劉向偉,袁永安,張前前,李 苓,牛淑妍
(1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266100;2.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,山東青島266042)
鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物的合成及其與DNA的作用和生物毒性研究
劉向偉1,袁永安1,張前前1,李 苓1,牛淑妍2
(1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266100;2.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,山東青島266042)
合成了一種新的鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7H2O(Ⅰ)(Trp為L(zhǎng)-色氨酸離子,phen為鄰菲咯啉)。通過(guò)元素分析、紅外光譜及熱重-差熱分析對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征,采用電子吸收光譜法、熒光光譜法及瓊脂糖凝膠電泳法考察了其與DNA的作用,研究了配合物對(duì)斑馬魚胚胎的生物毒性,并與2種已知結(jié)構(gòu)的鋅-鄰菲咯啉配合物[Zn(phen)2]Cl2·5H2O(Ⅱ)和[Zn(phen)]Cl2(Ⅲ)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,配合物與鮭魚精DNA作用大小順序?yàn)榕浜衔铫瘢九浜衔铫颍九浜衔铫?但作用方式不同;在抗壞血酸存在下,配合物Ⅰ對(duì)pBR322 DNA的切割作用最強(qiáng);配合物對(duì)斑馬魚胚胎毒性作用大小順序?yàn)榕浜衔铫颍九浜衔铫瘢九浜衔铫蟆?/p>
鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物;鮭魚精DNA;瓊脂糖凝膠電泳;斑馬魚胚胎
近年來(lái),新型過(guò)渡金屬配合物的合成及其性能一直是生化領(lǐng)域研究的重要課題[1-3],尢其是其與DNA的作用研究及生物活性研究更是其中的重點(diǎn)[4,5]。鋅是生命體必需的微量元素之一,因此,對(duì)金屬鋅配合物的研究意義重大。同時(shí),現(xiàn)有研究很少涉及這些具有潛在生物活性的配合物的生物毒性。斑馬魚是經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的指導(dǎo)手冊(cè)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)魚類[6,7],作為模式生物廣泛應(yīng)用于發(fā)育生物學(xué)和遺傳學(xué)研究及毒性評(píng)價(jià)中[8-10],卻極少用于金屬配合物生物毒性的檢測(cè)。鑒于此,作者設(shè)計(jì)合成了一種未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道的鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物,對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,考察了其與DNA的作用方式及其對(duì)DNA的切割活性,選用斑馬魚胚胎為模式生物研究其生物毒性,并與2種已知的鋅-鄰菲咯啉配合物進(jìn)行了比較。
1.1 試劑與儀器
溴化乙錠(EB,生化試劑),Amresco公司;L-色氨酸(生化試劑,層析純),中科院上海生物化學(xué)研究所;瓊脂糖凝膠(Biowest agrose),基因科技有限公司分裝;抗壞血酸(分析純)、鮭魚精DNA(生化試劑),美國(guó)Sigma公司,鮭魚精DNA純度用UV譜檢測(cè),其A260/ A280>1.8,濃度用在260 nm處摩爾消光值檢測(cè)(ε= 6600 mol-1·cm-1);p BR322 DNA(生化試劑),東盛生物科技有限公司;三羥基氨基甲烷及其它試劑為國(guó)產(chǎn)分析純;Tris-HCl緩沖溶液(p H值7.40,p H值7.60);分析實(shí)驗(yàn)用水為二次水。斑馬魚飼養(yǎng)用水為充氧飽和、保持恒定溫度(25±1)℃的自來(lái)水。
Vario ELⅢ型元素分析儀;島津UV-2550型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì);ZRY-2P型差熱分析儀,升溫速率10℃·min-1;Nicolet 380 FTIR型傅立葉變換紅外光譜儀,KBr壓片;日立F-4600型熒光光譜儀,其激發(fā)波長(zhǎng)為525 nm,發(fā)射光譜掃描速度為15 nm·s-1,狹縫寬度均為5 nm;北京六一DDY-8C型電泳儀及WD-9413B型凝膠成像分析儀。
1.2 配合物的合成
將ZnCl2(1 mmol,136 mg)、鄰菲咯啉(2 mmol, 396 mg)分別溶于10 m L蒸餾水-乙醇(1∶1,體積比)混合液中,得無(wú)色透明溶液;將L-色氨酸(2 mmol, 408 mg)溶于10 m L蒸餾水中,滴加2 mol·L-1NaOH溶液至完全溶解,用1.5 mol·L-1HCl溶液調(diào)p H值為10。室溫下,將鄰菲咯啉溶液滴加至ZnCl2溶液中,80℃水浴加熱,攪拌,回流2 h,溶液呈淺黃色。將L-色氨酸溶液滴加至上述溶液中,繼續(xù)回流4 h得淺棕黃溶液,靜置約7 d后析出黃色晶體,過(guò)濾后依次用少量蒸餾水、乙醇洗滌,即得鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7H2O(Ⅰ),產(chǎn)量426 mg,收率25.8%。對(duì)配合物Ⅰ進(jìn)行表征。
(Ⅲ)根據(jù)文獻(xiàn)[11,12]合成。
1.3 配合物對(duì)DNA作用的電子吸收光譜及其對(duì)EBDNA體系作用的熒光光譜測(cè)定
在Tris-HCl緩沖溶液(p H值7.40)中加入8.86 ×10-3mol·L-1鮭魚精DNA和不同濃度的配合物溶液,以相應(yīng)濃度的配合物溶液為參比,于190~600 nm測(cè)其電子吸收光譜。
在Tris-HCl緩沖溶液(p H值7.40)中分別加入不同濃度梯度的配合物、1.0×10-6mol·L-1EB和1.7×10-5mol·L-1鮭魚精DNA,于550~710 nm測(cè)其發(fā)射熒光光譜。
1.4 瓊脂糖凝膠電泳分析
在不同濃度配合物溶液中加入50倍于配合物濃度的抗壞血酸,再分別加入125 ng pBR322 DNA,用Tris-HCl緩沖溶液(p H值7.60)定容至5μL,恒溫37℃下反應(yīng)一定時(shí)間后,加入2~3μL 6×loading buffer終止反應(yīng)。在SBA電泳液(1 mol·L-1氫氧化鈉,45 mol·L-1硼酸,p H值8.45)和0.8%的瓊脂糖凝膠中電泳(電壓220 V)一定時(shí)間,以2~3μL Gold View作為凝膠著色劑,用凝膠成像分析儀觀察并拍照。
1.5 配合物對(duì)斑馬魚胚胎的毒性實(shí)驗(yàn)
斑馬魚胚胎的孵化參照文獻(xiàn)[13]。
在24孔細(xì)胞培養(yǎng)板中依次加入一定濃度梯度的配合物溶液2 m L,每個(gè)濃度做8個(gè)平行。將培養(yǎng)板放入27~28℃的恒溫水浴中,待溫度恒定后,取目測(cè)健康的囊胚期斑馬魚胚胎即5 hpf(Hours post fertilization)放入培養(yǎng)板溶液中,5?!た?1,以溶劑空白作對(duì)照。每2 h去除1次壞死的斑馬魚胚胎,觀察并記錄24 hpf的胚胎死亡數(shù)和72 hpf的胚胎孵化數(shù)。
2.1 配合物Ⅰ的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)表征
[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7 H2O(Ⅰ),分子量789,熔點(diǎn)173℃;元素分析實(shí)測(cè)值(計(jì)算值):C 52.96(53. 23),H 10.67(10.65),N 5.19(5.19);溶于水、無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇和DMSO,難溶于丙酮和乙酸乙酯;配體和配合物Ⅰ的紅外光譜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 配體和配合物Ⅰ的紅外光譜數(shù)據(jù)/cm-1Tab.1 IR Data of the ligands and complexⅠ/cm-1
由表1可知,與配體Trp和phen比較,配合物[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7 H2O的配位發(fā)生在Trp的—COO—和phen的N上。Trp的—COO—基團(tuán)的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)分別出現(xiàn)在1667 cm-1和1415 cm-1,配合物的—COO—基團(tuán)的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰紅移至1651 cm-1,其對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰移至1426 cm-1,Δν(-COO-)由252 cm-1變?yōu)?25 cm-1, N—H變形振動(dòng)配位相對(duì)不變,表明Trp以羧基氧參與配位;phen的C=N伸縮振動(dòng)峰由1643 cm-1移至1622 cm-1,環(huán)特征吸收峰νRing由1556 cm-1移至1518 cm-1,即發(fā)生紅移,且吸收強(qiáng)度改變,表明phen中2個(gè)氮原子參與配位[14]。由此推測(cè)該配合物中Zn(Ⅱ)的配位數(shù)為5,為四方錐構(gòu)型。
熱重-差熱分析結(jié)果顯示,在0~700℃范圍內(nèi),配合物Ⅰ有3次失重,其DTA曲線上有1個(gè)吸熱峰、2個(gè)分解放熱峰,所對(duì)應(yīng)的峰頂溫度依次為87.2℃、385.8℃、574.0℃,分別對(duì)應(yīng)配合物的7個(gè)結(jié)晶水分子、1個(gè)L-色氨酸離子、2個(gè)鄰菲咯啉和1個(gè)氯離子,與元素分析及紅外光譜分析結(jié)果一致。
25℃下,測(cè)得配合物Ⅰ在甲醇中的摩爾電導(dǎo)率為74 S·cm2·mol-1,由此推測(cè)該配合物為電解質(zhì)[15]。
2.2 配合物與DNA作用的電子吸收光譜
分析電子吸收光譜的變化可以粗略判斷某種化合物是否與DNA發(fā)生了作用[16]。圖1為3種配合物對(duì)鮭魚精DNA電子吸收光譜的影響。
由圖1可知,加入3種配合物后,DNA的吸收峰位置均發(fā)生移動(dòng),吸收強(qiáng)度明顯降低。配合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與鮭魚精DNA濃度比為0.4時(shí),在201 nm處的吸收峰分別紅移8 nm、7 nm、5 nm,減色率[17]分別為62%、46%、32%;在258 nm處的吸收峰分別紫移4 nm、5 nm、4 nm,減色率分別為45%、44%、28%。根據(jù)DNA電子吸收光譜吸收峰位置及強(qiáng)度變化,可知3種配合物與DNA作用方式相似,但作用強(qiáng)度大小為:配合物Ⅰ>配合物Ⅱ>配合物Ⅲ。
圖1 3種配合物對(duì)鮭魚精DNA電子吸收光譜的影響Fig.1 Effect of three complexes on the electronic absorption spectra of sperm DNA
2.3 配合物與EB-DNA體系競(jìng)爭(zhēng)的熒光光譜
EB可作為研究配合物和DNA作用模式的熒光探針[18]。配合物Ⅰ加入EB-DNA體系前后熒光強(qiáng)度變化不明顯,說(shuō)明配合物Ⅰ與DNA作用的主要模式不是與EB相似的嵌插作用,而是靜電作用或溝面結(jié)合作用。
不同濃度配合物Ⅱ或Ⅲ存在下,EB-DNA體系的熒光強(qiáng)度見(jiàn)圖2。
圖2 不同濃度配合物存在下,EB-DNA體系的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of EB-DNA system in the presence of different concentrations of complexes
由圖2可知,配合物與鮭魚精DNA濃度比較低時(shí),加入配合物Ⅲ對(duì)EB-DNA體系熒光強(qiáng)度的影響不明顯,而加入配合物Ⅱ?qū)B-DNA體系的熒光強(qiáng)度影響很顯著。由圖2還可知,隨著配合物濃度的增大, EB-DNA體系的熒光逐步猝滅,由此可認(rèn)為配合物分子與EB發(fā)生了競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。采用Stern-Volmer方程求得配合物取代EB與DNA作用的猝滅常數(shù)Ksq[19]:
式中:I和I0分別為配合物存在和不存在時(shí)體系的熒光強(qiáng)度;r為配合物與鮭魚精DNA濃度比。以I0/I對(duì)r作圖得一直線(圖2中插圖),直線斜率即Ksq值。配合物Ⅱ和Ⅲ的Ksq值分別為3.65和1.81,說(shuō)明配合物與DNA作用大小為配合物Ⅱ>配合物Ⅲ。
2.4 配合物對(duì)DNA的切割作用
通常完整的p BR322 DNA呈超螺旋型(FormⅠ),當(dāng)其中1條DNA鏈斷裂時(shí)即變?yōu)殚_(kāi)環(huán)缺刻型(FormⅡ);當(dāng)2條DNA鏈在相同位置都發(fā)生斷裂時(shí),即變?yōu)榫€型(FormⅢ)。3種形式的p BR322 DNA在電泳上的遷移率完全不同,據(jù)此可研究物質(zhì)對(duì)DNA的斷裂作用[20]。不同濃度配合物對(duì)p BR322 DNA(125 ng)的切割作用見(jiàn)圖3。
由圖3可知,3種配合物均可將超螺旋型(FormⅠ)的pBR322DNA的共價(jià)閉環(huán)切割成開(kāi)環(huán)缺刻型(FormⅡ),其中配合物Ⅱ甚至切割出線型(FormⅢ),且配合物濃度越大,其對(duì)DNA的切割活性越強(qiáng)。配合物Ⅰ與p BR322 DNA作用10 min時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的切割活性;配合物Ⅱ或配合物Ⅲ與pBR322 DNA作用10 min時(shí),均對(duì)p BR322 DNA無(wú)顯著作用。這表明配合物Ⅰ的切割活性較配合物Ⅱ、Ⅲ更強(qiáng)。當(dāng)濃度為2.5μmol·L-1時(shí),配合物Ⅱ?qū)⒓s50%超螺旋型DNA轉(zhuǎn)變?yōu)槿笨绦虳NA,而在配合物Ⅲ體系中,DNA仍主要以超螺旋型存在;當(dāng)濃度提高至10 μmol·L-1時(shí),配合物Ⅱ?qū)⒊菪虳NA完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿笨绦虳NA,并且切割出線型DNA,配合物Ⅲ也將超螺旋型DNA完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿笨绦虳NA,但未切割出線型DNA,這說(shuō)明配合物Ⅱ切割活性較配合物Ⅲ強(qiáng)。綜上所述,三者對(duì)pBR322 DNA切割活性大小為:配合物Ⅰ>配合物Ⅱ>配合物Ⅲ。
圖3 不同濃度配合物對(duì)pBR322 DNA的切割作用Fig.3 Agarose gel eletrophorograms for the cleavage of pBR322 DNA by different concentrations of complexes
2.5 配合物對(duì)斑馬魚胚胎的毒性
配合物濃度對(duì)斑馬魚胚胎(24 hpf)死亡率的影響見(jiàn)圖4。
圖4 配合物濃度對(duì)斑馬魚胚胎(24 hpf)死亡率的影響Fig.4 Effect of complex concentration on mortality rate of zebrafish embryos
由圖4可知,3種配合物中配合物Ⅲ對(duì)斑馬魚胚胎(24 hpf)死亡率的影響最小,其濃度小于100 mg·L-1時(shí)作用可忽略,且配合物Ⅱ的影響明顯高于配合物Ⅰ。
配合物濃度對(duì)斑馬魚胚胎(72 hpf)孵化率的影響見(jiàn)圖5。
圖5 配合物濃度對(duì)斑馬魚胚胎(72 hpf)孵化率的影響Fig.5 Effect of complex concentration on hatching rate of zebrafish embryos
由圖5可知,隨著配合物濃度的增大,斑馬魚胚胎孵化率迅速降低,三者對(duì)胚胎孵化率影響大小依次為配合物Ⅱ>配合物Ⅰ>配合物Ⅲ。配合物Ⅱ在低濃度(3 mg·L-1)時(shí)的孵化率<5%。與配合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ作用的斑馬魚胚胎在72 hpf時(shí)的半致死濃度分別為26.0 mg·L-1、19.5 mg·L-1、28.8 mg·L-1。
綜上所述,3種配合物對(duì)斑馬魚胚胎毒性大小依次為:配合物Ⅱ>配合物Ⅰ>配合物Ⅲ,據(jù)此推測(cè)相對(duì)于配合物Ⅱ,配合物Ⅰ可能因引入一個(gè)L-色氨酸離子配位,生物毒性明顯降低。
合成并表征了一個(gè)新的鋅(Ⅱ)-色氨酸-鄰菲咯啉配合物[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7 H2O(Ⅰ),將其與2種鋅-鄰菲咯啉配合物[Zn(phen)2]Cl2·5H2O(Ⅱ)和[Zn(phen)]Cl2(Ⅲ)進(jìn)行比較研究,結(jié)果表明,L-色氨酸離子的配位明顯增強(qiáng)了配合物Ⅰ與DNA的相互作用,而其毒性較單純以phen配位的配合物Ⅱ要低,這對(duì)高效低毒藥物研發(fā)具有一定的參考意義。
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Studies on Synthesis,DNA Binding Action and Bio-Toxicity of Zn(Ⅱ)-Trp-Phen Complex
LIU Xiang-wei1,YUAN Yong-an1,ZHANG Qian-qian1,LI Ling1,NIU Shu-yan2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China, Qingdao 266100,China;2.College of Chemistry and Molecular Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China)
A novel complex of[Zn(Trp)(phen)2]Cl·7H2O(Ⅰ)(Trp=ion of L-tryptophan,phen= phenanthroline)was synthesized and characterized by elemental analysis,IR spectroscopy and TG-DTA.The interaction of the complex with DNA was investigated by electric absorption spectroscopy,ethidium bromide(EB) fluorescence spectroscopy and agarose gel electrophoresis.The bio-toxicity of the complex on zebrafish embryos was determined.Two known complexes[Zn(phen)2]Cl2·5 H2O(Ⅱ)and[Zn(phen)Cl2](Ⅲ)were chosen to study as comparison reference.The results indicated that the three complexes bond to sperm DNA by different modes,and clove pBR322 DNA in the presence of vitamin C as a reducing regent with the order of the binding ability and cleavage activity:complexⅠ>complexⅡ>complexⅢ.The bio-toxicity of the complexes on zebrafish embryos increased in the order:complexⅡ>complexⅠ>complexⅢ.
Zn(Ⅱ)-Trp-phen complex;sperm DNA;agarose gel electrophoresis;zebrafish embryo
O 614.2
A
1672-5425(2013)03-0031-05
10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.008
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21075073),中國(guó)海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目(SYS200905)
2012-12-17
劉向偉(1984-),女,山東青島人,碩士研究生,研究方向:生物無(wú)機(jī)化學(xué),E-mail:lianbiner@163.com;通訊作者:張前前,教授,E-mail:qqzhang@ouc.edu.cn。