（无机化学专业论文）多齿配体配合物的合成、结构及与核酸的作用.pdf

南开大学博士学位论文 中文摘要 摘要 为了解金属配合物与d n a 的相互作用及筛选能有效切割d n a 的 金属配合物，为无机药物合成及应用提供基础信息，本文利用十个含 n 、o 原子的多齿配体设计合成了二十七个未见文献报道的过渡金属 配合物，并解析了它们的晶体结构：其中包括首例草酸根的四核铜 ( i i ) 配合物；合成了两个具有9 3 o h 。三核缺角立方烷结构的c u ( i i ) 配合 物；以h c b p 衍生物为配体合成了七个过渡金属配合物：以s c n 、 n 3 ，c 2 0 4 2 - 等为桥联配体，以d m p y e n 为端基配体合成了十一个配合 物。应用元素分析、红外光谱、紫外光谱、变温磁化率等技术对配合 物进行了表征和性能研究，得到了一些对分子结构和磁性设计有意义 的结果。应用荧光分析法和琼脂糖凝胶电泳技术对配合物与d n a 的 作用进行了初步研究，从中筛选出三个具有在紫外光照射情况下可以 有效切割p b r 3 2 2d n a 的配合物，五个在不添加任何氧化荆等物种的 情况下可以切割p b r 3 2 2d n a 的金属配合物。 关键词：金属配合物，晶体结构，与d n a 相互作用，d n a 切割 1 t i a b s t r a c t南开大学博士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt og e tt h ei n f o r m a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e nm e t a lc o m p l e x a n dd n aa n ds e l e c tm e t a lc o m p l e x e sw h i c h c a l lc l e a v ed n a e f f e c t i v e l y ， t w e n t ys e v e nt r a n s i t i o nm e t a lc o m p l e x e sc o n t a i n i n go nc o o r d i n a t ea t o m s h a v eb e e ns y n t h e s i z e di nt h i st h e s i s w er e p o r tt h es y n t h e s i s ，c r y s t a l s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ec o m p l e x e s o n eo ft h ec o m p l e x e si st h e f i r s t 肛3 一o x a l a t o t e t r a n u c l e a r c u l ：i i ) c o m p l e x ，i n w h i c ht h e r ei s f e r r o m a g n e t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ec o p p e ra t o m s 嘶d g e db yo x a l a t e i o n s t w ot r i n u c l e a rc o p p e rc o m p l e x e sc o n t a i n i n gp a r t i a lc u b a n ec u 3 0 4 c o r e sh a v eb e e n s y n t h e s i z e da n d d i s c u s s e dt h em a g n e t i c p r o p e r t i e s s e v e n m e t a l c o m p l e x e s w i t ht h e l i g a n d s d e r i v e df r o mh c b ph a v eb e e n s y n t h e s i z e d s c n ，n 3 。，o x a l a t e i o n se ta 1 h a v eb e e nu s e da s , b r i d g e d l i g a n di nt h e1 1c o m p l e x e s w i 廿ld m p y e n 1 1 1 ec o m p l e x e sh a v e b e e nc h a r a c t e r i z e d b ys i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o n ，i rs p e c t r a ， e l e c t r o n i c s p e c t r a ，v a r i a b l e - t e m p e r a t u r em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e c o m p l e x e s a n dd n ah a sb e e ns t u d i e d b y f l u o r e s c e n c ea n a l y s i sa n d a g a r o s eg e le l e c t r o p h o r e s i s i nt h e2 7c o m p l e x e s ， t h r e ec a l lp r o m o t e c l e a v a g e o f p b r 3 2 2 d n a u p o n i r r a d i a t i o na n df i v ec a n c l e a v ep b r 3 2 2d n aw i t h o u t a n yo x i d i z i n ga g e n t k e y w o r d s ：m e t a lc o m p l e x e s ，c r y s t a ls t r u c t u r e ，i n t e r a c t i o n w i t hd n a ， d n a c l e a v a g e i v 南开大学博士学位论文 测试方法和仪器 测试方法和仪器 1 元素分析 p e r k i n - e l e m e r2 4 0 型元素分析仪 2 红外光谱 s h i m a d z ui r - 4 0 8 型红外光谱仪，波长4 0 0 0 - 6 5 0c m 1 ，k b r 压片： 3 紫外一可见电子光谱 s h i m a d z uu v - 2 1 0 1p c 型紫外- 可见分光光度计；s h i m a d z uu v 一2 4 0 紫外可见分光光 度计；h i t a c h iu v - 3 3 0 型紫外。可见一近红外分光光度计， 4 e s r 谱 e r 2 0 0 d s r c 型e s r 光谱仪( 南京大学配位化学国家重点实验室，清华大学化学系 测试中心) 5 变温磁化率 q u a n t u md e s i g nm p m s - 7s q u i d 型磁强计，c f - 1 型提拉样品磁强计( 中科院物理所 磁学国家重点实验室) ；m a g l a bs y s t e m2 0 0 0 型磁强计( 北京大学稀士中心国家重点 实验室) 。实验数据用p a s c a l s 常数进行抗磁校正。 6 晶体结构测定 b r u k e rs m a r t1 0 0 0c c d 面探衍射仪( 南开大学) ； 7 琼脂糖凝胶实验 北京六一d y y - 2 c 型电泳仪 v 论史中的主鼹配体溉其相应的缩写南开火学博士学位论文 论文中的主要配体及其相应缩写 ， ，k h a e k可 h s e h s a l e t e n h c b p h c b p h e a d m 警v e n h c b p e t e n ，一 c 。躲 c u ( o x p n ) 太 一 撕 南开大学博士论文 第一章 第一章绪论 核酸是生物体的重要组成物质。它包含了遗传信息，并参与这些信息在细胞内 的表达，从而促成代谢过程并控制这一过程。由于核酸介入生物的生长、发育和繁 殖等正常生命活动，并与致癌等生命的异常情况也密切相关，因此研究核酸，尤其 是d n a 的结构与功能的关系，将有助于人们从分子水平上了解某些疾病的发病机 理，并通过分子设计来寻找有效的治疗药物。d n a 往往是药物设计时很重要的靶分 子之一。1 9 6 9 年r o s e n b e r g 1 2 1 等发现顺铂( c i s 一 p t ( n h 3 ) 2 c 1 2 ) 具有强烈抑制细菌分 裂的作用，其靶分子主要就是核酸。1 9 7 9 年经美国食品和医药管理局( f d a ) 批 准，顺铂成为第一个用于临床治疗某些癌症的金属配合物药物。随后碳铂等类似配 合物也获得临床使用批准【3 1 。但这些药物有一些毒副作用，患者会产生抗药反应， 抗肿瘤谱不广，为此出现了第二代顺铂，并寻找非铂络合物为抗癌药物【4 4 】。从此也 掀起了研究小分子金属配合物与大分子核酸相互作用的热潮1 8 4 2 1 。 第一节d n a 的分子结构特点 1 9 5 3 年，w a t s o n 和c r i c k l l3 j 根据d n a 的x 射线衍射数据提出了d n a 的双螺旋 结构模型( 图1 - 1 ) ，开创了现代分子生物学的新时期。在这一模型中，结晶的b 型 d n a 钠盐由两条反向平行的脱氧多核营酸链围绕同一个螺旋轴旋绕而形成双螺旋结 构。两条链都是右手螺旋，并在双螺旋表面形成两个凹形沟，一条大些，一条小 些，分别称为大沟和小沟。螺旋轴通过碱基对中央，故大小两沟的深度差不多。碱 基处于螺旋内侧，磷酸基和脱氧核糖单位处于外侧，碱基的平面与螺旋轴近乎垂 直，糖的平面与碱基平面几乎成直角。d n a 碱基问的氢键配对大多数是腺嘌呤和胸 腺嘧啶成对，鸟嘌呤与胞嘧啶成对，于是根据一条链中的碱基次序可自动地定出另 一条与它互补链的碱基次序。双螺旋中每十个碱基对旋绕一圈形成一个螺旋结构， 即每个碱基对的旋转夹角3 6 。相邻两对碱基的垂直距离是3 4a ，螺旋结构的螺旋 矩是3 4a ，双螺旋的直径为2 0a 。多核苷酸链中的碱基顺序无任何限制。具有g ：c 和a ：tw a t s o n c r i c k 碱基配对的d n a 双股螺旋是遗传信息储存、表达和稳定传递的 第一章南开大学博士论文 重要载体。这一特异性配对方式有利于核酸结构的稳定；大沟、小沟中官能团的分 布有利于蛋白酶、金属离子以及具有生物功能的金属配合物与d n a 的作用。 f i g u r e1 - 1t h es t r u c t u r eo fw a t s o n - - c r i c ka - d n a d n a 的双螺旋结构是相当稳定的，最初认为螺旋的稳定全赖于氢键的维系，目 前这一观点不再为人们所坚持。维持此结构的力主要有三种：一是互补碱基对之间 的氢键，氢键既增加了分子的稳定性，又赋予它结合的专一性；二是比较主要的因 素，即由芳香族碱基上兀电子之问的相互作用产生的碱基堆积力，此键形成是依赖 于碱基本身的疏水性质，由于这种相互作用的力，促进了氢键在水中形成；第三种 力是来自磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间的静电作用力。 当d n a 的反离子是钠、钾或钙时，在7 5 相对湿度的纤维中可以发现有d n a 的a 型结构，它也是右手螺旋，但结构上与b 型d n a 已有明显差异，碱基从原本 的中心部位被向外堆挤至小沟地带，并使碱基排列呈倾斜状，离开垂直的螺旋轴 1 9 0 。其螺旋直径为2 6a ，螺距为2 8a ，含1 1 个残基；因此a 型d n a 比b d n a 显得矮些、胖些。a d n a 的大沟狭而深，小沟宽而浅。 2 塑翌查兰堡主竺查 ! ! 二主 前面叙述的是a 型和b 型d n a 。在6 6 相对湿度的d n a 锂盐纤维中发现的 d n a 是c 型的。可以认为c 型构象在浓盐溶液和乙二醇溶液中发生a 它的基本结构 也是一个右旋双螺旋，但相比于b 型结构，在螺旋间距，每圈的核苷酸数目，碱基 的倾斜度和骨架的构象上都略有差别。c d n a 离开垂直的螺旋轴6 。螺距为3 1 a 每一圈时残基数是9 3 个。 f i g u r e1 - 2 t h es t r u c t u r eo f a - ，b - a n dz - d n a 溶液中以及细胞内天然状态的d n a 一般是b 型的。1 9 7 9 年，a r i c h 等人在用 x 射线衍射法分析人工合成的d n a 小片段的晶体时，发现d ( c g c g c g ) 2 是左旋的双 螺旋f 1 4 1 ，在这种双螺旋中，两条六核苷酸分子链以反方向的形式排列着，而且磷原 子联结线呈锯齿形( z i g z a g ) ，故而这种d n a 被命名为z - d n a ( 图1 2 ) 。这种构象 的d n a 每个螺旋由1 2 个碱基对构成，因此它显得比b d n a 要长一些。z d n a 螺 旋直径1 8a ，螺距4 5a ，其大沟浅而平坦，近乎凸现于表面，而小沟则既深又狭， 深深地陷于一个小而陡峭的裂缝中：此外，z 。d n a 的碱基平面和水平面的夹角为 9 0 。z d n a 并不只限于g c 相间的d n a 顺序中，嘌呤和嘧啶相间排列的顺序很可能 也有助于z d n a 结构稳定性【1 5 】。目前，人们普遍认为：生物体中绝大部分为b d n a ，而极少部分是以z d n a 形式存在的，b d n a 和z - d n a 之间存在着平衡。 第一章 南开大学博士论文 对b d n a 而言，碱基位于螺旋的内侧，是疏水性的；对z ：d n a 而言，由于d g 和 d c 交替排列，g c 碱基对不是对称的位于螺旋轴附近，而向螺旋的外表面前移，胞 嘧啶的c 5 、鸟嘌呤的n 7 和c 8 原子填满了大沟并凸向外表面，使其易受到化学药 品的损伤。最近有报道证明，一些致癌物使得嘌呤的n 7 或胞嘧啶的c 5 位甲基化， 破坏了b 型d n a 和z 型d n a 的平衡，导致转录异常，发生细胞癌变【1 6 1 。由此，人 们开始把某些癌症病因归结为二级结构转型。 随着研究的深入，核酸构型的多样性被人们发现，碱基修饰1 1 7 】，碱基错配等 引起的破坏，使d n a 推翻了往日美丽的双螺旋标准构型，另外，由链的弯曲及沟 宽改变螺旋结构的变形、d n a 三螺旋1 1 9 】、四螺旋口o 】、平行的双股螺旋2 ”、两条链 相互插入的双股螺旋及发夹结构【2 2 】等也日益被人们认识，这些研究对进一步了解药 物及蛋白质与d n a 的作用具有重要意义。 一 第二节金属及其配合物与核酸的基本作用 金属离子及其配合物同d n a ，r n a 以多种方式相结合，包括强的共价作用及 弱的非共价作用( 图1 - 3 ) 。每种作用均会对核酸产生明显的影响，并可获得位点特 异性的反响 2 3 l 。 一、配位作用 金属与d n a 间最常见的共价配合物是由软金属离子与碱基上亲核位点间的配 位作用而形成的。c i s 一( n h 3 ) 2 p t d g p g 的结构就是一例：铂中心与鸟嘌岭碱基的n 7 位发生配位2 4 - 2 8 。研究发现当顺铂与d n a 作用时，一股上相邻的鸟苷酸残基之间 形成链内交联，交联的结果使d n a 链缩短约5 0 1 2 9 3 1 】，稳定性降低【3 2 - 3 4 。其它会 与软金属配位的碱基亲核位点还有腺嘌呤的n 7 位，胞嘧啶的n 3 位及胸腺嘧啶和尿 嘧啶的n 3 。金属与杂环碱基上一个位点的配位作用使p k 。降低，增强了其第二个位 点与金属结合的亲合力。 硬度较高些的过渡金属离子还具有与磷酸根上氧原子配位结合的能力【3 5 - 4 0 1 。这 些配合物呈现离子性而非共价性的特征。考察各种不同金属离子存在下双螺旋d n a 的熔化温度( t 。) 时，发现与碱基结合作用会使双螺旋形式去稳定，与磷酸根的配位 作用或中和作用会增加螺旋的稳定性。从而使t 。升高。e i c h h o r n 4 1 】等总结出金属离 4 鱼! 查兰堡主竺查坚 子与碱基或磷酸根相结合的优先选择结合的顺序如下：m g ( i i ) c o ( i i ) n i ( i i ) m n ( i i ) z n ( i i ) c d ( i i ) c u ( i i ) 。 圈1 - 3t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm e t a lc o m p l e x e sw i t hd n a 金属离子与糖环部分的共价作用较为少见。虽然戊糖环通常不和金属离子发生 配位，但却能通过戊糖环中的c 2 c 3 形成锇酸酯。这一特殊的反应可以作为r n a 重金属染色法的基础。事实上，o s 0 4 的应用并不只局限于同糖环的反应，o s o 。与 d n a 上易接近嘧啶环的c 5 一c 6 富电子双键间相互作用，能生成顺式的锇酸酯f 2 3 1 。 二、插入作用与氢键作用 含有平面芳香杂环而且能够插入d n a 并与其碱蓦对发生堆积的小分子物质称 为“插入剂”【4 2 1 。插入是一种作用模式，比如平面型的芳香杂环阳离子如乙锭阳离 子就以插入的方式与d n a 结合( 见图1 4 ) 。它的插入作用会出现邻位排阻现象。金 属配合物插入d n a 中的现象也相当普遍。 第一章 南开大学博士论文 f i g u r e1 - 4i l l u s t r a t i o no fe bi n t e r c a l a t i n gi n t od n ad o u b l eh e l i x l i p p a r d 4 3 1 等人首先提出含有芳香杂环配体的平面四边形铂( i i ) 配合物可以通过插 入方式与d n a 结合。通过一系列x 衍射实验发现 4 4 , 4 5 ，芳香杂环在配位平面的 【( p h e n ) p t ( e n ) ”和【( b p y ) p t ( e n ) 】”都可以插入到螺旋结构中，但杂环配体不在配位平面 的 ( p y r ) p t ( e n ) ”没有插入作用；只具有配位平面而不含芳香杂环的配合物如c i s ( n h 3 ) p t c l 2 、c i s 一( n h 3 ) p t ( e n ) ”也不能显示插入作用。配合物中必须含有芳香性的杂 环配体才能促进插入。具有八面体构型的- - ( 菲咯啉) 配合物同样可以插入到d n a 的 螺旋结构中，这样就把金属插入剂拓展到了“三维插入荆”。由于八面体型金属插 入荆的一个配体部分地插入到螺旋之中，而其它配体部分具有在形状、对称性及功 能上与d n a 的某一部位相匹配的特性，这样就可以实现特定配合物选择性地作用 于d n a 的特殊位置。 南开大学博士论文 第一章 早期的八面体金属配合物与d n a 的作用研究还集中在z n 2 + 、c o 斗、r u 2 + 的三邻 菲咯啉( p h e n ) 配合物【4 6 彤】。在光物理和n m r 研究的基础上将它们与d n a 的作用总 结为三种非共价键合的方式：( 1 ) 静电结合：( 2 ) 疏水性地结合在d n a 的小沟 处；( 3 ) 一个邻菲咯啉配体从大沟处部分插入到d n a 碱基对中。研究证明，异 构体有利于插入右手螺旋，雨a 异构体以互补的方式与右旋d n a 作用的倾向较 小。这一类配合物的手性识别作用依赖于配合物与d n a 碱基对是否匹配。这些配 合物与d n a 的键合亲和性不是很高，键合模式相对也较为模糊。为此迫使科学家 们寻找新的配体来筛选金属插入剂。 含二吡啶吩嗪( d p p z ) 的联吡啶( b p y ) 、邻菲咯啉( p h e n ) 的配合物插入到b d n a 的富a t 区【5 4 1 。配体d p p z 具有较大的平面芳香环，配合物与d n a 具有高的键合亲 和性，键合常数大于1 0 6 m 。1 5 5 】。 r u ( b p y ) 2 d p p z 2 + 及其衍生物在有机溶剂中可产生荧 光，而在水溶液中，由于配体与水存在氢键作用，从而猝灭了插入配体的激发态。 当b - d n a 加入时，配合物在水溶液中又有荧光出现，这种效应被称为“光开关” 5 5 1 。其它配体如菲醌二亚胺( p i l i ) 5 8 1 ，屈醌二亚胺( c h r y s i ) 【5 9 ，6 0 1 的r u ( i i ) 配合物作为 金属插入剂也得到了相当广泛的研究。 另一类平面芳环类d n a 插入剂是卟啉环体系。长期以来就卧啉环体系与d n a 的键合模式一直引起争议【6 l 】。光谱研究表明在g c 区卟啉环以插入形式与d n a 结 合，而在a t 区则采用了一种外部键合模式【6 2 1 。以自由形式和不含轴向配体的配位 形式存在的卟啉环体系如c u ( i i ) 、n i ( i i ) 的卟啉配合物较易插入d n a 中6 2 - 6 4 ，而含 有轴向配体的卟啉环体系如c o ( i i ) 、f e ( i i ) 、z n ( n ) 、m n ( 1 1 ) 的配合物则不能插入 d n a 中【6 扪。 共价性的和非共价性的相互作用混合存在也是可能的。顺二氨合铂( i i ) 在与鸟嘌 呤n 7 配位的同时，其氨配体可与磷酸骨架形成氢键【6 5 6 6 1 。s i g e l t 6 7 1 等人研究了同第 一过渡系列金属的简单配合物与单核昔酸直接配位作用相偶联的非共价作用的热力 学性质，结果发现，弱的非共价作用与强的直接配位作用在决定配合物采用某种特 定几何结构方面是相互影响、共同作用的。 三、 金属及其配合物断裂核酸的反应 第一章 南开大学博士论文 核酸的断裂与基因重组技术是分子生物学和基因工程的核心技术，其中对 d n a ，r n a 的定位断裂又是该技术的关键。现今广泛使用的限制性内切酶识别位点 一般为4 8 个核苷酸，从而使其使用受到一定的限制。因而核酸酶的化学模拟是一 个重大的挑战性课题。化学合成的核酸定位断裂工具是近十年来开始发展的一类新 型的、非天然酶断裂工具，被称为化学核酸酶6 酊。化学合成的核酸酶可表示为r s ，一般由识别结合系统r 和化学断裂系统s 两部分组成。识别结合系统r 可以是 天然存在的或人工合成的具有特定结构与识别功能的寡聚核苷酸、蛋白质，多肽及 d n a 结合药物等，它们通过非共价键与核酸分子上的特定碱基序列、d n a 或r n a 的二级结构的特定区域识别结合，形成超分子体系，由此确定了对d n a 、r n a 的 断裂位点和断裂产物。 过渡金属配合物切割核酸的反应按机理可分为两类：( 1 ) 涉及金属配合物的氧 化还原反应，会引起核酸的氧化作用； ( 2 ) 涉及金属中心与糖环一磷酸骨架的配位 反应，会引起聚合物的水解。随着分子生物学工具的发展，两类反应的研究都获得 了长足的进步。 ( 一) 氧化还原反应 1 、f e ( i i ) - e d t a h 2 0 2 体系具有还原活性的过渡金属可以催化还原h 2 0 2 产生氢氧根和反应活性很高的 羟自由基- o h 和有关的氧化剂，在反应过程中所生成的高价金属离子被过氧阴离子 还原形成了催化反应的一个循环。总的反应见式1 - 3 。自由基作用于糖环，引起聚核 苷酸发生氧一还反应使d n a 链断裂，这就是f c n t o n 反应【6 9 1 。该反应示于图1 5 。 m ”+ h 2 0 2 _ m ”h + o h + o h 一( 1 - 1 ) m m + + 0 2 一斗m n + + 0 2( 1 2 ) 0 2 一+ h 2 0 2 专0 2 + o h 一十o h( 1 - 3 ) f e ( i i ) - e d t a 体系是f e n t o n 反应的典型例子。p r i g o d i c h 和m a t r i n 7 0 1 通过电泳方 法研究f e ( i i ) 一e d t a 与单链寡聚d n a 的f e n t o n 反应体系时发现只有用哌啶处理后 才能观察对d n a 的损伤，这说明溶液中产生的f e n t o n 氧化剂具有扩散性，断裂b d n a 时不显示特异性，而且可能损伤糖环，也可能损伤碱基，从脱氧核糖的碳原子 上攫取氢引发糖环损伤最终结果是d n a 断裂及碱基的释放。虽然普遍认为，在这 鱼垄苎兰堡主丝圭! r 二 个反应中羟自由基是起最主要的或也许是唯一起作用的物种，但在反应过程中铁的 高价态物种f e ( i v ) * i f e ( v ) 也可能起着一定的作用弘7 们。最近对多种结构的铜配合 物由f e n t o n 氧化途径损伤d n a 进行的研究发现，断裂效率及片断大小与配合物结 构有密切关系p ”引。 叮 核酸碱基( b 2 ) 6 r 3 f i g u r e1 - 5p r o p o s e dm e c h a n i s m f o rf c n t o nr e a c t i o n 2 、f e ( i i ) b l m 体系 另外一种d n a 切割试剂博雷霉素( b l m ) 7 9 , 8 0 1 是从链霉菌属培养物中分离出 的糖肽衍生物，在临床上广泛采用的一类天然抗肿瘤抗生素。这种切割须有金属离 子如f e ”，c 0 2 + ，c u 2 + ，c u + 的参与，与生成羟自由基的【f e ( e d t a ) 2 。反应体系不 同，f e ( i i ) 一b l m 的反应过程中并不会出现易扩散性的中间物。f e ( 1 i ) b l m 结合在 d n a 小沟中，可由分子氧及两个电子或由h 2 0 2 活化，活化的f e ( i i ) b l m 中氧化物 种的本质目前仍在争论中。降解机理如图1 - 6 所示，活化物种c 4 - h 的氢抽作用， 该氢原子位于双螺旋的小沟中。如果向该c 4 自由基体系中加入另一个反应当量的 0 2 ，则生成4 一羟基物种，经消去反应产生5 - 磷酸末端链及4 酮1 醛末端的d n a 片段。 。v 。 了仃p 山 第一章 南开大学博士论文 r o ，o 。= 6 6 - j o - o 。+ m 8 + 。絮 f i g u r e1 - 6t h em e c h a n i s mf o rd n a c l e a v a g eb yb l m 3 、i c u ( p h e n ) 2 + 】体系 c u ( p h e n ) 2 + + d n a ；= = 烹。蛐咖栅a f i g u r e1 - 7t h em e c h a n i s mf o rd n a d e a v a g eb y c u ( p h e n ) 2 + 自从s i g m a n 等首先报道了l ，1 0 - 菲咯啉的铜配合物在h 2 0 2 存在下具有d n a 的 切割活性以来， c u ( p h e n ) 2 + 】的催化反应体系就被广泛的关注讯t , s 2 。四面体配合物可 与d n a 的小沟结合，在h 2 0 2 存在下产生自由基【c u ( p h e n ) o h 】”，自由基进攻 d n a ，从而完成切割反应( 图l - 7 ) 。在这个过程中，h 2 0 2 是不可缺少的，其它有 机过氧化物并不能代替它f 6 8 】。 1 0 6 - 器 o+ o了 嚣杖 。 一 每思1 呛爿。 o 一 皇 ：鹌弗附弗娩， 南开大学博士论文 第一章 此外，还有二些配合物如：金属卟啉配合物【8 3 】，金属三肽配合物85 1 ，铑、钴 的配合物 e e , e t 等也是通过自由基机理切割d n a 的。 ( 二) d n a 的水解断裂 在中性p h 和室温条件下，水解断裂双链和单链d n a 中磷酸二酯键的一级速率 常数分别是6 1 0 。1 0 和6 1 0 。1 9 r a i n 8 z , s g 。因此，可以理解为什么自然界选择磷酸二酯 键作为基因材料。许多d n a 水解酶可以加速水解d n a ，一般在几秒即可完成。大 多数脱氧核糖核酸酶以及核糖核酸酶是由金属所激活的，因此，当前感兴趣的是发 展人工金属配合物d n a 水解酶和人工限制性内切酶 9 0 - 9 2 】。 金属离子及其络合物一般都作为l e w i s 酸而催化核酸水解，它们有三个方面的 催化作用：一是与水分子结合后，可以生成与其络合的氢氧根离子作为亲核试剂； 二、它们可与核酸上的磷氧负电荷结合从而提高磷原子的亲电性，使其易于亲核试 剂进攻形成五配位磷过渡态；第三，它们可与过渡态中带部分负电荷的离去基团结 合，辅助其离去 9 3 , 9 4 。 l 、稀土离子及其配合物对核酸的切割作用 稀土离子具有较小的离子半径、较高的电荷及离子势，是一种优良的路易斯 酸，与氧的配位能力较强，与核酸作用时可以进攻磷酯键，从而实现水解磷酸酯。 对长链核酸断裂时的识别系统一般是特定的蛋白质或具有特定结构的寡聚核苷酸、 大环配合物等，它们通过插入方式及碱基配对原则与核酸分子上的特定区域及碱基 序列识别结合，断裂主要依靠与稀土结合的氢氧基团的亲核进攻作用及电荷的中和 作用来实现1 9 5 1 。c h i n 等蚓发现c e 4 + 能快速地将d a p d a 切割为d a 和无机磷。 k o m i y a m a 9 7 1 等人随后的研究发现c e ( n i - h ) 2 ( n 0 3 ) 6 与p r 3 + 或是n d 3 + 间存在着协同作 用，其催化作用远大于单独的c e 4 + 单独的催化活性。他们还研究了稀土离子在d h = 8 时对a p a 及u p u 的水解断裂作用，发现水解活性大小依次为t m l u y n d e u ，s m c e ，s c ，g d ，t b p r ，d y h o ，e r y b l a 9 踟。含有大环配体的稀土配合物 也可以水解核酸，m o r r o w 等首先利用铕的大环配合物在中性介质中断裂r n a ，同 时发现l a ( i i i ) 、o d ( i i ) 、t b ( i i i ) 、l u ( i i i ) 、c e ( i i i ) 的配合物对r n a 也有切断作用【蚓。 随后的研究发现它们对o l i g o ( a ) 1 2 - 1 8 也能有效的水解【1 0 0 1 。 2 、过渡金属配合物对d n a 和r n a 的水解 第一章 南开大学博士论文 很多金属离子及其配合物可以促进核酸的水解，如c u 2 + ，n i 2 十，z n 2 + ，c o ”， m g ”，m n 2 + 等的配合物对核酸进行裂解已有报道1 9 3 1 。s e r g e s o n 1 0 1 等证明了用c o ( i i i ) 的配合物的确能导致d n a 的有效水解。如c o ( i i i ) 的四氮杂十二烷( c y e l e n ) 配合物水 解d n a 比用e u ( i i i ) 配合物有效1 0 2 1 。研究发现配体的顺反结构对其是否具有切割活 性有很大的影响。水合金属配离子中，两个水分子处于顺式位置时这个配合物具有 切割活性【1 。3 。如 c o ( n 4 ) ( h 2 0 ) 2 】3 + ( n 4 为三乙撑四胺、两个乙二胺、两个1 ，3 丙二胺 等) 中，四个氮原子处于顺式位置时才可以催化核酸水解【1 0 4 1 。单核环状三乙撑三胺 铜配合物切割核酸时形成了氢氧根桥联的双核过渡态，氢氧根亲核进攻磷酸酯键使 其断裂【1 0 5 ，1 0 6 】。而c u ( b p y ) 2 + ( b p y 为2 ，2 联吡啶) 催化水解磷酸酯时随p h 的升高效 果提高，可能与生成的c u o h 中间体有关研】。一些z n ( i i ) 的多胺类化合物在催化水 解时也出现这样的情况【1 08 1 。 一些氨基酸及多肽可以催化水解r n a l l 0 9 1 。赵玉芬等发现丝组二肽可以在中性 条件下通过水解方式切割线型和超螺旋型的d n a n o 。c h i k i r a 等利用e p r 测定 c u ( i o ( g l y h i s l y s ) 与d n a 的结合作用，发现配合物以小沟的结合形式与d n a 作 用。他们认为配合物与磷酸酯骨架上的一个氧结合形成正方平面的构型1 1 ”。h e l e n e 和l a v a l 等发现了赖色赖三肽可以识别d n a 中的脱碱基部位，并且可以在该处产生 切口f 1 1 2 1 。杨频3 1 等的研究发现c u ( n ) l 组氨酸可以有效的特异选择性切割d n a ， 基因的连接实验表明，将配合物断裂切割的线型d n a 经过纯化，用t 4d n a 连接酶 进行连接，最高连接产率达5 5 。说明切割反应经过水解途径。 在两种切割试剂中，自由基型的最多，水解型的则相对较少。目前在研究水解 型切割试剂时，往往使用核酸的模型化合物作为底物，如对硝基苯酚的磷酸二酯 等。这类活化的磷酸酯化合物的酯基都是很好的离去基团，比核酸更容易水解，因 此可以切割模型化合物的切割试剂不一定对核酸有切割作用。故而人们一直尽量直 接使用核酸作为底物。现在已经合成了各种各样的定点切割试剂，但也存在着一定 的缺点，如透膜性不好，易受体内的一些水解酶水解等，所以还没有应用于体内。 但科学家们已经在尝试着一些实验方法来改进这些缺点，这一领域终将会被突破 的。 南开大学博士论文 第一章 第三节论文选题依据及主要研究内容 金属配合物因其配体及金属离子的不同与d n a 的作用方式也有所不同，一些 含有芳香平面配体的配合物可以以插入方式与d n a 结合；金属离子也可以充当 l e w i s 酸与d n a 的磷酸酯键作用并将其水解；还有一些配合物通过氧化一还原反应来 切割d n a 。本文基于这一热点领域，设计合成了2 7 个未见文献报导的金属配合物 并解析了它们的单晶结构。应用元素分析、红外光谱、电子光谱、e s r 谱、变温磁 化率等手段对配合物进行了表征和性质研究。并用荧光分析法和琼脂糖凝胶电泳法 对配合物与d n a 的作用进行了研究。主要工作内容如下： ( 1 ) 以乙酰丙酮缩n ，n 二甲基乙二胺为端基配体合成了两个配合物，一个是 具有缺角立方烷结构的- o h c u ( i i ) 配合物，另一个是苯甲酸根混配配合物可以有 效的切割d n a 。 ( 2 ) 以草酸根作桥合成了两个c u ( i i ) 配合物，以草酸根桥联的金属中心之间存 在着少见的铁磁相互作用，其中一个配合物是首例合成的9 3 - c 2 0 4 2 的四核配合物。 、 ( 3 ) 合成了七个h c b p 类配合物，其中三个配合物在紫外光照射下可以有效的 切割d n a 。 ( 4 ) 以s c n 、n 3 + 、c 2 0 4 等为桥联配体，以d m p y e n 为端基配体合成了十一 个配合物，两个配合物在不添加任何氧化荆等物种的情况下可以切割d n a 。 ( 5 ) 合成了在不加任何氧化剂的情况下可以切割d n a 的含o x p n 的双核铜f i i ) 配合物和n ，n 二甲基乙二胺铜( i i ) 配合物。 第一章 南开大学博士论文 参考文献 1 】b r o s e n b e r g ，l v a nc a m p ，c a n c e rr e s ，1 9 7 0 ，1 7 9 3 2 】b r o s e n b e r ge ta 1 ，n a t u r e ( l o n d o n ) ，1 9 3 9 ，2 2 2 ，3 8 5 3 】k r h a r r a p ，c a n c e rt r e a t r e v ，1 9 8 5 ，1 2 ( s u p p l a ) ，2 1 【4 】p k 6 p f - m a i e r ，h k 0 p f , c h e mr e v ，1 9 8 7 ，8 7 ( 5 ) ，7 3 7 【5 】l j l i p p a r d ，p u r e a p p lc h e m ，1 9 8 7 ，5 9 ( 6 ) ，7 3 7 【6 k hp u t h r a y a ，t ss r i v a s t a v a ，j i n o r g b i o c h e m ，1 9 8 5 ，2 5 ，2 0 7 7 】k h p u t h r a y a ，t s s r i v a s t a v a ，zl n o r g b i o c h e m ，1 9 8 6 ，2 6 ，4 5 【8 】a p y l 。j k b a r t o n ，p r o g r e s si ni n o r g a n i cc h e m i s t r y , v 0 1 3 8 ，l i p p a r ds j e d ，j o h nw i l e ya n d s o n s ：n e wy o r k ，1 9 9 0 ，4 1 3 【9 】c j m u r p h y ，m r a r k i n ，y j e n k i n s 。n d g h a t l i a , s h b o s s m a n n ，n j t u r r o ，j k b a r t o n s c i e n c e ，1 9 9 3 ，2 6 2 ，1 0 2 5 j o lm r a r k j n ，e d a s t e m p , r e ，h o l m l i n ，j 。k ，b a r t o n ，a 。h o a n , b j c 。o l s o n , p f 。b a r b a r a ， s c i e n c e ，1 9 9 6 ，2 7 3 ，4 7 5 【l1 】b n o r d e n ，p l i n c o l n , b a k e r m a n n , e t u i t e ，m e t a li o n si nb i o l o g i c a ls y s t e m s ，v 0 1 3 3 ，s i g e la ， s i g e lh e d ，m a r c e ld e c k e r ：n e wy o r k ，1 9 9 6 17 7 1 2 r e h o l m l i n ，p j d a n d l i k e r ，j k b a r t o n , a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 ，1 9 9 7 ，3 6 ，2 7 1 4 1 3 】j d w a t s o n ，f h c c r i c k ，n a t u r e ，1 9 5 3 ，1 7 1 ，7 3 7 ，9 6 4 1 4 lj i n l a n ，y a n g p i n ，c h i n e s e j o u r n a l o f c h e m i s t r y , 1 9 9 7 ，1 5 ( 2 ) ，1 0 7 1 5 】j i nl a n ，y a n gp i n ，c h i n e s ec h e m i c a l l e t t e r s ，1 9 9 7 ，8 ( 6 ) ，5 5 1 【1 6 】j i nl a n ，y a n gp i n ，c h e m i c a l r e s e a r c h i nc h i n e s eu n i v e r s i t y , 1 9 9 8 ，1 4 ( 1 ) ，1 2 【1 7 】j l s c h w a r t z ，j s r i c e ，b a l u x o n e t a l ，b i o c h e m i s t r y ，2 0 0 0 ，3 9 ，1 1 0 6 9 18 】m b u r k a r d ，d h t u m e r e ta 1 ，b i o c h e m i s t r y ，2 0 0 0 ，3 9 ，l1 7 4 8 1 9 】d l e i t n e r ，w s e h r o d e r , k w e i s z , b i o c h e m 妇t r y , 2 0 0 0 ，3 9 ，5 8 8 9 【2 0 】a k e t t a n i ，g b a s u ，a g o r i ne ta ，jm 0 1 b i 0 1 ，2 0 0 0 ，3 0 1 ，1 2 9 2 1 h r o b i n s o n ，j b o o m h v a n ，a h j w a n g ，j = a m c h e m s a c ，1 9 9 4 ，1 1 6 ，1 5 6 5 【2 2 】s h c h o u ，y y t s e n g ，s w w a n g ，j ：m 0 1