配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的結構及其與DNA作用研究

劉亭麗, 姚 泉, 徐曉瑩, 高恩軍

(1.沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142；2.沈陽市無機分子基材料化學(國際)重點實驗室， 遼寧 沈陽 110142)

自從1892年韋爾納建立了配位化學理論以來，配位化學一直是在當今化學領域最具活力和生命力學科之一[1].由于配位化合物完美的骨架結構以及良好的性能，如催化作用、抗腫瘤活性等，受到越來越多的關注[2-3].金屬鋅是在生物體系統中最重要的金屬之一，它參與很多生命活動并與人類疾病密切相關[4].在此，我們選取1,3-雙(4-吡啶)丙烷為配體，與過渡金屬鋅合成配合物[Zn(Bpp)Cl2]n(其中Bpp為1,3-雙(4-吡啶)丙烷).通過紫外光譜法與熒光光譜法研究其與DNA的作用模式，并進一步用凝膠電泳法研究其對DNA的切割作用.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

氯化鋅、1,3-雙(4-吡啶)丙烷、乙醇均為分析純試劑；小牛胸腺DNA(CT-DNA)與pBR322 DNA均為生化試劑.

Bruker smart 1000 CCD-X射線單晶衍射儀；PHS-3C精密數顯酸度計；D-MS-I 磁力攪拌器；結構分析經SHELX-97軟件包完成；島津UV2240 紫外可見光譜儀；Perkin Elmer LS55 熒光分光光度計；上海培青JS-250電泳儀和JS-380A自動凝膠圖像分析儀.

1.2 配合物的合成

在常溫條件下，將10 mL 10 mmol/L 氯化鋅水溶液緩慢地加入10 mL 10 mmol/L 1,3-雙(4-吡啶)丙烷乙醇溶液中，并不斷攪拌，用0.8 mol/L的KOH溶液調節溶液pH值至6.893，繼續攪拌5 h，測定pH值為7.145.過濾混合溶液后在室溫條件下將其靜置，經過數周后溶劑揮發并有無色透明晶體生成.經過Bruker smart 1000 CCD-X射線單晶衍射儀測定，以上所得晶體結構為[Zn(Bpp)Cl2]n.

1.3 配合物的結構

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的配位結構如圖1所示.配合物中心離子鋅分別與N1、N2、Cl1和Cl2以四配位的形式形成了扭曲的四面體結構(見圖1)，主要鍵長(nm)如下：Zn(1)—N(2)，0.202 3(9)；Zn(1)—N(1)，0.206 9(9)； Zn(1)—Cl(1)，0.223 90(11)；Zn(1)—Cl(2)，0.224 01(10).主要鍵角(°)如下：N(2)—Zn(1)—N(1)，111.71(12)；N(2)—Zn(1)—Cl(1)，104.5(3)；N(1)—Zn(1)—Cl(1)，104.0(3)；N(2)—Zn(1)—Cl(2)，105.1(3)；N(1)—Zn(1)—Cl(2)，105.2(3)；Cl(1)—Zn(1)—Cl(2)，126.20(4).

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的一維鏈狀結構如圖2所示.從圖2可以看出：由1,3-雙(4-吡啶)丙烷為橋連接配體而形成的“W”型一維鏈狀結構中，中心離子鋅分別與N和Cl原子形成配位鍵，相鄰2個鋅原子之間的距離為1.290 25(37) nm.

圖1 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的配位結構Fig.1 Complexe[Zn(Bpp)Cl2]n with structural H atoms are all omitted for clarity

配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的二維結構如圖3所示.從圖3中可以看出：二維結構是通過一條鏈上參與配位的氯原子與相鄰鏈上1,3-雙(4-吡啶)丙烷配體中芳環上的氫原子形成氫鍵弱作用構筑的，H…Cl之間的距離為0.287 8 nm.

圖2 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的一維鏈狀結構Fig.2 1D chain of the complex[Zn(Bpp)Cl2]n

圖3 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n的二維結構Fig.3 2D structure of the complex[Zn(Bpp)Cl2]n

1.4 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n與小牛胸腺DNA(CT-DNA)的光譜學研究

1.4.1 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n與小牛胸腺DNA(CT-DNA)的熒光光譜測定

熒光猝滅實驗可以監測配合物與CT-DNA(小牛胸腺DNA)的結合方式.溴化乙錠(EB，全名為溴化3，8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲錠)是一種高度靈敏的熒光染色劑，它本身熒光很弱，當它與脫氧核糖核酸(DNA)發生專一插入反應時，即EB+DNA=EB·DNA，使該體系的熒光強度大大增強[5-6].配合物(M)也可與DNA發生類似結合：M+DNA=M·DNA，當它與EB共同存在時，便同EB競爭與DNA結合，使EB/DNA復合體系熒光強度變弱，且變化程度與M/DNA結合作用強弱有關[7].圖4是配合物加入到EB/DNA復合體系中熒光猝滅效果圖.

c(DNA)=5×10-6 mol/L c(EB)=1.0×10-6 mol/L 1 c(M)=0 4 c(M)=3.75×10-6 mol/L 2 c(M)=1.25×10-6 mol/L 5 c(M)=5.0×10-6 mol/L 3 c(M)=2.5×10-6 mol/L

根據斯特恩-沃爾默方程：I0/I=1+Ksqr，其中：I、I0為復合物中存在和不存在配位化合物時的熒光強度；Ksq為斯特恩-沃爾默猝滅常數(描述配合物與DNA的作用強弱)；r為復合物中配位化合物與DNA的濃度比[8].配合物[Zn(Bpp)Cl2]n與小牛胸腺DNA(CT-DNA)的熒光猝滅曲線如圖5所示.

圖5 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n與EB/DNA 的猝滅常數(0.097)Fig.5 Interaction with the EB/DNA system,the role of the quenching constant (0.097)

由圖4可以看出：隨著配合物的加入，發生了熒光猝滅現象，而且配合物濃度愈大效果愈明顯；圖5表示配合物對EB/DNA體系的熒光猝滅常數為0.097.實驗結果表明：配合物是以插入的方式與DNA作用.

1.4.2 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n與小牛胸腺DNA(CT-DNA)的紫外光譜測定

紫外光譜法是檢測配合物與DNA作用方式的方法[9].DNA分子在波長260 nm附近有特征吸收峰.這是由于核酸中嘌呤和嘧啶堿基共軛雙鍵的存在而產生的[10].圖6是鋅配合物中不存在和存在CT-DNA時的紫外吸收光譜.向配位化合物中加入DNA后，配位化合物的吸光度降低，產生減色效應，并發生紅移現象.隨著DNA濃度的增加，這種現象愈加明顯[11].由于配位組群中發生了π-π*的電子躍遷，所以，配合物在255 nm處附近產生了強烈的吸收帶.實驗結果表明：配合物中的芳香環是插入到CT-DNA的堿基對中產生了強的堆積作用.

c(M)=2.3×10-5 mol/L 1 c(DNA)=0 5 c(DNA)=10×10-6 mol/L 2 c(DNA)=2.5×10-6 mol/L 6 c(DNA)=15×10-6 mol/L 3 c(DNA)=5.0×10-6 mol/L 7 c(DNA)=20×10-6 mol/L 4 c(DNA)=7.5×10-6 mol/L 8 c(DNA)=25×10-6 mol/L.

1.5 配合物[Zn(Bpp)Cl2]n對pBR322質粒DNA的切割作用

凝膠電泳實驗可以監測配合物對pBR322質粒DNA的切割作用和檢測其切割效果[12-14].核酸DNA在一定的pH值下帶有負電荷，在電場中向正電極移動.電泳時，樣品在電槽中外電場的作用下發生移動.超螺旋帶(Form Ⅰ)分子結構最為緊密，在電場的作用下遷移速率最大；開環帶(FormⅡ)分子結構最為松弛，在電場的作用下遷移速率最小.實驗中，隨著配位化合物濃度增加，Form Ⅰ構型發生轉換，反映在電泳圖譜中的現象是亮度的減小[15].圖7是鋅配合物對pBR322質粒DNA切割效果圖.其中，Lane 0是純的pBR322 DNA，Lane 1～3為3個不同濃度配合物與DNA在有氧條件下反應1 h的電泳圖像.配合物的3個不同濃度1、2、3分別是5.0 mmol/L、2.5 mmol/L、1.25 mmol/L.如圖7所示，隨著化合物濃度的增加，Form Ⅰ逐漸減少，并且配合物的各個濃度Form Ⅰ都比Lane 0要小.此現象表明了這些配合物對pBR322 DNA具有一定的切割能力.

2 結 論

采用常溫溶液法合成了金屬鋅配合物，分子式為[Zn(Bpp)Cl2]n(其中Bpp為1,3-雙(4-吡啶)丙烷).運用X-射線單晶衍射技術測定了配合物的晶體結構單元.配合物與CT-DNA作用的熒光光譜研究表明：DNA/EB復合物中加入配合物后，發生熒光猝滅現象，這說明配合物能與溴化乙錠競爭插入DNA堿基對中.配合物與CT-DNA作用的紫外光譜研究表明：配合物在200～400 nm波長范圍內有明顯的特征吸收峰，表現為分子內π-π*電子躍遷.加入CT-DNA后，配合物的紫外光譜發生減色效應和紅移現象，說明配合物能與CT-DNA發生嵌插作用.配合物凝膠電泳結果表明：配合物對pBR322質粒DNA具有一定的切割能力.

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