譚年元,陳立新,顏煒偉,黃賽金

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,湘潭 411104)

鈷(Ⅲ)多吡啶類混配配合物的合成、表征及其與DNA鍵合性質(zhì)的研究

譚年元,陳立新,顏煒偉,黃賽金

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,湘潭 411104)

合成了一種新型鈷(III)多吡啶類混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-鄰菲咯啉;dpapz=聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪).通過元素分析、紅外光譜、紫外光譜和循環(huán)伏安法對配合物進(jìn)行了表征.應(yīng)用電子吸收光譜、熒光光譜和粘度法研究了配合物與DNA的相互作用.結(jié)果表明,該配合物以插入方式與DNA結(jié)合,其鍵合常數(shù)為2.2×105L·mol-1.

鈷(Ⅲ)混配配合物;dpapz;DNA鍵合

近十幾年來,小分子過渡金屬多吡啶配合物與DNA相互作用的研究一直是無機(jī)生物化學(xué)領(lǐng)域十分活躍的研究課題[1-6].過渡金屬多吡啶配合物廣泛地被研究用作 DNA結(jié)構(gòu)探針、DNA分子光開關(guān)、DNA光裂解試劑以及抗癌藥物等[1-4].含配體dppz(聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]吩嗪)的過渡金屬多吡啶配合物因其獨(dú)特的"光開關(guān)"效應(yīng)及其衍生物潛在的功用一直受到人們的廣泛關(guān)注[5,6].為進(jìn)一步研究該類配合物的DNA鍵合性質(zhì)和DNA分子光開關(guān)機(jī)理,吳寶燕等[7]合成了一種在dppz骨架上引入另一個(gè)氮原子的配體聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪(dpapz)的多吡啶釕配合物,他們發(fā)現(xiàn)該配合物與DNA鍵合作用較強(qiáng),其鍵合常數(shù)為6.9×105L·mol-1,是一種良好的DNA嵌入鍵合試劑.本文合成了一種含該配體的新型鈷(Ⅲ)多吡啶類混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(圖1),并測定了該配合物的電化學(xué)行為,以及分別采用紫外、熒光和粘度法研究了配合物與小牛胸腺DNA的相互作用.

圖 1 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O的結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Vario-ELⅢ元素分析儀(德國Elementar公司)、AVATAR-370紅外光譜儀(US-Nicolet)、CHI660B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)、F-4500熒光分光光度計(jì)(日立)、Agilent-8453紫外可見分光光度計(jì)(德國惠普公司)、pHS-3C型精密酸度計(jì)(上海雷磁廠)、烏式粘度計(jì).

聯(lián)吡啶并[3,2-a:2′,3′-c]6-氮雜-吩嗪(dpapz)[7],[Co(phen)2Cl2]Cl[8]參照文獻(xiàn)方法合成,小牛胸腺DNA(北京華美生化試劑公司),高氯酸四丁基銨,三羥甲基氨基甲烷(Tris).其它試劑均為AR級,所用試劑除特別說明外均沒有進(jìn)一步處理.

研究配合物與DNA相互作用時(shí),樣品均溶解在含 5 mmol·L-1Tris·HCl和 50 mmol·L-1NaCl的二次餾水緩沖溶液(PH=7.2)中.小牛胸腺DNA的濃度以 ε260=6600 L·mol-1·cm-1來確定[9].

1.2 配合物的合成

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,將0.206 g(0.7 mmol)dpapz、0.372 g(0.7 mmol)[Co(phen)2Cl2]Cl的60 mL乙醇溶液加熱回流4h.冷卻至室溫,過濾除去不溶物,向?yàn)V液加入4倍過量的NaClO4飽和溶液,析出黃色固體.用水、無水乙醇分別洗滌3次,再用乙腈溶解,乙醚擴(kuò)散法重結(jié)晶.真空干燥得0.335 g橘黃色粉末,產(chǎn)率46.2%.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 電化學(xué)測定

配合物的電極電位用循環(huán)伏安法測定.采用三電極系統(tǒng),工作電極為玻碳電極,使用前先用0.05μm的Al2O3糊在拋光墊上拋光,然后依次在丙酮、二次蒸餾水中超聲清洗10 min,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE).溶劑為乙腈,使用前用P2O5重蒸2次,支持電解質(zhì)為高氯酸四丁基銨(0.1 mol·dm-3).測試前通高純氮15 min除氧.

1.3.2 配合物與DNA作用的電子吸收光譜

在參比池加入2.5 mL T ris緩沖溶液,在樣品池中加入相同體積的5μmol·L-1的配合物溶液,用微量加樣器每次往參比池和樣品池中加入相同體積的DNA溶液,使DNA與配合物濃度比值不斷增加,直至吸收峰不再減色.

1.3.3 配合物與DNA作用的的熒光光譜

在樣品池中加入 2.5 mL 5μmol·L-1的配合物溶液.用微量加樣器每次往樣品池中加入相同體積的DNA溶液,使DNA與配合物濃度比值不斷增加,以適當(dāng)波長激發(fā)光激發(fā),測定配合物的發(fā)射光譜.

1.3.4 DNA粘度測定實(shí)驗(yàn)

溫度恒定在(30±0.1)℃,小牛胸腺DNA濃度固定為0.4 mmol·L-1,依次增大配合物濃度.相對粘度按公式η=(t-t0)/t0[t0為緩沖溶液流經(jīng)毛細(xì)管所需時(shí)間,t為DNA溶液(含濃度不等的鈷配合物)流經(jīng)毛細(xì)管所需的時(shí)間]計(jì)算[10].以(η/η0)1/3對結(jié)合比率r作圖(r=[Co]/[DNA],η0為未加配合物時(shí)DNA溶液的相對粘度.

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物的表征

配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O元素分析的理論值由化學(xué)式C41H29N9CoCl3O14計(jì)算.其計(jì)算值為C:47.49%;H:2.82%;N:12.16%.實(shí)驗(yàn)值為C:47.43%;H:2.79%;N:12.21%.實(shí)驗(yàn)值與理論值一致.

室溫下,測定了配合物(KBr壓片)在 4000～400 cm-1范圍內(nèi)的IR譜(圖2).配合物在 3392 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的寬吸收峰,這歸屬于水分子的νOH吸收峰,而1627 cm-1處的中等強(qiáng)度吸收峰是δH2O的吸收峰[11].配合物在3040 cm-1處的吸收峰為νC-H的吸收峰,1493 cm-1處的吸收峰為δC=C的吸收峰,1427 cm-1處的吸收峰為νCCH的吸收峰.1357 cm-1處的吸收峰歸屬于νdpapz的吸收峰,1084和629 cm-1處的吸收峰分別歸屬于νClO4-和δClO4-的吸收峰,848和716 cm-1處的吸收峰都?xì)w屬于δ phen的吸收峰[5].

圖2 配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O圖

2.2 配合物的電化學(xué)性質(zhì)

配合物在乙腈中的循環(huán)伏安曲線如圖3所示.由圖 3可知,在0.0～ 0.8 V電位范圍內(nèi),配合物有一對氧化還原峰,其陽極峰電位和陰極峰電位分別為Ep,a=0.433 V和Ep,c=0.295 V,對應(yīng)的電極反應(yīng)是Co(Ⅲ)/Co(Ⅱ)的氧化還原過程.陽極峰電位和陰極峰的電位差△Ep=0.138 V,其陰極峰電流對掃描速率(0.02～0.2 V/s)的平方根作圖(圖3插圖),可得一條通過原點(diǎn)的直線,故認(rèn)為該氧化還原反應(yīng)為準(zhǔn)可逆單電子過程[3].

圖3 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在乙腈中伏安曲線.掃描速率分別為a=20;b=50;c=100;d=150;e=200 mV/s.插圖為陰極峰電流對掃描速率的平方根作圖.

圖4 配合物[Co(phen)2dpapz]3+在不同DNA濃度下的電子吸收光譜.

2.3 配合物與DNA作用的電子吸收光譜

配合物與DNA相互作用的電子吸收光譜如圖4所示.由圖4可知,隨著DNA濃度增加,配合物在221,272,305和365 nm處的吸收峰均發(fā)生明顯的減色效應(yīng),減色率分別為24.8%,32.6%,14.5%和39.2%,表明得到的配合物可能以插入方式與DNA鍵合[7].這是因?yàn)椴迦肱潴w與DNA堿基對發(fā)生π電子堆積之后,配體的π*空軌道與堿基的π電子軌道發(fā)生偶合,偶合后的π軌道因部分填充電子,使π→π*躍遷幾率減小,產(chǎn)生減色效應(yīng).為了定量地研究配合物與DNA的結(jié)合強(qiáng)度,可根據(jù)下列方程式求得配合物與DNA的鍵合常數(shù)Kb[12]:

其中 ,cDNA表示DNA 的濃度,εa、εb和εf分別表示任意DNA濃度下、鍵合飽和以及未加DNA時(shí)配合物的摩爾吸光系數(shù),以cDNA/(εf-εa)對 cDNA作圖(圖4插圖),斜率與截距的比值即為配合物與DNA的鍵合常數(shù)Kb等于2.2×105L·mol-1.

2.4 配合物與DNA作用的熒光光譜

熒光光譜變化幅度的大小也能反映配合物與DNA作用的強(qiáng)度.以242 nm波長的光進(jìn)行激發(fā),測得配合物的熒光光譜(圖5).

圖5 配合物[Co(phen)2dpapz]3+隨DNA濃度增大的熒光光譜圖.

在Tris溶液中,配合物沒有熒光,這是由于配體dpapz與水分子之間存在氫鍵作用,從而猝滅了插入配體的激發(fā)態(tài)[7].加入DNA后,配合物的插入配體dpapz插入DNA堿基對中,吩嗪N受到保護(hù)脫去締合水而產(chǎn)生發(fā)射波長為335 nm的熒光,且隨DNA濃度的增大,強(qiáng)度明顯增大,表明配合物與DNA作用較強(qiáng),與紫外光譜結(jié)果一致.

2.5 配合物與DNA作用的粘度分析

光譜學(xué)方法對于確定配合物與DNA的作用模式只能提供必要的證據(jù).在缺少高精度晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和核磁數(shù)據(jù)的情況下,粘度這種對DNA長度變化比較敏感的流體力學(xué)方法是檢測溶液狀態(tài)下配合物與DNA作用模式的最有效的重要手段.一般來講,當(dāng)配合物以靜電、溝面結(jié)合等非插入方式與DNA作用時(shí),DNA溶液的粘度無明顯變化;當(dāng)配合物通過經(jīng)典插入方式與DNA作用時(shí),DNA相鄰堿基對的距離變大以容納插入配體,導(dǎo)致DNA雙螺旋伸長,DNA溶液的粘度增加;當(dāng)配合物以部分插入方式與DNA作用時(shí),則可能使DNA雙螺旋發(fā)生扭結(jié),使DNA溶液粘度減小[11].從圖6可知,隨著配合物濃度增加,DNA溶液的相對粘度增大,進(jìn)一步證實(shí)該配合物是以經(jīng)典插入方式與DNA結(jié)合.

3 結(jié) 論

本文合成了一種新型多吡啶鈷(III)混配配合物[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O并對其進(jìn)行了表征,用電子吸收光譜、熒光光譜滴定實(shí)驗(yàn)和粘度測試研究了該配合物與DNA的鍵合性質(zhì),結(jié)果表明該配合物以經(jīng)典的插入方式與DNA結(jié)合,鍵合常數(shù)為2.2×105L·mol-1.

圖6 DNA溶液的相對粘度隨配合物[Co(phen)2dpapz]3+加入量的變化.

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Synthesis,Characterization and DNA Binding Studies of a New Polypyridine Cobalt(III)Mixed Ligand Complex

TAN Nian-yuan,TAN Ling-ling,CHEN Li-xin,YAN Wei-wei,HUANG Sai-jin

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China)

A new Polypyridine cobalt(III)mixed ligand complex of[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O(phen=1,10-phenanthroline,dppz=dipyrido[3,2-a:2′,3′-c]-6-azaphenazine)is synthesized and characterized by elemental analysis,IR,UV and electrochemical methods.The interaction of the complex[Co(phen)2dpapz](ClO4)3·2H2O with DNA has been studied by absorption spectra,fluorescence spectra and viscosity measurements.The results suggest that the new polypyridine cobalt complex interacts with DNA by intercalative binding with a binding constant of 2.2×105L·mol-1.

cobalt(III)mixed ligand complex;dpapz;DNA binding

O614

A

1671-119X(2011)02-0075-04

2010-11-18

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(08C231);湖南師范大學(xué)化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(KLCBTCMR200909)

譚年元(1970-),男,在讀博士,講師,研究方向:功能配合物的合成與應(yīng)用.

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