浙江大学生物无机化学课件Chapter 4

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Sargeson等人发展一个机理模型体系
磷酸酯被双核模型配合物水解，其中一个金 属离子起Lewis酸作用，另一个起运送已配 位的氢氧基的作用。
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金属离子及其配合物催化的水解反应
Ru(DIP)2Macro是一种钌配合物，其中部有一个DNA结 合域[Ru(DIP)3]2+，连接着两个用来螯合加入的Zn2+离 子胺臂，可到达糖环骨架并促进DNA链水解切割。
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Barton等进行了用Ru(DIP)2Macro加Zn2+,Cd2+或 Pd2+对双链DNA切割作用的实验探索，但效果不佳。 在该系统中，分子的中间部分由Ru(II)连接在 一起，负责与DNA的结合作用，接在已经配位 饱和的钌配合物上的是2个二亚乙基三胺功能团 （接在Macro配体上），它们与具有水解活性 的金属离子如Zn(II)与Co(II) 发生配位。 体系一旦由DNA结合域运送至糖-磷酸骨架，即 促进水解作用的发生。
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金属离子及其配合物催化的水解反应
铅离子对DNA的定位水解，在建议的机理中，糖环-磷酸 骨架的切割在酵母tRNAphe中发生于D17与G18残基之间。
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可与核酸发生结合作用的金属配合物的应用
利用过渡金属配合物的光谱特征及其化学反应 性能，再结合生物学技术，可进行核酸结构与 功能的研究。 1. 光谱探针 由于金属配合物（如三—（菲咯啉）为配体） 插入DNA的双螺旋中时发光性质发生很大变化， 所以为核酸的结构研究提供了一种新的光谱探 针方法。
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1、配位作用
硬度较高些的过渡金属离子还具有与磷酸根配位结合的能 力。 这些配合物呈现离子性而非共价性的特征。 考察各种不同金属离子存在下双螺旋DNA的熔化温度(Tm)， 发现Tm与金属离子的浓度有关。 Eichhorm等总结出金属离子与碱基或磷酸根相结合的优先 选择规律，发现对磷酸根比对碱基优先选择的顺序如下： Mg(II)>Co(II)>Ni(II)>Mn(II)>Zn(II)>Cd(II)>Cu(II) 这个顺序排列由DNA双螺旋熔化温度实验得出，一般来 说，碱基结合作用会使双螺旋形式去稳定，而与磷酸根的 配位作用或中和作用会增加螺旋的稳定性，从而使Tm升高。
Fe(III) + e-
Fe(III) + · + OHOH
Fe(II)
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Fenton反应产生的氢氧自由基 能引起DNA链的断裂
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Fenton反应的机理
在H2O2存在下，亚铁离子的作用能生成氢氧自由基· 。 OH 亚铁离子本身与核酸并无明显作用，而且当它与EDTA 螯合成一个阴离子配合物时，会受到核酸聚阴离子的排 斥作用。 但所产生的氢氧自由基却能攻击糖环上的不同位点，引 起糖-磷酸骨架的断裂。 其中表征比较详细的一个反应是，氢氧自由基进攻C4’位 臵，螺旋的小沟位臵最易被扩散的自由基所接近，如上 图所示。 氢氧自由基与其他糖环位臵上的作用也已由同位素标记 等方法鉴定。与RNA的类似反应也有报道。
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双螺旋DNA的熔化温度(Tm)
当A260值开始上升前DNA是双螺旋结构，在上升区域分子 中的部分碱基对开始断裂，其数值随温度的升高而增加。 在上部平坦的初始部分尚有少量碱基对使两条链还结合 在一起，这种状态一直维持到临界温度，此时DNA分子 最后一个碱基对断开，两条互补链彻底分离。 通常把加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时 的温度称为该DNA的熔解温度（melting temperature Tm）。 Tm是研究核酸变性很有用的参数。 Tm一般在85～95℃之间，Tm值与DNA分子中G 和C含量 成正比。 9
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水解作用的机理
金属离子能够有效地促进磷酸二酯键的水解，因 为它们可以作为Lewis酸极化磷-氧键以促进其断 裂，还可以运送亲核试剂，使形成五配位的磷酸 基中间物。 Sargeson等人发展一个机理模型体系（如下图）， 并已作了晶体学表征。 在此体系中，磷酸二酯模型化合物的水解作用由 于与Co(II)配合物相结合明显快，这得益于配合物 兼有酸性及亲核特征。
第4章 金属离子与生物大分子的结合与作用
Chapter 4 The Binding and Acting in Between Metal Species and Bio-macromolecule
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金属-核酸相互作用
现代生物学的研究表明：核酸在结构、功能、甚至生物催化 上都具有重要作用。 环境中出现的重金属毒性部分源于重金属离子与核酸间的共 价结构作用； 重金属会干涉金属蛋白的正常调节功能，从而干涉基因的正 常表达； 通过了解天然金属调节蛋白在基因表达中的功能，设计出新 的能与重金属特异性结合的配体，它们能像蛋白质那样捕获 这些有害的重金属离子，从而阻止它们发挥作用。 重金属－核酸相互作用的研究也是成功开发顺铂类抗癌药物 的基础。
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1、配位作用
金属与DNA间最常见的共价配合物是由软金属离子与碱基 上亲核位点的配位作用而形成的。 例如：在cis-(NH3)2Pt-dGpG结构中，铂中心与鸟嘌呤碱基的 N7位发生配位。 从与整个聚核苷酸相互作用的层次上看，似乎仍有两个配 位点可供利用的顺二氨铂中心会在一股上相邻的鸟苷酸之间 形成内交联(intranstrand crosslinking)。 其他会与软金属配位的碱基亲核位点还有： . 胸腺嘧啶和尿嘧啶的N3位。
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核酸的两个光谱探针的结构示意图
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核酸光谱探针的发光原理
在金属配合物中，金属向配体的电荷转移优先向具有电子接 受能力的配体dppz进行。 该配合物在非水溶液中发光，而在水溶液pH7条件下却观察 不到发光，可能是由水到吩嗪氮间的氢键作用使荷移激发态 猝灭。 dppz是一个跨度较大的芳香环配体，这使得[Ru(bpy)2dppz]2+ 能有效地插入DNA中。一旦被插入，吩嗪配体即受到保护， 不接触水，因此配合物在插入DNA后发光，而在水溶液中无 DNA时不发光。 此例中的DNA发光增强因子大于104，可以认为，对于DNA来 说，这类钌配合物是真正的“分子光开关”（molecular light swithches)。
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2.金属足迹图谱试剂
测定DNA一级结构的足迹图片法 实验方法： 1. 设想研究某种金属配合物对长度为100bpDNA片 段的切割反应来确定其碱基的序列，须先用酶学 方法对一股的一端进行32P标记。 2. 假如该金属配合物会在几个不同位点切割DNA， 那么会碰到这样的结果，即可能的几个切割不是 同时发生在一个分子上，而是相当于每一条链上 出现一个切口的片段。
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金属及其配合物与核酸的基本反应
过渡金属配合物与核酸间的反应可分为两类：
1. 涉及金属配合物的氧化还原反应，会引起核 酸的氧化作用；
2. 涉及金属中心与糖-磷酸骨架的配位反应， 会引起聚合物的水解作用。
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1、氧化还原反应
Fenton反应 该反应通过自由基作用于糖环，引起DNA 链的断裂。 用Fe(EDTA)2-进行的该反应示意如下： Fe(II) + H2O2
某些平面状的芳香杂环配体如菲咯啉及三联吡啶 可以在DNA碱基对间堆积，通过偶极－偶极相互 作用得到稳定。 已配位的配体会发生在DNA沟内非插入性的疏水 作用。 配体与核酸之间的氢键作用，特别是通过与磷酸 根上的氧原子间形成氢键（上图c所示）。 共价性的和非共价性的相互作用混合存在也是可 能的（上图a中氨配体可与磷酸骨架形成氢键）。
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2、插入作用与氢键作用
金属配合物与聚核苷酸的相互作用并不 只局限在金属中心与聚合物直接配位， 还存在着大量选择性很高、较弱的非共 价作用。 一般出现在已经配位饱和的金属配合物 与核酸之间，已参与配位的配体的插入 作用和氢键作用是非共价缔合的典型例 子。
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插入作用与氢键作用的表现形态
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氧化还原反应的另一种形式
由金属配合物引起DNA发生氧化性切割的 另一种形式是，通过形成一个配位的配体自 由基与螺旋结合，直接从糖环上抽去一个氢 原子，而发生氧化断裂。
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2、水解作用
金属离子参与核酸水解作用是天然酶促反应的 重要特征，因为人们希望开发出人工限制性内 切割酶(artificial restriction endonucleases) 核酸上的磷酸二酯键的水解作用比氧还性断裂 更为可取，因为在水解反应中全部信息得以保 存；而在糖环的氧还性断裂中，产生糖环碎片 并释放出碱基。 但与水解反应不同，氧还性切割的碎片很难再 被无损失地连接起来。
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光谱探针
在DNA荧光光谱实验中，金属配合物作为一种简单的发光 染色剂；同时三—（菲咯啉）钌衍生物具有构象选择性。 如：[Ru(DIP)3]3+(DIP=4，7-二苯基-1，10- 菲咯啉）表现 出对B-DNA的对映体具有选择性。 由于苯环的空间效应，右手螺旋中只与△-异构体有可测的 结合作用，而Λ-异构体则否； 但对于左手螺旋的Z-DNA，两种异构体都能与之结合。 Z-DNA上较浅的左手大沟对两种对映体产生容纳，但对Λ异构体表现出更大的选择性。 因此，对于某种给定的DNA，考察[Ru(DIP)3]3+各种对映异 构体对它的结合作用，由光谱测定可确定所给DNA的手性 性质。事实上， [Ru(DIP)3]3+是首例Z-DNA光谱探针。
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金属配合物与DNA发生共价或非共价结 合的作用模式
(a) 为共价结合的代表，示出 与DNA碱基配位的例子。 cis-(二氨)合铂与鸟嘌呤N7 位氮原子的共价结合； 通过戊糖环上羟基形成锇 酸酯键； Mg(H2O)62+与磷酸根形成 的静电缔合作用。
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金属配合物与DNA发生共价或非共价结 合的作用模式
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Eichhorn在30多年前就发现，某些简单的金属离 子如Zn2+，Pb2+能促进RNA的水解作用。