山梨酸-1,10-鄰菲啰啉稀土配合物的合成、表征及與DNA的相互作用

·化學(xué)與化學(xué)工程·

山梨酸-1,10-鄰菲啰啉稀土配合物的合成、表征及與DNA的相互作用

李小芳1,馮小強(qiáng)1,楊聲2，朱元成1

(1.天水師范學(xué)院 生化學(xué)院,甘肅 天水741001；2.定西師范高等專科學(xué)校,甘肅 定西743000)

摘要：以山梨酸(SA)和1,10-鄰菲啰啉(phen)為原料合成三元稀土配合物,利用摩爾電導(dǎo)、紫外光譜、紅外光譜、元素分析和熱重分析測(cè)試手段對(duì)其進(jìn)行表征,確定配合物的組成為 [Eu(Phen) (SA)2]·2H2O和[Sm(Phen) (SA)3]。此外,通過(guò)紫外光譜和黏度的測(cè)定,研究了配合物與鯡魚(yú)精DNA(hs-DNA)的作用機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn):配合物的最大吸收峰明顯紅移,產(chǎn)生減色效應(yīng);隨著配合物加入量的增加,DNA溶液的相對(duì)比黏度增大。這些信息都表明，配合物與DNA之間的作用機(jī)制屬于嵌插作用。通過(guò)計(jì)算兩種配合物分別與DNA的結(jié)合比、結(jié)合常數(shù)以及熱力學(xué)參數(shù),表明這兩種配合物與DNA之間的反應(yīng)是由熵驅(qū)動(dòng)而自發(fā)進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：山梨酸;1,10-鄰菲啰啉;稀土;鯡魚(yú)精DNA;相互作用

收稿日期：2014-05-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51063006)；天水師范學(xué)院“青藍(lán)”人才工程和中青年教師科研基金資助項(xiàng)目(TSA1305/TSA1307)

作者簡(jiǎn)介：李小芳,女,甘肅甘谷人，從事天然高分子及稀土有機(jī)配合物功能活性研究。

通訊作者：馮小強(qiáng),男,甘肅華亭人,從事多元有機(jī)稀土配位研究。

中圖分類號(hào)：O629.74

Synthesis, characterization of rare earth complexes with sorbic

acid and 1,10-phenanthroline the and interaction with DNA

LI Xiao-fang1, FENG Xiao-qiang1， YANG Sheng2， ZHU Yuan-cheng1

(1.College of Life Science and Chemistry, Tianshui Normal University, Tianshui 741001, China;

2.Dingxi Teachers′College, Dingxi 743000， China)

Abstract:Rare earth complexes of sorbic acid (SA) and 1,10-phenanthroline (phen) were synthesized and characterized by elemental analysis, molar conductance, IR, UV-Vis and TG-DTA methods. The compositions of the complexes were confirmed to be [Eu(Phen) (SA)2]·2H2O and [Sm(Phen) (SA)3]. In addition, the interactions between complex and herring sperm DNA have been investigated by electronic absorption spectroscopy and viscosity measurements. The results showed that the absorption peaks are redshifted and the intensity is weakened, at the same time, the complex can increase the relative viscosity, which indicated that the intercalation mode between the complex and DNA is proved to exist. The combining ratios, binding constants and a series of the corresponding thermodynamic parameters were calculated, showing that the interaction between complexes and DNA was spontaneous and driven mainly by entropy.

Key words: sorbic acid; 1,10-phenanthroline; rare earth; herring sperm DNA; interaction

許多抗病毒、抗癌、防癌、治癌的藥物,都是通過(guò)與癌細(xì)胞DNA發(fā)生作用,破壞其結(jié)構(gòu)而影響基因調(diào)控與表達(dá)功能,從而表現(xiàn)出抗癌活性,即藥物在生物體內(nèi)都是以DNA為標(biāo)靶而發(fā)揮活性的。目前,由于對(duì)抗癌藥物與 DNA 作用機(jī)理的闡述不夠透徹、研究手段不夠全面,需要研究者進(jìn)行更多深入研究。自從研究者發(fā)現(xiàn)1,10-鄰菲啰啉-銅配合物在還原劑存在的條件下能有效切割DNA,對(duì)1,10-鄰菲啰啉配合物的研究便層出不窮。基于山梨酸能有效地抑制細(xì)菌的活性,還能防止有害微生物的生長(zhǎng)和繁殖,常用來(lái)做霉菌和酵目菌的抑制劑、食品防霉劑、殺菌劑等，同時(shí)考慮到稀土及其配合物的殺菌活性、抗炎性、抗癌[1-3],筆者首次以山梨酸、1,10-鄰菲啰啉為配體,合成了以N性離子銪和釤為中心的稀土配合物,通過(guò)紫外吸收光譜和黏度的測(cè)定,研究了配合物與鯡魚(yú)精DNA之間的作用。該項(xiàng)研究為低毒特效抗癌藥物的設(shè)計(jì)、體外篩選、尋找新的抗癌藥物提供理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1藥品和儀器

鯡魚(yú)精DNA(Sigma公司產(chǎn)品),SmCl3，EuCl3(甘肅稀土新材料有限公司)。DDS-307型電導(dǎo)率儀(上海雷磁);Vario EL Ⅲ型元素分析儀(德國(guó)Elementar);UV-2450紫外可見(jiàn)光譜儀(日本島津公司);Spectrum One傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)Perkin Elmere公司);TG-DTA分析儀(美國(guó)Perkin Elmere公司)。

1.2配合物的合成

在5 mmol用乙醇溶解的山梨酸中,加入4 mmol/L的NaOH溶液,調(diào)體系的pH值6.0-6.5后,繼續(xù)加入0.3 g配體1,10-鄰菲啰啉,于60 ℃水浴中加熱攪拌10min,緩慢滴加5 mmol EuCl3或SmCl3的乙醇溶液,繼續(xù)加熱回流6 h。之后過(guò)濾沉淀,洗滌數(shù)次,干燥至恒重。

1.3配合物與鯡魚(yú)精DNA的作用

紫外吸收光譜實(shí)驗(yàn)過(guò)程參看文獻(xiàn)[4];黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程參看文獻(xiàn)[5]。

2結(jié)果與討論

2.1配合物的表征

Eu配合物實(shí)驗(yàn)值(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Eu,28.35;C,40.38; N,5.31。計(jì)算值(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Eu,28.36;C,40.30;N,5.22。Sm配合物實(shí)驗(yàn)值(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Sm,30.40;C,43.38; N,5.64。計(jì)算值(%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Sm,30.12;C,43.37;N,5.62。室溫下,測(cè)得Eu配合物和Sm配合物在二甲亞砜(DMSO)中的摩爾電導(dǎo)率分別為11.4 S·cm2/mol和12.1 S·cm2/mol, 由此推測(cè)合成配合物為非電解質(zhì)[6]。

配體phen在270 nm和324 nm有兩個(gè)吸收峰,而與稀土離子形成配合物后峰位紅移至271 nm和336 nm附近,同時(shí)在379 nm和385 nm處還產(chǎn)生新的兩個(gè)吸收峰,并且發(fā)現(xiàn)吸收峰強(qiáng)度比游離配體更寬更強(qiáng),表明phen和山梨酸這兩種配體與稀土離子配位成鍵形成了新的配合物,數(shù)據(jù)如表1所示,這可能是由于配合物中芳環(huán)數(shù)目增多,分子共平面性增大所致[7]。

由表2可知，山梨酸鈉鹽的(COO-)反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)分別位于1 606 cm-1和1 415 cm-1,Δυ值為191 cm-1。當(dāng)形成配合物后,Δυ值為179 cm-1,表明山梨酸的羧基以雙齒配位方式存在[8]。phen在1 424，1 506和1 364 cm-1處出現(xiàn)的特征吸收峰,形成配合物后均向高波數(shù)移動(dòng),表明phen以雙齒螯合形式與稀土離子配位。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)配合物均在434 cm-1,500～561 cm-1附近出現(xiàn)新峰,可歸屬為RE-O和RE-N的振動(dòng)峰。這些信息表明了山梨酸中羧基以雙齒形式、phen中N,O原子以雙齒螯合形式分別與稀土離子配位。

分析Sm配合物的TG-DTG曲線,發(fā)現(xiàn)在300℃以下沒(méi)有任何熱效應(yīng),表明水分子沒(méi)有參與配位;在300℃附近有一個(gè)熔化的吸熱強(qiáng)峰,對(duì)應(yīng)質(zhì)量失重30.6%,該過(guò)程可歸屬為山梨酸的氧化分解(理論失重30.1%)。此外,還在412℃附近有一個(gè)強(qiáng)熔化吸熱峰,對(duì)應(yīng)質(zhì)量失重35.5%,該過(guò)程可歸屬為鄰菲啰啉完全分解(理論失重39.1%)。同樣,分析Eu配合物的TG-DTG曲線,該配合物的熱分解過(guò)程可大致分2個(gè)階段進(jìn)行:第一個(gè)失重臺(tái)階,在170～200 ℃之間,質(zhì)量損失為6.3 %,對(duì)應(yīng)失去2個(gè)晶格水分子(理論失重6.7 %);第二個(gè)失重臺(tái)階,在200～700 ℃之間,質(zhì)量損失為64.5 %,對(duì)應(yīng)失去兩分子山梨酸和一分子鄰菲啰啉(理論失重64.9 %)。

2.2紫外光譜研究配合物與DNA的作用方式

DNA對(duì)配合物紫外吸收光譜的影響如圖1所示:未加入DNA之前,兩種配合物在270 nm，332 nm和380 nm附近有吸收峰,而當(dāng)加入DNA后,配合物的特征吸收峰強(qiáng)度逐漸降低,并且峰位稍有紅移。減色效應(yīng)和紅移現(xiàn)象是小分子與DNA發(fā)生嵌插作用的證據(jù)[9],圖1譜圖的變化表明了兩種配合物均是以嵌入方式與DNA作用。

表1　紫外光譜數(shù)據(jù)

表2　紅外光譜數(shù)據(jù)

c(DNA)=1.3×10 -3mol/L (20 μL per scan, 1～6∶0～100 μL) 圖1　DNA對(duì)配合物紫外吸收光譜的影響 Fig.1　Effect of DNA on the UV spectra of complex λ/nm

通過(guò)測(cè)定262 nm處的吸光度,根據(jù)摩爾比法,發(fā)現(xiàn)Eu配合物與DNA的結(jié)合比n(DNA)∶n(Eu配合物) =4∶1, Sm配合物與DNA的結(jié)合比n(DNA):n(Sm配合物)=2∶1,如圖2所示。根據(jù)Beer定律,計(jì)算得Eu配合物-DNA的表觀摩爾吸光系數(shù)ε=3.64×104×104L/mol·cm, Sm配合物-DNA的表觀摩爾吸光系數(shù)ε=3.96×104L/mol·cm。此外,根據(jù)雙倒數(shù)公式[10],以1/(A0-A)～1/c(DNA)作圖,如圖3所示,經(jīng)計(jì)算求得在不同溫度下Sm配合物與DNA的結(jié)合常數(shù)K(15℃)=5.01×104L/mol,K(35℃)=9.81×104L/mol,Eu配合物與DNA的結(jié)合常數(shù)K(15℃)=0.661×104L/mol,K(35℃)=5.07×104L/mol。

在溫度變化不大時(shí),可以近似認(rèn)為反應(yīng)的ΔrHm為常數(shù),可計(jì)算得到一系列熱力學(xué)參數(shù):Eu配合物與DNA之間的摩爾反應(yīng)焓變?chǔ)Hm=1.55×104J/mol,ΔrGm(15℃)=-1.55×104J/mol,ΔrSm=108 J/mol·K,Sm配合物與DNA之間的摩爾反應(yīng)焓變?chǔ)Hm=2.52×104J/mol,ΔrGm(15℃)=-2.04×104J/mol,ΔrSm=158 J/mol·K。ΔrGm<0,這說(shuō)明配合物與DNA之間的反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行。同時(shí),ΔrSm>0,表明配合物與DNA之間的作用是熵驅(qū)動(dòng)的。

圖2　配合物-DNA體系的摩爾比圖 Fig.2　Molar ratio plots of complex-DNA system

圖3　配合物-DNA體系的雙倒數(shù)曲線 Fig.3　Double reciprocal plots of complex-DNA system

2.3黏度法

DNA相對(duì)比黏度隨配合物加入量的變化如圖4所示。隨著配合物加入量的增加,DNA溶液的相對(duì)比黏度增大,由此推測(cè)配合物均以插入方式與DNA作用[11],這與上述紫外吸收光譜分析的結(jié)果相一致。

圖4　不同濃度配合物對(duì)DNA黏度的影響 Fig.4　Influence on DNA viscosity with different concentrations of complex

3結(jié)論

配合物[Eu(Phen) (SA)3].2H2O和[Sm(Phen) (SA)3]與DNA作用的吸收光譜表現(xiàn)出減色效應(yīng)和紅移現(xiàn)象。黏度實(shí)驗(yàn)表明,加入配合物均能使DNA的黏度增加。這些研究結(jié)果證實(shí):兩種配合物都是以嵌插方式與DNA相互作用。關(guān)于這兩種稀土配合物的抗癌抗腫瘤活性有待進(jìn)一步研究。

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(編輯任智卉)

·學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)·

范代娣教授榮獲第六屆“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”成就獎(jiǎng)

2014年9月23日，第六屆“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”在北京舉行頒獎(jiǎng)典禮，西北大學(xué)化工學(xué)院范代娣教授榮獲“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”成就獎(jiǎng)，成為我省高校中首次獲得該殊榮的專家。

侯德榜獎(jiǎng)化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)是目前我國(guó)化工學(xué)術(shù)界最高科技獎(jiǎng)勵(lì)，設(shè)成就獎(jiǎng)、創(chuàng)新獎(jiǎng)和青年獎(jiǎng)3種，3種獎(jiǎng)項(xiàng)每次累計(jì)不超過(guò)30名。本屆全國(guó)共評(píng)出成就獎(jiǎng)3名,創(chuàng)新獎(jiǎng)11名,青年獎(jiǎng)9名。

范代娣教授的研究領(lǐng)域包括生物化工、化學(xué)工程、 生物材料、生物醫(yī)學(xué)工程等，擔(dān)任西北大學(xué)化工學(xué)院副院長(zhǎng)、二級(jí)教授、中國(guó)工業(yè)生化與分子生物學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)等10余項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，榮獲中國(guó)青年女科學(xué)家提名獎(jiǎng)、被授予全國(guó)“三八”紅旗手、新世紀(jì)百千萬(wàn)工程國(guó)家級(jí)人選、享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼專家等稱號(hào)。主持組建了國(guó)家級(jí)“生物材料國(guó)家地方聯(lián)合工程中心”“陜西省可降解生物醫(yī)用材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“陜西省發(fā)酵工程和生物材料工程技術(shù)研究中心”等研發(fā)平臺(tái)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文230余篇；申請(qǐng)發(fā)明專利37項(xiàng)，其中14件獲得授權(quán)。已經(jīng)完成的“基因工程技術(shù)生產(chǎn)類人膠原蛋白中試”項(xiàng)目被認(rèn)為處于國(guó)際領(lǐng)先水平，創(chuàng)造了國(guó)際生物工程領(lǐng)域的奇跡。

著名的科學(xué)家侯德榜博士是中國(guó)化學(xué)工業(yè)奠基人之一，為世界制堿工業(yè)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”由中國(guó)化工學(xué)會(huì)于1996年在“侯德榜科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金”中設(shè)立，是我國(guó)化工科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威獎(jiǎng)項(xiàng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)已通過(guò)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)工作辦公室審核，被列入首批準(zhǔn)予登記的26個(gè)社會(huì)力量設(shè)獎(jiǎng)名單。

(薛鮑)