最新[工程科技]生物无机化学讲义优秀名师资料.doc

《最新[工程科技]生物无机化学讲义优秀名师资料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新[工程科技]生物无机化学讲义优秀名师资料.doc（48页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、工程科技生物无机化学讲义第一章 生物配体及其配合物 在大多数情况下，金属元素并不是以自由离子形式存在于生物体内，而是与生物体中具有生物功能的配体形成各式各样的配合物，这些生命内的配位体称为生物配体。按照相对分子量的大小，生物配体可分为两大类:一类为大分子配体，包括蛋白质、多糖、核酸等，其分子量大小从几千到数百万不等;另一类为小分子配体，包括氨基酸、羧酸、卟啉等。 第一节 氨基酸 氨基酸是指含有氨基的羧酸，为蛋白质的基本组成单位。按照软硬酸碱理论，氨基酸具有碱性较强的氨基及碱性较弱的羧基，故氨基酸具有很强的配位能力，能与大多数过渡及稀土元素形成配合物。 一、 氨基酸的结构通式 自然界中已发现氨基

2、酸有上百种，但从蛋白质水解产物中分解出来的氨基酸通常只有20种，而且这些氨基酸，除脯氨酸外，具有相似的结构单元，均为-氨基酸，即羧酸分子中-碳原子的一个氢原子被氨基取代而成的化合物。其结构通式可用下式表示。式中R 为-氨基酸的侧链，方框内的基团为各种氨基酸的共同的结构。 -COOHCOO,+NHCCNHHH23RR 不带电形式 带电形式 图1-1 氨基酸结构通式 二、 氨基酸的分类 氨基酸分类法有多种，这里根据组成蛋白质的20种氨基酸的侧链R基的化学结构的不同，分为4大类: 1、 脂肪族氨基酸:? 一氨基一羧基氨基酸:甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸

3、;?一1 氨基二羧基氨基酸及其酰胺:谷氨酸、谷氨酰胺 、天冬氨酸、天冬酰胺;?二氨基一羧基氨基酸:赖氨酸、精氨酸; 2、 芳香族氨基酸:苯丙氨酸、酪氨酸; 3、 杂环氨基酸:组氨酸、色氨酸; 4、 杂环亚氨酸:脯氨酸。 表1-1 氨基酸分类表 普通名称 中英文简称 结构式 等电点 1、脂肪族氨基酸 -HCHCOO 5.97 甘氨酸 甘 +NH Gly 3 -HCCHCOO 36.00 丙氨酸 丙 + NHAla 3 5.96 缬氨酸 缬 HC3-COOCHCH2 Val +CH3NH3 HC5.98 亮氨酸 亮 3一 -COOCHCHCH22Leu 氨 CH3+NH3 基 -COOHCCHCH

4、CH6.02 异亮氨酸 异亮 322一 +NH3Lle CH3 羧 HH22-5.74 蛋氨酸 蛋 HCSCCCHCOO3基 +Met (甲硫氨酸) NH3 氨 基 H25.07 半胱氨酸 半胱 -CHCOOHSC酸 +NHCys 3 -5.68 HOCH丝氨酸 丝 CHCOO2+NH3Ser -CHCOOHCCH36.16 苏氨酸 苏 +OHNH3Thr 2 H3.22 一氨 谷氨酸 谷 2-CHCOOOOCCHC2+NH3Glu 基二 -HCCHCOOOOC2羧基 2.77 天冬氨酸 天 NH3 氨基 Asp 酸 9.74 二 赖氨酸 赖 NH-(CH)CHCOO224+NHLys 氨 3

5、 HN2基 10.76 精氨酸 精 -(CH)CHNCHCOO23+HN2+一 Ary NH 3羧 基 氨 基 酸 2、芳香族氨基酸 -5.48 苯丙氨酸 苯 HCCHCOO2+Phe NH3 -5.66 酪氨酸 酪 HCCHCOOHO2+Tyr NH3 3、杂环氨基酸及杂环亚氨基酸 -+COOHNHCCH27.59 组氨酸 组 +NHis NH3H -COO5.89 色氨酸 色 HCCH2+NTry NH3H 6.30 脯氨酸 脯 -COON+Pro H2 三、 氨基酸的立体异构和旋光性 从上述结构通式可看出，除R为H(甘氨酸)外，所有-氨基酸分子中-3 碳原子都为不对称碳原子。因此，第一，

6、氨基酸都具有旋光性，能使偏振光平面向左或右旋转，左旋者通常用()表示，右旋者用(+)表示;第二，每一种氨基酸都D-型和L-型两种立体异构体。蛋白质水解产物中的-氨基酸都属于L-型，即与L-甘油醛同型。生物体中，特别是在细菌中也有D-型氨基酸。D-型氨基酸和L-型氨基酸结构式如图1-2所示。 COOHCOOHCNHHHNCH22RR D-型氨基酸 L-型氨基酸 图1-2 D-型和L-型氨基酸 四、 氨基酸的酸碱性质 实验证明，氨基酸在水溶液中或晶体状态时都以离子形式存在，与无机盐不同的-CHRCOO+NH3是它以两性离子的形式存在，即 ，所谓两性离子是指在同一个+-NHCOO3氨基酸分子上带有能

7、放出质子的 正离子和能接受质子的负离子。因此氨基酸是两性电解质。 氨基酸的两性离子在水溶液中有如下平衡: -OH-OH-CHCOOH-RCHRCHCOORCOO+H+H+NH3NHNH32正离子 两性离子 负离子 上述三种离子的浓度，随溶液pH而变。如果适当调节水溶液pH，使氨基酸的酸性电离和碱性电离恰好相抵消，氨基酸在溶液中只以两性离子的形式存在，分子的净电荷为零，这时的pH称为氨基酸的等电点(pI)。在等电点的氨基酸分子很容易聚集并沉淀析出，利用各种氨基酸的等电点不同，可使它们彼此分离。 4 第二节 蛋白质 蛋白质是动物、植物和微生物细胞中最重要的有机物质之一。除含有碳、氢、氧、氮外，含有

8、少量的硫。不同蛋白质的含氮均有一定的比例，这是蛋白质的一重要特点。一般蛋白质含氮在15%17.6%，平均值为16%，因此只要测定样品的含氮量就可以计算求出样品蛋白质含量。实验已经证明蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或多条肽链按各自特殊方式组合成完整生物活性的大分子。随着肽链数目、氨基酸组成及其排列顺序的不同，就有不同的三维结构也就形成了不同蛋白质。 一、 蛋白质的一级结构 蛋白质的结构分为四级。蛋白质的一级结构是指肽链的数目、肽链中氨基酸的连接方式和排列顺序，以及二硫键的数目和位置。二级以上是指空间结构。 肽链中的肽键是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基缩合去一个水分

9、子而成。下图为蛋白质中多肽链一个片断的结构通式，表示氨基酸的种类、连接方式和排列顺序。 CHCHCOOHHNCNHCHCNHNHCH2OORR3nRR21 肽链上的R、R、R代表各种氨基酸的不同侧链。它们对维持蛋白质分123子的立体结构和行使蛋白质功能都起着重要作用。方框内为肽键，多个氨基酸以这种方式首尾相连而形成肽链。肽链中的氨基酸已不是原来完整的分子，而是具HNCHCRO有 结构的氨基酸残基。 在蛋白质和多肽分子中，连接氨基酸残基的共价键除肽键外，较常见的还有二硫键，它由两个半胱氨酸残基的巯基脱氢氧化连接而成。它可以使两条肽键共价交联，或使一条肽链的某一部分成环。 5 R1R2HNCHCO

10、NHCHCONHCHCOCH2SSSSCH2HNCHCONHCHCONHCHCOSSR34 R图1-3 蛋白质肽链中和肽键间二硫键示意图 二、 蛋白质的二级结构 蛋白质分子的多肽链并非呈直线伸展，而是盘曲和折叠成特有的空间构象。蛋白质二级结构指多肽链盘曲折叠方式。目前公认二级结构主要指-螺旋、-折叠结构。 1、 -螺旋结构 其要点如下:?-螺旋结构中，每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升1圈。螺旋沿螺旋体的中心轴每上升1圈相当于向上平移0.54nm，即每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm。螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100?。?-螺旋体中氨基酸残基侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键取向几

11、乎与中心轴平行。氢键是由每个氨基酸残基的N-H 与前面隔三个氨基酸残基的C=O形成的。-螺旋体的结构允许所有肽键都能参与链内氢键的形成，正是由于氢键的作用，-螺旋的构想非常稳定。螺旋体内氢键形成示意图如下: HOCNHNHCCO3R -螺旋结构有左手螺旋和右手螺旋两种，天然蛋白质的-螺旋绝大多数为右手结构。蛋白质多肽链螺旋。近年来，也偶尔发现极少数蛋白质中存在左手-螺旋能否形成-螺旋结构以及形成的螺旋体是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有直接关系。如多肽链中有脯氨酸时，-螺旋就会被中断，并产生一个结点，这是因为脯氨酸的-亚氨基上氢原子参与形成肽键后，再没有多余氢原子形成氢键，所以肽链序列上有脯氨

12、酸残基时，肽链就不转弯不再形成-螺旋。 2、-折叠结构 在-折叠结构中，肽链采取较伸展的形式，各条肽链的长轴平行，相邻肽链之间借助氢键连接成如图1-4的片状结构。这种由一条肽链的羰基和另一个肽链6 的亚氨基形成。在-折叠结构中，所有肽链均参与构成链间的氢键，并且氢键与肽链长轴接近垂直。 NHCOORCCR-2HNOCOCHNRRCCCOHNHNOCCRRCNHCOOHNCRCCR图1-4 -折叠结构 三、 蛋白质的三级结构及四级结构 多肽链首先在某些区域相邻氨基酸形成有规则的二级结构，然后以相邻的二级结构片段集装成超二级结构，进而折叠绕曲成结构域，由两个或两个以上的结构域组装成三级结构。蛋白质

13、三级结构是指多肽链上的所有原子在三维空间的分布。 大多数相对分子质量大的蛋白质都是由几个多肽链组成为1个活性单位。这些肽链相互以非共价联结成一个相当稳定的单位，这种肽链就称为该蛋白质的亚基。蛋白质的四级结构是指亚基之间的相互关系，空间排布，亚基间通过非共价键聚合而成的特定构象。亚基单独存在，无生物活性或活性很小，只有通过亚基相互聚合成四级结构时，蛋白质才是具有完整的生物活性。 四、 蛋白质分子中的共价键及非共价键 蛋白质分子的一级结构是由共价键形成，如肽键和二硫键都属于共价键。而维持蛋白质的空间构象的作用力主要是非共价键作用，包括氢键、盐键、疏水键范德华力等。氢键是维持蛋白质二级结构如-螺旋结

14、构、-折叠结构等构象的作7 用力，如前所述，这种氢键不但存在于多肽链的链内，而且链间的也存在大量的氢键。疏水键是指多肽链上疏水性较强的氨基酸如缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等具有芳环或杂环等疏水侧基可以避开水而相互聚集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质的三级结构起着重要作用。盐键是指蛋白质中正负电荷的侧基相互接近，通过静电吸引而形成的非共价键，如羧基和氨基、咪唑等基团之间的作用力。范德华力是指分子间非极性基团的偶极与偶极之间的相互作用，以及极性基团的偶极与偶极之间的相互作用。 8 第三节 核酸 1869年Miescher 从脓细胞的细胞核中分离出含磷很高的酸性化合物，称为核素，1889年Altman 制

15、备了不含蛋白质的同类物质，首次使用“核酸”这一名称，以后四五十年里，Kossel等人在确定核酸组分方面做了大量而卓有成绩的工作，逐步明确了核酸可分为两大类，含脱氧核糖的称为脱氧核糖核酸(DNA)，含核糖的称为核糖核酸(RNA)。1943年Avery通过细菌转化实验证明了DNA是重要遗传物质，第一次向人们展示了DNA的生理功能。1953年，两个年轻科学家在前人工作的基础上，提出了DNA的双螺旋结构模型，从分子水平上阐述了生命遗传物质，提出DNA的半保留复制机理，为现代分子生物学奠定基础。 1975年Berg建立了DNA体外重组技术 基因工程，使核酸的研究取得了迅猛的发展，并逐步转向实际应用。所有

16、这些划时代的发现，无不改变人们的生活，成为人们探索生命奥秘和创造最大财富的武器。2001年，美、英、日、法、德和中国科学家宣布共同完成了人类基因组序列的测试工作，这是继发现DNA结构后生命科学中的又一里程碑，标志着人类基因组时代的到来。 在揭示核酸这一生命遗传物价的遗传奥秘的进程，一系列工具酶的使用起着重要作用，使人们有可能对DNA和RNA的结构进行详细分析，并有可能将不同来源的遗传物质重新组合，赋予生物体新的性状，或按照拟定的蓝图设计出新的生物体。 一、 核酸的化学组成与分类 核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖(核糖或脱氧核糖)和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷

17、分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的逐步水解过程如下图: 9 核酸 核苷酸 (碱基-戊糖-磷酸) 核苷酸 磷酸 (碱基-戊糖) 嘌呤和嘧啶 核糖或脱氧核糖 (碱基) (戊糖) 图1-5 核酸连续水解的降解产物 1、核糖和脱氧核糖 RNA和DNA两类核酸是因所含的戊糖不同而分类的。核酸分子中的戊糖都是-D-型，RNA含D-核糖，DNA含D-2-脱氧核糖，两者不同之处在于核糖的第二个碳原子上羟基甲基化。为了避免与碱基环上的原子编号混淆，糖环碳原子编号通常加“?”。 ,55OHOHHOHCHOHC22OO,44,OHOHOH -D-核糖 -D-脱氧

18、核糖 图1-6 核糖和脱氧核糖结构图 2、嘌呤碱和嘧啶碱 两类核酸所含的主要碱基都是4种，两种嘌呤碱为嘌呤的衍生物，两种嘧啶碱为嘧啶衍生物。它们所含的两种嘌呤碱完全相同，即腺嘌呤和鸟嘌呤。DNA和RNA所含的嘧啶碱有所不同。RNA主要含胞嘧啶和尿嘧啶，大多数DNA也含胞嘧啶，但不含尿嘧啶而以胸腺嘧啶代之。嘌呤碱和嘧啶碱分子中都有共轭双键，各有特征的紫外吸收光谱。 10 NH2ONNNNNNHNNNNNHNN2HHH 腺嘌呤 Ade 鸟嘌呤Gua 嘌呤 OONH2NHNHNNNONONONHHH 嘧啶 胞嘧啶 Cyt 尿嘧啶Ura 胸腺嘧啶 Thy 图 1-7 嘌呤碱和嘧啶碱 3、核苷 核苷由碱

19、基和核糖或脱氧核糖缩合而成。戊糖的第1个碳原子(C?)通常1与嘌呤碱的第9个氮原子或嘧啶碱的第1个氮原子相连。连接碱基和戊糖的N-C键称为N-糖苷键。X-射线结构分析证实，核苷的碱基与糖环平面相互垂直，如图1-8 为腺嘌呤核苷酸和胞嘧啶核苷酸的结构。 NH2NH2NNN19CHOHCHOHN2NO2NOO,11OHOHOH 腺嘌呤核苷 胞嘧啶脱氧核苷 图1-8核苷 核苷用碱基第一个字母符号表示(A、G、C、U)表示，脱氧核苷则在单字符号加小写的d(dA、dG、dC、dT)。常见的核糖核苷有四种:腺嘌呤核苷(A)、鸟嘌呤核苷(G)、胞嘧啶核苷(C)、尿嘧啶核苷(U);常见的脱氧核糖核苷有四种:腺

20、嘌呤脱氧核苷(dA)、鸟嘌呤脱氧核苷(dG)、胞嘧啶脱氧核苷(dC)、胸腺嘧啶脱氧核苷(dT); 11 4、核苷酸 核苷中的戊糖上羟基与磷酸酯化后就形成核苷酸。根据戊糖的不同，把核酸分为两大类:核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。核糖核苷酸的糖环上有三个自由羟基，能形成2?，3?，5?三种不同核苷酸;脱氧核糖苷则只能形成3?和5?两种核苷酸。 NH2ON5,1-OOPHC2ONO,1-OOH 图1-9 5?-胞嘧啶脱氧核苷酸 二、 核酸结构 1、 核酸的一级结构 构成核酸大分子的基本单位是核苷酸。研究证明DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链。链中每个核苷酸的3?-羟基和相邻核苷酸的戊糖上5?-磷酸

21、相连。因此，核苷酸间的连接键是3?，5?磷酸二脂键，由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在主链的侧链基团。主链上的磷酸基是酸性的，在生物体内pH条件下带负电荷;而嘌呤和嘧啶碱基因相对不溶于水而具有疏水性质。另外，由于所有核苷酸间的磷酸二酯键有相同的走向，RNA和DNA链都有特殊的方向性，而每条线形核酸链都有一个5?-末端和一个3?-末端。 12 ,端基5NH2NON腺嘌呤OPOCHN2NO-ONH2OH胞嘧啶NOONPOCHO2O-OOOHNNH鸟嘌呤OOPCHNONHN22O-OOHONHO尿嘧啶OPCHNOO2O-OOH,3端基 ,端基5N

22、H2NON腺嘌呤OPOCHNN2O-ONH2胞嘧啶NOOPNOOCH2O-OONNH鸟嘌呤OOPOCHNNH2N2O-OONHO胸腺嘧啶OPOCHNO2O-O,3端基 图1-10 核酸(上图)和脱氧核糖核酸(下图)片段结构 13 2、 DNA的双螺旋二级结构 1953年年轻科学家Watson和Crick 在前人工作基础上提出著名的双螺旋结构模型，后人许多工作证明，这个模型基本是正确的。其要点: (1)DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成的，一条链5?-末端与另一条3?-末端相对(如图1-11)。两条链的糖-磷酸主链都是右螺旋，有一共同的螺旋轴，螺旋表面有一条大沟和一条小沟。 PP2,

23、3,5,1,1,A4,T4,3,5,2,PPCGPPCGPPCTPP图1-11 DNA双螺旋的两条链 (2)两条链上的碱基均在主链的内侧，一条链上的A一定与另一条链上的T配对，G一定与C配对，其间距离刚好与双螺旋的直径吻合。根据碱基构象研究结果，A与T配对形成两条氢键，G与C配对形成3个氢键(图1-12)。由于碱基对的大小基本相同，所以无论碱基序列如何，双螺旋DNA分子整个长度的直径相同，螺旋直径为2nm。 HHCH3NCCHCCHHCOHTGOCCHNNNACNNHCNC1,HNCCNCNC1,OHCHCOCHCCHNNNNNHC1,C1, 14 图1-12 DNA 双螺旋结构中碱基对间氢键

24、 A-T 碱基对间两条氢键;G-C碱基对间三条氢键;C1 表示脱氧核糖中第1个碳原子 (3)成对碱基对大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直。糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧。相邻碱基对平面间距离为3.4，该距离使碱基平面间电子云可在一定程度上相互交盖，形成碱基堆积力。双螺旋每转一周有10个碱基对，因而每转的高度为34 。 维持DNA双螺旋结构的主要作用力是碱基对堆积力，它是由芳环族碱基的电子相互作用引起的。DNA分子中碱基层层堆积，在DNA分子内部形成了一个疏水环境，从而促使互补碱基对间形成氢键。第二种力是互补碱基对间的氢键 ，它在使碱基形成特异配对时起重要作用。第三种力是磷

25、酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间的形成的离子键，因为在生理pH条件下，DNA带有大量负电荷，如果没有阳离子与它成键，由于自身不同部位的负电荷间的排斥作用，将使DNA非常不稳定。 图1-13 DNA双螺旋结构模型 15 3、 DNA的三级结构 在双螺旋结构的基础上，DNA还可以形成三级结构。除了上述链状结构外，生物体普遍采取双链环型DNA的形式。完整的双链环型DNA在某些情况下可以扭曲成麻花状的超螺旋或超卷曲结构。 4、 DNA的构型 DNA的主要结构形式有B型、A型和Z型。另外，还有其他如发卡结构等一些不规则的结构形式。DNA 中最常见的结构为B型，它的主要结构特点是; ?右手螺旋结构;?

26、分子以大沟和小沟交替缠绕;?平行的碱基对之间平均距离为0.34nm;?碱基中糖环采取C2?向内的折叠形式。A型DNA也是右手螺旋结构，但碱基中的糖环取C3?向内的折叠形式，所以与B型DNA相比，它的形状较宽，大沟较深，小沟较窄，碱基对之间的平均距离为0.23nm。Z型DNA为左手螺旋，它的碱基序列特点是嘌呤和嘧啶交替伸展，没有明显的大沟、小沟之间的差异。 16 第四节 氨基酸、肽、蛋白质的金属配合物 一、氨基酸、肽的金属配合物 氨基酸具有很强的配位能力，多作为二齿配体，以-碳上的氨基和羧基作为 配位基团与金属离子配位，形成具有五元环结构的稳定螯合物，如图1-14 所示在一定条件下，某些氨基酸的

27、侧链上的基团如咪唑环等也可以参加配位。图1-14 L-酪氨酸与铜离子、钯离子形成的配合物 肽与金属离子配位时，除末端氨基、羧基和氨基酸残基侧链的某些基团可作为配位基团外，肽键中羰基和亚氨基也可能参与配位，一般金属-蛋白质配合物的结构相对较为复杂。 二 、蛋白质的金属配合物 蛋白质与金属离子的配位与氨基酸和寡肽有显著的不同，在金属蛋白质分子中，两个配位原子之间往往隔有一定数目的氨基酸残基。金属离子和蛋白质形成配合物后，金属可影响蛋白质电子结构和反应能力，并对蛋白质的结构起稳定作17 用。金属-蛋白质配合物的结构可分为两类:一类是金属离子与蛋白质牢固结合在一起，金属离子是蛋白质的组成部分，当金属离

28、子移去或被取代后，金属蛋白的活性将随之失去。在这一类金属蛋白质中，金属与蛋白质之比为一恒定常数，金属与蛋白质组成一个稳定的配合物。另一类是金属和蛋白质结合较弱，金属极易通过渗析法除去，且金属与蛋白质的比例不恒定。 18 第二章 金属配合物与DNA相互作用的研究 众所周知，核酸是生物体重要的遗传物质、遗传信息的携带者和基因表达的物质基础，它在生物的生长、发育和繁衍等活动中起着十分重要作用。Watson 提出的DNA双螺旋二级结构给分子生物学带来了希望之光，但是，他们提出的DNA的主链形成的右手螺旋的假设即B-DNA 一直没有得到有力的证明，曾在国际上存在一系列的争论。而且，科学家们还在兔血中证实

29、了左手螺旋DNA即Z型DNA的存在，生物体中B-DNA和Z型DNA之间存在一定平衡状态。目前，从天然及合成的核酸的X射线衍射分析还发现有A-DNA、C-DNA、D-DNA等构型，尽管它们都为双螺旋结构，但它们的结构具有明显不同。这一发现能够解释许多特征生命现象，引起世界各国科学家的高度重视。20世纪80年代，生物无机化学家在研究金属离子与核酸的相互作用机制时，发现某些金属配合物可作为DNA的结构探针，用于判别B-DNA和Z型DNA。 B-DNA的疏水型碱基位于螺旋的内侧，具有亲水性的磷酸二酯键形成多聚核苷酸为主链外侧，由于Z-DNA中碱基鸟嘌呤的C-8和N-7暴露于双螺旋的外侧，受保护程度小，

30、容易受化学致癌剂攻击而引起化学反应，因此，Z-DNA可能与突变、基因表达和调控有关。DNA为抗癌药物的重要靶标之一，科学家们已经证实临床顺铂的抗癌机理，顺伯中的Pt原子能够与DNA小沟中的同一链上相邻鸟嘌呤dGPG的N7共价结合形成链内加合物，使DNA双链解旋并弯曲，从而起到抗癌作用。 因此，金属配合物和大分子DNA相互作用研究来探索DNA的结构与功能，将有助于人们从分子水平上了解生命现象的本质，并从基因水平上理解癌症、遗传病、艾滋病等疾病的发病机理和药物作用机理，从而使通过分子设计寻找有效的治疗药物成为可能。插入DNA的某些配合物将可作为人工核酸酶、DNA结构探针、DNA分子光开关试剂、DN

31、A断裂试剂和抗癌药物等。 19 第一节 配合物与DNA的作用方式 核酸由平行堆积的碱基、聚合的阴离子磷酸骨架以及两条有核苷酸链形成的大沟、小沟组成了配合物分子识别的位点。小分子与DNA的结合常常诱发很多生物效应，这种结合按化学键来划分主要有非共价键结合和共价键结合。 一、非共价结合 非共价结合包括静电力结合、沟内结合和嵌插结合，如图2-1所示。另外氢键、范德华力、疏水键等弱相互作用使配合物小分子通过沟内或嵌插结合在DNA的螺旋沟或碱基中，加上静电力作用，会诱导许多生物效应，阻碍核酸信息的正常表达。 图2-1 DNA与小分子的非共价结合的三种模式 (1)外部静电结合 核酸是一个高度带电的聚合电解

32、质，它的阴离子磷酸根部分强烈地影响DNA的构象及其反应。小分子与DNA 的静电结合即小分子通过非特异性的相互作用结合于带负电的DNA双螺旋外部的磷酸骨架，如图2-1(1)示。有些小分子与DNA的静电作用队其与DNA间的嵌插作用起重要的稳定作用。 (2)沟内结合 很多蛋白质与DNA的特异性结合是发生在DNA的大沟内，而小分子一般在小沟区作用。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。大多数的沟内结合的小分子含有芳香杂环结构如呋喃、吡咯或苯环，这些苯环有扭转自由的键连接着，由此产生合适的扭转力来配合小沟内螺旋曲线，取代沟区内的水分子并于DNA双螺旋链中的沟区的碱基对边缘通过

33、范德华20 力形成接触，小分子在小沟区结合的特异性也缘于此。 沟内结合的小分子就是这样选择性的作用于DNA双螺旋结构中AT较为丰富的片段，通过氢键、范德华力等作用，非嵌入性地捆缚住DNA，从而阻止DNA的模版复制，起到抗病毒、抗肿瘤的作用。 (3)嵌插结合 嵌插结合是药物分子与DNA发生作用的重要形式之一。它是以平面或几乎平面的芳香杂环嵌入DNA的碱基对中如图2.2(3)。这是芳环的离域体系与碱基体系的-相互作用及疏水作用的结果。当小分子嵌入DNA碱基对后，有的可能抑制DNA复制与转录功能，有的则在经过进一步活化后使DNA断裂时具有识别DNA构受损而影响其功能。而且手型配合物与DNA 发生嵌插

34、结合2+3+ 型等的能力，如科学家们在研究Zn(phen)、Co(phen)和 Ru(bipy)(HNOIP)3322+等手性配合物与DNA的作用时发现，这类手性金属配合物与DNA作用时，只有一个Phen 插入到DNA的碱基对之中，另外的两个phen留在DNA的双螺旋2+外，?型Zn(phen)与右手螺旋的DNA作用时，未插入DNA的两个phen刚32+好与B型DNA分子空间匹配;?型 Ru(bipy)(HNOIP)的两个bipy与右手螺2旋的DNA的磷酸骨架碰撞，而未能插入B型DNA中。当与左手螺旋的Z型DNA作用时，情况刚好相反，?型配合物优先与其发生嵌插作用，?型配合物由于手性不能匹配，

35、未能插入。这表明手性配合物对DNA作用具有立体选择性分子识别能力，可作为DNA二级结构的结构探针。 图2-2 手性配合物的分子结构图 二、共价结合 共价结合包括与亲核试剂的作用和与亲电试剂的反应。主要表现为DNA的烷基化及DNA的链间交联和链内交联等，与非共价结合相比，DNA靶向分子与21 DNA共价结合序列特异性识别能力要强的多。小分子与特定碱基作用并形成加合物，使DNA双链解旋并弯曲。如顺伯中的Pt原子能够与DNA小沟中的同一链上相邻鸟嘌呤的N7共价结合形成链内加合物，使DNA双链解旋并弯曲。 图2-3 cis-Pt(NH)离子与DNA片段分子d(GGAGACCAGAGG)(上图)和(dp

36、GpG)(下32图)形成的链内加合物晶体结构 22 第二节 配合物与DNA作用的研究手段 为探讨DNA与金属配合物间的相互作用及作用机理，许多研究方法和技术被引入此研究领域。 一、 紫外/可见光谱法 含有碱基生色团的双螺旋结构DNA分子，其UV/Vis吸收光谱在260nm附近有一强吸收峰，当小分子与核酸结合后，对核酸或小分子吸收峰的吸收光谱都会引起变化，可根据相互作用前后DNA或其它分子的吸收谱带的变化对金属配合物与作用模式进行判断。 对于DNA的吸收光谱来说，如导致构象变化，则产生减色效应和红移现?象，且作用越强减色效应越明显;如导致DNA双螺旋结构的破坏，则产生增色效应。 ? 对于金属配合

37、物等小分子的特征吸收谱带。当金属配合物嵌插如DNA碱基对中，即发生插入作用时，将会发生减色效应，这是因为DNA碱基对与插入配体间发生电子嘴积，使后者的*空轨道上也有一定的电子填充，从而使MLCT跃迁的几率减少。减色效应的强弱，能够反映插入能力的大小，插入能力越强，减色效应越强。与DNA发生插入作用后的配合物，插入配体与DNA碱基对间发生电子堆积后，配合物的配体共轭性加强，产生红移现象，红移程度反映出插入能力的大小。插入能力强的配合物，红移较大，插入能力弱的配合物，红移较小。如图2-4所示，我们课题组合成的Pd(phen)(trp)Cl?5HO和 Pd 2(NOphen)(trp)Cl?5HO与

38、DNA相互作用的紫外光谱图，配合物与DNA发生后22发生红移和减色效应，证明与DNA发生了嵌插作用。 图2-4 Pd (phen)(trp)Cl?5HO及Pd(NOphen)(trp) Cl?5HO与DNA作用的紫外光谱图 22223 二、荧光光谱法 荧光光谱作为一种快速、灵敏的谱学技术应用于DNA与小分子相互作用的研究。可根据两者相互作用前后荧光强度的变化判断小分子与DNA的作用模式。溴化乙锭(EB)是应用最早的荧光探针，被广泛应用于抗癌药物的筛选和小分子与DNA作用的研究，它是一共轭平面分子，本身荧光很弱，但能专一地插入DNA双螺旋或三螺旋内部的碱基对之间，形成EB-DNA复合物，因而荧光

39、强度大大加强。当有能与其竞争插入DNA的配合物存在时，EB会被配合物从DNA中挤出来，而体系的荧光强度减弱。李志良等报道的荧光筛选法标准:如果药物使EB-DNA体系荧光减弱50%以上，且药物与DNA的物质的量浓度比不超过-100，以此为标准，认为药物与DNA发生了显著作用。 另外，I和 Fe(CN)4-都是典型的荧光猝灭剂，通过考察它对小分子荧光的猝灭作用可判断小分子4与DNA的作用方式。若小分子与DNA发生插入结合，带有负电荷的DNA磷酸4-骨架对Fe(CN)有强烈的排斥作用，因而插入结合的阳配离子受到保护，被44-Fe(CN)猝灭发光的可能性小。图2-5 为溴化乙锭的结构图，图2-6 为我

40、4们合成的钯(?)-联喹啉-丙二酸 Pd(biqu)(mal) ?H2O 与鱼精DNA发生嵌插作用的荧光光谱图。a为 配合物的荧光光谱，b-e为向配合物的溶液中滴加DNA的荧光光谱, 由图可看出随DNA 量的增加，配合物荧光强度逐渐增强，这是由于配合物插入DNA 后，DNA 碱基对的疏水环境对配合物荧光发光具有保护作用，从而证明配合物与DNA 发生了嵌插作用。 CHCH32NH2+N-BrNH2 图2-5溴化乙锭的结构图 24 -6 DNA对Pd(biqu)(mal) ?H2O 荧光光谱的影响 图2三、圆二色光谱法 圆二色光谱 (CD)以高频变换的左旋或右旋偏振光作为入射光，为有机化合物的绝对

41、构型、构象和反应机理的研究提供了很多信息，是目前研究有机化合物和生物大分子的构型、构象和三维空间结构强有力的工具，可现场检测构象己知的生物大分子构象变化过程。CD谱是DNA螺旋构象的非常敏感的指示剂，可给出与DNA作用的小分子的某些基团跃迁谱带变化的信息，进而可获得二者键合方式的信息。一方面根据DNA在260nm处的吸收提供有关结构信息，另一方面对一些本身没有CD信号，但与DNA结合后能产生诱导CD信号的分子，可获得一定的有关其结构的间接信息。CD光谱是研究配合物与DNA作用方式的重要方法，根据光谱形状和吸收强弱可以判断DNA构型的转变。图2-7 鱼精DNA及配合物Pd(L-tyr) ?0.5

42、HO /DNA 复合物的CD光谱图，a 为鱼精DNA，22b、c为配合物/DNA 复合物的CD，由图可看出，当向DNA溶液中加入配合物后，DNA的正负吸收均有增加，形状并没有发生变化，因而此化合物主要以插入作用与DNA发生了相互作用。 25 图2-7 鱼精DNA及配合物Pd(L-tyr) ?0.5HO /DNA 复合物的CD光谱图 22四、黏度法 通常在缺少高精度晶体结构数据和核磁数据时，黏度这种流体力学方法是检测溶液状态下配合物与DNA作用方式的有效的重要手段。当小分子配合物与DNA发生插入作用时，DNA的相邻的碱基对之间的距离会变大以容纳插入型配体，导致DNA双螺旋的链增长，DNA的黏度增

43、加;当配合物以静电或沟面结合等非插入模式与DNA作用时，DNA双螺旋长度基本不变，DNA溶液的乃浓度也没有明显变化，而当配合物以部分插入方式同DNA作用时，会使DNA双螺旋扭结，以至于DNA双螺旋长度减少，进而导致DNA溶液黏度减小。 五、凝胶电泳法 在外电场的作用下，带电颗粒，如不处于等电状态的蛋白分子，将向着与其相反的电极移动，这种现象称为电泳。核酸DNA在一定的PH值下带有负电荷，在电场中向正电极移动。以琼脂糖为支持介质的凝胶电泳广泛应用于分子生物学领域，是定量、分离、鉴定和纯化DNA片段的主要方法。 带电颗粒在电场中的泳动速度主要取决于它所带的净电荷量、颗粒的大小和形状。当带电颗粒在电

44、场中泳动时，受到两种方向相反的力的作用:电场力，摩擦力，而DNA通过琼脂糖凝胶的电泳速率取决于以下4个主要参数: (1) DNA分子大小线状双链DNA分子被认为是以一端向前方移动，它在凝胶基质中的迁移速率与其碱基对数目以10为底的对数值成反比，分子越大，越26 难于在凝胶中孔隙中蠕行，因而迁移得越慢。 (2)琼脂糖凝胶浓度同样大小的DNA片段在不同浓度琼脂糖凝胶中迁移速率不同。因此，利用不同浓度琼脂糖凝胶可以分辨范围广泛大小不同的DNA片段。 (3) DNA构型相同分子量，不同构型的DNA分子在琼脂糖凝胶中的迁移速率不同。在TAE缓冲液中，迁移速率:超螺旋(CCC)线状(OP)开环(OC)o

45、(4)应用的电流在低电压时，线状DNA片段的迁移速率与所用电压成正比。但是当电场强度增加时，DNA片段的迁移速率的增大是不同的。因此，琼脂糖凝胶的有效分离范围随电压增大而减小。为了获得DNA片段最大的分辨力，凝胶电泳不应超过5伏/厘米。 图2-8 为Inorg.Chem.在近期发表的配合物 对DNA的切割电泳图，M 为Marker DNA ,1为纯 pBRDNA ,2-7为向pBRDNA加入一定量后DNA谱带的变化。其中，?为超螺带，?缺口环化带，?线性带。 图2-8 对DNA的切割电泳图 六、X-射线单晶衍射法 X-射线单晶衍射法用于生物大分子的结构研究开始于20世纪60年代，是研究配合物与

46、DNA作用的最有效的方法。它能够提供配合物与DNA的具体键合位点，并给出配合物-DNA加合物的真实的立体结构。顺铂的抗癌机理在科学家们研究20余年后正是利用此手段证实了其机理的。但是要进行X-射线单晶结构分析，首先要得到一定大小和质量好的单晶。而由于制备配合物-DNA加合物单晶极其困难，所以关于配合物-DNA的单晶数据很少，科学家们多采用DNA的核苷酸片断或碱基对来合成配合物-DNA的单晶。我们课题组通过活性钯配合物与DNA的碱基对之一腺嘌呤反应，成功合成了活性配合物单晶，发现2+Pd(phen)与腺嘌呤的N3配位，这为钯配合物的抗肿瘤机理提供一定的科学依2据。 27 图2-9 配合物Pd(p

47、hen) (ade)的分子结构图 22228 第三章 无机抗癌药物 第一节 铂配合物抗癌药物进展及其抗癌机理 一、铂配合物抗癌药物进展 1、第一代铂药物 1965年美国密执安州立大学科学家B.Rosenberg 等在研究电场对细菌生长的影响时偶然发现，在含NHCl的大肠杆菌培养液中用铂电极通入直流电，大4肠杆菌细胞分裂就会受到抑制，生长成相当于正常细胞300倍大的菌丝。但更换其它电极就观察不到这种现象。进一步研究表明，电流使微量的铂进入培养液，生成顺二氯二氨合铂(cis-dichlorodiammineplatinum,cis-DDP)，cis-Pt(NH)Cl 322(简称顺铂) ，这种配合物对细胞分裂有强烈抑制作用。1969年B.Rosenberg 等又首次报道了顺铂具有很强的抗癌活性，这些发现开创了金属配合物抗肿瘤药物研究的新领域。经过一系列后续研究，cis-DDP于1971年进入