一種鎳金屬配合物的合成、結構及DNA性質研究

賈 冰, 彭婷婷, 高恩軍

(沈陽化工大學 應用化學學院 遼寧省無機分子基化學重點實驗室, 遼寧 沈陽 110142)

癌癥的死亡率僅次于心腦血管疾病,嚴重威脅著人類的生命健康.中國因患癌癥而死亡的人數在世界上排名第一.據統計,2015年全球約820萬人死于癌癥,其中中國約占280萬,在中國每天約有7 500人死于癌癥.目前,外科手術、放射性療法和化學療法是現代醫學中用來治療癌癥的3種主要手段,前兩者主要用于治療良性非轉移的腫瘤,后者主要針對晚期惡性、頑固性的腫瘤.因此,新型抗腫瘤藥物的研發對癌癥的治療具有重大意義[1].

目前,晶體工程金屬超分子結構的設計與制造在超分子化學和材料科學領域中具有重要意義.人們對這一領域產生越來越多的興趣,這不僅僅在于其具有有趣的結構圖案,也因為其在現代醫學方面的應用令人矚目.而且在制備各種化合物時,具有現代醫學功能的化合物由于潛在的應用價值引起了極大的關注.因此,選擇合適的配體來構建具有特殊功能的化合物至關重要，如多元配體中的羧酸配體和含氮配體就被廣泛用于金屬超分子化合物的設計與合成.因為羧酸鹽配體是產生不同框架形成多功能配位構型的完美候選物.其中羧基具有潛在的配位點,可以采用不同的配位模式,而—C==O可以作為O—供體.此外,含有N—供體的配體由于與金屬中心的結合能力很高,常常用于構建配位聚合物.含氮羧酸配體能夠兼顧兩者的優勢,既具有豐富的配位模式又可以調節功能特性,在金屬超分子化合物的設計合成方面已引起了廣泛的關注[2].

另一方面,金屬鎳在地殼中含量豐富,較為常見,并且鎳是人體中所需的一種微量元素.鎳配合物因其在序列特異性結合、結構探針和治療劑等多方面的應用,使得鎳金屬配合物在核算化學中也起著重要的作用.

本文選用2,2-聯吡啶-5,5-二羧酸配體與硝酸鎳合成晶體,并進行表征反應.通過熒光光譜研究發現配合物可以從DNA中替代EtBr,證實該配合物具有DNA結合親和力.通過凝膠電泳法發現配合物可以切割超螺旋質粒DNA pBR322,表明配合物具有有效的DNA切割能力.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗所需試劑2,2-聯吡啶-5,5-二羧酸、硝酸鎳等均為化學純,未經進一步處理直接使用.去離子水與DMF在實驗中作為溶劑.

1.2 實驗儀器

Bruker Smart 1000 CCD面探X-射線衍射儀,Perkin-Elmer LS55 熒光光譜儀,JS-Poewr 600 電泳儀,D-MS-1磁力攪拌器.

1.3 配合物單晶的合成與制備

在蒸餾水與DMF體積比為1∶1的溶液中將2,2-聯吡啶-5,5-二羧酸(0.015 g)與硝酸鎳(0.045 g)混合,并將所得溶液在室溫下攪拌30 min.然后將溶液密封在15 mL的Teflon內襯反應器中,在85 ℃的條件下加熱72 h,緩慢冷卻至室溫.所得混合物用蒸餾水洗滌并在空氣中干燥,得到可用于X射線衍射的塊狀晶體.C12H22N2NiO12元素分析[理論值(實測值),w/%]:C,32.37(32.36);H,4.96(4.94);N,6.30(6.29);O,43.16(43.15).根據金屬鎳所求得的產率為56.79 %.

1.4 熒光光譜的測定

熒光猝滅測量可用于監測配合物與DNA的結合能力.其中溴化乙錠(EtBr)是共軛平面分子,其熒光強度非常弱,但是能顯示出由于其在DNA堿基對之間的強嵌入,發射熒光的DNA在全部DNA的比例大大增加.在之前的研究中[3],由于配合物已經從DNA-EtBr復合物中取代了EtBr,其熒光可被沉積的配合物猝滅,導致熒光發射強度降低.即配合物的濃度越高,DNA-EtBr配合物的熒光強度越低.證明了溴化乙錠(EtBr)用作光譜探針,使熒光淬滅測量也可用于監測配合物與DNA的結合能力,即配合物與DNA的結合親和力[ 3-4].

1.5 凝膠電泳的測定

使用超螺旋質粒DNA pBR322作為靶,使用瓊脂糖凝膠電泳檢測配合物的切割效率.當切割環形質粒DNA時,超螺旋形式(形式Ⅰ)將觀察到有最快的遷移;如果一條鏈被切割,超螺旋將變得松弛是以產生較慢移動的切口圓形(形式Ⅱ);而如果兩條鏈都被切割,則會產生在其間遷移的線性形式(形式Ⅲ).配合物的切割效率已經通過瓊脂糖凝膠電泳將超螺旋pBR322 DNA從Ⅰ型轉化為Ⅱ型和Ⅲ型的能力進行了評估[5].

在凝膠電泳實驗中,使用Tris緩沖液(50.0 mmol/L Tris-乙酸酯,18.0 mmol/L NaCl緩沖液,pH為6.8～7.3)和1.5 g瓊脂糖制備凝膠,然后用1.0 g/L EtBr染色.將化合物與質粒DNA pBR322(0.5 g/L)混合均勻并震蕩,并在室溫下孵育2 h,然后將其加入到冷卻的質量分數0.8 %的瓊脂糖凝膠中.將上述瓊脂糖凝膠放入裝有Tris-乙酸鹽緩沖液,電壓為80 mV的電泳槽中電泳100 min.電泳結束后在UV光下進行拍照[6-7].

2 結果與討論

2.1 配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]的結構

配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]單晶數據如表1所示,并通過XP軟件對單晶結構進行可視化,如圖1所示.

表1 晶體數據和結構Table 1 Crystal data of the complex

從圖1可以看出:中心鎳是6配位的,其中中心金屬鎳與2,2-聯吡啶-5,5-二羧酸配體上的2個氮相連,并且與4個水分子上的氧相連.而2,2-聯吡啶-5,5-二羧酸是一個剛性配體,2個六元環彼此平行,2個氮原子牢牢地抓住鎳原子,使之無法扭曲變形,使配體和金屬結合時形成一個完全對稱的結構.鍵長λ/nm:Ni—O(3)為0.206 0,Ni—O(4)為0.203 8,Ni—N(1)為0.207 7.鍵角θ/(°):O(3)—Ni—O(4)為93.233,N—Ni—O(3)為99.170,N—Ni—O(4)為90.477.

圖1 晶體配位圖Fig.1 Crystal coordination diagram

2.2 熒光光譜法

設置激發波長為526 nm,得到DNA-EtBr復合體系與配合物作用的發射光譜圖(最大發射峰為618 nm),如圖2所示.

1c(配合物)=0 mol/L 2c(配合物)=1 mol/L 3c(配合物)=2 mol/L 4c(配合物)=3 mol/L 5c(配合物)=4 mol/L 6c(配合物)=5 mol/L 7c(配合物)=6 mol/L 8c(配合物)=7 mol/L

圖2 不同濃度的配合物與DNA-EtBr作用的熒光光譜
Fig.2 Fluorescence spectra of different concentrations of complexes bingding to DNA-EtBr

在用5×10-5mol/L EtBr預處理的5×10-5mol/L的DNA上加入配合物后,觀察到熒光強度明顯降低,且加入的配合物濃度越高,猝滅現象越明顯.還原程度與從DNA中除去溴化乙錠的配合物的量度以及相鄰的DNA堿基對和配合物之間的作用程度有關[8-9].

根據經典的Stern-Volmer方程:I0/I= 1+Ksq·r,其中:I0和I分別表示不存在及存在配合物時的熒光強度;r是配合物與DNA的濃度比,Ksq是依賴于EtBr的結合濃度與DNA濃度比例的線性Sterne-Volmer猝滅常數.從圖3可以看出,猝滅曲線表明配合物能夠與DNA結合,其中Ksq值為0.124.數據表明該配合物與EtBr競爭,并猝滅EtBr-DNA體系的熒光強度[10-11].

圖3 配合物的Stern-Volmer猝滅曲線斜率值Fig.3 The Stern-Volmer quenching curve slope of the complex

2.3 凝膠電泳法

通過凝膠電泳法研究3種不同濃度的配合物切割超螺旋pBR322質粒DNA的能力，結果如圖4所示.

圖4 配合物切割pBR 322 DNA的瓊脂糖凝膠電泳圖Fig.4 Agarose gel electrophoresis of complex cleave pBR 322 DNA

從圖4可以看出,DNA可被水溶性鎳配合物切割,并將超螺旋DNA(I型)逐漸降解為開環DNA(Ⅱ型)和少量線性DNA(Ⅲ型).其中0道為空白對照,未添加配合物.1、2、3道添加配合物的濃度分別為5 μmol/L、2.5 μmol/L、1.25 μmol/L.隨著鎳配合物濃度的降低,切割活性依次減弱,并在相對高濃度時(泳道1和2)出現Ⅲ型DNA,說明配合物對pBR322質粒DNA具有切割作用.對于不存在金屬絡合物的對照(泳道0),觀察到少量DNA裂解[12].可以看出,配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]在類似金屬配合物中對質粒DNA的切割作用較好[13].

3 結 論

實驗制備了一種新穎的具有大平面結構構型的鎳金屬化合物[Ni(dpdc)4(H2O)],通過X-射線單晶衍射與元素分析表征了配合物的結構.熒光光譜研究發現配合物添加到EtBr-DNA體系中后,能夠與EtBr競爭結合DNA的位點,導致熒光猝滅效果.瓊脂糖凝膠電泳研究了配合物切割DNA超螺旋質粒pBR 322的能力,表明配合物具有有效的DNA切割能力.