（分析化学专业论文）六氮杂环铜配合物与dna相互作用的研究及其修饰电极的分析应用.pdf

硕士研究生学位论文六氨杂环铜配合物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 摘要 d n a 是生物体遗传信息的载体，具有存储和传递信息的功能。对d n a 的研 究是生命科学研究中一个极其重要的方面。d n a 是大多数抗癌，抗病毒试剂在 体内的主要靶向分子，而所有细胞和病毒中都含有d n a ，d n a 在生物遗传中具 有特殊功能，能否行使正常的遗传功能依赖与其他分子的物理，化学相互作用。 小分子物质，特别是一些药物分子，与d n a 的作用，影响到d n a 的生理 和物理化学性质，改变了d n a 的转译和复制。因此，研究小分子物质与d n a 的相互作用有助于人们对d n a 与蛋白质相互作用方式的了解，并且对一些致癌 化合物的致癌机理，抗癌药物的药理和毒性，以及新型药物的设计合成方面都有 很大的意义。在医药研究中，d n a 与靶向分子相互作用的研究不仅对阐述一些 抗肿瘤、抗病毒药物及致癌物的作用机理，而且对进一步指导人工核酸的合成及 d n a 高级结构的研究具有重要意义。 目前有很多方法应用于实验室研究d n a 与其他物质的相互作用，比如：凝 胶电泳分析，核磁共振，d n a 足印分析，荧光分析，紫外可见光谱分析以及黏 度分析等。 基于上述事实和观点，本文中首先对近年来人们关于具有生物活性的物质和 d n a 相互作用的研究进行了概述和总结，然后研究了六氮杂环铜配合物与d n a 相互作用的机理，并对六氮杂环铜配合物修饰金电极的电化学性质及应用进行了 研究。具体叙述如下： 第一部分：综述 d n a 的电化学研究已经成为生物电化学的一个非常有生命力的研究领域。 本部分主要综述了d n a 的电化学研究进展，d n a 与其他靶向分子的相互作用以 及d n a 修饰电极的制备及应用，包括修饰电极的理论和研究方法及在分析化学中 的应用。确立了课题的立论依据，阐述了药物分子与d n a 相互作用在药物筛选 和生物分子化学中的重要理论和实际意义。 第二部分：六氮杂环铜配合物与d n a 的相互作用 六氮杂环铜配合物是一种八面体，大环配合物，具有和b 1 2 和血红素类似结 构，因此它具有抗氧化、抗肿瘤等广泛的药理作用，是我们选择此配合物作为研 究对象的理论依据。此配合物可以与d n a 发生作用从而改变d n a 的复制，阻 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 i 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氮杂环铜配合物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 碍肿瘤细胞的增长。通过本部分对配合物与d n a 的作用机理的研究，希望可以 对抗癌药物的药理作用进行进一步的了解，并可以扩大到对此一类物质的药理作 用的了解。 本部分内容中我们主要通过紫外分光光度法，荧光光谱，粘度法，电化学方 法和凝胶电泳法研究了该配合物与小牛胸腺d n a ( c t - d n a ) 以及p b r 3 2 2 超 螺旋d n a ( s c d n a ) 的相互作用。由紫外分光光度法得到的数据，我们可以计 算出此配合物与c t - d n a 的键合常数为( 2 4 o 0 2 ) x 1 0 4m 一；在荧光光谱实验中， 当此铜配合物被加入e b d n a 体系时，出现荧光猝灭：粘度实验中，随着配合 物浓度的增加，相对粘度降低。所有的实验结果表明配合物与c t - d n a 是通过 非经典或部分嵌插模式相互作用的。进一步研究发现，此六氮杂铜配合物在双氧 水和抗坏血酸同时存在时可以裂解s c d n a 。裂解的机理是羟基自由基氧化裂解。 第三部分：电化学方法检测六氮杂环铜配合物裂解s c d n a 凝胶电泳法检测d n a 裂解，发现此过渡金属配合物可损伤d n a ，然而用凝 胶电泳法检测消耗时间长，d n a 用量大。 本部分实验中我们利用电化学在检测中的快速，简单，低消耗量和检测准确 的优点，进行新的探索一电化学方法检测d n a 的裂解。经典的循环伏安法经常 被用作检测d n a 与配合物的相互作用，而用它检测d n a 的裂解是一种新的尝试。 通过循环伏安法和交流阻抗法检测信号的改变可以判断d n a 的裂解。 第四部分：抗坏血酸和多巴胺在六氮杂环铜配合物修饰金电极上的 电化学行为以及分析应用 抗坏血酸( a a ) 与几种神经传递物质一起广泛存在于哺乳动物的脑组织中， 如何选择性的检测a a 一直是分析化学家关心的问题，在众多的检测方法中，电 化学方法对生命科学有重要意义。多巴胺是一种普遍存在于哺乳动物脑组织的神 经传递素，并且常常与抗坏血酸共存。然而，在大多数固体电极上多巴胺和抗坏 血酸的氧化峰有重叠，这将导致多巴胺的检测不准确，因此很有必要发展一种快 速、简单的电化学方法来检测多巴胺。我们用自组装的方法将此配合物修饰在金 电极表面，发现可以在抗坏血酸存在的条件下检测多巴胺。 在这一部分，我们用巯基自组装方法修饰得到一个稳定的铜配合物修饰金电 极并研究了它的电化学行为。发现在c u ( ：0 l t c a a u 修饰电极上，修饰层中的 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 1 1 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氮杂环铜配合物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 铜配合物( c o d l ) 可以发生氧化还原反应。在o 0 5m 磷酸缓冲溶液中( p h7 6 ) ， c u ( i i ) l 出现了一对峰形很好的氧化还原峰，说明该反应是一个准可逆电化学过 程，同时发现该修饰电极具有表面波的性质。根据电化学方法得到修饰膜中的 c u ( i i ) l 电子转移系数是0 2 ，标准速率常数是2 0 s 。 我们主要用循环伏安法和差示脉冲伏安法研究了抗坏血酸和多巴胺在六氮 杂铜配合物自组装修饰金电极上的电催化氧化反应。发现抗坏血酸和多巴胺的氧 化峰电流在c u ( i i ) l - t c a a u 修饰电极上远远大于在裸金电极上的氧化峰电流， 并且过电位均有所降低。说明此自组装修饰金电极上的铜配合物的确可以很有效 地催化氧化抗坏血酸和多巴胺。并且此修饰电极也可以被用来很好的检测实际样 品橘汁中的v c 含量。实验还发现当抗坏血酸存在并且浓度较大时，用巯基乙 酸自组装修饰金电极仍然可以检测多巴胺。 关键迥d n a ；六氮杂环铜配合物；电化学；相互作用：裂解 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 1 1 1 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氪杂环铜配合物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 a b s t r a c t d n ai st h ec a r r i e ro fg e n e t i ci n f o r m a t i o na n dp l a y sa l le s p e c i a l l yi m p o r t a n tr o l e i nt h ec o u r s eo f g e n e t i c i n v e s t i g a t i o no fd n a i si m p o r t a n ti nt h el i f es c i e n c e sf i e l d d n ai st h em a i nt a r g e tm o l e c u l et h a te x i s t si na n t i c a n c e ra n da n t i v i r a lt h e r a p i e s a l l c e l la n dv i r e sc a r r yd n a n o r m a lh e r e d i t yf u n c t i o no fd n a d e p e n d so i lt h ep h y s i c a l a n dc h e m i c a li n t e r a c t i o no fo t h e rm o l e c u l e sw i t l ld n a i n t e r a c t i o no fd n aw i t hs m a l lm o l e c u l e s ，e s p e c i a l l yd r u gm o l e c u l e sa f f e c t e d p h y s i o l o g i c a la n dp h y s i c a lc h e m i c a lc h a r a c t e ro fd n a a n dc h a n g e dt h et r a n s f e ra n d c o p yo fd n a h e n c ei ti sm e a n i n gt h a ti n t e r a c t i o n so fs m a l lm o l e c u l e sw i t hd n a a r e i n v e s t i g a t e dt ou n d e r s t a n db i n do fd n a w i t hp r o t e i n a n t i c a n c e rm e c h a n i s ma n dt o d e s i g na n ds y n t h e s i z en e wd r a g i nm e d i c a m e n t ，i tp o s s i b l et of o r e s e em a j o rs t e p s f o r w a r di no u ru n d e r s t a n d i n go ft h em o l e c u l a rb a s i so fd i s e a s e ，b o t hf r o ma r a c kb y e x t e r n a lp a t h o g e n sa n di n t e r n a l l yf r o mv a r i a t i o n sw i t h i nt h eh u m a ng e n o m er e s u l t i n g i nap l e t h o r ao fn e wm o l e c u l a rt h e r a p e u t i ct a r g e t sf o r d r u gd e s i g na n dd i s c o v e r y a v a r i e t yo ft e c h n i q u e sf r o mm o l e c u l a rb i o l o g yh a v eb e e nu s e di nr e s e a r c h l a b o r a t o r i e st os t u d yt h ee f f e c t so fd n a b i n d i n gs m a l lm o l e c u l e s ，s u c ha st h eg e l m o b i l i t ys h i f ta s s a y , 1 hn m r d n af o o t - p t i n t i n ga s s a y , a n df l u o r e s c e n c e - b a s e d a s s a y s ，u v - v i ss p e c t r u ma n dv i s c o m e t r y t h ef i r s tp a r t ：g e n e r a li n t r o d u c t i o na n dc o n e l u s i o n i nt h i sp a r t ，t h ed e v e l o p m e n ti nt h es t u d i e so fd n a , i n c l u d i n gs t u r c t u r eo fd n a , i n t e r a c t i o no fd n aw i t ho t h e rm a t t e ra n dt h em o t h o d sa b o u ti n t e r a c t i o no fd n aa n d s m a l lm o l e c u l e i ti si m p o r t a n tt os t u d yd n ai n t e r a c t i o nw i t hd r u gi nt h e o r ya n di n p r a c t i c e r e p o r t sa b o u tt h ea c t i o no ft h ep o r p h y r i nt h a ta l k y lc o n n e c t e dn p o s i t i o n w i t hd n aa r ev e r yf e wi nt h ew o r d a n dw es t u d ya c t i o no fm e t h y l e n eb l u ew i t h d n as o l u t i o nb ym a i n l ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d s t h es e c o n dp a r t ：s t u d yo nd n a c l e a v a g eb yt h eh e x a a z am a c r o c y c l i c c o p p e r ( i i ) c o m p l e x i nt h i sp a p e r , w ef i r s ts y n t h e s i z e dc u ( i i ) lw h i c hh a sao c t a h e d r a ls t r u c t u r e s i m i l a rt os o m en a t u r a lc o m p l e x e s ，s u c ha sc h l o r o p h y l l ，h e m o g l o b i n ，v i t a m i nb 1 2a n d 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 l v 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氨杂环铜配合物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 o t h e rb i o e n z y m e s ，a n ds t u d i e di t sb i n d i n gp r o p e r t i e st oc a l ft h y m u sd n a b yd i f f e r e n t s p e c t r o s c o p i cm e t h o d sa n dp b r 3 2 2d n ac l e a v a g ee x p e r i m e n t o u rp u r p o s ew a st o u n d e r s t a n dt h e s e l e c t i v i t ya n de f f i c i e n c yo fd n ar e c o g n i z e da n dc l e a v e db y m a c r o c y c l i cc o p p e rc o m p l e x ，a n dt od e v e l o pn e we f f e c t i v ea n t i t u m o rr e a g e n t so r u s e f u ld n a p r o b e s t h ei n t e r a c t i o no ft h i sc o m p l e xw i t hc a l ft h y m u sd n ah a sb e e ne x p l o r e db y u s i n ga b s o r p t i o n ，e m i s s i o n ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n t s , e l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e sa n d d n a c l e a v a g e f r o ma b s o r p t i o nt i t r a t i o nd a t a ，t h eb i n dc o n s t a n to fc u ( i d l w i t hd n a w a sc a l c u l a t e dt ob e ( 2 4 0 0 2 ) x 1 0 4m q u e n c h i n gf l u o r e s c e n c ei so b s e r v e df o r d n a - e bs y s t e mw h e nc u ( i i ) lw a sa d d e d ，t h er e l a t i v ev i s c o s i t yo fd n ad e c r e a s e d w i t ht h ea d d i t i o no fc u ( i i ) l a l lo ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o m p l e x b i n dt od n a b yn o n c l a s s i c a lo rp a r t i a li n t e r c a l a t i v ei n t e r a c t i o n t h ec o m p l e xh a s a l s ob e e nf o u n dt op r o m o t et h ec l e a v a g ep l a s m i dp b r3 2 2 ，i nt h ep r e s e n e eo fh 2 0 2 a n da s c o r b i ca c i d t h eh y d r o x y lr a d i c a li ss u g g e s t e dt ob et h er e a c t i v es p e c i e s r e s p o n s i b l ef o rt h ec l e a v a g e t h ec l e a v i n gm e c h a n i s mf o rt h ec u ( i i ) lc o m p l e xh a s b e e np r o p o s e d 1 h et h i r dp a r t ：e l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o ns c d n ac l e a v a g ei nt h ep r e s e n c e o fh e x a a z am a c r o c y c l i cc o p p e r ( i i ) c o m p l e x i nt h i ss t u d y , o x i d a t i v eb r e a k a g ed n a b yt h er e a c t i o no fc 0 a ) lw i t hh 2 0 2a n d a s c o r b a t eh a sb e e n i n v e s t i g a t e db yg e le l e c t r o p h o r e s i se x p e r i m e n t s i n e l e c t r o c h e m i c a le x p e r i m e n t s ，t h eo ns c d n a - m o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g c e ) i sc l e a v e db yt h ec u ( i i ) la n dr e d o xc h a n g i n go ft h em e t a lc a t a l y s tw i t h o u ta d d i n ga n y o t h e rr e a g e n t s a b o v ea l lt h en e e dc o n c e n t r a t i o no fs c d n ai sm u c hl o w e rt h a nt h a to f g e le l e e t r o p h o r e s i se x p e r i m e n t s a n dt h ep r o c e s so ft h ep e r f o r m a n c ei s e a s y f u r t h e r m o r e ，c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n da c i m p e d a n c ew h i c ha r ep e r f o r m e dt o m o n i t o rs c d n a c l e a v a g ea tt h es c d n a - m o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( o c t ) ，a r e f a s t ，s i m p l ya n dh i 曲e f f i c i e n t t h em e c h a n i s mo ft h ed a m a g ec a nb es u g g e s t e d ： f e n t o n t h ef o u r t hp a r t ：e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fh e x a a z am a c r o c y c l i c c o p p e r ( i i ) c o m p l e xm o d i f i e da ue l e c t r o d ea n d i t sa n a l y t i c a la p p l i c a t i o n 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 v 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氨杂环铜配台物与d n a 的相互作用研究及其修饰电极的分析应用 d ai sau b i q u i t o u sn e u r o t r a n s m i t t e ri nm a m m a l i a nb r a i nt i s s u e sa n df r e q u e n t l y c o e x i s t sw i t ha a d a p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef u n c t i o n i n go f c e n t r a ln e r v o u s ， r e n a l ，h o r m o n a la n dc a r d i o v a s c u l a rs y s t e m h o w e v e r , i ti sk n o w nt h a ta tam o s ts o l i d e l e c t r o d et h eo x i d a t i o np e a k so fa aa n dd aa r es a m ep o t e n t i a la n do v e d a p t h i s r e s u l tl e a d sa ni n c o r r e c tm e a s u r e m e n to fd a s oi ti se s s e n t i a lt od e v e l o pr a p i da n d s i m p l ee l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o no fd a f o r i m p r o v i n gs e l e c t i v i t yo fd e t e c t i o no fd a ，m a n yd i f f e r e n ts t r a t e g i e sh a v eb e e nu s e dt o m o d i f yt h ee l e c t r o d es u r f a c e ah e x a a z a m a c r o c y c l i cc o p p e r ( i f )c o m p l e x m o d i f i e da ue l e c t r o d e ( c u ( i i ) l - t c a a u ) w a sf a b r i c a t e d t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so fa s c o r b i ca c i d a n dd o p a m i n ea tt h ec a ( 1 1 ) l - t c a a uh a db e e ns t u d i e d s c a n n i n ge l e c t r o c h e m i c a l m i c r o s c o p y ( s e c m ) w a se m p l o y e dt os t u d yt h ee l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c e so ft h e m o d i f i e dg o l de l e c t r o d ei n d i c a t i n gd i f f e r e n tf e e d b a c km o d e sa td i f f e r e n t l ym o d i f i e d s u r f a c e s t h ec u ( i i ) l - t c a a us h o w e da ne x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yf o rt h e o x i d a t i o na s c o r b i ca c i di np h4 0b u f f e rs o l u t i o n t h ec o n t e n to fv i t a m i nco ft h e o r a n g ej u i c ew a sd e t e c t e dw i t h o u ta n yo t h e rp r e t r e a t m e n to ft h es a m p l e sa n dt h er e s u l t w a si na g r e e m e n tw i t ht h o s eo b t a i n e dw i t ho t h e rm e t h o d s t h ee x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t e dag o o dp r e c i s i o n ，s e n s i t i v i t y ，a n dl o w e rd e t e c t i o nl i m i t a t i o na tt h e m o d i f i e dg o l de l e c t r o d e t h em o d i f i e de l e c t r o d ew a sa ne f f e c t i v em e d i a t o rf o rt h ee l e c t r o c a t a l y t i c o x i d a t i o no ft h ea s c o r b i ca c i da n dd o p a m i n ea n dt h em o d i f i c a t i o na l l o w e dd o p a m i n e l ob ed e t e r m i n e di nt h ep r e s e n c eo fa s c o r b i ca c i di nt h er a n g ef r o ml m m o lt o5 m m o l i n p h7 6 t r i s h c ib u f f e rs o l u t i o n t h ed e t e c t i o n l i m i t ( s n = 3 ) o b t a i n e db y d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r yw a s l 8 1 0 一m o l l k e y w o r d s ：d n a ；h e x a a z am a c r o c y c l i cc o p p e r ( i i ) c o m p l e x ；e l e c t r o c h e m i s t r y ； i n t e r a c t i o n ；c l e a v a g e 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 v l 研究方向：生物电分析 独键性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注移致谢的地方外，论文中不包括其他 久己经发表残撰写蓬秘獗究我采，逡不毽会为获褥鞭l l 零范大学残其它教弯瓣 奄 的学位或诞书而使用道酌材料。与我同工作的潮志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 壤j 签名：堡整盔盔 e l 裳一一塑主：丛 关于论文使用授权的说明 本人究全了解嚣l k 娜范大学有关保整、使用学位论文的趣迩，即：学校蠢权 保密送交论文懿复印终，龛诤论文被焱滔蠢氆溪；学校可敬公露论文豹全都蠛镲 分内容，可以采用影印、缩印或其落复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 鹾士磅究生学链论文六氮象琢锯配合镌与d n a 程互尊瓣抟酪究及箕修镪奄擞懿手 辑应嚣 第一章综述 基蠢是久炎皴译生念爨秘懿钥嫠，基潮工程蓑拳侵入类骞可憝最终掌握并潦 纵生命的领域。人类基因组阁谱绘制的完成更为人类医学新发展提供了崭新的、 激动人，i i 的前景。然而如何充分利用新序列信息资源成为生命科学工作者的共同 溱题。终受垒愈遗簧浆豹痰蘩疆，d n a ( 靛氧菝糖菝羧) 匏硬究一蕊是生螽奉摹 学研究中最为活跃的研究领域之一。随着生物技术的迅速发展，d n a 与电化学 分析结合的方法及其在分子生物学和生物医学工程领域的应用有慧日益重要的 蜜瓣意义。 1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 掇出d n a 的双螺旋结构模型“。，从分子水平上阐述了 嫩命遗传信息通过d n a 的半保留复制机瑷，从此生物举进入了分予生物学的新 辩锭。有关叟繇基本遗簧秘矮d n a 戆硬究也藏为分予生秘学秘生魏豫学弱重要 课题，其中d n a 靶向分子与d n a 2 _ _ 间的相互作用的研究直是个十分活跃的 领域。人们发现，在d n a 编码转译成蛋白质的各个阶段，d n a 和r n a 的合成， 簇强的调控等都涉及弱金爝凑子。孩酸的垒浆功能与这些金属离子爨援摇关，因 此研究核酸与众藩离子及其亿合物闻辐纛作用的化学熬础，对了解他们的性质揭 承核酸生物合成的规律和金属离子与核酸生物功能的关系，进而阐述生命遗传的 本瑷和变异的缀困等都具蠢纛要意义m j 。闷时，通过对一些药物一金蠛枣子- d n a 缩含物作焉杭避的研究不设对阐述一璧抗瓣癌，莸病海药物及致瘀勃的作用祝 理作出解释，并为新的抗癌药物的研制摁供理论依据，而且对进一步指导人工核 姨的合成及d n a 高级结构静研究具有重骚意义。影响烈妊靶向分予与d n a 相互 幸筝嗣豹西素缀多，最重要静楚分子臻稳。因筵，搽讨燃靶淘分子鼢结梅与冀 对d n a 的识别模式和其生物活性之间的必系，对于设计具有特定功能的d n a 靶 向分子至关羹臻，它可指导新药物的合成及体外筛选工作。合成出既具有高度专 毪，又襞按照久霞羲宠设计翡位点甥霪l | d n a 豹大王核羧酶，对予鏊透分离、 大片断基因序列分析以及肿瘤基因治疗挥方面的研究将有助于理解些生命过 程的机理，阐明d n a 高级继构的生物学意义。 l ，d n a 静组成和结构f 1 ，3 4 翻 d n a 的缩构如图1 所示，构成核酸的单体是核背酸，核昔酸由核苷( 包括 碱基，戊糖) _ 耱磷酸缓成，按茂糖是t 3 一o - 棱糖或一i ) - 27 一聪氧孩糖，将孩糖 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 1 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文 六氮杂环铜配合物与d n a 相互作用的研究及其修饰电极的分析应用 分为核糖核酸o 砷和脱氧核糖核酸( d n a ) 。前者的碱基是腺嘌呤( a ) ，鸟瞟呤 ( g ) ，胞嘧啶( c ) 和尿嘧啶) 四种。后者的碱基中，除了胸腺嘧啶( ，i ) 代替尿嘧啶 外，其余三种与前者相同。脱氧核苷酸之 间由3 ，5 1 磷酸二酯键连接起来形成单链， 称为d n a 的一级结构。两条单链之间碱 基由氢键联系起来，形成两种特定碱基配 对：a - t 和g c 。相邻碱基对平面之间间 隔处于v a n d c r w a a l s 距离内，因此碱基平 面上分布的电子云系统之间的吸引力， 碱基上永久性偶极间的作用力和诱导偶极 的相互作用等分子之间作用力，使碱基之 间存在堆积作用。堆积作用的大小表现出 嘌呤一嘌呤 嘌呤嘧啶 嘧啶一嘧啶的趋 势，而且还受碱基排列序列的影响。氢键 和堆积作用使两条脱氧核苷酸单链组成一 o n l n e i 呻w g u a n i n # 锄d s n 目 图1 d n a 双螺旋结构 条双螺旋，就是d n a 的二级结构。碱基对与糖环的连接不是在碱基对的相反两 侧而是在同侧，这种不对称的连接导致双螺旋表面形成两个凹下去的沟，宽的称 为大沟，窄的称为小沟，大沟携带了其它分子能够阅读的信息( 碱基序列) ，沟 足够大，能容许蛋白质分子进入。相比之下，小沟信息较少些。d n a 是一种柔 性的生物大分子，这使得d n a 双螺旋可采用不同的构象，如a 、b 、c 、d 、z 等形式。d n a 采用哪种构象，很大程度上取决于环境条件，如盐的种类，相对 湿度等。b 型是大多数天然d n a 的存在形式，其结构特点是两条反平行的多核 苷酸围绕同一螺旋轴旋转而形成右手双螺旋，每十个碱基对旋绕一圈形成一个螺 旋结构，螺距3 4 n m ，螺距直径2 n m 。z - d n a 是d n a 几种构象中唯一的左手螺 旋。z - d n a 中两条由d g 和d c 交替形成的寡聚核苷链反向平行排列，通过 w a t s o n c r i c k 碱基配对把它们系在一起并绕成一个左手螺旋。d n a 不同构象所 具有的特征使得小分子药物识别二级结构成为可能。 2 d n a 的电化学行为及其与小分子的相互作用 2 1 d n a 电化学行为 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 2 研究方向：生物电分析 硕士研究生学位论文六氨杂环铜配合物与d n a 相互作用的研究及其修饰电极的分析应用 2 1 1 。d n a 的电活性 d n a 分子的电活性主要是由d n a 碱基所引起的。d n a 碱基有鸟瞟呤( g ) ， 腺嘌呤( a ) ，胞嘧啶( c ) 和胸腺嘧啶c i ) ，其中，t 不会发生电氧化或电还原，g 、 a 、c 可在电极上发生电还原，其还原位点主要是g 的n 7 位，a 的n 1 位， c 的n - 3 位。g 和a 又可在电极上电氧化，其氧化位点主要是g 的c 一8 位，a 的c 2 位。d n a 中g 、a 的氧化不涉及到氢键，而a 、c 的还原需要破坏碱基 间的氢键。在中性电解质溶液中，变性d n a 的氧化峰电位在+ 0 9 v ( o 峰1 和+ 1 2 v ( a 、c 峰) 附近。较之于变性的d n a 来说，由于天然d n a 的刚性，在电 极表面不易发生形变，其氧化、还原位点不易接近电极，所以天然的d n a 的氧 化还原峰峰电位正移，峰电流下降。 2 1 2 d n a 与电极的相互作用 d n a 与电极表面( 即荷电表面) 相互作用的研究具有重要意义。因为生物 界面( 如细胞膜) 往往带有电荷并形成类似于电极溶液界面的双电层，所以电 极d n a 溶液所构成的体系可以作为一种模拟d n a 体内复制时其与细胞膜相互 作用1 3 过程研究的重要工具。尽管细胞膜等生物界面与电极表面在结构上有很大 差别，但一般电化学性质应有更大的相似性。 大部分有关d n a 与电极表面相互作用的研究是在汞电极上进行的。研究发 现【1 i d n a 变性也可通过改变电极电势使吸附于电极表面的d n a 分子与电场发生 相互作用而实现。 d n a 分子很容易在电极表面发生吸附。d n a 在汞电极表面的吸附发生在很 宽的电势范围( - 0 1 v 一1 4 vv s s c e ) 。热变性的单链d n a ( 略作s s d n a ) 分 子能强烈的吸附于汞电极表面，质子化的d n a 分子更是如此，而以s s d n a 分 子发生电还原反应后的产物的吸附能力最强。在电极表面带高密度的负电荷，即 在很负的电极电势( - 1 8 v ) 时产生脱附。s s d n a 分子在电极上的吸附量几乎不 受吸附电位、温度和其它因素的影响，表明吸附的性质为化学吸附，生成吸附化 学键。质子化的s s d n a 分子通过嘌呤和嘧啶碱基靠芳杂环n 键结合而吸附到汞 电极上，核糖和磷酸基团则朝向溶液一边并被溶剂化。 未变性的双链d n a ( d s d n a ) 分子的吸附与吸附电势密切相关。d s d n a 的饱和表面浓度依赖于电极所带电荷的性质。在一定电势范围当d s d n a 分子在 带负电荷的电极表面吸附时，仍保持其双螺旋结构；在带正电荷的电极表面吸附 研究生：董树清 指导老师：康敬万教授、卢小泉教授 专业：分析化学 3 研究方向：生物电分析 磺士辑究生学位论文 六氯杂环锈配食物岛d n a 相互终赐瓣辑究及其蘩蝽毫壤静分折窿焉 时，d s d n a 分予舒展地躺在电极表面。尽管d n a 分子带大量负电荷，但d s d n a 分子在繁正电荷袋西豹吸驸魄在带负电萄衮褥熬还弱稠。吸附在电极上的d s d n a 分子酌梅象在一定电势( - 1 2 v 附近) 下会发生改变。影响d s d n a 双螺旋结构 的因素很多，诸如电场、离子氛的改变，因吸附引起的d n a 分子水化层的改变 等等，影响报复杂。另外d s d n a 解旋的难彩程度还与其核管酸序列密甥提关。 2 1 3 d n a 的电纯学反应 d n a 的碱撼能发生电化学还原( 汞电檄上) 与电化学氧化( 碳、众电极上) 爱激1 5 7 1 。d n a 努子豹毫逶毪主要是由d n a 辕蓉囊弓| 怒鹣。d n a 碱熬骞鸟凛冷 ( o ) ，腺嘌呤( a ) ，胞嘧啶( c ) 和胸腺嘧啶，其中，t 不会发生电氧化绒电还原， 0 、a 、c 可在电极上发生电还原，其还原俄点主要是g 的n 一7 位，a 的n 一1 霞，c 戆辩一3 魏。g 蟊a 又霉在毫极上魄载纯，萁氧玩经点主要是g 豹c 一8 位，a 的c 一2 能。d n a 中g 、a 的氧化不涉及到氢键，而a 、c 的还原需要破 坏碱基间的氢键。在中性电解质溶液中，变性d n a 的氧化峰电位在+ o 9 v f g 峰) 秘十1 。2 v 媳、c 蜂) 瓣近。d n a 分子的艨啜岭( a ) 和照豫淀( e ) 碱蘩还豢的弱 极蜂接近于一1 5 v ，而其鸟嗓岭碱基也能越电还原反应，还原电势低予- 1 6 5 v ， 与溶剂水的分解电势区相重台，因而没有明照的阴极峰。a 碱基和c 碱基的还 原均是不可逆的；g 碱基的化学还擐是化学w 逆的，鼓能程- 0 。3 3 v 秀魄氧化为g 碱麓。d n a 电还琢反应静位赢楚其分子中a 减基的n ( 1 ) = c ( 6 ) 敞键、c 碱 基的n ( 3 ) = c ( 4 ) 双键和g 碱基的n ( 7 ) = c ( 8 ) 双键1 8 】，均为质子参与的 2 墩子电还原反成。除g 钋，a 和c 碱基的活性位点均为碱基氢键酝对系统的 缀成部分。在d s d n a 分子孛a 耪c 碱萋的瞧还原活髓锭轰深藏予双螺旋孛，强 致双要双螺旋结构的完整性不被破坏，那么电还原活性位点就不能参与电极过 程。因此除g 外，d s d n a 分予的a 和c 碱旗均不能参与电还原反应。铰之于变 毪戆d n a 采谥，由于天然d n a 戆戮往，程毫投表瑟不荔发生黟变，英氧镬二、 还原位点不易接近电极，所以天然的d n a 的氧化还原峰峰电位正移，峰电流下 降。但是一旦d s d n a 分子变性( 或部分交燃) 丽成为s s d n a 分子，弑会释放出 爨溪往往熹，魇 三ls s d n a 分子在宅曩二学溪憋懿疆基转窝残囊子豫形式熬p 珏条 件下是可以发生电还原反应的。可见对d s d n a 来说，仅其链的变性部分的活性 位点能发生电还原反应。一般来说，d s d n a 分子不产生电还原响应信号，但有 露巍在毯s s d n a 分子电逐簸爨势稳对正一患麓邀势产生缀弱静电滚靛号燃。这 研究生：董树清 指导老师：康敬万彀授、卢小泉教授 专业；分析化学 4 研究方向：生物电分析 鞭主研究生学控论文 六舞象环锅配台魏与d n a 籀互嚣搠瓣研究爱其蓥馋奄较嚣势辑癌周 是由d n a 分子结构的多形性引起的【8 ,