銅與煙酸和8-羥基喹啉配合物的電化學(xué)行為及與DNA的相互作用

李小芳，馮小強(qiáng)*，馬 樂(lè)，楊 聲，朱元成

(1.天水師范學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741001；2.定西師范高等?？茖W(xué)校，甘肅定西 743000)

目前，對(duì)于設(shè)計(jì)合成具有低污染和高靈敏、高選擇性的新型過(guò)渡金屬配合物的DNA結(jié)構(gòu)探針、DNA 斷裂劑、化學(xué)核酸酶和殺菌劑已逐漸成為生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)[1 - 3]。煙酸也稱作維生素B3，是人體必需的13種維生素之一，在人體內(nèi)參與有機(jī)物的氧化還原作用，促進(jìn)新陳代謝，可以合成許多復(fù)方、高效和無(wú)毒的藥物，臨床上用于治療頭痛、偏頭痛、耳鳴、內(nèi)耳眩暈癥等，和過(guò)渡金屬配位后形成的配合物具有很好的抗菌抑菌活性[4]。銅作為一種微量生命元素，對(duì)生命體的生命過(guò)程起著非常重要的作用，已報(bào)道了銅配合物和銅鹽的混合物可以有效地抑制癌細(xì)胞增殖，并誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，并且銅配合物的抗癌藥性優(yōu)于順鉑類抗癌藥物[5,6]。煙酸和銅在醫(yī)學(xué)營(yíng)養(yǎng)等方面都具有一定的重要性，因此選擇具有生理活性的配體煙酸與銅形成配合物在生物無(wú)機(jī)化學(xué)和醫(yī)藥方面都具有重要意義。

本文以8-羥基喹啉、煙酸為配體制備了三元銅配合物Cu(Hq)NA)0.5(Hg=8-羥基喹啉,NA=煙酸)，采用循環(huán)伏安法研究了配合物的電化學(xué)行為，同時(shí)還采用紫外吸收光譜、差分脈沖伏安和DNA粘度滴定實(shí)驗(yàn)，從分子水平研究了配合物與鯡魚(yú)精DNA的鍵合方式，希望為設(shè)計(jì)合成作為DNA分子器件的配合物和具有應(yīng)用前景的高效、低毒、抗菌、抗腫瘤藥物提供一定的科學(xué)研究基礎(chǔ)及理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

UV-2450紫外可見(jiàn)光譜儀(日本，島津公司)；CHI660B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)。

煙酸(生化試劑，中國(guó)醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司)，8-羥基喹啉(分析純，上海中秦化學(xué)試劑有限公司)，鯡魚(yú)精DNA(Sigma公司產(chǎn)品)，其它試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 配合物的合成

稱取0.37 g煙酸溶于30 mL無(wú)水乙醇中，在攪拌下加入0.24 g NaOH，于溫度50 ℃水浴加熱攪拌10 min后，在上述溶液中逐次加入0.48 g無(wú)水CuSO4和15 mL含0.44 g 8-羥基喹啉的無(wú)水乙醇溶液，即刻有沉淀析出，50 ℃下繼續(xù)反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，將沉淀抽濾烘干，得銅與8-羥基喹啉和煙酸的配合物。Cu2+含量采用EDTA滴定法測(cè)定，結(jié)合元素分析結(jié)果(括號(hào)內(nèi)為理論值/%)：Cu 23.0(23.79)，C 53.62(53.53)，H 3.31(3.34)，N 7.94(7.81)，確定配合物分子式為Cu(Hq)(NA)0.5(Hq=8-羥基喹啉，NA=煙酸)。在25 ℃，濃度為1.0×10-3mol·L-1配合物的DMF溶液中，測(cè)定了配合物的摩爾電導(dǎo)為10.8 S·cm2·mol-1，表明配合物在DMF中不電離，以中性分子形式存在。紅外光譜：KBr壓片法，vasCOO-(1 604 cm-1),vsCOO-(1 382 cm-1)，δO-H(1 282 cm-1,1327 cm-1)，δC-O(1112 cm-1),δCu-N(521 cm-1)，δCu-O(406 cm-1)。紫外光譜：以DMF作為溶劑和參比，Hq(λ1=256 nm，ε1=2 236 L·mol-1·cm-1;λ2=317 nm，ε2=1 500 L·mol-1·cm-1)，NA(265 nm，ε=1 758 L·mol-1·cm-1)，配合物(λ1=265.5 nm，ε1=2560 L·mol-1·cm-1;λ2=412 nm，ε2=1 258 L·mol-1·cm-1)。

1.3 配合物與鯡魚(yú)精DNA的作用

采用三電極系統(tǒng)：工作電極為玻碳電極，參比電極為飽和甘汞電極，對(duì)電極為鉑絲電極，微分脈沖伏安測(cè)試掃描電位區(qū)間-1～ 0.6 V,平衡時(shí)間10 s,脈沖高度50 mV,脈沖寬度0.05 s，階躍電位4 mV。

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程[7,8]為：參比池和樣品池中分別加入等體積的DMF和配合物溶液，依次用等量的DNA滴定樣品池和參比池，相互作用5 min后在190～600 nm范圍掃描紫外-可見(jiàn)吸收光譜；固定DNA濃度為0.1 mg/mL，以不同的R(配合物c/cDNA)加入配合物，在25 ℃下作用30 min進(jìn)行測(cè)量，得到(η/η0)1/3與配合物濃度關(guān)系。η為DNA溶液在加入配合物時(shí)的粘度，η0為DNA溶液的粘度。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物的循環(huán)伏安行為

在-1.2～0.6 V電位范圍內(nèi)掃描，兩種配體在玻碳電極表面沒(méi)有任何電化學(xué)信號(hào)，屬于非電化學(xué)活性物質(zhì)，而在相同條件下配合物在玻碳電極表面有電化學(xué)響應(yīng)，在循環(huán)伏安圖上呈現(xiàn)出明顯的氧化還原峰，如圖1所示。當(dāng)掃描速率為1.0 V·s-1，循環(huán)伏安掃描時(shí)配合物在峰電位0.41 V處觀察到氧化峰，反向掃描時(shí)在0.15 V和-0.50 V處出現(xiàn)兩個(gè)靈敏的還原峰，說(shuō)明Cu2+在電極上先被還原為Cu+，Cu+繼續(xù)被還原為單質(zhì)Cu。表明配合物在此電位范圍內(nèi)為電化學(xué)活性物質(zhì)，可認(rèn)為Cu2+為配合物的電化學(xué)活性組分的中心，其電極反應(yīng)則對(duì)應(yīng)于配合物中Cu2+隨外加電位變化而發(fā)生的電子遷移過(guò)程。

圖2顯示不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線，配合物的還原峰電位Epc及氧化峰電位Epa隨掃描速度的增加分別發(fā)生負(fù)移和正移，還原峰電流Ipc及氧化峰電流Ipa隨掃描速度的增加呈增加趨勢(shì)，并且與掃描速度成正比，其線性回歸方程為：Ipa(10-6A)=1.50+18.81v(R=0.994)，Ipc(10-6A)=-7.12-45.02v(R=0.998)，表明中心Cu2+在電極上的反應(yīng)過(guò)程主要由吸附過(guò)程控制。

2.2 配合物與DNA的作用方式

2.2.1紫外光譜法DNA對(duì)配合物紫外吸收光譜的影響如圖3所示，配合物在268 nm和412 nm的特征吸收峰在加入DNA后吸收峰減色顯著，這是由于配合物的π→π*躍遷被擾動(dòng)的結(jié)果，同時(shí)峰位發(fā)生明顯的藍(lán)移，這些信息說(shuō)明了配合物與DNA發(fā)生了相互作用。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[9]，當(dāng)小分子以嵌插方式結(jié)合于DNA雙螺旋堿基對(duì)之間時(shí)，其吸收光譜表現(xiàn)出減色效應(yīng)；當(dāng)小分子以靜電方式結(jié)合于DNA時(shí)，其吸收光譜表現(xiàn)出增色效應(yīng)。因此，認(rèn)為Cu(Hq)(NA)0.5配合物與DNA之間的相互作用應(yīng)以嵌插方式為主。

2.2.2粘度法粘度法被認(rèn)為是在缺乏晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)情況下確定配合物與DNA鍵合模式最有力的證據(jù)之一。DNA相對(duì)比粘度隨配合物加入量的變化如圖4所示：隨著配合物加入量的增加，DNA溶液的相對(duì)比粘度逐漸增大。由此推測(cè)配合物以嵌插方式與DNA作用[12]。

2.2.3差分脈沖法差分脈沖法的靈敏度高、分辨能力強(qiáng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證前面的研究結(jié)論，采用差分脈沖伏安法研究配合物與DNA的作用方式。如圖5所示，配合物在0.29 V處峰電流為-1.11×10-5A，當(dāng)逐漸加入DNA 后，配合物的峰電流降低，峰電位發(fā)生正移，當(dāng)加入的配合物與DNA的摩爾濃度比為20時(shí)，峰電流降低至-3.94×10-6A，峰電位正移至0.39 V處。峰電位的移動(dòng)可以作為判斷DNA與電化學(xué)活性分子作用模式的依據(jù)之一。如果配合物與DNA之間的作用方式是插入結(jié)合，將會(huì)引起其峰電位正移，同時(shí)導(dǎo)致反應(yīng)活性分子的相對(duì)摩爾質(zhì)量和黏度增大，從而使得擴(kuò)散速度減慢，氧化還原峰電流減小。這證實(shí)了配合物以插入方式與DNA結(jié)合[13]。差分脈沖伏安圖表明配合物與DNA以嵌插作用發(fā)生了相互作用而生成了非電活性的復(fù)合物。

3 結(jié)論

配合物的循環(huán)伏安圖上呈現(xiàn)明顯的氧化還原峰，峰電流隨掃描速度的增加呈增加趨勢(shì)，并且與掃描速度成正比，配合物在電極上的反應(yīng)主要由吸附過(guò)程控制。配合物的吸收峰強(qiáng)度隨著DNA的加入減色顯著，氧化還原峰電流也隨之減小，式量電位發(fā)生正移； DNA的相對(duì)比粘度隨配合物的加入而增大。結(jié)果表明配合物與DNA通過(guò)嵌插方式發(fā)生作用。