鈷(III)多吡啶配合物與DNA對接性質(zhì)的理論研究

苗青青

(池州學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 池州 247000)

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鈷(III)多吡啶配合物與DNA對接性質(zhì)的理論研究

苗青青*

(池州學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 池州 247000)

摘要：采用密度泛函理論，在真空和溶液中對兩個(gè)鈷多吡啶配合物的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明在溶液中優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好. 以在溶液中優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，運(yùn)用對接軟件Dock 6.0，把這兩個(gè)鈷(III)多吡啶配合物對接到DNA堿基對中，從總體模型上，研究鈷(III)多吡啶配合物與DNA堿基對作用的部位，并詳細(xì)解釋了配合物1與DNA鍵合常數(shù)大于配合物2的原因.

關(guān)鍵詞：鈷多吡啶配合物；電子結(jié)構(gòu)；對接模型

鈷多吡啶配合物對DNA識別及其相互作用性質(zhì)的研究一直受到國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注[1-4]，因?yàn)橛行┾挾噙拎づ浜衔锱cDNA有較強(qiáng)的結(jié)合能力，這些配合物可以用來探索DNA的結(jié)構(gòu)[5]；有些鈷多吡啶配合物在光的照射下能強(qiáng)烈地裂解DNA，可以用來開發(fā)高效DNA光裂解試劑[6]；有些鈷多吡啶配合物在水溶液中不發(fā)光，而在DNA存在下發(fā)出極強(qiáng)的熒光，可以用做DNA分子“光開關(guān)”[7].

為了探索鈷多吡啶配合物與DNA相互作用性質(zhì)，近年來大量的鈷多吡啶配合物被合成，其DNA作用性質(zhì)被表征. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鈷多吡啶配合物與DNA結(jié)合有三種作用方式[5]，即靜電結(jié)合、溝面結(jié)合和插入結(jié)合，其中插入結(jié)合研究者最多，這種結(jié)合方式鈷多吡啶配合物的主配體插入到DNA堿基對中，鈷多吡啶配合物與DNA具有較強(qiáng)的鍵合力，具有這種作用方式的鈷多吡啶配合物往往有較好的DNA相互作用性質(zhì)，盡管實(shí)驗(yàn)上對這種作用方式進(jìn)行大量的研究，其作用細(xì)節(jié)還不清晰，從理論上探索鈷多吡啶配合物與DNA作用方式及作用細(xì)節(jié)，還是一項(xiàng)很有意義的工作，這些研究結(jié)果將為設(shè)計(jì)和合成高效、高選擇性且靶向DNA的鈷多吡啶配合物提供理論參考.

1計(jì)算方法

要研究的鈷多吡啶配合物[8][Co(phen)2HPIP]3+(1)和[Co(phen)2HNAIP]3+(2)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 (phen=1,10phenanthroline， HPIP=2(2-hydroxyphenyl)imidazo[4,5f][1,10]phenanthroline, HNAIP= 2(2hydroxylnaphthyl)imidazo[4,5f][1,10]phenanthroline)，可以看出，這兩個(gè)鈷多吡啶配合物都是由輔助配體(phen)、主配體(HPIP或者HNAIP)和一個(gè)鈷原子(Co)組成變形的八面體. 運(yùn)用Gaussian03量子化學(xué)程序包[9]，在B3LYP/LanL2DZ水平上，在真空中對這兩個(gè)鈷多吡啶配合物進(jìn)行幾何全優(yōu)化，并進(jìn)行了頻率分析，結(jié)果不出現(xiàn)虛頻，表明優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu). 另外，由于鈷原子帶有3個(gè)正電荷，其幾何結(jié)構(gòu)受溶劑效應(yīng)影響較大，為了獲得更準(zhǔn)確的幾何結(jié)構(gòu)，以水作為溶劑，并采用連續(xù)極性導(dǎo)體模型(CPCM)[10]，在B3LYP/LanL2DZ水平上對這兩個(gè)配合物進(jìn)行了優(yōu)化. 為了研究配合物與DNA的相互作用，采用對接軟件Dock 6.0[11]，把在溶液中優(yōu)化得到的兩個(gè)配合物的幾何結(jié)構(gòu)對接到DNA堿基對中(DNA來自于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，entry 454D)，對接盒子邊長設(shè)定為2.0 nm，空間格子步長設(shè)定為0.03 nm，能量缺省值距離為999.9 nm，最大構(gòu)象搜索設(shè)定為2×106圈，其他參數(shù)如無特殊標(biāo)注均采用默認(rèn)值.

圖1　配合物1和2的結(jié)構(gòu)示意圖和原子編號Fig.1　Structural diagrams and atomic labels of the complexes 1 and 2

2結(jié)果和討論

2.1配合物的幾何結(jié)構(gòu)

用密度泛函方法在真空和溶液中分別對這兩個(gè)鈷多吡啶配合物進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果見表1. 由于這兩個(gè)配合物都沒有晶體實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)不能和晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，為了和晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)比較，以有晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的類似配合物[12][Co(phen)3]3+為例，采用相同的計(jì)算水平分別在真空和水溶液中進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果也列于表1，在真空中計(jì)算得到的金屬鈷原子和N原子平均鍵長Co-N為0.198 1 nm，在水溶液中計(jì)算值為0.196 8 nm，而實(shí)驗(yàn)值為0.194 3 nm，說明在水溶液中的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，同時(shí)可以看出，在真空和溶液中的計(jì)算結(jié)果差別較大，這說明溶劑效應(yīng)對帶有三價(jià)正電荷的鈷多吡啶配合物影響較大，對于鈷多吡啶配合物的幾何構(gòu)型優(yōu)化，考慮溶劑效應(yīng)是必要的.

表1　在真空和溶液中計(jì)算得到的配合物1和2的鍵長(nm)、鍵角(°)和二面角(°)

aCo-Nm表示鈷原子和主配體(HPIP或者HNAIP )上氮原子之間的平均鍵長, Co-Nco表示鈷原子和輔助配體(phen)上氮原子之間的平均鍵長；bC-C(N)m表示主配體骨架平均鍵長，C-C(N)co表示輔助配體骨架平均鍵長；cθm表示鈷原子和主配體上兩氮原子之間的平均配位鍵角，θco表示鈷原子和輔助配體上兩氮原子之間的平均配位鍵角；β表示二面角N1-C2-C3-C4；“*”表示在溶液中優(yōu)化.

對于配合物1和2，從溶液中優(yōu)化的結(jié)果可以看出，鈷原子和氮原子之間的平均鍵長、鈷原子和兩氮原子之間的平均鍵角、主配體和輔助配體上的平均鍵長都變化不大，在溶液中優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)，配合物1和2主配體上的二面角N1-C2-C3-C4分別為0.3°和24.3°，說明配合物1主配體的平面性好于配合物2主配體的平面性.

2.2配合物與DNA的對接性質(zhì)

采用對接軟件Dock6.0，把配合物1和2在溶液中優(yōu)化得到的幾何結(jié)構(gòu)對接到DNA堿基對中，對接結(jié)果見圖2. 從圖2可以看出，配合物1和2的主配體都從DNA的大溝插入到DNA的堿基對中，這與實(shí)驗(yàn)上測得的這兩個(gè)配合物都以插入的方式與DNA結(jié)合是一致的[8].

配合物1和2的平均能量得分值分別為-75.35和-74.87 kcal·mol-1，表明配合物1與DNA結(jié)合后穩(wěn)定性好于配合物2，即配合物1與DNA結(jié)合能力強(qiáng)于配合物2，這與實(shí)驗(yàn)上測得配合物1和2與DNA的鍵合常數(shù)相一致，即Kb(1, 4.1×105L/mol) >Kb(2, 1.8×105L/mol)[8].

配合物1與DNA鍵合力強(qiáng)于配合物2的主要原因可能是配合物2的主配體平面性較差，造成配合物2的主配體插入到DNA堿基對之間時(shí)受到的阻力較大，從而導(dǎo)致配合物2的主配體插入到DNA堿基對之間的深度不夠，因此配合物1與DNA結(jié)合力強(qiáng)于配合物2.

圖2　配合物1和2的DNA對接模型Fig.2　DNA-docking models of complexes 1 and 2

3結(jié)論

對兩個(gè)鈷(III)多吡啶配合物[Co(phen)2HPIP]3+和[Co(phen)2HNAIP]3+進(jìn)行了理論研究. 首先，對這兩個(gè)鈷(III) 多吡啶配合物在真空和溶液中進(jìn)行優(yōu)化，在水溶液中優(yōu)化得到的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)值吻合較好，而在真空中優(yōu)化得到的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)值偏離較大，說明水溶劑效應(yīng)對這類鈷多吡啶配合物的幾何結(jié)構(gòu)影響較大. 其次，用對接軟件Dock6.0，把配合物1和2在溶液中優(yōu)化得到的幾何結(jié)構(gòu)對接到DNA堿基對中，結(jié)果表明，配合物1和2的主配體都能插入到DNA堿基對之間，說明配合物1和2都以插入的方式與DNA結(jié)合，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好. 最后，根據(jù)對接模型，解釋了配合物1和2與DNA鍵合強(qiáng)或者弱的原因.

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[責(zé)任編輯：吳文鵬]

Theoretical study on docking properties of cobalt (III) polypyridyl complexes with DNA

MIAO Qingqing*

(CollegeofMaterialsandChemicalEngineering,ChizhouUniversity,Chizhou247000,Anhui,China)

Abstract:Full geometry optimizations of two polypyridyl complexes have been carried out in vacuum and in aqueous solution using the density functional theory (DFT). The results show that the optimized geometric structures in aqueous solution are in considerable agreement with the experimental results. On the basis of the DFT optimized ground geometry in aqueous solution, the two Co(III) polypyridyl complexes were docked with DNA base pairs using docking software Dock 6.0. The interaction sites on DNA of these complexes were deeply studied based on the whole DNA-complex model and the trend in DNA-binding affinities, i.e., Kb(1) > Kb(2), was reasonably explained.

Keywords:Co(Ш) polypyridyl complex； electronic structure； docking model

文章編號：1008-1011(2016)02-0161-04

中圖分類號：O641.121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：苗青青(1995-)，女，本科生，主要從事生物無機(jī)理論化學(xué)研究. *通訊聯(lián)系人，E-mail: qingqmiao@126.com.

收稿日期：2016-02-19.