毛芳芳，蔣伍玖，李 雪

(1.衡陽(yáng)師范學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008； 2.山東青州蓮花盆小學(xué), 山東 青州 262521)

淺談金屬離子與DNA的相互作用

毛芳芳1，蔣伍玖1，李 雪2

(1.衡陽(yáng)師范學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008； 2.山東青州蓮花盆小學(xué), 山東 青州 262521)

核酸，是一種生物大分子，是基因表達(dá)的基礎(chǔ)，是生物傳遞信息和儲(chǔ)存信息的重要載體，引導(dǎo)著生物發(fā)育及生命機(jī)能運(yùn)作。本文從DNA的組成及結(jié)構(gòu)入手，探討金屬離子與生物大分子之間的相互作用，表明：金屬離子在核酸的構(gòu)象維持、生物合成、功能發(fā)揮及調(diào)控等方面發(fā)揮著重要作用。

金屬離子；核酸；配合物

1 前言

1.1 DNA的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

核酸對(duì)生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳及變異等重大生命現(xiàn)象起主宰作用，是一切生物細(xì)胞的基本組成部分。它在生物科學(xué)的地位甚至可用"沒(méi)有核酸就沒(méi)有生命"這句話來(lái)概括。其中，蛋白質(zhì)編碼的DNA片段稱之為基因。

核酸分為核糖核酸(RNA)及脫氧核糖核酸(DNA)。RNA主要分布在細(xì)胞質(zhì)中，DNA則 主要集中于細(xì)胞核內(nèi)。DNA是一種多聚核苷酸，堿基攜帶著遺傳信息，磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接起來(lái)，磷酸基和戊糖起結(jié)構(gòu)作用，由四種脫氧核苷酸為基本單元構(gòu)成[1]。

DNA的結(jié)構(gòu)通?？煞譃橐患?jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)[2]。一級(jí)結(jié)構(gòu)是指由脫氧核苷酸在分子內(nèi)排列的順序，也就是DNA分子內(nèi)堿基的排列順序決定，對(duì)闡明遺傳物質(zhì)的功能、結(jié)構(gòu)以及它的表達(dá)調(diào)控都極其重要。二級(jí)結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所產(chǎn)生的雙螺旋結(jié)構(gòu)，分為左手螺旋和右手螺旋。這種雙螺旋結(jié)構(gòu)決定了DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但這種穩(wěn)定性并非絕對(duì)，實(shí)驗(yàn)證明即使是在室溫條件下，溶液中的DNA分子內(nèi)也有一部分氫鍵會(huì)打開(kāi)，而且打開(kāi)的部位會(huì)不斷變化。DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的一種特定空間結(jié)構(gòu)，比雙螺旋更高層次的空間構(gòu)象。這種三級(jí)結(jié)構(gòu)決定了DNA具有多樣性、穩(wěn)定性和特異性等特點(diǎn)。

1.2 生命體內(nèi)的金屬配離子

生命必需的金屬元素通常稱之為生物金屬或生命金屬元素，在人體內(nèi)含量少，但在生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。人體需要的金屬元素共有十四種：鉀、鈣、鈉、鎂、釩、鉻、錳、銅、鐵、鋅、鑰、鉆、錫、鎳。其中，許多的金屬元素都是以配合物的形式存在。如：與呼吸作用存在密切關(guān)聯(lián)的血紅素是鐵的配合物，含F(xiàn)e2+/Fe3+或Cu+/Cu2+的金屬蛋白可做為呼吸過(guò)程中可逆的氧載體[3]；進(jìn)行光合作用的葉綠素是Mg的配合物；目前證明對(duì)人體有特殊生理功能的微量必需元素及必需微量元素，在人體中都是以配合物的形式存在；酶分子幾乎都含有金屬配離子，是酶必不可少的組成部分，控制著生物體內(nèi)的化學(xué)作用。如上所述，不同的金屬元素在生命體內(nèi)的生理生化作用不同，但這些均是生命活動(dòng)中必不可少的。由于金屬離子在各種生理過(guò)程中起著極其重要的作用，且有重大的應(yīng)用前景，因此，研究金屬離子與生物大分子間相互作用越來(lái)越受科研工作者的關(guān)注。

在生物體中，生物金屬與生物配體形成生物配合物進(jìn)行生命活動(dòng)。重要的生物配體有聚核苷酸、蛋白質(zhì)、維生素、糖類及卟啉等。金屬離子和蛋白質(zhì)中某些膚鍵上的亞胺基、羰基及氨基酸殘基上的羧基、雜環(huán)氮、羥基、胺基等供電子基因配位形成金屬酶和金屬蛋白，使金屬離子成為活性中心的重要組成部分。

2 金屬配合物與DNA的相互作用

核酸是最重要的生物大分子，其重要性的發(fā)揮與金屬離子存在著密切聯(lián)系。金屬離子在核酸的生物合成、構(gòu)象維持、功能發(fā)揮與調(diào)控等方面起著重要的作用[4]。

2.1 金屬離子與核酸的生物合成

DNA是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，DNA分子中堿基或核苷酸的排列順序決定著遺傳信息，遺傳信息通過(guò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，最終傳遞給蛋白質(zhì)，即體內(nèi)蛋白質(zhì)分子合成時(shí)氨基酸的排列順序最終由DNA分子中的核苷酸順序決定。DNA和RNA的合成，需要鎂離子參與，由氨基酸合成蛋白質(zhì)，首先要在氨酰-tRNA合成酶的催化下進(jìn)行氨基酸的活化，而Mg2+是氨酰-tRNA合成酶的激活劑，促進(jìn)氨基酸轉(zhuǎn)移到多肽鏈，有利于肽鏈的合成。其次，生物體內(nèi)的DNA聚合酶和RNA聚合酶需要Mg2+或Mn2+作為其活化劑，從而有效促進(jìn)細(xì)胞復(fù)制DNA及遺傳信息的轉(zhuǎn)錄?？梢?jiàn)，金屬離子與核酸的生物合成緊密相連。

2.2 金屬離子與核酸的構(gòu)象維特

金屬離子與核酸的作用對(duì)核酸的構(gòu)象會(huì)產(chǎn)生影響，而核酸的構(gòu)象在生命過(guò)程中非常重要。經(jīng)研究證實(shí)，在生理pH環(huán)境下，核酸為聚陰離子，需要通過(guò)與其相對(duì)來(lái)說(shuō)非特異性的金屬離子相結(jié)合來(lái)穩(wěn)定其正常堿基對(duì)間結(jié)構(gòu)，如Ca2+、Mg2+、K+或Na+等。酶切技術(shù)表明，隨著Cu2+與DNA作用加強(qiáng)，DNA的構(gòu)象會(huì)由B型轉(zhuǎn)變?yōu)镃型，而Cu2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等金屬離子也可進(jìn)入到核酸的堿基對(duì)之間，對(duì)核酸的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。其次，金屬離子還能有效地穩(wěn)定由于氧化損傷而導(dǎo)致的錯(cuò)配堿基對(duì)以及出現(xiàn)在染色體末端富含鳥(niǎo)嘌呤堿基的DNA端粒結(jié)構(gòu)，這種DNA端粒特殊結(jié)構(gòu)有助于避免在復(fù)制的多重循環(huán)過(guò)程中引起染色體末端基因物質(zhì)的損失。此外，鎂是核糖體的結(jié)構(gòu)成分，能夠穩(wěn)定核糖體亞單位構(gòu)型，缺鎂時(shí)，核糖體亞單位趨于分解，蛋白質(zhì)合成停止[5]。由此可見(jiàn)，金屬離子在核酸的構(gòu)象維特上發(fā)揮著重要作用。

2.3 金屬離子與核酸的功能發(fā)揮及調(diào)控

在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，RNA聚合酶需要由Mg2+、Mn2+、Co2+激活。同時(shí)，RNA折疊以及RNA參與的催化都需要二價(jià)金屬離子的促進(jìn)。此外，核酸的翻譯過(guò)程也離不開(kāi)金屬離子的參與，過(guò)渡金屬還在基因表達(dá)過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用，這種作用主要通過(guò)基因調(diào)控金屬蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 小結(jié)

金屬離子與DNA的相互作用有多種形式，這些作用的發(fā)揮主要體現(xiàn)在核酸的生物合成、構(gòu)象維持及功能發(fā)揮與調(diào)控等方面。其次，金屬及其配合物與核酸相互作用的研究是制造光譜探針及反應(yīng)性探針、開(kāi)發(fā)抗癌藥物以及發(fā)展以DNA為基礎(chǔ)的金屬納米器件技術(shù)的基礎(chǔ)，因此，深入研究并持續(xù)探討金屬與核酸相互作用的化學(xué)本質(zhì)具有重要意義。

[1] 張 慧.新型DNA納米機(jī)器的研究及應(yīng)用[D].青島:青島科技大學(xué),2012.

[2] 龐 博.藥物與蛋白、DNA相互作用機(jī)制的研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春師范大學(xué),2013.

[3] 趙亞英.金屬離子及氨基酸與核酸活性位點(diǎn)配位選擇性的理論研究[D].福州：福州大學(xué),2004.

[4] 張 愚.金屬離子與 DNA 堿基對(duì)相互作用的理論研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.

[5] 楊 頻,高 飛.生物無(wú)機(jī)化學(xué)原理[M].北京:科學(xué)出版社,2002.1-167.

(本文文獻(xiàn)格式：毛芳芳，蔣伍玖，李雪.淺談金屬離子與DNA的相互作用[J].山東化工，2017，46(20)：49，52.)

2017-08-10

衡陽(yáng)師范學(xué)院院基金青年項(xiàng)目(14A01)

毛芳芳(1988-)，女，碩士，研究方向?yàn)榭茖W(xué)教育及化學(xué)課程教學(xué)。

O629.74；TQ464.6

A

1008-021X(2017)20-0049-01