金屬離子Cu2+、Ca2+和Mg2+對(duì)抗蚜威與DNA結(jié)合作用的影響

胡 興，張國文,*，付 鵬，占春瑞

金屬離子Cu2+、Ca2+和Mg2+對(duì)抗蚜威與DNA結(jié)合作用的影響

胡 興1，張國文1,*，付 鵬1，占春瑞2

(1.南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047；2.江西出入境檢驗(yàn)檢疫局，江西 南昌 330002)

在人體生理酸度(pH7.4)下，運(yùn)用紫外、熒光光譜法和DNA熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究抗蚜威與小牛胸腺DNA的作用方式以及Cu2+、Ca2+和Mg2+分別對(duì)兩者結(jié)合的影響。溴化乙錠(EB)競爭實(shí)驗(yàn)和DNA熔點(diǎn)測定結(jié)果表明，抗蚜威主要是通過嵌插方式與DNA堿基發(fā)生作用。3種金屬離子均能與抗蚜威絡(luò)合，絡(luò)合物的生成使體系的紫外吸收峰強(qiáng)度和形狀發(fā)生改變，并能不同程度地猝滅DNA-EB復(fù)合物的熒光；Cu2+、Ca2+的存在使DNA-抗蚜威復(fù)合物的結(jié)合常數(shù)呈現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢，而Mg2+的參與能增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合。由此推斷出，金屬離子對(duì)抗蚜威與DNA結(jié)合的影響主要取決于金屬離子與DNA的堿基和磷酸基團(tuán)間結(jié)合的相對(duì)親和比。

金屬離子；抗蚜威；小牛胸腺DNA；熒光光譜；嵌插作用

DNA是生命遺傳信息的主要載體，也是化學(xué)物質(zhì)作用于生物體的一個(gè)重要靶標(biāo)[1-2]。化學(xué)物質(zhì)與DNA之間的非共價(jià)鍵結(jié)合方式主要有靜電結(jié)合、溝槽結(jié)合和嵌插結(jié)合[3]。已有文獻(xiàn)報(bào)道金屬離子能夠參與藥物分子與DNA的結(jié)合過程[4]。Cu2+、Ca2+和Mg2+是細(xì)胞內(nèi)主要的二價(jià)金屬離子(Me2+)，在細(xì)胞體內(nèi)充當(dāng)各種重要角色，許多重要的遺傳過程需要金屬離子的協(xié)助才能發(fā)揮正常功能[5-7]。

抗蚜威(pirimicarb)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種氨基甲酸酯類農(nóng)藥，美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)2008年發(fā)布的致癌可能性的農(nóng)藥名錄，抗蚜威被列為可能對(duì)人類具有致癌性農(nóng)藥[8]。DNA是許多農(nóng)藥在體內(nèi)的主要靶分子，某些農(nóng)藥分子通過與正常細(xì)胞DNA發(fā)生加合作用破壞其結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響基因調(diào)控與表達(dá)的功能。目前，農(nóng)藥抗蚜威與DNA作用方式及金屬離子對(duì)抗蚜威與DNA結(jié)合的影響尚未見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用紫外、熒光光譜法和熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，研究抗蚜威與DNA的結(jié)合作用以及Cu2+、Ca2+和Mg2+對(duì)其結(jié)合作用的影響，期望為進(jìn)一步研究抗蚜威的毒性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

抗蚜威標(biāo)準(zhǔn)品(用95%的乙醇配制，得溶液濃度為8.39×10-4mol/L，使用時(shí)根據(jù)所需進(jìn)行稀釋)；小牛胸腺DNA(以下簡稱DNA，用0.1mol/L的NaCl溶液溶解，濃度利用ε260=6600L/(mol·cm)來確定，溶液于4℃的冰箱中儲(chǔ)備)由北京華美生物工程有限公司提供；溴化乙錠(EB)配制成1.0×10-3mol/L的水溶液，使用時(shí)根據(jù)所需進(jìn)行稀釋；1.0mol/L的NaCl溶液；0.05mol/L的Tris-HCl (pH7.4)緩沖溶液；其他試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

F-4500型熒光光度計(jì) 日本日立公司；UV-2450紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；PHS-3C型酸度計(jì)上海雷磁儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 紫外光譜測定

在10mL的比色管中，加入4.0mL Tris-HCl緩沖溶液后再加入30μL 8.39×10-4mol/L的抗蚜威，定容至10mL混勻。移取此溶液各3mL于比色皿中，測量其紫外光譜后再逐次分別加入8μL 0.1mol/LCu2+、Ca2+和Mg2+溶液，測定紫外光譜，并扣除背景空白吸光度。

1.2.2 熒光光譜測定

在10mL的比色管中，加入4.0mL Tris-HCl緩沖溶液及20μL 8.39×10-4mol/L的抗蚜威后，再分別加入一系列濃度的Cu2+、Ca2+、Mg2+溶液，定容至10mL混勻。準(zhǔn)確移取此溶液各3mL于熒光池中，測量其熒光強(qiáng)度后，分別用等量DNA(16μL/次，溶液中DNA的最終濃度為1.02×10-4mol/L)進(jìn)行熒光滴定，測定其熒光強(qiáng)度。上述測定激發(fā)和發(fā)射狹縫均為5nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗蚜威與金屬離子的相互作用

圖1 Cu2+(a)、Ca2+(b)和Mg2+(c)存在下抗芽威的紫外吸收光譜Fig.1 UV absorption spectra of pirimicarb in the respective presence of Cu2+, Ca2+and Mg2+and absence of metal ions

圖1 是Cu2+、Ca2+、Mg2+分別加入到抗蚜威中的紫外光譜(扣除了背景空白)。Cu2+、Ca2+、Mg2+的加入均使抗蚜威體系產(chǎn)生不同程度的增色效應(yīng)，且Cu2+的增色最大，表明3種金屬離子均與抗蚜威發(fā)生了絡(luò)合[9]。

2.2 金屬離子、抗蚜威競爭置換EB與DNA結(jié)合實(shí)驗(yàn)

圖2 3種金屬離子對(duì)DNA-EB復(fù)合物的熒光影響Fig.2 Fluorescence spectra of the EB/DNA complex in the respective presence of Cu2+, Ca2+and Mg2+and absence of metal ion

EB是一種典型的嵌入式熒光探針，它本身的熒光強(qiáng)度很弱，但當(dāng)其生色團(tuán)平行地嵌入雙螺旋DNA的堿基對(duì)中可使熒光顯著增強(qiáng)[10]。向EB溶液中分別加入Cu2+、Ca2+、Mg2+、抗蚜威溶液時(shí)，體系的熒光光譜幾乎沒有發(fā)生變化，表明在實(shí)驗(yàn)條件下EB與金屬離子和抗蚜威并不發(fā)生結(jié)合反應(yīng)。而分別用3種金屬離子滴定DNA-EB混合溶液，3種離子均能對(duì)DNA-EB體系的熒光產(chǎn)生一定程度的猝滅(圖2)，猝滅程度為Cu2+＞Ca2+＞Mg2+。文獻(xiàn)[11]報(bào)道Cu2+、Ca2+可以與DNA的磷酸基團(tuán)和堿基對(duì)結(jié)合，且結(jié)合能力Cu2+＞Ca2+，而Mg2+與DNA堿基的親和能力很小，主要是與DNA的磷酸基團(tuán)結(jié)合。由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測，Cu2+、Ca2+可能與EB競爭DNA的結(jié)合位點(diǎn)，而導(dǎo)致DNA-EB體系的熒光猝滅，熒光猝滅程度可能和金屬離子與DNA堿基結(jié)合能力的強(qiáng)弱有關(guān)。用抗蚜威代替金屬離子滴定DNA-EB混合溶液，圖3表明，隨著體系內(nèi)抗蚜威濃度在一定范圍內(nèi)的增加，DNA-EB體系的熒光強(qiáng)度逐漸猝滅，說明抗蚜威與EB競爭結(jié)合DNA的同一位點(diǎn)，而置換出DNA-EB復(fù)合物中的EB，從而使體系的熒光強(qiáng)度降低，表明抗蚜威與DNA之間發(fā)生了嵌插作用。

圖3 抗蚜威對(duì)DNA-EB復(fù)合物的熒光影響Fig.3 Fluorescence spectra of the EB/DNA complex in the presence of different concentrations of pirimicarb

2.3 熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

圖4 金屬離子對(duì)DNA-抗蚜威熔點(diǎn)的影響Fig.4 Effects of Cu2+, Ca2+and Mg2+on the melting point of the EB/DNA complex

通常把DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度稱為該DNA的溶解溫度或熔點(diǎn)(Tm)。小分子與DNA的相互作用對(duì)Tm有影響，嵌插結(jié)合使得DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，Tm會(huì)增加5～8℃，而溝槽結(jié)合或靜電結(jié)合對(duì)Tm影響不明顯[12]。在Cu2+、Ca2+、Mg2+的人體生理離子濃度下[13]，分別測定DNA、DNA-抗蚜威體系在不同溫度下的吸光度。在40～100℃溫度范圍內(nèi)，作fss= (A－A0)/(Af－A0)對(duì)溫度T的熱變性曲線(圖4，A0和Af分別為40℃和100℃時(shí)體系的吸光度，A為溫度變化對(duì)應(yīng)的吸光度)，求得DNA的Tm為67.2℃，DNA-抗蚜威體系的Tm為75℃，升高了7.8℃，進(jìn)一步說明抗蚜威與DNA以嵌插方式結(jié)合，抗蚜威嵌入到DNA堿基對(duì)之間，使得DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。Cu2+、Ca2+、Mg2+分別存在下，DNA-抗蚜威體系的Tm為78℃左右，Tm增加值小于5℃，表明3種離子的參與均未影響抗蚜威與DNA的結(jié)合方式。

2.4 金屬離子對(duì)DNA-抗蚜威體系結(jié)合常數(shù)的影響

圖5 不同金屬離子濃度對(duì)抗蚜威-DNA體系結(jié)合常數(shù)的影響Fig.5 Effect of Cu2+, Ca2+and Mg2+at different concentrations on the binding constant of the pirimicarb/DNA complex

在不同濃度Cu2+、Ca2+、Mg2+存在下，分別用DNA滴定抗蚜威，體系的熒光光譜均發(fā)生了不同程度猝滅。采集熒光猝滅數(shù)據(jù)，由方程lg[(F0－F)/F]=lgK +nlg[Q][14]，求得不同濃度的金屬離子存在下抗蚜威與DNA之間的結(jié)合常數(shù)，如圖5所示。Hackl等[11]研究結(jié)果證明：Cu2+和Ca2+與DNA的磷酸基團(tuán)和堿基都可以結(jié)合，且與堿基的結(jié)合能力更強(qiáng)。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)2.2節(jié)和圖5結(jié)果，可以得出當(dāng)Cu2+(＜2.6 ×10-3mol/L)和Ca2+(＜2.8×10-3mol/L)處于低濃度時(shí)，Cu2+、Ca2+主要與DNA的堿基結(jié)合，它們與抗蚜威發(fā)生了競爭作用，從而減小了DNA-抗蚜威體系的結(jié)合常數(shù)。而當(dāng)Cu2+(＞2.6×10-3mol/L)和Ca2+(＞2.8×10-3mol/L)處于高濃度時(shí)，Cu2+、Ca2+先與抗蚜威絡(luò)合，再通過離子橋作用于DNA的磷酸基團(tuán)結(jié)合，形成DNA-抗蚜威-Cu2+或DNA-抗蚜威-Ca2+復(fù)合物使結(jié)合常數(shù)明顯增大；而Mg2+與DNA堿基的親和能力很小，主要是與DNA的磷酸基團(tuán)結(jié)合，當(dāng)Mg2+在其與核苷酸作用的時(shí)候，嘌呤的 N7 位會(huì)取代其中一個(gè)水配體，其余水配體能與磷酸上的氧以及嘌呤C6位上的O形成氫鍵[15]，Mg2+的參與有利于DNA的雙螺旋打開，從而促進(jìn)抗蚜威與DNA的結(jié)合，表現(xiàn)為增大了抗蚜威與DNA的結(jié)合常數(shù)[16]。

3 結(jié) 論

紫外光譜表明，Cu2+、Ca2+和Mg2+都能與抗蚜威絡(luò)合，EB競爭實(shí)驗(yàn)和DNA熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)表明，抗蚜威與DNA以嵌插方式結(jié)合。金屬離子對(duì)DNA-抗蚜威結(jié)合的影響程度主要取決于金屬離子與DNA堿基和磷酸基團(tuán)間結(jié)合的相對(duì)親和比。當(dāng)Cu2+、Ca2+在低濃度時(shí)，其主要與DNA的堿基結(jié)合，此時(shí)Cu2+、Ca2+通過競爭抗蚜威與DNA的結(jié)合位點(diǎn)而導(dǎo)致DNA-抗蚜威之間的結(jié)合常數(shù)降低，在高濃度時(shí)通過Cu2+、Ca2+離子橋作用增大了DNA-抗蚜威之間結(jié)合常數(shù)，而Mg2+主要與DNA的磷酸基團(tuán)結(jié)合，Mg2+濃度的增加能增加抗蚜威與DNA之間的結(jié)合常數(shù)。

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Effects of Cu2+, Ca2+and Mg2+on the Interaction of Pirimicarb with Calf Thymus DNA

HU Xing1，ZHANG Guo-wen1,*，F(xiàn)U Peng1，ZHAN Chun-rui2
(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China；2. Jiangxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Nanchang 330002, China)

The interaction between pirimicarb and calf thymus DNA was studied by UV absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy and melting point measurement in the respective presence of Cu2+, Ca2+and Mg2+in physiological buffer (pH 7.4). From the results of ethidium bromide (EB) competition and DNA melting point measurement, pirimicarb reacted with DNA basic groups mainly through intercalative binding. All the three metal ions were found to be able to complex with pirimicarb, and the generation of complexes made a difference to the ultraviolet absorption peak intensity and shape of the reaction systems and quenched the fluorescence intensity of the EB/DNA complex to different extents. In the respective presence of Cu2+and Ca2+, the binding constant of the DNA/pirimicarb complex initially decreased, followed by increase, and the involvement of Mg2+could enhance the binding between DNA and pirimicarb. It can be concluded that the binding between DNA and pirimicarb mainly depends on the relative affinity ratio between metal ions and DNA basic groups or phosphate groups.

metal ions；pirimicarb；calf thymus DNA；fluorescence spectrum；intercalative binding

O657.3

A

1002-6630(2010)19-0146-04

2010-06-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31060210)；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BNA09000)；國家質(zhì)檢總局科技項(xiàng)目(2009IK141)；南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)導(dǎo)向項(xiàng)目(SKLF-MB-200807)

胡興(1986—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩-mail：hx0726@126.com

*通信作者：張國文(1966—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與食品安全。 E-mail：gwzhang@ncu.edu.cn