趙娜,王興明,張艷,胡亞敏,丁立生
(1. 西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng),621010;2. 中國(guó)科學(xué)院 成都生物研究所,四川 成都,610041)
氨基酸是人體內(nèi)本身具有的不可缺少的生物物質(zhì),是人體內(nèi)生物大分子蛋白質(zhì)的基本組成單元,對(duì)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育及其新陳代謝都有著重要的意義。其中酪氨酸一般在醫(yī)藥中作為甲狀腺功能亢進(jìn)藥物,在許多合成反應(yīng)中用作合成多肽類激素、抗生素和 L-多巴等藥物的主要原料,是一種重要的生化試劑。近年來(lái),發(fā)現(xiàn)稀土在醫(yī)藥方面具有廣闊的應(yīng)用前景,它們具有特殊的電子結(jié)構(gòu),一旦稀土金屬元素與配體配位不僅會(huì)降低稀土元素的毒性,還可以表現(xiàn)出其特殊的生理活性。例如,配合物與 DNA的某些親核基團(tuán)(如磷酸氧位點(diǎn)或堿基氮、氧位點(diǎn))直接螯合,引起癌細(xì)胞的DNA損傷,起到抗癌抑癌的作用[1]。同時(shí),以氨基酸與稀土金屬形成的配合物作為抗癌藥物可能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),從而提高藥物與人體的生物相容性和抗癌活性。目前,歐陽(yáng)澤英等[2]采用了紫外光譜法、熒光光譜法和黏度法研究了二(2-苯并咪唑亞甲基)胺合鏑配合物與 DNA的作用,認(rèn)為它是以靜電和部分插入模式與 DNA作用。曹惠平等[3]通過(guò)紫外光譜法、熒光光譜法和凝膠成像法研究了酚氧橋聯(lián)型雙核Eu(Ⅲ)配合物與DNA的作用,指出了它們之間存在插入作用。楊立榮等[4]僅采用熒光光譜和黏度法研究了3種銪()Ⅲ-牛磺酸席夫堿配合物與DNA的作用模式,認(rèn)為它們與 DNA之間均存在插入作用。吳惠霞等[5]通過(guò)紫外光譜和循環(huán)伏安 2種方法研究了氨基酸-鈰配合物與小牛胸腺 DNA的作用,指出它們之間存在靜電作用,但該文獻(xiàn)未包含結(jié)合比和熱力學(xué)函數(shù)等參數(shù)的計(jì)算。另外,目前研究較多的是氨基酸-銅配合物與DNA的作用,而對(duì)氨基酸-稀土金屬配合物與DNA的作用研究較少。迄今為止,關(guān)于酪氨酸-釤配合物與DNA作用的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,為此,本文作者除通過(guò)紫外光譜法、熒光光譜法綜合黏度法和Scatchard法對(duì)酪氨酸-釤()Ⅲ稀土配合物與鯡魚(yú)精DNA的作用進(jìn)行較全面、系統(tǒng)的研究,還采用了摩爾比法、雙倒數(shù)法等測(cè)定計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)和結(jié)合常數(shù)等相關(guān)作用信息。酪氨酸-釤()Ⅲ稀土配合物與鯡魚(yú)精DNA之間不僅存在溝渠作用,還存在嵌插作用。同時(shí),舍棄了原有毒性較強(qiáng)的EB探針,采用相對(duì)環(huán)保型的AO作為探針,可望對(duì)了解抗癌藥物的抗癌機(jī)理及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型抗癌藥物提供有價(jià)值的信息[6]。
儀器為:UNICO UV-2102 PCS型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(尤尼科上海儀器有限公司);RF-540 熒光光譜儀(日本島津);Nicolet 380型智力傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)熱電尼高力公司);Vario EL CUBE 型元素分析儀(德國(guó)元素分析系統(tǒng)公司);pHS-2C型酸度計(jì)(成都方舟科技開(kāi)發(fā)公司);烏式貝德黏度計(jì)(上海市青浦縣前明玻璃儀器廠);HH-601超級(jí)恒溫水浴(金壇金南儀器廠)。
試劑為:hsDNA(A.R,Sigma公司產(chǎn)品);酪氨酸(Tyr,A.R,成都科龍化工試劑廠);三氧化二釤( Sm2O3,A.R,北方方正稀土研究所有限公司產(chǎn)品);吖啶橙(AO,A.R,成都科龍化工試劑廠);乙二胺四乙酸鈉(EDTA,A.R,廣東光華化學(xué)廠有限公司);其他試劑,均為分析純;水,為二次重蒸水。
1.2.1 配制Sm()ClⅢ3溶液
用濃鹽酸將Sm()Ⅲ2O3溶解,小火蒸發(fā)掉水和過(guò)量的鹽酸至白色粉末狀,加Tris-HCl緩沖溶液配制成一定濃度的Sm()ClⅢ3溶液。
1.2.2 光譜法測(cè)定
各種溶液均用 pH=7.40的 Tris-HCl緩沖溶液配制,搖勻,放置5 min。在1 cm比色皿中加入3.00 mL待測(cè)溶液,以Tris-HCl緩沖溶液空白為參比,用指定溶液進(jìn)行滴定,掃描吸收光譜或熒光強(qiáng)度。激發(fā)和發(fā)射光譜掃描狹縫寬度均為5 nm,波長(zhǎng)λex=441 nm。
1.2.3 黏度法
用pH=7.40的Tris-HCl緩沖溶液配制DNA和不同濃度的Sm()(ⅢTyr)3-DNA溶液,放置24 h,在25 ℃恒溫水浴槽中用烏式貝德黏度計(jì)測(cè)定黏度。
將三氯化釤與酪氨酸(先逐滴加入少量濃鹽酸使酪氨酸完全溶解)以物質(zhì)的量比為1∶3的配比溶解在85 mL乙醇溶液中,在80 ℃水浴上加熱并不斷攪拌,調(diào)pH=3~5,在水浴中反應(yīng)14 h,溶液變?yōu)榈S色,濃縮液體至10 mL左右,靜置結(jié)晶,用無(wú)水乙醚洗滌數(shù)次,干燥后,得到晶體酪氨酸-釤()Ⅲ的配合物(Sm(Ⅲ)(Tyr)3·Cl3·H2O)[7]。IR(KBr壓片):配合物羧基的對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)位置(νs(COO-)=1 490 cm-1,νas(COO-)=1 600 cm-1)與相應(yīng)單純的氨基酸比較有較明顯的變化,并且羧基的反對(duì)稱振動(dòng)峰發(fā)生分裂,說(shuō)明氨基酸以羧基的氧原子與金屬配位;Δ(νas(COO-)-νs(COO-))=110 cm-1,說(shuō)明羧酸根可能以雙齒形式配位[8]。在3 440 cm-1處的峰為N—H伸縮振動(dòng)峰;3 130 cm-1處的峰為O—H的伸縮振動(dòng)吸收,由于酪氨酸分子間由氫鍵連接形成多聚體,氫鍵的締合導(dǎo)致羥基的伸縮振動(dòng)峰發(fā)生了向低頻方向的位移,并形成寬闊的獨(dú)特圖形的吸收峰[9];1 070 cm-1和1 140 cm-1處的峰為C—N的伸縮振動(dòng)峰。元素成分分析結(jié)果如下:對(duì)于實(shí)驗(yàn)值,C 41.03%,H 4.66%,N 5.15%,Sm 17.57%;對(duì)于理論值,C 39.19%,H 4.35%,N 5.08%,Sm 18.18%。
2.2.1 Sm()Ⅲ對(duì)Tyr熒光光譜的影響及其結(jié)合比
Sm()Ⅲ對(duì)Tyr熒光光譜的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知:固定Tyr的濃度,隨著Sm()Ⅲ濃度增加,Tyr在波長(zhǎng)為519 nm處的熒光值逐漸升高,表明Sm與Tyr之間發(fā)生了相互作用[10],可能形成了配合物。因此,固定Tyr的濃度,改變Sm()Ⅲ的濃度,在519 nm處測(cè)定熒光值,結(jié)果如圖 2所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Sm(Ⅲ)與Tyr結(jié)合的Sm與Tyr物質(zhì)的量比F為1∶3。
圖1 Sm(Ⅲ)對(duì)Tyr熒光光譜的影響Fig.1 Influence of Sm(Ⅲ) to fluorescence spectra of Tyr
圖2 Sm(Ⅲ)-Tyr的物質(zhì)的量比F與c(Sm)/c(Tyr)的關(guān)系(519 nm)Fig.2 Relationship between molar ratio F and c(Sm)/c(Tyr)(519 nm)
2.2.2 DNA對(duì)Sm()Ⅲ(Tyr)3紫外吸收光譜的影響及其結(jié)合比
DNA對(duì)Sm(Ⅲ)(Tyr)3紫外吸收光譜的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知:固定Sm(Ⅲ)(Tyr)3的濃度,隨著DNA濃度增加,Sm(Ⅲ)(Tyr)3在223 nm和277 nm處有明顯的增色效應(yīng),表明Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物與DNA分子之間相互作用[10-11]可能生成了復(fù)合物;同時(shí),出現(xiàn)吸收峰藍(lán)移,其原因可能是 DNA與配合物的吸收峰發(fā)生疊加(DNA的2個(gè)主要吸收峰在210 nm和260 nm左右),導(dǎo)致配合物吸收峰藍(lán)移。增色效應(yīng)和減色效應(yīng)的產(chǎn)生可能是由于配合物與 DNA結(jié)合之后,溶液中配合物聚集體以及配合物分子之間的氫鍵被破壞,導(dǎo)致配合物吸收強(qiáng)度發(fā)生改變。
圖3 DNA對(duì)Sm(Tyr)3紫外吸收光譜的影響Fig.3 Influence of DNA on UV-vis absorption spectra of Sm(Tyr)3 (pH 7.40)
圖4 DNA與Sm(Tyr)3的物質(zhì)的量比(277 nm)Fig.4 Molar ratio plots of DNA and Sm(Tyr)3 (277 nm)
固定Sm(Ⅲ)(Tyr)3的濃度,改變DNA的濃度,在277 nm處測(cè)定吸收強(qiáng)度,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn):實(shí)驗(yàn)測(cè)得 Sm(Ⅲ)(Tyr)3與 DNA的物質(zhì)的量比n(Sm(Ⅲ)(Tyr)3)∶ n(DNA)=3∶1。根據(jù) Beer定律 A=εbc,計(jì)算得到 Sm(Ⅲ)(Tyr)3-DNA的表觀摩爾吸光系數(shù)ε=2.70×105L/(mol·cm)。
采用化學(xué)熱力學(xué)方法分析Sm(Ⅲ)(Tyr)3與DNA的相互作用,可以更深刻地理解它們的作用情況。分別在 298.15 K和人體溫度 310.15 K下測(cè)定 DNA與Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物的作用。雙倒數(shù)公式為[12]:
式中:A0和A分別為加入DNA前、后溶液的吸光度;K為復(fù)合物的結(jié)合常數(shù);c1為DNA的濃度。
對(duì)298.15 K和310.15 K時(shí)277 nm的相對(duì)吸收強(qiáng)度按式(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,作雙倒數(shù)圖(圖 5),所得直線截距和斜率求出 Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物的結(jié)合常數(shù)分別為L(zhǎng)/mol。根據(jù)熱力學(xué)方程:
圖5 pH=7.40時(shí)1/(A-A0)與1/c(DNA)的關(guān)系Fig.5 Relationship between 1/(A-A0) and 1/c(DNA) at pH 7.40
2.4.1 吖啶橙(AO)對(duì) DNA-Sm(Ⅲ)(Tyr)3體系熒光光譜的影響
AO為一共軛平面稠環(huán)分子,能專一性地嵌插于DNA雙螺旋的堿基對(duì)之間而用作核酸的光譜探針。AO對(duì)DNA-Sm(Tyr)3熒光光譜的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn):向DNA-Sm(Ⅲ)(Tyr)3體系中逐漸滴加AO溶液,隨著AO體積增加,DNA-Sm(Ⅲ)(Tyr)3體系在519 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這是AO嵌插于DNA的結(jié)果[13]。
圖6 AO對(duì)DNA-Sm(Tyr)3熒光光譜的影響(pH=7.40)Fig.6 Influence of AO on fluorescence spectra of DNA-Sm(Tyr)3(pH=7.40)
2.4.2 配合物Sm(Ⅲ)(Tyr)3對(duì)DNA-AO體系熒光光譜的影響
Sm(Ⅲ)(Tyr)3對(duì)DNA-AO熒光光譜的影響見(jiàn)圖7??梢?jiàn):向DNA-AO體系中逐漸滴加配合物溶液,隨著配合物體積的增加,DNA-AO體系在526 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸減弱,說(shuō)明 Sm(Ⅲ)(Tyr)3的加入破壞了原來(lái)DNA-AO體系平衡,Sm(Ⅲ)(Tyr)3與AO存在一定的競(jìng)爭(zhēng)作用,爭(zhēng)奪DNA上的結(jié)合位點(diǎn),將AO從DNA上擠出來(lái),導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。這說(shuō)明配合物Sm(Ⅲ)(Tyr)3與DNA之間存在嵌插作用。
AO可以作為研究Sm(Ⅲ)(Tyr)3與DNA作用方式的熒光探針。在DNA-Sm(Ⅲ)(Tyr)3體系中滴加AO,引起熒光強(qiáng)度變化。因此,利用Sm(Ⅲ)(Tyr)3存在AO與DNA作用的Scatchard圖可判別配合物與DNA的作用方式。AO與DNA作用的特點(diǎn)可用Scatchard方程闡述:r/c2=K(n-r)(式中:r為每個(gè)核苷酸結(jié)合 AO的分子數(shù);c2為AO游離濃度;n為r最大值;K為單個(gè)位點(diǎn)固有的結(jié)合常數(shù))。
圖7 Sm(Tyr)3對(duì)DNA-AO熒光光譜的影響(pH 7.40)Fig.7 Influence of Sm(Tyr)3 on fluorescence spectra of DNA-AO (pH 7.40)
當(dāng) NaCl是否存在時(shí),Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物與AO-DNA體系相互作用的Scatchard圖如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可以看出:AO與DNA作用的Scatchard圖中各直線均出現(xiàn)拐點(diǎn),這表明在Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物的存在下,AO與DNA的結(jié)合分2個(gè)階段:在AO體積較小的初始階段,DNA的一部分結(jié)合位點(diǎn)已被配合物占據(jù),AO則采用非競(jìng)爭(zhēng)方式占據(jù)DNA上剩余的位點(diǎn),與DNA形成化合物,即在圖中斜率絕對(duì)值較大的那部分直線;隨著AO體積的增大,AO與DNA的結(jié)合達(dá)到飽和,由于Sm(Ⅲ)(Tyr)3配合物與DNA的結(jié)能力遠(yuǎn)小于AO與DNA的結(jié)合能力,結(jié)合在DNA上的配合物分子將被多余的AO分子采用競(jìng)爭(zhēng)方式從 DNA分子上擠出來(lái),同時(shí),結(jié)合在DNA上的AO與游離的AO分子發(fā)生相互作用,削弱了AO與DNA之間的結(jié)合,導(dǎo)致AO-DNA化合物穩(wěn)定性降低,n增大,即圖中斜率絕對(duì)值較小的那部分直線[14]。
圖8 Sm(Tyr)3配合物與AO-DNA體系相互作用的Scatchard圖(無(wú)NaCl)Fig.8 Scatchard plots of AO-DNA in different concentrations of Sm(Tyr)3(without NaCl)
圖9 Sm(Tyr)3配合物與AO-DNA體系相互作用的Scatchard圖(有NaCl)Fig.9 Scatchard plots of AO-DNA in different concentrations of Sm(Tyr)3(with NaCl)
另外,溶液中有無(wú) NaCl 2種情況的對(duì)比結(jié)果顯示:存在NaCl的n基本都大于不存在NaCl的n,說(shuō)明 Sm(Ⅲ)(Tyr)3與 DNA之間存在溝渠作用,即Sm()Ⅲ(Tyr)3配合物與DNA溝區(qū)中的堿基對(duì)之間存在范德華力和氫鍵作用[15]。
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,黏度法作為對(duì) DNA長(zhǎng)度變化比較敏感的流體力學(xué)方法是檢測(cè)溶液狀態(tài)下配合物與 DNA作用模式的重要手段。含有平面芳香稠環(huán)的小分子以插入方式與DNA作用時(shí),DNA相鄰堿基對(duì)的距離變大,以容納插入配體,并導(dǎo)致 DNA雙螺旋長(zhǎng)度增加,從而增大溶液的黏度;當(dāng)藥物分子以靜電、溝渠結(jié)合等非插入方式與DNA作用時(shí),DNA溶液黏度無(wú)明顯變化;當(dāng)藥物分子以部分插入模式與 DNA作用時(shí),則可能使DNA堿基對(duì)的相對(duì)位置發(fā)生變化,導(dǎo)致雙螺旋發(fā)生扭結(jié),使DNA黏度降低[6,16]。不同濃度的Sm(Ⅲ)(Tyr)3對(duì) DNA黏度的影響見(jiàn)圖 10。可見(jiàn):Sm(Ⅲ)(Tyr)3與hsDNA作用后黏度有所增加,進(jìn)一步證實(shí)在本實(shí)驗(yàn)條件下,Sm(Ⅲ)(Tyr)3與hsDNA之間存在嵌插作用[17-18]。
圖10 不同濃度的Sm(Ⅲ)(Tyr)3對(duì)DNA黏度的影響Fig.10 Influence of different concentrations of Sm(Ⅲ)(Tyr)3 on DNA viscosity
(1) 通過(guò)摩爾比法,測(cè)得在生理 pH=7.40 時(shí)Sm(Ⅲ)(Tyr)3與DNA形成物質(zhì)的量比為3∶1的復(fù)合物,表觀摩爾吸光系數(shù)為 ε= 2.70×105L/(mol·cm)。
(2) 由熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算得到 Sm(Ⅲ)(Tyr)3與鯡魚(yú)精 DNA相互作用的結(jié)合常數(shù)為-2.86×104J/mol,配合物Sm(Ⅲ)(Tyr)3與鯡魚(yú)精DNA之間的作用為焓所驅(qū)動(dòng)。
(3) Sm(Ⅲ)(Tyr)3與DNA主要是以嵌插方式和溝渠方式相互作用。溝渠作用是由于配合物通過(guò) DNA分子中的大溝及小溝與堿基發(fā)生范德華力和氫鍵作用。嵌插作用是由于酪氨酸的分子結(jié)構(gòu)中的羥基與苯環(huán)共平面,這可能是Sm(Ⅲ)(Tyr)3可以與DNA發(fā)生嵌插作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因。
致謝:
本文得到了西南科技大學(xué)分析測(cè)試中心的支持,在此表示衷心感謝!
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