（光学专业论文）钌多吡啶配合物与dna相互作用的瞬态发光特性研究.pdf

摘要 钌多吡啶配合物与d n a 相互 作用的瞬态发光特性研究 专业：光学 作者：朱伟玲 导师：王惠副教授 摘要 钉多吡啶配合物具有良好的平面刚性、丰富的光化学和光物理特性，以及 独特的与d n a 的键合特征，使这类配合物在许多领域中，特别是在其与d n a 相互作用密切相关的方面，如d n a 结构探针、d n a 分子光丌关、d n a 介导的 电子转移、d n a 断裂试剂、抗癌药等具有十分重要的应用，近年来引起国内外 的广泛关注。 到目前为止，大部分的研究都侧重于配合物与d n a 的键合作用模式、具有 荧光增强效应配合物的制备以及稳态发光性能的研究，而对于配合物与d n a 相 互作用的动力学过程及其影响因素的研究还处于丌始阶段。为了进一步研究钉多 吡啶配合物的结构对配合物与d n a 相互作用的动力学过程的影响，本论文采用 时间分辩的发光光谱技术，分别测量了三组共七种新合成的钉多吡啶配合物与小 牛胸腺d n a ( c t d n a ) 相互作用时的发光动力学过程。并采用简化的三能级模型进 行分析，初步确定了在d n a 存在时，各种钌配合物在水溶液中的辐射跃迁几率 和无辐射跃迁几率的相对大小。通过对各种钌配合物的衰减结果以及以往的一些 研究结果进行对比分析，得到如下结论： 1 在一定的溶剂环境和d n a 条件下，取代基的空间结构和电子结构的综 合效应对配合物分子与d n a 的相互作用，以至配合物的发光特性有重要影响。 取代基c h 3 具有较强的推电子能力和疏水性有利于提高发光效率和延长发光寿 命，而具有吸电子能力的f 能增加配合物与d n a 的亲和力，却起着抑制发光的 摘要 作用。其中四种d p p z 类配合物与d n a 作用后的发光寿命长短顺序为： r u ( p h e n ) 2 ( 7 c h 3 d p p z ) 2 + r u ( b p y ) 2 ( 7 c h 3 d p p z ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( 7 f d p p z ) 2 + r u ( b p y ) 2 ( 7 - f - d p p z ) n 。 2 在插入配体上引入带有n h 2 的嘧啶环，可能与d n a 或水分子形成氢键， 从而加快激发态的无辐射弛豫，削弱发射光强，缩短发光寿命。所讨论的两种相 关配合物与d n a 作用后的发光寿命均小于前面四种d p p z 类钉配合物的发光寿 命： r u ( b p y ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 】2 + r u ( p h e n ) 2 ( 7 f d p p z ) 2 + r u ( b p y ) 2 ( 7 一f - d p p z ) 什 2 i n t r o d u c i n gp y r i m i d i n er i n gw i t h - n h 2t ot h ei n s e r t i o n a ll i g a n d sm i g h tf o r m i n t o h y d r o g e nb o n d s w i t hd n ao rw a t e rm o l e c u l a r t h u st h en o n r a d i a t i o n r e l a x a t i o no fe x c i t a t i o ns t a t ei s q u i c k e n e d ；e m i s s i v ei n t e n s i t yi s e n e r v a t e da n d l u m i n e s c e n c el i f e t i m ei ss h o r t e n e d t h el u m i n e s c e n c e1 i f e t i m eo fi n t e r a c t i o n b e t w e e nt h et w or e l e v a n tc o m p l e x e sa n dd n aa r eb o t hs h o r t e rt h a nt h a to fd p p z - l i k e c o m p l e x e sd i s c u s s e db e f o r e ： r u ( b p y ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 2 + r u ( l ) 2 ( 7 一r - d p p z ) ”( l = b p y , p h e n ，r = c h 3 ，f ) 。 3 t h el u m i n e s c e n c ed e c a yr e g u l a r i t yo f t h er u t h e n i u mp o l y p y r i d y lc o m p l e x e so n b o n dt od n ai sc l os e l yr e l a t e dt ot h eg e o m e t r yo fi n s e r t i o n a ll i g a n d s a sd i s c u s s e d t h ei n s e r t i o n a ll i g a n do ft h es e v e n t he o m p l e x r u ( d m b ) 2 ( m i t a t p ) hh a sr e l a t i v e l y l a r g e rs t e r i ch i n d r a n c ea n da s y m m e t r ys ot h a to n l yp a r to ft h ec o m p l e xc a nb e i n s e r t e dt ot h ed n aw i t hl u m i n e s c e n c ed e c a y i n gi ns i n g l ee x p o n e n tr e g u l a r i t y o t h e rs i xc o m p l e x e sa sd i s c u s s e db e f o r e ，w h i c hh a v eb o t hp a r t i a la n dc o m p l e t e i n s e r t i o ns h a l ld e c a yi nd o u b l ee x p o n e n tr e g u l a r i t y 4 t i m ec o n s t a n to fr a d i a t i o nt r a n s i t i o no fp o l y p y r i d y lr u t h e n i u mc o m p l e x e so n b o n dt od n ai sf a rb i g g e rt h a nt h a to fn o n - r a d i a t i o nt r a n s i t i o n t om a k ea c t u a l l u m i n e s c e n c el i f e t i m eo fm e a s u r e m e n t a p p r o x i m a t e t ot h et i m ec o n s t a n to f n o n r a d i a t i o nt r a n s i t i o n n o n - r a d i a t i o ne n e r g yt r a n s f e ri st h em a j o rf a c t o rt h a t i n f l u e n c e st h ea c t u a lm e a s u r e m e n to f1 u m i n e s c e n c el i f e t i m e k e y w o r d s ：r u t h e n i u mp o l y p y r i d y lc o m p l e x e s ；d n a ；t r a n s i e n tl u m i n e s c e n c e ； u l t r a f a s tl a s e rs p e c t r o s c o p i ct e c h n o l o g y i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钌多吡啶配合物与d n a 作用的研究意义 近年来，关于过渡会属多吡啶配合物与d n a ( d e o x y r i b o n u c l e i c a c i d ) 相互作用的 研究引起了化学界、生物界、物理界和医学界的广泛关注h - 3 。 d n a 是生物体的遗传物质，携带和表达遗传信息，决定着细胞的种类和功能， 在生命现象中起着决定性的作用。而d n a 的结构决定着其功能，并与致癌、抗癌 有关。 过渡金属多吡啶类配合物，特别是钉多毗啶配合物具有良好的平面刚性、丰 富的光化学和光物理特性，以及独特的与d n a 的键合特征，使这类配合物在分子 生物学等许多领域中，特别是在其与d n a 相互作用密切相关的方面，如d n a 结构 探针、d n a 分子光开关、d n a 介导的电子转移、d n a 断裂试剂、抗癌药等具有十 分重要的应用嗍，成为生物、化学、物理等多学科交叉研究领域中十分活跃的前 沿课题【2 删。 因此，关于钉多吡啶配合物与d n a 作用的研究不仅对生命科学，而且对信息 科学和材料科学等都具有重要意义。 1 2 钌多吡啶配合物和d n a 分子的组成与结构 1 2 1 钌多吡啶配合物分子的八面体结构 过渡金属钉( r u ) 原子的电子组念为【k r 】4 d 7 5 s 1 ，r u 2 + 的价层电子组念为4 d 6 ，按价 键理论，六个空轨道4 d x 2 ，。4 d z 2 ，5 s ，4 p x ，4 p y ，4 m 一起组成d 2 s 矿杂化轨道： 第l 章绪论 4 d 5 s 4 p 舻口亚工口口皿 、一 d 2 s p 3 d 2 s p 3 的六个杂化轨道按八面体方向分布，它们接受其它原子( 如n ) 所提供的 孤对电子，便形成八面体形的配位离子【，5 1 。图1 1 为两种典型的具有光丌关特征的 钉多吡啶配合物【r u ( b p y ) 2 ( d p p z ) 】2 + 和 r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + 的分子结构【3 6 l ： + p h e n 幽i - l 两种钌多吡啶配合物分子的八面体结构 钌多吡啶配合物是带有手性的八面体构型分子，图1 2 显示了a 型( 左手型) 和 型( 右手型) 的【r l l ( p h c l l ) 2 ( d p p z ) 】2 + 的结构【3 ，1 两种手性分子具有不同的旋光性 i 笙1 1 2a 玳和裂的【州p h ) “d p p z ) 】”的结构 2 器 第1 章绪论 由于d n a 同样具有手性，因而可通过配合物分子与d n a 分子之间的立体性结 合的不同表现，来实现手性配合物分子对手性的d n a 分子的结构识别。 对于钉多吡啶配合物，可以通过修饰配体的三维空间形状，增加一些功能性 基团来研究、调控配合物与d n a 的相互作用。本论文的主要目的也就是考察不同 结构的配体及取代基对配合物与d n a 相互作用的影响。 1 2 2d n a 分子的组成与结构 d n a 是以核苷酸为基本组成单位的链形生物大分子。携带和表达遗传信 息，决定着细胞的种类和功能，在生物个体的生长、发育，遗传、变异等一系列 生命现象中起决定性作用。 1 2 2 1d n a 的一级结构d n a 链中核苷酸的排列顺序驯1 l 核苷酸( n u c l e o t i d e ) 碱基、戊糖和磷酸三种成分组成前一核苷酸的3 o h 与下一位核苷酸的5 位磷酸间形成37 ，5 磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的 线性大分子( 多核苷酸链) 。这就是d n a 的一级结构：核苷酸序列。由于核苷酸 s ，束盼 棚基田 3 二5 一 t 二h 丫 o - p - - o 辩 1 叫- 0 h 辩 l v - - j s o ，束的羟| l 膊腺嘧啶( t h 蜘a i a e ，t ) 胞嘧啶( c y t o f i a e , c ) 图1 3d n a 分子的一级结构及四种碱基的结构 3 g ) 令z 王鲫 鸯茆h国妒 第1 章绪沦 序列的差异主要是碱基排列不同，因此，核苷酸序列也称为碱基序列，如图i - 3 所示 d n a 携带遗传信息是依靠一级结构中的碱基排列顺序变化而实现的。自然界 基因( g e n e ) 就是d n a 分子中的某一段。长度在几十至几万个碱基之间，由于碱基 排列方式不同而提供的d n a 的编码能力几乎是无限的。 1 2 2 2d n a 的二级结构双螺旋结构模型p 洲i 1 9 5 3 年，美国生物学家沃森( w a t s o nes ) 和克晕克( c r i c kfhc ) 巧妙地综合了 当时的研究成果，提出了d n a 的双螺旋结构模型，亦称为w a t s o n - c r i c k 结构模 型。 ( 1 ) w a t s o n - c r i c k 取螺旋结构模型要点 d n a 是一反向平行的互补双链结构 在d n a 双链结构中，亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双链的外侧，而碱 基位于内侧，两条链的碱基之间以氢键相结合。腺嘌呤a 始终与胸腺嘧啶t 配对 存在，形成两个氢键( a t ) ，鸟嘌呤g 始终与胞嘧啶c 配对存在，形成三个氢键 图卜4d n a 分子的域螺旋结构及碱基对结构 4 o 第1 章绪论 ( g c ) 。碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直，脱氧核糖平面与长轴平行、与 碱基平面相垂直。两条链呈反平行走向，碱基互补配对，一条链的走向是5 寸3 ， 另一条链的走向是3 一5 。如图1 4 所示 d n a 是右手螺旋结构 d n a 形成了一个右手螺旋式结构。d n a 双螺旋直径为2 n m 。螺旋每旋转一 周包含了l o 对碱基，每个碱基的旋转角度为3 6 0 ，每个碱基平面之间的距离为 0 3 4 n m ，螺距为3 4 n m 。从外观上看，d n a 双螺旋表面形成两个凹沟，一条较深， 一条较浅，分别称为大沟和小沟，一般大沟所贮存的信息要比小沟多。双螺旋表 面的脱氧核糖和磷酸的重复结构，没有信息可言。 d n a 双螺旋结构稳定性的维系氢键和碱基堆积力 氢键与碱基堆积力( 疏水力) 的协同作用，是维持d n a 双螺旋稳定结构的 主要因素。 横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，氢键的键长为0 2 8 o 3 0 r i m ，键能为 1 6 7 2 5 1 d m o l 。 纵向则靠碱基平面问的疏水性碱基堆积力维持。在d n a 分子中，嘌呤环与 嘧啶环上的氨基、羰基、羟基等均是亲水的基团，可与水分子间形成氢键，但嘌 呤环与嘧啶环本身却有一定程度的疏水性。在螺旋结构中，上下两个碱基平面相 互接触时，这种疏水性使其间的水分子层减少到最低限度，而使上下杂环平面堆 积在一起形成一种疏水力，称碱基的堆积力( s t a c k i n gf o r c e ) ，其本质是一种范德华 作用力。碱基堆积力不仅维系d n a 二级结构的稳定性，还对d n a 分子与插入分 子的相互作用产生重要影响。 ( 2 ) d n a 双螺旋结构的多样性 d n a 是一种柔性生物大分子，d n a 双螺旋可以不同的构象形式存在。如a 、 b 、c ，d 、z 等形式。d n a 采取哪种构象，很大程度上取决于环境条件，如盐的 浓度、相对湿度等。在高湿度低盐度下的b d n a ，即w a t s o n - c r i c k 模型，是细胞 内d n a 存在的形式。在低湿度高盐度下为a - d n a 。a 和b 型d n a 均为右手双 螺旋结构，差别主要为双螺旋的密度不同。z - d n a 是d n a 几种构象中唯一的左 手螺旋，是人工合成的寡聚嘌呤嘧啶核苷酸( 如c g c c , c g ) 的晶体结构，两条由 d g 和d c 交替形成的多聚核苷酸链反向平行排列，通过w a t s o n - c r i c k 碱基配对把 第1 章绪论 它们维系在一起并绕成一个左手螺旋。每个螺旋由1 2 个碱基对构成，螺距4 5 r i m ， 螺距直径1 8 n m 。a - d n a 及z - d n a 在细胞中也可存在。在体内，不同构象的d n a 在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。 1 3 钌多吡啶配合物与d n a 作用的光谱学研究方法 一1 3 1 引言 钌多毗啶配合物与d n a 作用的位点、作用的方式、作用的强弱等，需用多 种方法加以确定。常用的研究方法有光谱学方法、n m r 谱方法、流体力学方法、 电化学方法、单晶x 射线衍射、热力学方法，以及密度泛函计算与分子模拟等 3 9 , 4 2 1 。 光谱学方法是研究钉多吡啶配合物与d n a 相互作用的最重要、最基本的方 法包括紫外可见光吸收谱、发射光谱、瞬态吸收光谱、拉曼光谱、圆二色谱、 线二色谱等。 1 3 2 紫外可见光吸收谱 紫外可见光吸收谱来源于价电子能级跃迁时对光的吸收。由于对环境比较 敏感，易于测试，因此常用来检测配合物与d n a 的作用。产生金属配合物的电 子吸收光谱的跃迁包括即l ：( 1 ) 金属离子中心到配体的电荷跃迁( m l c t ) ：( 2 ) 配体 到金属离子中心的电荷跃迁( l m c t ) ：( 3 ) 配体到配体之间的电荷跃迁( l l c t ) ：( 4 ) 以会属离子为中心的配位场跃迁( d - d 跃迁或甜跃迁) ；( 5 ) 以同一配体为中心的电 子跃迁。 当配合物与dna 相互作用时，其吸收会产生相应的变化，光谱变化的大小 与其结合力相关联。插入键合方式的光谱变化要大于其他结合方式。 6 第1 章绪论 当配合物与d n a 以插入方式结合时，其吸收光谱通常表现出一定程度的减 色效应和红移i 卅。这是由于插入配体与d n a 的碱基对发生丌电子堆积后，使其丌 空轨道与碱基对的冗电子轨道发生耦合后能级下降，从而导致配合物中与插入配 体有关的g - - , v g * 和d - + 靠跃迁能减小，产生红移现象。同时，耦合后的一空轨道因 部分填充电子，使得d o g * 跃迁，兀寸，c 跃迁几率减小，产生减色效应。而吸收光 谱变化的大小和配合物与d n a 的作用强弱有关。通常，减色率越大，配合物与 d n a 作用的结合力就越强【堋。 1 3 3 发射光谱 发射光谱包括稳态和时间分辨发射光谱两种。 稳态光谱是记录样品在一定波长的光激发下，在一定波长范围内的发光强度 分布。从有、无d n a 时的稳态发光的强弱对比，可判断配合物是否与d n a 发生 了作用。配合物与d n a 的键合方式也直接影响其稳态发光光谱。当配合物以插 入方式与d n a 键合时常伴随着配合物发光强度的增强。当配合物以插入结合方 式与d n a 作用后，配合物受到了d n a 碱基对疏水环境的保护，避免了水分子的 淬灭，其发射光强度和发光寿命一般会增强。如典型的光丌关类配合物 r u ( b p y ) 2 d p p z 2 + 具有独特的发光性质，因其吩嗪部分对水环境敏感，在水中由于 形成了氢键，几乎没有发光。而加入d n a 后，吩嗪部分受到碱基对的保护，避 免了水分子的淬灭，发光增强【4 】。 时间分辨发射光谱主要采用单光子计数或双光束的泵浦探测等技术，对配合 物激发态的弛豫过程进行测试来了解配合物与d n a 结合的动力学机制。钉多吡 啶配合物与d n a 相互作用是几百n s 一几百f s 的超快过程，所以采用超快激光光 谱技术是研究钉金属配合物与d n a 相互作用的最有效的手段之一。因为激光有 很宽的波长范围，从红外到紫外均有激光输出，并且可以调谐，它可以获得非常短 的脉宽，目i i i 已达到5 f s ：并可以做到高的脉冲重复率，达1 0 s h z ，使它成为研究 钉金属配合物与d n a 相互作用的快速弛豫过程的最好工具】。 目前通用的发射光谱探测手段有：1 ) p i n 二极管加高速示波器或取样示波 器，它适于测量大于lo - 9 秒的发光，它使用起束简单方便。2 ) 光克尔盒开关，它 7 第1 章绪论 有好的时白j 分辨率，可达l p s , 但它灵敏度低。精确度低，动态范围为l o ，它与单 脉冲激发光源相配合3 ) 条纹相机，最高时间分辨率已达o 5 p s , 动态范围可达 2 0 0 0 ，而同步条纹相机与连续锁模染料激光器配合，动态范围可达1 0 6 ，它可以探 测5 6 0 0 光子秒。4 ) 时问相关单光子计数技术，它与同步泵浦染料激光器配合。 并采用具有微通道板的光电倍增管，时间分辨率可达l o p s , 动态范围超过1 0 4 。它 可以探测1 0 9 1 0 光子脉冲。5 ) 双光束的泵浦探测技术，用一束光激发用另 一束监视荧光衰变过程。或者记录荧光和探测光和频信号，从而测定荧光的衰变 过程，这就是频率上转换技术，它比条纹相机具有高得多的时问分辨率( 小于4 0 0 侮，与飞秒脉冲相当) 。 1 3 4 瞬态吸收光谱 瞬态吸收光谱主要指用泵浦探测方法获得配合物或配合物与d n a 作用时的激 发态吸收谱，与瞬态发射光谱相结合，从而分析配合物与d n a 作用的动力学过程 l3 7 拍】 瞬态吸收光谱主要有瞬念透过法和差值光谱法【5 1 。在瞬态透过方法中。是将激 光分成两束，一束用于激发样品。另一束经过透镜聚焦于水或重水中，以产生超加 宽的白光超短光脉冲，然后用这个脉冲通过已激发的样品。测量其透过率。可通过 调整两柬光的延迟，来确定不同时刻激励样品的透过率。差值光谱法。采用两个样 品盒，一个用于激发，另一个用做参考盒。从激光出来的光束，一部分用做于激励 样品，另一束变为超加宽的白光脉冲用做探测光束。将探测光束分为近似等强度的 两个脉冲，一个脉冲透过被激发的样品，透过的探测光束强度与起始激励脉冲的 变化有关；另一个脉冲是参考光束它通过参考盒。改变泵浦和探测脉冲的相对延 迟来可确定不同时刻的两个样品池的差值光强，从而探测样品激发态的弛豫过程。 瞬念吸收探测脉冲通过样品的透过率可用光谱仪与光电倍增管、电视系统、 光学多道分析器及照相底片c c d 相配合等方法进行记录、分析。 1 3 5 拉曼光谱 第1 章绪论 拉曼光谱是散射光谱的一种。当频率为的单色光入射到一透明物质时，绝 大部分透过物质，却有小部分被样品分子散射。绝大部分散射光具有与入射光相 同的频率，这是瑞利散射。但也有小部分的散射光具有其它频率，如士， 这就是喇曼散射。喇曼位移，与分子的吸收或散射，也即与分子的振转结构直接 有关，因而喇曼光谱成为研究分子光谱和分子结构的有力工具【卅。 喇曼光谱和有时受到来源于荧光的干扰。一般情况，喇曼光谱比荧光效率低， 少量的荧光足以模糊喇曼光谱。为了克服这个缺点，可采用共振喇曼光谱学方法， 当激励的光波长调整到样品的电子吸收带时，可产生某些喇曼谱带的选择性增 强。共振增强因子十分大，从而使色基振动在光谱中占有优势，因而可在高稀释下 探测【4 5 】j o ni 乙s c h o o n o v e , 等应用共振喇曼光谱讨论了金属配合物的电子结构， 证明了配合物的m l c t 态定域于d p p z 配体1 4 8 1 。 瞬时共振拉曼光谱( t r a n s i e n tr e s o n a n c e r a m a n ，t r r ) 可以探测微环境的变化对 配合物激发态的性质或行为的影响，从而可以用来研究配合物与d n a 的作用机理。 b a r t o n 等人用此方法研究- j r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 在水中及在d n a 存在下基态与激发念 的t r r 谱，d n a 的加入导致t r r 光谱强度的降低，进一步增加d n a 浓度，会引起 谱带变宽，甚到消失。他们认为这是由于插入的d p p z 配体与d n a 碱基对之自j 强的 舡兀相互作用【4 9 】。c o l i ng c o a t 伪等运用瞬时共振拉曼光谱观察 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 在水溶液中的快速发光过程( 2 5 0 p s ) 冈。 1 3 6 圆二色谱 旋光物质对特定波长的平面偏振光有吸收，且对左、右圆偏振光的吸收能力 不同时，物质中不仅左、右圆偏振光的速度不同，而且振幅也不同，两者叠加产 生的偏振光，不再是平面偏振光，而是椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性。 圆二色谱( c d 谱) 可以检测有无旋光物质的存在。如测量外消旋化合物对d n a 平衡透析后的透析液可以帮助确定配合物与d n a 有无异构体选择性结合，还可以 帮助我们确定d n a 的二级结构。另外，通过比较异构体键合d n a 前、后其c d 谱的 变化，可获得配合物不向构型与d n a 键合方式方面的信息【5 l 卫】。 9 第1 章绪论 1 3 7 线二色谱 线二色谱( l d 谱) 是采用与固定光轴方向( 在流动梯度体系中旋转和外加电 场，使d n a 螺旋轴取向固定) 平行或垂直的平面偏振光，测量结合d n a 后的配合物 对垂直和平行于d n a 的线偏振光的不同吸收。从而为配合物与d n a 的相互作用提 供结合方向、角度等结构方面的信息l 。 1 4 钌多吡啶配合物与d n a 作用的研究进展 2 0 世f i 2 8 0 年代中期，美国科家b a r t o n 等发现钉配合物【r u ( l ) 3 】2 + ( l = b p y 或 p h c n ，b p y = 2 ，2 联吡啶，p h c n = l ，1 0 邻菲咯啉) 与d n a 作用时存在立体选择性【5 1 j 3 1 ， 从而发展了能识别d n a 二级结构的手性配合物探针。自此，钉多吡啶配合物与d n a 的相互作用引起了人们的注意。 特别是到t 2 0 世纪9 0 年代初，发现钉配合物【r u ( l ) 2 ( d p p z ) 】2 + 与d n a 相互作用 时，配合物的发光效率可提高1 0 ，1 0 4 倍的所谓9 t 开关效应 f 4 翔，使得钉多吡啶配 合物与d n a 的相互作用成为生物、物理、化学等多学科的一个热门研究课题。到 目前为止，人们在配合物与d n a 的键合作用模式、具有发光增强效应配合物的制 备以及稳态发光性能的研究等方面做了大量的工作，并得出不少有意义的结论。 1 4 1 钌多吡啶配合物与d n a 作用的模式 钉配合物与d n a 的结合按化学键来划分主要有共价结合及非共价结合两类。 i a 1 1 共价结合 共价结合主要是指金属离子或配体和d n a 的碱基中的氮原子以配位方式形成 l o 第1 章绪论 共价键。如 r u ( b p y ) 2 c 1 2 2 + 9 含有易离去基团氯离子，它与d n a 结合时，首先通过 水解，使氯离子离去，金属中- l , r u 多余的配位位置由碱基中的氮原子占据i 。又 如 r u ( t a p ) 2 ( b p y ) 】2 + ( t a p = l ，4 ，5 ，8 一四氮杂菲咯啉) 在可见光照射下，能与d n a d 、沟中 鸟嘌呤上的n h 2 共价结合而形成一种光加合物【5 卯，这一作用模式使其有望成为一 类新的能够代替顺铂类的抗癌药物。 1 4 i 2 1 i i e 共价结合 非共价结合是钉多吡啶配合物与d n a 作用的重要模式。包括：静电作用、沟 面结合和插入作用，其中插入作用最引入注目。 ( 1 ) 静电作用 d n a 是一种带负电的多聚阴离子，金属离子及配体常带有讵电荷，因此，它 们与d n a 在外层通常通过静电发生作用。如 r u t b p y ) 3 2 + 与d n a 的作用目前普遍认 为采用静电作用模式5 6 1 。 ( 2 ) 沟面结合 d n a 分子的大小沟区在电势能、氢键特征、立体效应等都有很大的不同。很 多蛋白质与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 结合一些钉多吡啶配合物能与d n a 4 , 沟中的碱基对边缘直接发生相互作用，通 过疏水作用结合f d n a d 、沟表面。如 r u ( t m p ) 3 2 + ( t m p = 3 ，4 7 ，8 - t e t r a m e t h y l p h c n a n t l 凹o l i n e ) 5 7 1 ( 3 ) 插入结合 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，通过肝丌 堆积作用和疏水作用而稳定。这种方式是配合物与d n a 结合的最重要的一种模式。 含有平面芳香稠环结构是插) x , d n a 的必要条件，插入到d n a 中的平面芳香稠环结 构配体，称为插入配体( 主配体) ，其余的配体为辅助配体( 联合配体) 典型 的具有光开关效应的配合物【r u ( l ) 2 ( d p p z ) 】2 + 就是以插入方式与d n a 作用h 捌。本文 所讨论的七种钉多吡啶配合物都以插入方式与d n a 相互作用。 第1 章绪论 1 4 2 影响钌多吡啶配合物与d n a 作用的因素 配合物与d n a 的作用模式及作用强弱，与配合物的结构及d n a 的构型密切相 判2 2 7 】。 1 4 2 1d n a 结构的影响 d n a 主要有a - d n a ，b d n a ，c d n a ，d d n a ，e d n a ，压d n a 构型。不 同构型的d n a 的外形、螺旋直径、螺旋方向大沟和小沟的大小，深浅均不同， 因此同一配合物与不同d n a 相互作用时，其键合的方式，作用强弱也会不同。如 r u ( p h c n ) 3 2 + - q d 、牛胸腺d n a ( b d n a ) 为插入结合，而与鱼精d n a ( a d n a ) 为沟面 结合【5 s 1 1 4 2 2 配合物形状的影响 配合物的形状结构与d n a 的匹配程度决定了配合物与d n a 的作用模式 b a r t o n 等提出了“形状选择”规则作为识别d n a 的基础，即配合物是根据其自身的形 状，对称性等与d n a 特定部位相匹配的原则对d n 进行识别【5 9 , 6 0 l 。 八面体钌多毗啶类配合物具有a 和两种构型( 见图1 2 ) ，异构体优先与占 d n a 作用，而a 异构体与z - d n a 的作用更为显著【6 ”所以说配合物能够识别d n a 的二级结构，可作为d n a 的结构探针 具体到插入作用方式，要求配合物的插入配体具有较好的平面性，适中的平 面面积和疏水性。一般来说，插入配体芳环面积越大，则配合物与d n a 的结合力 也越大。但若增大插入配体的立体位阻，则可能导致配合物与d n a 结合能力下降 1 6 ”。同时，辅助配体的改变也会影响配合物与d n a 的相互作用。实验表明：当插 入配体相同，适当增大辅助配体及其疏水性，将有助于增大配合物与d n a 的结合 能力，并提高异构体的立体选择性。如【r u ( p h e n ) 2 d i p 2 + 与 r u ( b p y ) 2 d i p 2 + ( d i p = 4 ，7 - - - 苯基1 ，1 0 邻菲咯啉) 的插入配体相同，但因p h e n 的平面面积和疏水性都 第l 章绪论 比b p y 大，使前者与d n a 的结合能力大于后者蜊。如计亮年小组用j p 代替 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 中的p h c n ，使得配合物与d n a 作用更强，这是由于作为辅助配体 的j p 的平面面积比p h e n 还大，产生一个较好的芳香平面，使其疏水性增加【6 3 1 。当然， 若辅助配体增大至产生一定的空间位阻时，配合物与d n a 的作用反而减弱 1 4 2 3 配合物电结构的影响 由于d n a 带有大量负电荷，而钉( i i ) 多毗啶配合物金属离子带正电荷，它们之 间必然存在静电吸引，改变插入配体所带电荷，将影响配合物与d n a 的结合强弱。 如配合物【r u ( b p y ) 2 q p y ) 2 + 、 r a ( b p y ) 2 m c q p y ) ”、 r u ( b p y ) 2 ( m e 2 q p y ) 4 + 所带的电量依 次增多，所以它们与d n a 的结合力依次增强1 6 4 1 。 插入配体中的分子内氢键，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 h p i p 2 + 和 r u ( b p y ) 2 h n a i p 2 + 具有比相应的【r u ( b p ”2 p i p 2 + 年 1 r u ( b p y ) 2 n a i p 2 + 更强的d n a 亲和力，这是因为配体h p i p 和h n a i p ，其l o 位的羟基，能够与咪哗环 上8 位的氮形成分子内氢键，扩张了插入配体与d n a 碱基对平面作用的面积。 插入配体中取代基效应不仅对配合物的几何结构，而且对配合物的电结构产 生影响。由于d n a 带负电荷，推电子基团使得插入配体与d n a 的作用减弱。而拉 电子基团有利于配合物从d n a 分子接受电子，配合物与d n a 作用增强【4 2 1 。本文研 究的配合物【r u ( p h c n ) 2 7 c h 3 - d p p z 2 + 与d n a 的结合强度i | ： r u ( p h c n h - 7 - f - d p p z 2 + 弱，这是因为- c h 3 是推电子基团，而f 是拉电子基团。 1 4 3 钌多吡啶配合物与d n a 作用的动力学机理 有关配合物与d n a 作用的动力学机理的研究还处于| 丌始阶段，也是近来的 研究热点。目前普遍认为，钉配合物与d n a 作用时，发光可按单指数、双指数 或多指数规律衰减，与配合物及d n a 的种类、浓度、溶剂环境、温度等都有直 接的关系【j 3 1 甜j 6 j 6 8 阃。 第1 章绪论 b a r t o n 棚 r u ( l ) 2 ( d p p z ) 2 十衍生物在水中与d n a 作用时的发光衰变时间常 为几百n s ，并认为发光按双指数规律衰减是由于钌配合物是以两种方式插入d n a 之中：一是金属邻菲咯琳轴与碱基对长的平行，一个吩嗪氮原子外露而对应于短 寿命，即所谓“s i d e - o n 模式，如图i - 5 ( a ) 所示；二是r u - 邻菲咯啉轴垂直插入到 ( - ) i 触- o nm o d e l ( b ) h e a d - o nm o d e l 图1 - 5 【r u ( l ) 2 ( d p l ) ”与d n a 作_ i j 的的两种插入方式 d n a 的双螺旋中。两个吩嗪氮原予均受保护而对应于长寿命，即所谓a d o n 模式，如图l 。5 ( b ) 所示【5 1 目前普遍认为，钉多吡啶类配合物的发光性质是源于3 m l c t 激发态到基态 的跃迁。分子经光激发跃迁至1 m i c t 后，便通过振动弛豫及系问窜跃快速( 3 0 0 f s ) 过渡到3 m l c t ，最后再回到基态，从而产生发光现象。钌( i i ) 多吡啶类配合物在 非水溶液中，3 m l c t 激发态的分子的无辐射跃迁几率极小，可观察到从3 m l c t 向基态跃迁的发光；而在水溶液中，处于3 m l c t 激发态的分子的无辐射跃迁速 度很快( l o p s ) ，因而从3 m l c t 向基态跃迁的发光被淬灭；配合物与d n a 结 合后，能观察到一定的发光，是由于d n a 中的疏水环境对配合物的保护作用 3 2 - 3 4 4 6 , 6 6 1 。 1 4 第l 章绪论 1 5 本论文的选题必要性及主要研究工作 近十几年来，钉多吡啶配合物被广泛用于d n a 结构探针，d n a 分子光开关、 d n a 介导的电子转移，d n a 断裂试剂、抗癌药等方面的研究。人们通过改变钉 多吡啶配合物中配体的形状、大小，采用不同的取代基，采用不同构型d n a ，选 用不同的溶剂、不同的温度等等，全方位研究了配合物与d n a 结合的基本规律。 尽管人们对钌多吡啶配合物与d n a 的相互作用进行了大量研究工作，并耿 得了很大进展，然而到目前为止，大部分的研究都侧重于配合物与d n a 的键合 作用模式、具有荧光增强效应配合物的制备以及稳念发光性能的研究，而对于配 合物与d n a 相互作用的动力学过程及其影响因素的研究还处于丌始阶段，并存 在很多争议。因此，大量地合成各种特征的钉多毗啶配合物，系统地研究配合物 与d n a 的相互作用的动力学过程及其影响因素是必要的 钉多吡啶配合物与d n a 的相互作用是几百珊一几百6 的超快过程，所以采 用超快激光光谱技术是研究钉金属配合物与d n a 相互作用的最有效的手段之一 本文采用纳秒时间分辨光谱技术，配合适当的理论模型分析，研究了一系列新型 的钉多吡啶配合物与d n a 的作用的动力学过程。具体考察在一定的溶剂环境和 d n a 条件下，配合物的结构对其与d n a 的相互作用的影响。主要包括三组多吡 啶配合物与d n a 的作用： 1 r u ( l ) 2 ( d p p z ) 2 + 衍生物与d n a 相互作用的研究。研究了四种配合物中取 代基的位阻效应和电子效应对配合物与d n a 的作用的综合影响主要分析位于 配合物上同一位置的取代基c h 3 和f 对配合物与d n a 作用时的瞬态发光特性的 影响 2 种 r u ( l ) 2 ( d p b p d o n h 2 2 ) 2 + 配合物与d n a 相互作用的研究。重点考察在 插入配体上引入带有n h 2 的嘧啶环，使配合物与水分子和d n a 问形成氢键，对 配合物与d n a 作用时的瞬态发光特性的影响。 3 钉配合物【r i l ( d n l b ) 2 ( m i c a t p ) 】2 + 与d n a 相互作用的研究。主要研究插入配 体具有较明显的空间位阻、不对称性和较强的疏水性对配合物与d n a 作用前后 的瞬态发光特性的影响。 苎! 兰 堡垒 参考文献 1 计亮年，张黔玲，巢晖多吡啶配合物在大分子d n a 中的功能及其应用前 景，科学通报，2 0 0 1 ，4 6 ( 6 ) ：4 5 1 - 4 6 1 2 j iln ，z h a n gql ，l i ujg d n as t r u c t u r eb i n d i n gm e c h a n i s ma n db i o l o g y f u n c t i o n so f p o l y p y r i d y lc o m p l e x e si nb i o m e d i c i n e s c i e n c ei nc h i n a ( s e r i e sb ) 2 0 0 l ，4 4 ( 3 ) ：2 冁2 5 9 3 陈晓东，姜思华，刘鸣华d n a 分子器件化学进展，2 0 0 3 ，1 5 ( 4 ) ：3 3 2 3 3 7 4 f r i e d m a nae ，c h a m b r o njc ，s a u v a g ejee ta 1 m o l e c u l a r “l i g h ts w i t c h f o r d n a ：r u ( b p y ) 2 ( d p p z ) 2 + j a m c h e m s o c ，1 9 9 0 ，1 1 2 ( 1 2 ) ：4 9 6 0 - 4 9 6 2 5 h a r t s h o r nrm ，b a r t o nji cn o v e ld i p 蜘d o p h e n a z i n ec o m p l e x e so fr u t h e n i u m ( 1 1 ) ：e x p l o r i n gl u m i n e s c e n tr g p o r t e r so fd n a j a m c h e m s o c ，1 9 9 2 ， 11 4 ( 1 5 1 ：5 9 1 9 5 9 2 5 6 b u r r o w scj 。m u l l e rjgo x i d a t i v en u c l c o b a s em o d i f i c a t i o n sl e a d i n gt os t r a n d s c i s s i o l lc h c m r e v ，1 9 9 8 ，9 8 ( 3 ) ：1 1 0 9 1 1 5 1 7 j e n k i n sy b a r t o njka s e q u e n c e - s p e c i