有机药物分子与DNA相互作用的研究进展

第21卷第7期2009年7月化学研究与应用Chem ica lR esea rch and A pp licati on V o.l 21,N o .7July ,2009收稿日期:2008 12 23;修回日期:2009 04 10基金项目:四川省教育厅自然科学基金项目(06ZD1105)资助联系人简介:何平(1971 ),男,博士,教授,主要从事电化学研究。

Em ai:l hep i ng @s w us t 文章编号:1004 1656(2009)07 0937 08有机药物分子与DNA 相互作用的研究进展于婷婷,何 平*,梁 艳,陈雅桃,易晓芳(西南科技大学 材料科学与工程学院,四川 绵阳 621010)摘要:综述了有机药物分子与DNA 相互作用的模式、影响因素、并着重介绍了其相互作用的电化学等研究方法,概括了其近几年的研究进展,并在此基础上提出了在药物分子与DNA 相互作用的研究工作中应解决的问题。

关键词:有机药物分子;DNA;相互作用;电化学中图分类号:O 657.1;O657.3 文献标识码:A药物分子的药理作用涉及的是药物小分子对生物大分子特定部位的识别和专一性切割作用,从而对整个大分子构象产生一定的影响[1,2]。

因而,合理、高效的药物分子设计的基础就是建立在分子识别尤其对生物大分子识别的分析理论上。

众所周知,生命信息传递的物质基础是脱氧核糖核酸DNA [3],除了少数RNA 病毒,DNA 几乎是所有生命遗传信息的携带者,具有储存和传递信息的功能。

因此,DNA 分子的破坏势必造成生命过程的障碍。

自从1953年W atson 提出DNA 的双螺旋结构模型[4],从分子水平上阐述了生命遗传物质通过DNA 的半保留体制机理,有关生物基本遗传物质DNA 的研究也就成为分子生物学、生物化学及电化学的重要课题,其覆盖面之广、进展之迅速,远超出其它领域的研究[5 8]。

其中,DNA 与其它小分子尤其是药物分子的相互作用一直是一个比较活跃的研究领域。

而这些领域的发展使人们能够从基因水平上理解某些疾病的发病机理,并通过分子设计来寻找有效的治疗药物[9]。

电化学法和光谱法等多种研究技术的有机结合对于深刻理解DNA 与药物分子相互作用的机理具有重要意义。

1 药物分子与DNA 相互作用的模式药物分子与核酸结合的部位是核酸的碱基、磷酸骨架和戊糖环。

核酸平行堆积的碱基、聚合的阴离子磷酸骨架以及两条有核苷酸形成的大沟、小沟组成了药物分子识别的位点。

药物分子与核酸相互作用结合方式有非共价结合、共价结合和剪切作用[1,10]。

1.1 非共价结合模式非共价结合分为静电结合、沟槽结合和嵌插结合三种模式(图1)[11]。

(1)静电结合:一般认为表面结合的药物分子作用于DNA 双螺旋结构的外壁,无选择性;(2)沟槽结合:是指药物分子与DNA 大沟或小沟的碱基对边缘直接作用;(3)嵌插结合:是指具有一定平面性的药物分子嵌入到DNA 分子的双螺旋结构中,与DNA 的碱基对发生作用。

图1 药物分子与DNA 的结合方式F i g .1 T he b i nd i ng m ode o f the phar m aceuticalm o lecules and DNA这三种基本作用方式中,静电结合无选择性,沟槽结合和嵌插结合有选择性。

药物分子与DNA 相互作用时,可以同时存在一种或几种基本作用方式。

另外还有氢键、离子键、范德华力、疏水键化学研究与应用第21卷这些弱作用键。

各作用力间相互依赖,静电吸引会诱导和强化嵌插和氢键作用,静电结合没有选择性,作用于磷酸骨架。

1.2 共价结合模式与DNA 共价结合的有亲核试剂和亲电试剂。

其中亲电试剂则表现为DNA 的链内交联、链间交联等。

共价结合的序列识别能力比非共价结合要强得多。

分子与特定碱基作用并形成加合物,使DNA 的双链解旋且产生弯曲[11,12]。

1.3 剪切作用剪切作用是指具有特殊识别功能的药物分子不但特异性选择结合位点,而且最终使DNA 断裂。

而DNA 断裂在DNA 修复、转录及突变中是很重要的生物学过程。

具有剪切作用的分子断裂DNA 的位点是由其与DNA 结合的选择性决定的。

目前常见的DNA 断裂剂有抗生素类如博莱霉素[13]、水溶性金属卟啉类化合物[14]等。

2 药物分子与DNA 相互作用的作用力本质及影响因素药物分子与DNA 相互作用的上述几种模式都是通过一定的作用力来体现的,其中包括库仑力、共价键合和 相互作用、疏水作用、氢键和范德华力[14,15]。

库仑力主要存在于静电结合模式以及沟槽结合模式中,共价键合主要存在于沟槽结合的相互作用模式中, 相互作用主要存在于嵌插结合模式中,疏水作用主要存在于嵌插结合模式中,氢键等分子间作用力主要存在于沟槽结合模式中,范德华力主要存在于沟槽结合模式中。

影响药物分子与DNA 相互作用的因素很多,如分子的结构,分子的形状、大小、柔性等。

即使缓冲溶液相同,当浓度不同、pH 不同时,药物分子与DNA 结合的方式也有可能不同[16 19]。

3 常用的研究方法及其研究进展由于药物分子与DNA 作用模式的多样性,以及药物分子种类的广泛性和DNA 结构的复杂性,需要人们借助一些先进的分析测试手段,与原有的常规生化分析技术相结合,从而建立一系列快速、灵敏、有效的方法体系。

药物分子与DNA 相互作用的研究方法通常有电化学分析方法、光谱法和生物学方法等[20 27]。

3.1 电化学方法近年来,在药物分子与DNA 相互作用的研究中,电化学研究起着巨大的作用,这是由于生物体系是一个充满电解质溶液的体系,具有药理活性的多种药物在生物体内进行的一系列复杂过程多与其所具有的氧化还原特性及电子转移行为相关[28 33]。

因此,将电化学手段应用在药物分子与DNA 相互作用机理的研究上具有重要的意义。

电化学分析方法研究溶液中药物分子与DNA 相互作用是基于DNA 分子存在与否时体系伏安特性的差异[34 40],包括由于嵌插反应引起的体系式电位的移动和当药物分子与DNA 分子结合后扩散系数大幅度的下降而导致扩散电流的减小等,并由此通过非线性拟合可得到一些相互作用的热力学和动力学参数,如结合位点、结合常数、结合自由能、相互作用模式、相互作用性质的转变过程及结合 离解速率常数等信息[41 46]。

本课题组采用循环伏安法、差分脉冲伏安法并结合紫外吸收光谱法研究了药物阿魏酸乙酯及咖啡酸乙酯与DNA 的相互作用[47,48]。

图2所示为体系中加入小牛胸腺DNA 前后阿魏酸乙酯的循环伏安图和差分脉冲伏安图,通过考察体系中引入DNA 前后(a f)峰电位和峰电流的变化确定了阿魏酸乙酯与小牛胸腺DNA 相互作用的模式为静电模式。

用相同的方法确定了咖啡酸乙酯与鲱鱼精DNA 相互作用模式也为静电模式,且紫外光谱研究结果与电化学研究结果相吻合。

图2 阿魏酸乙酯与DNA 相互作用的循环伏安图及差分脉冲伏安图F i g .2 Cyc li c vo lta mm ogra m and differential pu l se voltamm ogra m (i nsert)o f the i nteracti onbe t w een e t hy l feru late and DNA.B ard 等[49]通过对一些电活性分子与DNA 之间相互作用模式对电活性分子的伏安行为的影938第7期于婷婷等:有机药物分子与DNA相互作用的研究进展响,从N ernst方程出发,阐明当电活性分子的式电位正移时,电活性分子与DNA的作用模式为嵌插结合,当式电位负移时,两者的作用为静电作用。

K ang等[50]采用伏安法并结合紫外可见吸收光谱法研究了桑黄素与小牛胸腺DNA(CT DNA)的相互作用。

随着体系中CT DNA的加入,桑黄素的氧化峰电流变小,式电位正移,表明桑黄素与CT DNA之间的作用方式为嵌插作用,即药物分子的平面构型部分嵌入到DNA分子的双螺旋结构中,与DNA碱基对发生作用。

除此之外,研究药物分子与DNA相互作用的另外一种经典方法是DNA 修饰电极,即用DNA修饰裸电极,然后将其放入含有药物分子的溶液中进行电化学扫描,从而研究药物分子与DNA的相互作用,能得到良好的结果。

T i a n等[51]采用循环伏安法、差分脉冲法和紫外可见光谱方法研究了黄连素在DNA修饰玻碳电极上的电化学及光谱学行为。

电化学研究表明黄连素与DNA之间的作用方式为静电作用,紫外光谱研究结果与电化学研究结果相吻合。

在研究药物分子与DNA的相互作用中,虽然电化学方法在一定程度上受分子电活性的限制[52],但对于一些吸收光谱比较弱或与DNA作用前后光谱无明显变化,而无法用紫外可见、荧光光谱等光谱手段来研究的分子,却有可能用电化学分析方法来进行研究[53,54]。

因此,电化学研究可以得到药物分子与DNA相互作用的宏观信息。

3.2 光谱法已有许多谱学技术被应用于药物分子与DNA 相互作用的研究。

药物分子与DNA相互作用后,其结构和化学性质会发生变化,根据这些结构和性质的改变可以判断它们之间的作用方式,进而阐述其作用机理。

常用的光谱学研究方法有紫外可见吸收光谱法、荧光光谱法、表面增强拉曼散射光谱等[55 78]。

3.2.1 紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法是研究药物分子与DNA 相互作用的最方便,最经典的方法。

含有碱基生色团的双螺旋结构DNA分子,其紫外可见吸收光谱在260nm附近有一强的吸收峰,且某些药物分子亦有吸收谱带。

可根据相互作用前后药物分子或DNA的吸收谱带的变化对二者相互作用模式进行判断。

根据Long等[55]提出的判据,当药物分子与DNA发生嵌插作用时,药物分子的 轨道和DNA碱基 轨道相互耦合,最大吸收峰发生红移或蓝移[56 58],且存在减色或增色效应[59 62];当药物分子与DNA发生静电作用时,峰位置不变,只有强度改变[63,64]。

席小莉等[65]应用循环伏安法和紫外可见吸收光谱法研究了表柔比星及表柔比星 Cu2+体系与DNA的相互作用。

结果发现,在p H7.4时表柔比星与Cu2+形成稳定体系。

加入DNA后表柔比星 Cu2+体系的紫外吸收光谱明显降低并伴有一定程度的蓝移,表明表柔比星及表柔比星 Cu2+体系与DNA之间均为嵌插作用。

Lin 等[66]采用伏安法并结合紫外可见吸收光谱法研究了芦荟大黄素与鲱鱼精DNA(H S DNA)的相互作用,当体系中存在H S DNA时,紫外可见吸收光谱图中最大吸收峰发生红移并伴有一定程度的减色效应,表明芦荟大黄素与H S DNA之间为嵌插作用,这与电化学方法得出的结果相吻合。

3.2.2 荧光光谱法荧光光谱法灵敏度高、选择性好、操作方便,在研究药物分子与DNA相互作用的过程中有非常广泛的应用。