（物理化学专业论文）抗癌性钌和钴多吡啶类配合物的电子结构与相关性质.pdf

摘要 摘要 本论文运用g a u s s i a n 9 8 量子化学程序包，采用密度泛函等量子化学方法， 对 r u ( b p y ) 2 l “、 r u ( p h e n ) 2 l ”( l = p y t p ，p z t p ) ，【c o ( b p y ) 2 l ”、【c o ( p h e n ) 2 l ” ( l = i p ，p i p ) ， r u l c l s ( d m s o ) 2 ( l = p i p ，d m n p ，n o p ) 三个具有抗癌性的钉、钴多吡啶 类配合物系列进行了量子化学计算研究，获得了这些配合物的电子结构及几何结 构的信息，如分子的总能量、分子轨道能量、分子轨道组成、电荷布居以及键长 键角等参数，着重研究了电子结构与抗癌活性的定性关系，为研究这类抗癌药的 定量构效关系打下了一定基础；对多毗啶类配合物的d n a 键合倾向作了探索性 的研究，着重研究了配合物的d n a 一键合性质的影响因素及规律，为抗癌药的作 用机理分析及调控作用提供理论参考：进行了一些钌多吡啶类配合物对d n a 光 裂解规律的研究，对插入配体上引入适当的含氧基团，可调控配合物的光裂解能 力的实验现象进行了理论探讨，从前线分子轨道的能量、组成、基团与d n a 碱 基对的作用上定性分析、究其原因，为理解过渡金属多吡啶类配合物抗癌机理的 本质作了另一项理论探索工作。所得结论如下： ( 1 ) 具有近平面的共轭配体的配合物的抗癌活性与它们的电子结构及 其与d n a 的结合作用有密切的关系。高正电荷的金属离子配合物 r u ( b p y ) 2 l 1 2 + 、 r u ( p h e n h l ”( l = p y t p ，p z t p ) ， c o o p y ) 2 l ”、 c o ( p h e n ) 2 l ”( l = i p ，p i p ) 的l u m o 及附近未占轨道能量比d n a 碱基对模型c g c g 的h o m o 和n h o m o 的能量低 得多。具有较强抗癌活性的配合物，共轭环上有较高的氮百分含量，它的l u m o 及附近未占轨道能量偏低，插入配体的平面面积大，因而能与d n a 更强地结合。 水溶性中性配合物( r u l c l 3 ( d m s o ) 2 】( l _ p i p ，d m n p ，n o p ) 的l u m o 轨道能量比 d n a 模型的h o m o 能量还要高但比较接近，两者相互作用由其轨道相互作用所 控制。配合物的l u m o 能量越接近d n a 模型的h o m o 能量，与d n a 作用的 强度也越强，这与配合物的抗癌活性顺序相一致。进一步表明抗癌性钉多吡啶类 配合物的抗癌活性大小与配合物的d n a 键合强度有十分密切的关系。 ( 2 ) 通过设计四个系列钌( i i ) 多毗啶类配合物对d n a 的键合规律的 理论与实验相结合的研究，得到一些影响配合物对d n a 键合强度的重要因素。 这些重要因素是配合物的最低未占据分子轨道( l u m o ) 能量、插入配体的平面面 摘要 积、插入配体的平面性及辅助配体性质等。一般地说，以插入方式与d n a 键合 的钌多毗啶类配合物，l u m o 能量越低、插入配体的平面面积越大，则配合物 对d n a 的键合强度越大。此外，辅助配体的疏水性等也是影响配合物对d n a 键合性质的重要因素，辅助配体的疏水性大有利于配合物对d n a 的键合。上述 这些影响因素是通过主配体上不同电子性质的取代基、取代基在插入配体上的不 同取代位置以及辅助配体的类型与性质来调控的。量子化学计算研究可得到配合 物的电子结构和几何结构的信息，从理论上获得配合物对d n a 的键合规律，可 为设计与d n a 键合作用较强、进而具有较强抗癌活性的钉多毗啶类配合物提供 理论指导。 ( 3 ) 选择引入甲氧基的配合物与母体配合物组成的两个系列钌配合 物，在理论上初步探讨它们的光裂解规律。引入甲氧基的 r u ( b p y ) 2 m i p 2 + 和 r u ( p h e n ) z m i p 2 + 与其相应的母体 r u ( b p y ) 2 p i p 2 + 和 r u ( p h e n ) 2 p i p 2 + 比较，前者的 h o m o 能量( h ) 较高，l u m o 与h o m o 的能量差( l l h ) 较小，甲氧基 处于插入配体的末端，且h o m o 分子轨道组成主要分布在0 及o 原子附近的原 子上。正是这种电子结构特征， 吏 r u ( b p y ) 2 m i p “t l l r u ( p h e n ) 2 m i p 针在紫外光的 作用下，容易被激发，产生强烈的光激发态效应，即配合物形成激发态时几何构 形、电荷分布及化学活性的骤变，从而使它们与母体相比具有比较良好的光裂解 p b r 3 2 2 d n a 能力。 关键词：钌配合物；钴配合物；多吡啶：量子化学；抗癌活性 i i a b s t i t a c t t i t l e ：e l e c t r o n i cs t r u c t u r e sa n d r e l a t e d p r o p e r t i e so f r u t h e n i u ma n d c o b a l t p o l y p y r i d y l - l i k ec o m p l e x e s w i t ha n t i - c a n c e r a c f i v i 纱 m a jo r ：p h y s i c a lc h e m i s t r y a u t h o r ：l i n l i j u n s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gk a n g c h e n g a b s t r a c t t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h r e es e r i e so fr u t h e n i u ma n dc o b a l tp o l y p y r i d y l - l i k e c o m p l e x e s w i t h a n t i c a n c e r a c t i v i t y ， r u ( b p y ) 2 l l “a n d r u ( p h e n ) 2 l 】2 + ( l = p y t p ，p z t p ) c o ( b p y ) 2 l 3 + a n d c o ( p h e n ) 2 l 计( l = i p ，p i p ) ，a sw e l la s r u l c l f f d m s o ) 2 】( l = p i p ，d m n p ，n o p ) ，w e r ec a r r i e do u tw i t ht h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) a n dh - f a b i n i t i om e t h o d s ，a p p l y i n gg a u s s i a n 9 8q u a n t u m c h e m i s t r y p a c k a g ep r o g r a me l e c t r o n i c a n dg e o m e t r i cs t r u c t u r e sw e r eo b t a i n e d ，s u c ha sm o l e c u l a rt o t a le n e r g i e s ，m o l e c u l a r o r b i t a l e n e r g i e s ，m o l e c u l a ro r b i t a lc o m p o s i t i o n s ，n a t u r a lc h a r g ep o p u l a t i o n s ，b o n d l e n g t h sa n db o n da n g l e s ，e t c o f t h ec o m p l e x e s t h eq u a l i t a t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e n e l e c t r o n i cs t r u c t u r e sa n da n t i c a n c e ra c t i v i t i e so ft h e c o m p l e x e s h a v eb e e n i n v e s t i g a t e d a n dt h eo b t a i n e dr e s u l t sc a r lo f f e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o n sf o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s o n q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ( q s a r ) o f t h e c o m p l e x e s t h e f i e n di nt h e d n a - b i n d i n g a f f i n i t i e so ft h e c o m p l e x e s w a s p r e l i m i n a r i l yc a r r i e do u t s o m ef a c t o r sa f f e c t i n gd n a - b i n d i n ga f f i n i t i e so fc o m p l e x e s h a v eb e e np r e s e n t e da n dt h e yc a nb eu s e da st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e si nt h ea n a l y s i so f a n t i t u m o rm e c h a n i s ma n dt h ef i a n c t i o n a lm o l e c u l a r d e s i g n s i na d d i t i o n ，s o m e i i i 塑! ! 坠里 一一 e l e m e n t a r ys t u d i e so n t h eg e n di np h o t o c l e a v a g ea b i l i t i e so f t h ec o m p l e x e sh a v ea l s o b e e n p e r f o r m e d ， a n ds o m e e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a o n i m p r o v i n g d n a - p h o t o c l e a v a g e a b i l i t i e so ft h ec o m p l e x e sb yi n t r o d u c i n gs o m eo x y g e m cg r o u p s i n t ot h ei n t e r c a l a t i v el i g a n d sc a nb eq u a l i t a t i v e l ye x p l a i n e da c c o r d i n g t ot h ec o m p u t e d r e s u l t sa n dt h ef r o n t i e rm o l e c u l a ro r b i t a lt h e o r y t h i si sa n o t h e rs i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a l r e s e a r c hf o r t h ec o m p r e h e n s i o no fd n a p h o t o c l e a v a g em e c h a n i s ma n d t h u st h e f u r t h e rc o m p r e h e n s i o no fa n t i c a n c e re s s e n c eo ft h ec o m p l e x e s t h er e s u l t s a n d c o n c l u s i o n sa r eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e a n t i c a n c e ra c t i v i t i e so fc o m p l e x e sh a v i n gac o n j u g a t i v ep l a n a rl i g a n d a r ec l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h e i rd n a b i n d i n gp r o p e r t i e s t h ee n e r g i e so ft h el o w e s t u n o c c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t a l s ( l u m o ) a n dt h eu n o c c u p i e dm o sn e a rl u m o ( i e ， l u m o + x ) o fi o n i cc o m p l e x e s w i t h h i g hp o s i t i v ec h a r g e ， r u ( b p y ) 2 l “a n d r u ( p h e n ) 2 l 2 + ( l = p y t p ，p z t p ) ， c o ( b p y ) 2 l 】3 + a n d c o ( p h e n ) 2 l 3 + ( l = i p ，p i p ) ，a r e m u c hl o w e rt h a nt h o s eo ft h eh i g h e s to c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t a l s ( h o m o ) a n d n h o m o ( t h e n e x th o m o ) o fs t a c k e dd n a b a s e - p a i r sw i t hb a c k b o n e s i ng e n e r a l ， t h e c o m p l e x e s w i t l lb e t t e ra n t i c a n c e ra c t i v i t i e sh a v eh i g h e rn i t r o g e n - c o n t e n t so n c o n j u g a t i v ep l a n a rr i n g s ，l o w e r l u m oa n d ( l u m o + x ) e n e r g i e s ，a sw e l la s i n t e r c a l a t i v e l i g a n d s w i t he x c e l l e n tp l a n a r i t ya n dl a r g e r c o n j u g a t i v ep l a n a r a r e a s b e c a u s et h e s ep e r f o r m a n c e sa r ea d v a n t a g e o u st oi m p r o v et h ed n a - b i n d i n ga f f i n i t i e s o ft h ec o m p l e x e s f o rt h es o l u b l en e u t r a lr u ( i i i ) c o m p l e x e s r u l c l 3 ( d m s o ) 2 ( l 2 p i p ，d m n p ，h o p ) ，s i n c et h e i rl u m oe n e r g i e sa r eh i g h e rt h a nc o u tc l o s et o ) t h e h o m oa n dn h o m o e n e r g i e so f s t a c k e dd n a b a s e p a i r s ，t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n t h e ma n dd n aa r em a i n l yc o n t r o l e db yo r b i t a l s t h ec l o s e rt h el u m o e n e r g yo f t h e c o m p l e x t ot h eh o m o e n e r g yo f d n a a r e ，t h es t r o n g e rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m i s ，a n dt h eh i g h e rt h ea n t i c a n c e ra c t i v i t yo ft h ec o m p l e xi s s u c hat h e o r e t i c a l e x p e c t a t i o ni si na c c o r d a n c ew i t ht h et r e n di nt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so f t h e a n t i c a n c e ra c t i v i t i e so ft h ec o m p l e x e s i tf l l r t h e rf i r m st h a ta n t i c a n c e ra c t i v i t i e so f t h ec o m p l e x e sa r ec l o s e l yc o r r e l a t e dw i t hd n a b i n d i n ga f f i n i t i e s d e p e n d i n g o nt h e e l e c t r o n i ca n d g e o m e t r i c s t r u c t u r e so f t h ec o m p l e x e s ( 2 ) i , t at h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h et r e n d si n d n a - b i n d i n g t v 垒! ! ! ! 垒! ! 一 a f f i n i t i e so fo u rd e s i g n e dt o u rs e r i e so fr u ( i i ) p o l y p r i d y lc o m p l e x e s ，s o m ei m p o r t a n t f a c t o r sa f f e c t i n gd n a b i n d i n ga f f i n i t i e so f t h ec o m p l e x e sh a v eb e e na c q u i r e dt h e y o r et h el u m oe n e r g nt h ep l a n a r i t ya n dc o n j u g a t i v ep l a n a ra r e a so fi n t e r c a l a t i v e l i g a n d ，t h ee l e c t r o n i ce f f e c t sa n dh y d r o p h o b i cp r o p e r t i e so fa n c i l l a r yl i g a n d s ，a n ds o o i l i ng e n e r a l ，i na ni n t e r c a l a t i o nm o d e ，t h el o w e rt h el u m oe n e r g yo f t h ec o m p l e x a n dt h eb e t t e rt h ep l a n o r i t yo fi n t e r c a l a t i v el i g a n da n dt h el a r g e rt h ec o n j u g a t i v ep l a n a r a r e a so fi n t e r c a l a t i v el i g a n do r e ，t h es t r o n g e rd n a b i n d i n ga f f i n i t i e so fc o m p l e x e sa r e i na d d i t i o n ，h y d r o p h o b i c i t yo fa n c i l l a r yl i g a n di sa l s oa ni m p o r t a n ta f f e c t i n gf a c t o r g r e a t e rh y d r o p h o b i c i t yo f a n c i l l a r yl i g a n di sh e l p f u lt od n a - b i n d i n ga f f i n i t yo f t h e c o m p l e x t h e a b o v e i m p o r t a n t f a c t o r s a f f e c t i n gd n a - b i n d i n ga f f i n i t y o ft h e c o m p l e x e sc a nb ec o n t r o l l e db ym o d u l a t i n gs o m es u b s t i t u e n t sa n dt h e i rs u b s t i t u t i n g s i t e so ni n t e r c a l a t i v el i g a n d s ，a sw e l la sa d o p t i n gv a r i e da n c i l l a r yl i g a n d s q u a n t u m c h e m i s t r yc o m p u t a t i o n sc a r lo b t a i ns o m eu s e f u li n f o r m a t i o n0 nt h ee l e c t r o n i ca n d g e o m e t r i cs t r u c t u r e so fc o m p l e x e s a n dd n a ，a n d h e r e b y c a r lh e l pu st od e s i g nv a r i e d c o m p l e x e s w i t he x c e l l e n td n a b i n d i n g p r o p e r t i e sa n ds t r o n ga n t i c a n c e ra c t i v i t i e s e l e m e n t a r yt h e o r e t i c a ls t u d i e so np h o t o c l e a v a g ep r o p e r t i e so f t w o s e r i e so fc o m p l e x e s r u ( b p y ) 2 p i p ”a n d p o a ( b p y ) 2 m i p 2 + ， r u ( p h e n ) 2 p i p 2 + a n d 【r u ( p h e n ) 2 m i p “) w e r e a l s oc a r r i e d o u t 。c o m p a r i n g t h e c o m p l e x e sc o n t a i n i n g m e t h y l e n e d i o x yg r o u po nt h ei n t e r c a l a t i v el i g a n d ，w i t ht h e i rp a r e n tc o m p l e x e s ，w e f i n dt h a tt h ef o r m e rt w oc o m p l e x e sh a v er a t h e rh i g h e rh o m o e n e r g i e sa n ds m a l l e r e n e r g yd i f f e r e n c e s l h ，a s w e l la sh o m o o r b i 翻e o m p s i t i o n s o ni n t e r c a l a f i v e l i g a n d sf m o s t l yl o c a l i z i n go nt h ep a r tn e a rm e t h y l e n e d i o x yg r o u p ) s u c he l e c t r o n i c s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p l e x e s r u ( b p y ) 2 m i p h a n d r u ( p h e n ) 2 m i p 2 + ) l e a dt ow h y t h e yc a l lb ee a s i l ye x c i t e db yu vi r r a d i a t i o n s i n c et h ee x c i t e ds t a t e so f t h ec o m p l e x e sm u s tr e s u l ti ns o m e s t r o n ge f f e c t s ，e g ，t h e i rg e o m e t r i cd i s t o r t i o na n d c h e m i c a l a c t i v i t yv a r i a t i o n ，i tm a yb et h ei m p o r t a n tr e a s o nw h yt h e y p o s s e s s d n a - p h o t o c l e a v a g ep r o p e r t i e s k e y w o r d s ：r u t h e n i u mc o m p l e x ；c o b a l tc o m p l e x ；p o l y p r i d y l ；q u a n t u m c h e m i s t r y ； a n t i - c a n c e r a c t i v i t y v 丝! ! 坠! ! 一 一 英文缩写表： b p y ：2 , 2 b i p y r i d i n e ；2 , 2 - 联毗啶 d m d ：2 , 9 d i m e t h y l 一1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 , 9 一二甲基一1 ，1 0 邻菲咯啉 p h e n ：i 1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；i ，1 0 - 邻菲略啉 i p ：i m i d a z o 4 ，5 f 】- l ，1 0 p h e n t m t h r o l i n e ；眯i 唑并【4 ，5 f - 1 ，1 0 一邻非咯啉 p i p ：2 - p h e n y l i m i d a z o 4 ，5 一圮1 ，1 0 - p h e n a n t h r 0 1 n e ；2 一苯基- 咪唑并【4 ，5 一f 】一1 ，1 0 邻菲咯啭 。h p i p ：2 - ( 2 h y d r o x y p h e n y l ) i m i d z a o 4 ，5 _ f 1 1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ；2 - ( 2 一羟基一苯基) - 眯唑弗 4 , 5 一f 一1 ，1 0 - 邻菲咯啉 o b i p ：2 - ( 2 b r o m o p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，5 - f 】一1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 - ( 2 一溴一苯基) 一咪唑并 4 ，5 f 】。】，1 0 邻菲咯啉 p b i p ：2 - ( 4 ，b r o m o p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，5 ，f 】- 1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 - ( 4 一溴一苯基) - 咪唑并【4 ，s - q 一1 ，1 0 - 邻菲咯啉 p m i p ：2 - ( 4 一m e t h y l p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，5 f 1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ； 2 一( 4 一甲基- 苯基) - 咪唑并 【4 ，5 r f l - l ，1 0 一邻菲咯啉 0 - m o p i p ：2 - ( 2 m e t h o x y l p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，5 f 】1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 ( 2 甲氧基一苯基) 一咪 唑井 4 ，5 - f 】l ，l o 邻菲咯啉 o - m p i p ：2 - ( 2 m e t h y l p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，s q l ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 ( 2 - 甲基一苯基) 一眯唑并 【4 ，5 。f - l ，1 0 - 邻菲咯啉 o c p i p ：2 - ( 2 - c h l o r o p h e n y l ) i m i d a z o 4 ，5 一f 】一1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 ( 2 氯一苯基) - 咪唑并 【4 ，5 一f - l ，l o - 邻菲咯啉 d n p i p ：2 - ( 2 n i t r o p h e n o n ed i i m i n e ) i m i d a z o 4 ，5 f 】1 ，1 0 p h e n a n t h r o l i n e ；2 - ( 2 - 硝基苯基) 一咪唑 并【4 ，5 啊- 1 ，1 0 一邻菲咯啉 p y t p ：3 - ( p y r i d i n - 2 - y 1 ) 一1 ，2 ，4 。t r i a z i n o 5 ，6 f 】一j ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ；3 - ( 2 - 嘧啶) 一1 , 2 ，4 一三嗪井】，1 0 - 邻菲咯啉 p z t p ：3 - ( p y r a z i n 2 y 1 ) 一1 ，2 ，4 一t r i a z i n o 5 ，6 一f 】，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ；3 一( 2 一吡嗪) 一1 ，2 ，4 - 三嗪并1 ，1 0 - 邻菲咯琳 d m s o ：d i m e t h y l s u l f o x i d e ；二甲弧砜 d f t ：d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y r o h f ：r e s t r i c t i v eo p e nh a r t r e e - f o c k v t a b s t r a c t h o m o ：h i g h e s to c c u p i e dm o i e c u l a ro r b i t a l n h o m o ：n e x t h i g h e s to c c u p i e dm o l e c u l a r o r b i t a l l u m o ：l o w e s tu n o c c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t a l n l u m o ：n e x tl o w e s tu n o c c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t a l v i l 前言 月i j置 ( 一) 八面体多吡啶配合物与d n a 作用的研究进展 1 引言 小分子配合物与d n a 分子相互作用的研究是当今国际生物无机化学界的重要 研究领域之一。近年来，人们对八面体过渡金属多毗啶配合物，特别是钌、钴多毗 啶配合物的研究十分活跃f 1 4 l ，因为这些配合物具有独特的与d n a 结合能力、良好 的电化学发光、激发态活性、抗肿瘤活性、刚性平面、热力学稳定性好、取代惰性、 光化学和光物理信息丰富等特征。这些特征使这类配合物在分子生物学、医学、生 物无机化学等许多领域中具有重要应用背景，因此引起化学界、生物界、物理界和 医学界的广泛注意，成为生物无机化学和生物物理化学在国际上十分活跃的前沿课 题及多学科交叉的研究领域5 1 。 核酸是生物体遗传信息的载体 i “，在它的碱基对中储存的遗传信息，与生物的 生长、发育等正常的生命活动以及癌变、突变等异常生命活动相关：同时有很多抗 肿瘤药物也是通过切割人体肿瘤细胞d n a 来治疗恶性肿瘤，因此研究小分子化合 物与细胞d n a 的结构与功能的关系，有助于从分子水平了解生命现象的本质 1 7 - 2 1 】， 从而使以核酸为靶分子的药物设计成为可能。 2 配合物与d n a 作用的基本模式 d n a 是最基本的遗传信息物质，一般为双螺旋链状聚合物。1 9 5 3 年，w a t s o n j 和c r i c k f 在前人的研究工作基础上，应用d n a 结晶的x 衍射图谱和分子模型，提 出了著名的d n a 双螺旋( d n ad o u b l eh e l i x ) 结构模型，并对模型的生理意义作了 前言 科学的解释和预测。d n a 的基本结构单元为脱氧核苷酸，脱氧核苷酸由碱基、磷酸 和口- d 一脱氧核糖组成。而构成d n a 的碱基有四种：腺嘌呤( a d e n i n e ，a ) ，鸟嘌呤 ( g u a n i n e ，g ) ，胞嘧啶( c y t o s i n e ，c ) ，胸腺嘧碇( t h y m i n e ，t ) 。 d n a 的一级结构指组成d n a 的诸脱氧核苷酸之间通过3 ，5 一磷酸二酯键连键 的性质以及它们在d n a 分子中的排列顺序。各种d n a 分子特有的碱基排列方式决定 了它们携带的信息及行使的生物功能。d n a 的二级结构指d n a 分子的双螺旋分子结 构，由于d n a 是一种柔性的生物大分子，这使得d n a 双螺旋可以采取不同的构型， 主要a - d n a ，b - d n a ，c - d n a ，d - d n a ，e - d n a ，z - d n a 构型。b - d n a 构型是大多数天然 d n a 的存在方式。b - d n a 是由两条反向平行的多核苷酸链绕着同个中心轴构成的 双螺旋结构。两条链都是右手螺旋。嘧啶和嘌呤碱基层叠于螺旋内侧，碱基平面与 纵轴相垂直。两条多核苷酸碱基之间依靠氢键连接在一起，形成两种特定的碱基配 对：a t 和g - c 。相邻碱基对平面之间间隔为3 4 a ，因此碱基平面上分布的n 电子云 之间的重叠、碱基上永久性偶极之间的作用力和诱导偶极的相互作用等分子间作用 力使碱基之间存在着堆积作用。在双螺旋表面形成两个凹下去的沟，一条沟大些， 一条沟小些，分别称为大沟和小沟。双螺旋表面的沟对d n a 和蛋白质的相互识别是 很重要的，因为只有在沟内才能接触到碱基的序别。d n a 的三级结构指的是d n a 双 螺旋的进一步扭曲。图1 1 为d n a 的立体模型。 图卜1d n a 立体模型 小分子化合物与d n a 的结合按化学键来划分主要有共价及非共价键结合两类。 前言 共价结合是其中较强的方式，非共价结合作用相对较弱，主要为静电作用、沟结合 和插入结合 2 2 - 2 8 1 。 2 i 共价结合 共价结合中既包括与亲核试剂，也包括与亲电试剂作用，主要表现为d n a 的烷 基化及d n a 的链间交连，链内交连等。 2 2 非共价结合 非共价结合有三种模式： ( 1 ) 静电作用( e l e c t r o n i cb i n d i n g ) 核酸是一种带负电的多聚阴离子。金属离子及许多配合物带有正电荷，因此它 们与核酸在外层通常通过静电发生作用。 ( 2 ) 沟面结合( g r o o v eb i n d i n g ) d n a 分子的大小沟区在电势能、氢键特征、立体效应，水合作用上都有很大的 不同。很多蛋白与d n a 的特异性结合是通过大沟区作用，而小分子化合物一般在小 沟区结合。早期对于一些小分子药物与d n a 的结合研究表明，许多酰胺类的小分子 药物是以氢键等作用方式结合在d n a 的小沟中。如纺锤霉素( n e t r o p s i n ) ，偏端霉 素( d i s t a m y c i n ) ，h o e c h s t 3 3 2 5 8 等药物小分子 2 9 引1 都以沟区结合方式结合在d n a 的 小沟中。 图1 - 2h o e c h s t 3 3 2 5 8 前言 ( 3 ) 插入结合( i n t e r c a l a t i n gb i n d i n g ) 含有平面芳香稠环结构的分子能以嵌插方式进入d n a 碱基对之间，通过n n 堆积作用而稳定。这种方式是许多小分子与核酸都会发生的结合方式，并非配合物 所特有。1 9 6 1 年，l e r m a n l s 即已指出，分子具有平面芳环结构是插入d n a 的必要 条件 3 2 , 3 3 。早期发现的有机小分子溴化乙锭具有平面芳环结构，能强烈插入d n a ， 是种强烈致癌物质1 3 2 3 4 。当配合物与具有平面芳环结构的配体结合时，也能以配 体插入的方式与d n a 相结合。由于配合物具有有机分子所不具备的庞大面积和特殊 形状，插入式往往比有机分子有更好的d n a 序列选择性。特别是八面体多吡啶配合 物，由于具有手性中心，还能对d n 进行手性识别阢3 6 1 。 近年来，对配合物与d n a 作用的插入结合模式研究较为广泛和深入。以插入方 式与d n a 结合的金属配合物被称为d n a 分子的插入试剂；插入试剂中具有较大共轭 表面积，直接与双螺旋d n a 分子碱基对通过n 一”电子堆积作用与d n a 分子相互作 用的配体，称为插入配体；暴露在d n a 分子碱基对之外，与d n a 分子的磷酸骨架上 的官能团相互作用的配体则称为辅助配体。 由于配合物- - d n a 体系是一个非常复杂的超分子体系，因而配合物与d n a 分子 间的作用受到多种因素的影响，如溶液的离子强度、d n a 的构型、碱基对序列的变 化，而配合物结构的改变影响配合物与d n a 结合模式、亲和力大小的一个重要因素。 通常来说，具有较大共轭表面积的插入配体，与d n a 具有较强的亲和力。 r u ( b p y ) 2 d p p z 2 + 的插入配体具有较大的芳香共轭面积，它与d n a 结合时，能够与 d n a 双螺旋碱基对通过n n 电子堆积有效重叠，所以它具有较大的键合常数 ( 1 0 6 ) 3 7 , 3 8 】；但是当插入配体的共轭面积太大时，由于空间结构的影响，可能会 导致d n a 双螺旋链的扭曲、褶皱，反而降低配合物与d n a 分子间的亲和力。如配合 物 r u ( b p y ) 2 i p 2 + 、 r u ( b p y ) 2 p i p 2 + 和 r u ( b p y ) 2 h n a i p 2 + 与小牛胸腺d n a 作用时，插 入配体的共轭表面积的大小为：i p p i p h n a i p ，但配合物与d n a 亲和力的强弱为 r u ( b p y ) 2 i p 2 + r u ( b p y ) 2 h n a i p 2 + r u ( b p y ) z p j p 2 + 1 3 9 。插入配体的分子内氢键也有 助于提高配合物与d n a 分子间的亲和力。如 r u ( b p y ) 2 l 2 + ( l = d