（无机化学专业论文）单核钌多吡啶类配合物的合成及其dna键合性质研究.pdf

摘要 摘要 钌( i i ) 多吡啶类配台物由于其丰富的光化学、光物理性质以及其独特的与 d n a 结合能力，被广泛用于小分子配合物与d n a 的相互作用研究。核酸作为生 物体遗传信息的携带者，介入了生物的生长、发育和繁殖等正常活动，也与致癌 等生命的异常活动密切相关。通过金属配合物与d n a 的相互作用研究d n a 的 结构与功能的关系，有助于人们从分子水平上了解生命现象的本质。 本文合成了七个新的多毗啶类配体，十八个新的钌( i i ) 多吡啶类配合物； 用元素分析、核磁共振波谱、快速原子轰击质谱a b m s ) 、电喷雾质谱 e s m s ) 、 循环伏安等进行了比较全面的表征；并对一些配合物进行了晶体结构测定；用电 子吸收光谱滴定法、荧光光谱法、圆二色( c d ) 谱法、粘度测定及电泳实验等方法 研究了配合物与d n a 的键合行为；此外，用量子化学密度泛函的理论( d f f ) 方法对一系列配合物进行了理论计算。论文着重从配合物的取代基效应、引入可 导致分子间氢键的官能团及配体骨架上引入电负性强的氮原子等方面，从实验与 理论的结合上研究钉( i i ) 多吡啶类配合物与d n a 的键合规律，得到三个重要 结论。 ( 1 ) 取代基电子效应及位阻对该类配合物与d n a 作用的影响：插入配体上 引入供电子基团会降低配合物与d n a 的亲和力，引入吸电子基团会增加配合物 与d n a 的亲和力；同时，取代基团的空间位阻也是影响配合物与d n a 亲和力 的一个重要因素。配合物与d n a 的键合倾向应综合考虑取代基的电子效应与空 间位阻因素得到。结果表明，设计的该系列配合物与d n a 的亲和力大小顺序为： r u ( p h e n ) 2 ( 7 一f - d p p z ) “ 【r u ( p h e n h ( 7 一c f 3 一d p p z ) 2 + 【r u ( p h e n ) 2 ( 7 一c i - 1 3 一d p p z ) 2 + 以及 r u ( p h e n ) 2 ( 6 一n 0 2 一d p p z ) 2 + 【r u ( p h e n ) 2 ( 6 一o h d p p z ) “。 ( 2 ) 在插入配体上引入羰基和带n h 2 的嘧啶环的官能团，这些官能团是质 子的受体或给体，有可能与d n a 碱基对形成分子间氢键从而导致配合物具有较 强的d n a 亲和力。结果表明，设计的该系列配合物的d n a 结合常数( k d 相 当大，分别为： 【r u ( b p y ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) ：2 ) 2 + ( 1 7 x 1 0 6m 。1 ) ， r u ( p h e n ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 2 + ( 2 6 x1 0 6m 。1 ) ， r u c o p y ) 2 i d p q 2 + ( 1 7 x1 0 6m 1 ) 和 r u ( p h e n ) 2 i d p q “( 4 0 x1 0 6m 。1 ) ，初步证明本设计思想是正确的。同时，发现含 摘要 有插入配体i d p q 的配合物与d n a 键合具有较强的立体选择性。 ( 3 ) 在插入配体的骨架上增加n 原子数目可调控配合物与d n a 相互作用的 强弱。例如，在插入配体骨架上引入含n 原子数不同的吡啶环和吡嗪环，即设 计合成p y i p ( p y i p = 2 一( 2 一吡啶基) 眯唑并【5 ，6 - q l ，1 0 _ 邻菲咯啉) 和p z i p ( p z i p = 2 一 ( 2 - 口l t 嗪基) 味唑并【5 ，6 q l ，1 0 一邻菲咯啉) 作为插入配体，其配合物与d n a 的亲 和力将得到改进。结果表明，设计的该系列配合物的d n a 亲和力的大小顺序 为： r u ( b p y h p z i p l 2 + r u ( b p y ) 2 p y i p 2 + r u ( b p y ) 2 p i p 2 + 以f i t r u ( p h e n ) 2 p z i p 2 + r u ( p h e n ) 2 p y i p 2 + r u ( p h e n ) 2 p i p 2 + 。此外，有趣地发现配合物【r u q h e n ) 2 p y i p 】2 + 在d n a 存在的情况下能与c 0 2 + 形成异核配合物导致荧光完全淬灭，这表明该配 合物具有潜在的可作为分子光开关的应用前景。 全文共分为四章。 第一章绪论。主要介绍钌( ) 多吡啶类配合物与d n a 的相互作用的模式、 研究方法和研究现状。 第二章取代基电子效应对钌( i i ) 配合物与d n a 键合作用的影响。设计、合 成了一系列【r u ( b p y ) 2 ( d p p z ) 】2 + 和 r u e 咄( d p p z ) 】2 + 的衍生物，研究了取代基的电 子效应对配合物与d n a 键合作用的影响。 第三章插入配体上的羰基、嘧啶环对钌( i i ) 配合物与d n a 键合作用的影响。 通过在插入配体上引入一些具有质子受体或质子供体性质从而可导致分子间氢 键的官能团，如羰基和带n h 2 基的嘧啶环官能团等，探讨这些官能团对配合物 的d n a 键合性质的改进。 第四章插入配体骨架上氮原子对钌( i i ) 配合物与d n a 键合作用的影响。设 计、合成了含插入配体p y i p ( p y i p = 2 一( 2 一吡啶基) n n 并 5 ，6 一q l ，1 0 - 邻菲咯啉) 及p z i p ( p z i p = 2 - ( 2 一吡嗪基) 咪唑并【5 ，6 一f l l ，1 0 一邻菲咯啉) 的配合物，在保持影响 配合物与d n a 相互作用的其它因素( 辅助配体、配合物形状、平面性等) 不变 以及不引入取代基的情况下，探讨插入配体骨架上增加n 原子数目对配合物的 d n a 键合性质的改进。 关键词：钌( i i ) 配合物，多吡啶，d n a - 键合，d n a - 光断裂，密度( d f d l l 摘要 s y n t h e s e sa n dd n a - b i n d i n gp r o p e r t i e s o fm o n o n u c l e a r r u t h e n i u m ( i i ) p o l y p y r i d y lc o m p l e x e s m a j o r ： n a m e ： i n o r g a n i cc h e m i s t r y x u e - w e nl i u s u p e r v i s o r ：l i a n g - n i a n j i p r o f e s s o r ，m e m b e ro ft h ec h i n e s e a c a d e m y o fs c i e n c e r u t h e n i u m ( 1 i ) p o l y p y r i d y lc o m p l e x e s ，d u et o t h e i rr i c hp h o t o c h e m i c a l ，p h o t o - p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds p e c i a ld n a b i n d i n ga b i l i t i e s ，a r ew i d e l yb e i n gu s e d i nt h e s t u d i e so ft h ei n t e r a c t i o n so fm e t a lc o m p l e x e sw i t hn u c l e i ca c i d s d n a a st h e c a r r i e ro fg e n e t i ci n f o r m a t i o n ，p l a y sak e yr o l en o to n l yi nt h eg r o w t h ，d e v e l o p m e n to f l i f e ，b u t a l s oi nt h ea b n o r m a lb e h a v i o r so f b i o l o g i c a ls y s t e m ss u c h a st h e c a r c i n o g e n e s i s b yi n v e s t i g a t i n gt h ei n t e r a c t i o n so fm e t a lc o m p l e x e sw i t hd n a ，w e c a l le x p l o r et h es t r u c t u r e s f u n c t i o n sa n dt h er e l a t i o n s h i p se a c ho t h e rf o rn u c l e i ca c i d s a n dt h ec o m p l e x e s i tw i l lb eh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h es u b s t a n c eo fl i f e - p h e n o m e n o n a tt h el e v e lo fm o l e c u l e so fab i o l o g i cc h e m i c a ls y s t e m i nt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o n ，s e v e nn e wp o l y p y r i d i n e l i k el i g a n d sa n de i 曲t e e n c o m p l e x e sw e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db yt h ee l e m e n t a la n a l y s i s ，f a b m s ， e s m s ，1 hn m ra n dc y c l i cv o l t a m m e t r i cm e a s u r e m e n t s m o r e o v e r , t h ec r y s t a l s t r u c t u r e so fs o m ec o m p l e x e sw e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s t h e 1 1 1 摘要 d n a _ b i n d i n gb e h a v i o r sw e r ei n v e s t i g a t e db yt h et e c h n i q u e so fe l e c t r o n i ca b s o r p t i o n t i t r a t i o n ，e m i s s i o ns p e c t r a ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n t sa n dc i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) ，e r e i na d d i t i o n ，t h ed f t ( d e n s i t yf u n c t i o nt h e o r y ) c a l c u l a t i o n sh a v eb e e na p p l i e dt o e x p l a i nt h ed n a - b i n d i n gp r o p e r t i e so ft h ec o m p l e x e s t h es c o p eo ft h i sw o r ki sf o c u s e do ns o m ef a c t o r si n f l u e n c i n gd n a - b i n d i n g b e h a v i o r so ft h ec o m p l e x e s ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ee l e c t r o n i ce f f e c t so fs u b s t i t u e n t g r o u p s t h ei n 仃o d u c t i o no fs o m ef u n c t i o n a lg r o u p sa sh - d o n o ro rh a c c e p t o rw i t ha l l a b i l i t yf o r m i n gi n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e n b o n d , a sw e l la st h ei n t m d u c t i o no fn a t o m s w i t has t r o n ge l e c t r o nn e g a t i v i t yo nt h es k e l e t o no ft h ei n t e r c a l a t i v el i g a n d s o m e s i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na sf o l l o w s ： 1 1t h ei n f l u e n c e so ft h ee l e c t r o n i cp r o p e r t ya n ds t e r i ch i n d r a n c eo fs u b s f i t u e n t g r o u p o nt h ed n a - b i n d i n gb e h a v i o r so fc o m p l e x e s ：t h ee l e c t r o n - w i t h d r a w i n g s u b s f i t u e n to nt h ei n t e r c a l a t i v el i g a n dc a l li n c r e a s et h ed n a - b i n d i n ga f f i n i t yo ft h e c o m p l e x ，w h e r e a st h ee l e c t r o n d o n a t i n gs u b s t i t u e n th a st h eo p p o s i t ee f f e c t , b e s i d e s ， t h es t e r i ch i n d r a n c eo ft h es u b s t i t n e n ti sa n o t h e rf a c t o rw h i c hm a k e st h ed n a - b i n d i n g a f f i n i t yo ft h ec o m p l e x r e d u c et oac e r t a i ne x t e n t t h e r e f o r e ，t h ed n a - b i n d i n ga f f i n i t y o ft h ec o m p l e xm u s tc o n s i d e rs i m u l t a n e o u s l yt h ee f f e c t sf r o mt h e s eb o t hf a c t o r s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo r d e ro fd n a - b i n d i n ga f f i n i t i e so ft h i ss e r i e so ft h ed e s i g n e d c o m p l e x e s i s t h a t ： r u ( p h e n ) 2 ( 7 f d p p z ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( 7 c f 3 d p p z ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( 7 一c h 3 d p p z ) “ a sw e l la s r u ( p h e n ) 2 ( 6 n 0 2 d p p z ) “ r u ( p h e n ) 2 ( 6 一o h d p p z ) “ 2 、i n t r o d u c i n gs o m ef u n c t i o n a lg r o u p s a sah d o n o ro rah a c c e p t o r , w h i c hm a y f o r mi n t e r m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n d sw i t ht h ed n a - b a s e - p a i r s , c a ni m p r o v et h e d n a - b i n d i n ga f f i n i t yo ft h ec o m p l e x t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed n a - b i n d i n g c o n s t a n t s ( k 0o ft h i ss e r i e so ft h ed e s i g n e dc o m p l e x e sa r ea l lr a t h e rb i g ，a n dt h e i r v a l u e sa l er e s p e c t i v e l ym e a s u r e da sf o l l o w s ： r u c o p y ) 2 ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 2 + r 1 7 x1 0 6 m - 1 ) ， r u ( p h e n ) z ( d p b p d ( n h 2 ) 2 ) 2 + ( 2 6 x1 0 6m 。1 ) ， r u ( b p y ) 2 i d p q “( 1 7 x1 0 6m 1 ) a n d r u ( p h e n ) 2 i d p q 2 + ( 4 0 x1 0 6m - 1 ) i tc o n f i r m sp r e l i m i n a r i l yt h a tt h ea b o v e d e s i g n t h i n k i n gi s c o r r e c t i na d d i t i o n ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e c o m p l e x e sw i t ht h e i n t e r e a l a t i v e l i g a n di d p q ( i d p q = i v 摘要 i n d e n o 1 ，2 - b d i p y f i d o 3 ，2 一f ：27 ，3 - h q n i n o x a l i n e - 6 - o n e l e x h i b i t sa s t r o n g e r e n a n t i o s e l e c t i v i t y 3 ) t h ed n a - b i n d i n ga f f i n i t i e so ft h ec o m p l e x e sc a l lb ec o n t r o l l e db yt h em e a n s o fi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fna t o m so nt h es k e l e t o no ft h ei n t e r c a l a t i v el i g a n do f c o m p l e x f o re x a m p l e ，p y i p ( p y i p = 2 - ( 2 - p y r i d y l ) i m i d a z o 5 ，6 一f 】1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ) a n dp z i p ( p y i p = 2 - ( 2 - p y r a z i n y l ) i m i d a z o - 5 ，6 一f 】l ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ) 踮i n t e r c a l a t i v e l i g a n dc a l li m p r o v et h ed n a - b i n d i n ga f f i n i t yo ft h ec o m p l e x t h er e s u l t ss h o wt h a t r u ( b p y ) 2 p z i p 2 + r u ( b p y ) 口p y i p 2 + r u ( b p y ) 2 p i p 2 + 踞w e l la s r u ( p h e n ) 2 p z i p 2 + ) r u ( p h e n ) 2 p y i p 2 + r u ( p h e n ) 2 p i p “i na d d i t i o n i ti sv e r yi n t e r e s t i n gt of i n dt h a t r u ( p h e n z p y i p “c a r lp r o d u c eah e t e r o b i m e t a l l i cc o m p l e xw i t hc 0 2 + i o ni nt h e p r e s e n c eo fd n a a n dt h e nl e a dac o m p l e t el u m i n e s c e n t - q u e n c h i n go ft h ec o m p l e x ， e x h i b i t i n gam o l e c u l a r “l i g h ts w i t c h ”b e h a v i o u r t h e r e f o r e ，i tc a l lb ee x p e c t e dt h a t s u c hak i n do f c o m p l e x e sp o s s e s sap o t e n t i a la p p l i e dp e r s p e c t i v ea s “l i g h ts w i t c h e s ” t h et h e s i sc o n s i s t so ff o u r c h a p t e r s t h e1 “c h a p t e r ：i n t r o d u c t i o n t h ed n a - b i n dm o d e s ，t h er e s e a r c hm e t h o d sa n d c u r r e n ts u r v e yr e g a r d i n gi n t e r a c t i o n sb e t w e e nr u ( n ) p o l y p y r i d y l - t y p ec o m p l e x e sa n d d n aa r ec o n c i s e l yi n t r o d u c e d t h e2 “o c h a p t e r ：t h ei n f l u e n c e so ft h ee l e c t r o n i cp r o p e r t yo fs u b s t i t u e n to nt h e d n a - b i n d i n gb e h a v i o r o ft h ec o m p l e x as e r i e so ft h ed e r i v a t i v e so fp a r e n t c o m p l e x e s r u ( b p y ) 2 ( d p p z ) 2 + a n d r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) “( b p y = 2 , 2 - b i p y r i d i n e ；p h e n = 1 ，1 0 。p h e n a n t h r o l i n e ；d p p z = d i p y r i d o 一【3 ，2 - a ：2 ，3 - c p h e n a z i n e ) w e r ed e s i g n e d ， s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h et r e n di nt h ee l e c t r o n i ce f f e c t so fs u b s t i t u e n to nt h e d n a - b i n d i n gb e h a v i o r so fc o m p l e x e sw e r ee x p l o r e d t h e3 ”c h a p t e r ：t h ei n f l u e n c e so fi n t r o d u c i n gs o m ef u n c t i o n a l g r o u p sa sa h - d o n o ro rah a c c e p t o ro nt h ed n a - b i n d i n gb e h a v i o ro ft h ec o m p l e x t h e d n a - b i n d i n ga f f i n i t i e so ft h ec o m p l e x e sw e r ei m p r o v e dd u et ot h ei n t r o d u c t i o no f s u c hf u n c t i o n a lg r o u p s t h e4 t hc h a p t e r ：t h ei n f l u e n c e so fi n t r o d u c i n gs o m ena t o m so nt h es k e l e t o no f t h ei n t e r c a l a t i v el i g a n do nt h ed n a b i n d i n gb e h a v i o ro ft h ec o m p l e x t h er u ( i i ) c o m p l e x e s w i t h i n t e r c a l a t i v e l i g a n d s p y i p a n d p z i p ( p y i p = v 摘要 2 - ( 2 - p y r i d y l ) i m i d a z o 5 ，6 一f l ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ；p y i p = 2 - ( 2 - p y r a z i n y l ) i m i d a z o 【5 , 6 一f 】1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ) h a v e b e e nw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d u n d e rt h e c o n d i t i o nw i t h o u tc h a n g i n gt h eo t h e rf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed n a b i n d i n ga f f i n i t yo ft h e c o m p l e x ，t h ed n a - b i n d i n gb e h a v i o r so ft h ec o m p l e x e sc a nb ei m p r o v e db y i n c r e a s i n gt h en u m b e ro fna t o m so nt h ei n t e r c a l a t i v el i g a n do ft h ec o m p l e x k e y w o r d s ：r u ( i i ) c o m p l e x ；p o l y p y r i d y l ，d n a - b i n d i n g ；d n ap h o t o c l e a v a g e ； d e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r yf o r t ) v i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 生物无机化学或无机生物化学是介于生物化学与无机化学之间的内容十分 广阔的边缘学科。广义地说，生物无机化学是在分子水平上研究生物体内与无机 元素( 包括生命金属与大部分生命非金属) 有关的各种相互作用的学科。而金属 离子及其配合物在很多生物过程中起着重要作用，如固氮作用、光合作用、人体 内氧的输送以及很多金属酶的生物活性等【l 。 核酸不仅是生命体内重要的生物大分子，而且是生命遗传信息的携带者和传 递者，它不仅对于生命的延续、生物物种遗传特性的保持、生长发育、细胞分化 等起着重要的作用，而且与生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。 因此，核酸是现代生物化学、分子生物学和医学的重要基础之一。金属配合物与 核酸的相互作用是近年来生物无机化学中一个十分活跃、前景广阔的研究领域。 通过金属配合物与d n a 的相互作用，有助于人们从分子水平上了解生命现象的 本质【1 _ 3 】。 近年来，人们对八面体过渡金属多吡啶类配合物，特别是八面体钌多吡啶类 配合物的研究十分活跃【4 - 3 0 ，这是因为这些配合物具有独特的与d n a 结合能力、 良好的激发态活性、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的应用背景，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 足迹试剂、d n a 断裂试剂、抗癌药等1 3 1 - s 3 1 具有十分重要的应用，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1 5 牦3 1 。 1 2 核酸的组成和结构 2 0 0 6 屈中山大学博士学位论文 刘学文 核酸的基本结构单元是核苷酸，单个核苷酸是由含氮有机碱( 称碱基) 、戊糖 和磷酸三部分构成的。核酸中的戊糖有两种：伊d 一脱氧核糖和伊d 一核糖。根据戊 糖的种类可把核酸分为两大类：脱氧核糖核酸( d n a ) ( d e o x y r i b o n u c l e i c a c i d ) 和核糖核酸( r n a ) ( r i b o n u c l e i ca c i d ) 。构成核苷酸的碱基分为嘌呤( p u r i n e ) 和嘧啶( p y r i m i d i n e ) 二类。前者主要指腺嘌呤( a d e n i n e ，a ) 和鸟嘌呤( g u a n i n e ， g ) ，d n a 和r n a 中均含有这二种碱基。后者主要指胞嘧啶( c y t o s i n e ，c ) 胸腺 嘧啶( t h y m i n e ，t ) 和尿嘧啶( u r a c i l ，u ) ，胞嘧啶存在于d n a 和r n a 中，胸 腺嘧啶只存在于d n a 中，尿嘧啶则只存在于r n a 中。这五种碱基的结构如下 图。 ￥h 2口 施i - ih 期 腺嘌呤( a d e n i n e ，a )鸟嘌呤( g u a n i n e , g ) 为寿吗薜 尿嘧啶( u r a c i l ，u )胸腺嘧啶( t h y m i n e ，t ) 胞嘧啶( c y t o s i n e ，c ) 图1 - 1核酸中五种碱基的结构 d n a 分子含有生物物种的所有遗传信息，分子量一般都很大。d n a 为双 链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构。 d n a 的一级结构是指d n a 分子中核苷酸的排列顺序，d n a 顺序( 或序列) 是这一概念的简称。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺 序。生物世界里形形色色的遗传信息都包含在组成d n a 的a g c ，t 这四种核苷 酸的排列顺序之中。d n a 分子中不同排列顺序的d n a 区段构成特定的功能单 位，这就是基因，不同基因的功能各异，各自分布在d n a 的一定区域。基因的 功能取决于d n a 的一级结构，要想解释基因的生物学含义，就必须弄清d n a 2 第一章绪论 顺序。 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，主要有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一个中心轴构成的双螺 旋结构。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 置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。1 9 5 3 年， w a t s o n 和c r i c k 根据b 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 双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测【删。d n a 的双螺旋结构是分子中两条d n a 单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋 结构是d n a 二级结构的最基本形式。d n a 双螺旋结构在生理条件下是很稳定 的。维持这种稳定性的因素包括：碱基堆积力( 主要) ，即氢键，盐键。 图1 2d n a 的双螺旋结构 d n a 的三级结构指的是d n a 双螺旋的进一步扭曲或超螺旋。图1 2 为d n a 的立体模型。 寡聚核苷酸( o l i g o n u e l e o t i d e ) ：这是与核酸有关的文献中经常出现的一个术 语，一般是指二至十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。 2 0 0 6 届中山大学博士学位论文 刘学文 但在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中，把含 有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称作寡聚核苷酸。寡聚核苷酸目 前已可由仪器自动合成，它可作为d n a 合成的引物( p r i m e r ) 、基因探针( p r o b e ) 等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。 大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。 小沟位于双螺旋的互补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于 两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对，从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不 等的大沟和小沟。 图1 3d n a 双链上大沟和小沟分布图 1 3r u ( i i ) 配合物与d n a 作用的基本模式 r u ( i i ) 配合物与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，近年来又以非共价结合研究为热点，非共价结合指：静电作用：沟面结合； 插入作用。 1 3 1 共价结合 共价结合主要是指金属离子和碱基中的氮原子以配位方式形成共价键。对于 钌多吡啶类配合物( 一般含有易离去基团，如氯离子等) 如 r u ( b p y ) 2 c 1 2 及 r u ( t p y ) 0 a p y ) c 1 c 1 等化合物【6 5 ，嘲与d n a 结合时，首先是通过水解，氯离子离去， 金属中心r u 剩下的配位位置由碱基的氮原子占据。 4 一li抓ll 第一章绪论 1 3 2 非共价结合 非共价结合有三种模式： ( 1 ) 静电作用 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。这是一种与d n a 作用很弱的结合方 式。如 g u ( 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【6 7 ，硎。 ( 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，水合作用上都有很 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。对于一些小分子药物与d n a 的结合研究表明，许多多酰 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。过渡金属多吡啶 类配合物能与d n a 小沟中的碱基对边缘直接发生相互作用。通过疏水作用结合 于d n a 的沟面。与d n a 以沟面结合模式的钌多吡啶配合物如 r u ( t m p b 2 + f i m p = 3 , 4 ，7 ，8 一t e t r a m e t h y l p h e n a n t h r o l i n e ) ，甲基的存在使插入作用受到阻碍【6 9 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“ 一n 堆积作用及疏水作用而稳定。这种方式是配合物与d n a 结合的最重要的一种 模式。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。 分子具有平面芳环结构是插入d n a 的必要条件。由于插入部位的形成引起了碱 基对的分开，螺旋解链，造成螺旋扭转角的减小。不同的插入试剂结构及不同的 d n a 序列所造成的解链程度不一样。一些药物分子正是通过插入d n a 令d n a 构象发生改变，使其不能复制，而显现出抗肿瘤，抗病毒活性的。如抗癌药阿霉 2 0 0 6 届中山大学博士学位论文刘学文 素( a d r i a m y c i n ) 就是典型的d n a 插入剂。而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 ，使d n a 不能复制，是一种强烈致癌物质。 具有平面芳环结构的分子，包括钌多吡啶配合物以插入方式与d n a 作用时， 会增加d n a 的热力学稳定性，导致d n a 的熔解温度升高，从而抑制d n a 的转 录。t u e o 等通过热变性技术研究t r b ( p b i ) 2 p h e n “、 r u ( p h i ) z p h e n “0 h i = 9 1 0 - p h e n a n t h r e n e q u i n o n ed i i m i n c ) 对d n a 转录的抑制能力，发现配合物稳定了双 螺旋d n a ，使之很难解旋，从而不能发生正常的复制和转录1 7 u j 。 1 4 金属配合物与d n a 相互作用的研究方法 金属配合物与d n a 作用的位点( 大沟、小沟) ，作用的方式，作用的强弱， 有无构型选择或碱基序列选择，需用多种方法加以确定。常用的研究技术有光谱 学方法，n m r 谱方法，流体力学方法，电化学方法，单晶x 蛲f 线衍射、热力学 方法和序列凝胶电泳等。 1 4 1 电子吸收光谱 电子吸收光谱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 的相互作用。产生过渡金属配合物电子光谱的电子跃迁形式【“j ，可分为 ( 1 ) 金属离子中心到配体的电荷跃迁( m l c r ) ；( 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( 1 1 c t ) ：( 4 ) 以金属离子 为中心的配位场跃迁( d o 跃迁或_ f = ，跃迁) ；( 5 ) 以同配体为中心的电子跃迁。 通常配合物与d n a 结合后会导致其配体所处的环境发生改变。一般来说， 当小分子以插入方式结合于双螺旋碱基对之间时，其吸收光谱表现出峰位的红移 及明显的减色效应。这是由于插入配体与d n a 的碱基对发生兀电子堆积后，使 其兀空轨道与碱基对的兀电子轨道发生耦合后能级下降，从而导致兀一兀跃迁能减 小，产生红移现象。同时，耦合后的冗空轨道因部分填充电子，使得兀一兀跃迁 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 第一章绪论 有密切关系。但是从大量实验结果来看，对于相同插入配体，减色效应越明显， 吸收峰红移越大，表明插入程度越强；对于不同的插入配体，该规律则不符合。 配合物与d n a 作用的强弱可通过结合常数公式来定量描述【亿硎。 1 4 2 稳态和时间分辨荧光光谱 荧光光谱可以用来研究配合物与d n a 的相互作用。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，因此配合