影响实验的验证：p h 7 4 时通道被启动，细胞摄入r b + c s + 量大幅 度增长1 2 0 】。石贤峰和姚惠英用大鼠肝细胞和人红细胞做实验，发现铈和钆能通过细胞 膜进入细胞，这些稀土元素在肝细胞内主要集中在细胞核中，而在红细胞内主要集中在 膜蛋白中，这表明稀土可能会影响遗传物质和蛋白酶的功f l 皂t z t , z 2 1 。朱卫华等使用a r c m m i c 阳离子测定系统，发展f u r a 2 荧光测定技术，将其应用于测定细胞内游离稀 土离子l a 3 + ，并以此研究了l a 3 + 跨p c i 2 细胞大鼠嗜铬细胞瘤细胞膜的行为。结果表 明：用哇巴因使胞内n a 超载后，l a 3 + 可过膜进入细胞内，且过膜量与胞外l a 3 + 浓度 和胞内n a 超载程度有一定的浓度依赖关系，提示l a 可以经由n a l a 交换机制过膜 而进入细胞内。总之，稀土离子及其化合物的跨膜行为复杂，由于实验条件、方法及细 胞种类的不同而具有一定的差异。 1 1 4 3 稀土对细胞内蛋白质、酶活性的作用和影响 氨基酸是组成蛋白质分子的基本单位，体外试验表明，稀土离子可与氮基酸形成配 合物，常常1 个稀土离子可同时与2 个或3 个氨基酸分子结合。体内试验表明，稀土离 子可与多种蛋白质结合，其中包括免疫球蛋白、胰蛋白、血清白蛋白、肌钙蛋白等。不 同浓度的稀土离子与蛋白质结合，通过改变蛋白质微构象或干扰蛋白质对其他离子结合 两者程度的不同而发挥其剂量效应，影响蛋白质功能的。例如较高浓度( 3 x 1 0 5 m o l l 。1 ) 的y c l 3 可改变红细胞膜蛋白构蒙，并导致膜骨架蛋白的交联或聚合，使红细胞变形性 降低而引起溶血，低浓度( o 15 m o l l - ) n 影响很小。稀土离子( c e 3 + ) 在高低两种浓度条件 下与g 肌动蛋白( g a c t i n ) 结合，其结合位点及对g a c t i n 上g y s 3 7 4 的微构象的影响不 同1 2 3 1 ；康玉专等【2 4 用u v - v i s 光谱和表面增强拉曼光谱研究了稀土离子和牛血清白蛋白 的作用，紫外光谱研究表明，c e 4 + 、e r 3 + 能配位诱导牛血清白蛋白，使其分子中色氨酸 和酪氨酸芳杂环疏水基团外露，2 8 0n m 处的吸收强度增大。拉曼光谱研究表明，c e 4 + 离子很可能和肽键上的c = o 基及边链羧基上的c = o 基都发生配位作用，并引起牛血 7 清白蛋白肽链伸展。 稀土离子与生物体内许多酶( 如碱性磷酸酶、溶菌酶、2 淀粉酶、胰蛋白酶、核糖 核酸酶等) 可生成配合物，并能对近3 0 种酶的催化活性产生不同程度的影响。涉及到 的酶类型包括氧化还原酶、水解酶、转移酶、裂合酶和合成酶，大多表现为抑制，少数 表现为活化。如稀土离子可通过竞争底物、竞争结合活性中心、取代活性中心等方式抑 制腺苷酸环化酶、r n a 合成酶、胶原酶、谷氨酸合成酶等多种酶的活性【冽。不同浓度 的稀土离子对酶的活性影响有所不同，也存在着“低促高抑一效应。比如低浓度时，稀 土离子对乙酰胆碱酯酶有变构启动作用，但浓度较高时，则又表现为竞争非竞争性抑 制，这一酶催化反应在适当浓度的稀士离子存在下明显加快，并且反应速度随稀土离子 半径增加而加快。镧、钕柠檬酸配合物溶液对纤维素酶组分内切葡萄糖酶、纤维二糖水 解酶、变化规律相似，在合适的浓度范围内对3 种纤维素底物都有启动作用，在最佳 浓度时启动作用最大的浓度具有抑制作用嘲。 1 1 4 4 稀土对细胞内的d n a 的作用 d n a 是生物遗传的物质基础，能否行使正常的遗传功能依赖于其它分子的物理、 化学相互作用。有报导认为：稀土离子能够与d n a 结合，其结合位点与稀土离子的浓 度有关。当l n ( l a 、e u 、t b ) 与d n a 的摩尔e ( 0 d , 于1 8 0 时，金属离子主要与核酸链上 的p 0 2 。基因键合，碱基堆积作业有所增强；r 为1 2 0 到1 4 0 时，金属离子与p 0 2 基因和 鸟嘌呤上的n 7 位螯合，对a t 碱基对有微扰作用；继续增大稀土离子的浓度，d n a 结构即发生较大程度的变化，g c 、a - t 碱基对吸收峰明显位移【2 7 】。 t a k e d a t 2 s 等发现高剂量的稀土会使水生生物的d n a 溶解，严重抑制其自我复制， 还发现在生理条件下，稀土元素可以切断d n a 分子上的磷酸键，使d n a 分子水解。m k o m i g a m a 2 9 1 发现：在生理条件下，简单的稀土金属离子如c e 离子( 0 0 1 m 0 1 ) 具有催化水 解断裂d n a 磷酸二酯键的功能，为d n a 链的断裂提供了快捷的“分子剪刀”。 n 烷基1 ，1 0 - 邻菲咯啉2 甲胺l a ( ) 配合物能使d n a 溶液的粘度降低，其与d n a 的作用方式可能是配合物中的l a 3 + 中心离子易与d n a 的磷酸氧和糖羟基氧配位，其所 带的正电荷也能与d n a 的磷酸氧所带的负电荷发生静电作用，从而使配合物的位置固 定，而其平面芳香环部分的尺寸有限，再加上其它基团较大的空间位阻效应，不能完全 插入，而只能部分插入d n a 碱基中，从而使棒状d n a 分子的双螺旋结构发生弯曲或 扭结，其有效长度降低，溶液粘度降低。随着配合物溶液浓度的增加，d n a 溶液的粘 度降低【捌。在近生理条件下稀土离子c e 怖e 一能引起牛血清白蛋白( b s a ) 分子中色 氨酸和酪氨酸芳杂环疏水基团的外露，能和牛血清白蛋白肽键上的c = o 及边链羧基上 的c = o 配位，引起b s a 分子构象变化，a 螺旋含量减少，肽链伸展f 3 0 】。 1 1 5 稀土元素抑菌性能的应用 稀土抑菌喷剂：刘慧嫒等【3 i 】研制含有镧和铈等稀土元素的复方制剂作为抑菌喷剂， 采用滤纸片扩散法进行了实验室检测，观察其抑菌效果，证明：稀土抑菌喷剂对大肠杆 菌和金黄色葡萄球菌以及白色念珠菌均有较强的抑菌作用：对白色念珠菌抗菌效果明显 好于细菌繁殖体。 稀土抑菌药物：早在本世纪6 0 年代，稀土作为局部烧伤抗菌剂已在临床上应用， m o n a f o l 报道了硝酸铈在烧伤中的局部使用，认为单独或与磺胺嘧啶银一起使用，效果 都是惊人的【3 2 】。邓汝温等【3 3 】介绍了“烧伤灵”稀土药物的研制及应用。 此外，刘志华等【3 4 1 研究将羊毛织物用稀土铈离子进行抗菌整理，探讨了各种工艺因 素，如稀土金属离子浓度、温度、时间、p h 值、交联剂等对c e 3 + 在羊毛织物上吸附量 的影响，得到了c e3 + 处理羊毛的最佳工艺条件。结果表明：经c o + 处理并染色后， 羊毛对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗茵率均达到9 0 以上，断裂强力增大，染色速率 和上染百分率都显著提高。 基于稀土元素的低毒，抗菌性能好的特点，随着科学研究的进展，稀土抗菌性能会 得到越来越广泛的应用。 1 2 稀土元素的抗病毒研究 在对稀土元素性能研究中，发现了稀土元素的又一重要的特性抗病毒功能，稀 土与具有抗病毒活性的配体配合，是研究稀土抗病毒作用的一个方向。 这些年，控制流感病毒的感染是当今全球关注的一个健康问题，然而，现有的抗病 毒药物已经对付不了新的抗药性病毒的快速出现，因此急需开发研制新的抗病毒药物。 刘杰【3 6 1 等研究了l o 种新合成的稀土杂多配合物的抗a 3 型流感病毒的活性。结果表明均 有抗病毒活性，其中含稀土p r 的配合物抗病毒效果最好。 在艾滋病早期，杂多配合物用作抗艾滋病药物应用于临床，但由于副作用而受到限 制。稀土杂多配合物显示出较强的抗艾滋病毒活性及较低的细胞毒性，是目前为止发现 的一种较好的抗艾滋病毒杂多配合物。刘术侠等【3 5 1 合成t k e g g i n 结构钨磷酸稀土镥盐 杂多酸，表现出较好的抗艾滋病( h i v 1 ) 的活性。 9 目前，对于稀土元素抗病毒的研究相对较少，但稀土抗病毒药物的研究有着重要的 意义。 1 3 稀土元素的抗肿瘤研究 稀土的抗肿瘤作用早就引起人们的关注最初是用其放射性同位素诊断和治疗癌症， 因为稀土对肿瘤组织具有较高的亲和性。有报道用1 5 - 3 0m c i l l u c l 3 的一次剂量注入 胸腔或腹腔，对恶性渗液取得一定效果。也有稀土稳定同位素显示抗肿瘤活性的报道， 例如硫酸铈对兔子的转移性肿瘤的发展有明显的抑制性能。将l a 3 + 作为添加剂，可加强 其它治疗方法对肿瘤的杀害作用，对于小鼠的肉瘤细胞，采用加热法或瘤内注射i m m o l l 1 k c l ，都不能控制肿瘤生长，但同时进行上述两项疗法，出现明显抑制作用并提高小 鼠的存活率。也有研究表明，l a 3 + 可加强艾氏腹水瘤细胞对抗癌药物血卟啉的衍生物的 吸收。 近些年来，稀土在生物领域的研究又有了新的突破和进展。纪云晶等【3 7 】从分子水平、 细胞及亚细胞水平、整体动物实验和稀土接触人群肿瘤流调等方面进行了系统的研究， 证明轻稀土确有抑癌作用。 1 3 1s c h i f f 碱和腙类稀土配合物 2 0 世纪7 0 年代曾报道含有s c h i f f 碱双键的有机化合物具有一定的抗肿瘤活性【3 8 1 ， 当它与金属离子形成配合物后抗肿瘤效果明显增强【3 9 】。后来发现水杨醛类s c h i f f 碱的 过渡金属配合物对d n a 具有选择性的断裂作用。孔德源等【4 i 】相继合成了一系列邻香 兰醛缩氨基酸s c h i f f 碱稀土配合物并研究了它们的体外抗肿瘤活性，结果表明，甘氨基 酸缩邻香兰醛s c h i f f 碱稀土配合物和甲硫氨基酸缩邻香兰醛s c m f j f 碱稀土配合物对 人急性早幼粒白血病细胞( h l 6 0 ) 具有不同程度的增殖抑制作用，后者的抗肿瘤活性大 于前者。 杨正银【4 2 】等对某些s c h i f r 碱稀土配合物进行了抗肿瘤活性药理研究，发现丙酮异 烟腙( h 2 p a i n ) 铕的配合物e u 2 ( p a i n ) 3 3 h 2 0 、糠醛缩氨茴酸( h f a