【正文】 DNA 雙螺旋扭結(jié)，以至于 DNA 雙螺旋長(zhǎng)度減少，進(jìn)而導(dǎo)致 DNA 溶液黏度減小。 26 圖 27 魚精 DNA 及配合物 [Pd(Ltyr)2] 圖 27 魚精DNA 及配合物 [Pd(Ltyr)2] 一方面根據(jù) DNA 在 260nm 處的吸收提供有關(guān)結(jié)構(gòu)信息，另一方面對(duì)一些本身沒有 CD 信號(hào)，但與 DNA 結(jié)合后能產(chǎn)生誘導(dǎo) CD 信號(hào)的分子，可獲得一定的有關(guān)其結(jié)構(gòu)的間接信息。H2O 熒光光譜的影響 三、圓二色光譜法 圓二色光譜 (CD)以高頻變換的左旋或右旋偏振光作為入射光，為有機(jī)化合物的絕對(duì)構(gòu)型、構(gòu)象和反應(yīng)機(jī)理的研究提供了很多信息，是目前研究有機(jī)化合物和 生物大分子的構(gòu)型、構(gòu)象和三維空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)有力的工具，可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)構(gòu)象己知的生物大分子構(gòu)象變化過程。 a 為 配合物的熒光光譜， be 為 向配合物的溶液中滴加 DNA的熒光光譜 , 由圖可看 出 隨 DNA 量的增加，配合物熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這是由于配合物插入 DNA 后， DNA 堿基對(duì)的疏水環(huán)境對(duì)配合物熒光發(fā)光具有保護(hù)作用，從而證明配合物與 DNA 發(fā)生了 嵌插作用。 圖 25 為 溴化乙錠的結(jié)構(gòu)圖，圖 26 為我們合成的鈀 (Ⅱ )聯(lián)喹啉 丙二酸 [Pd(biqu)(mal) ] 另外， I和 [Fe（ CN）4]4都是典型的熒光猝滅劑，通過考察它對(duì)小分子熒光的猝滅作用可判斷小分子與 DNA 的作用方式。當(dāng)有能與其競(jìng)爭(zhēng)插入 DNA 的配合物存在時(shí)， EB 會(huì)被配合物從 DNA中擠出來(lái)，而體系的熒光強(qiáng)度減弱。可根據(jù)兩者相互作用前后熒光強(qiáng)度的變化判斷小分子與 DNA 的作用 模式。5H2O 及 [Pd(NO2phen)(trp) ]Cl5H2O 與 DNA 相互作用的紫外光譜圖，配合物與 DNA 發(fā)生后發(fā)生紅移和減色效應(yīng)，證明與 DNA 發(fā)生了嵌插作用。 如圖 24 所示， 我們課題組合成 的 [Pd(phen)(trp)]Cl與 DNA 發(fā)生插入作用后的配合物，插入配體與 DNA 堿基對(duì)間發(fā)生π電子堆積后，配合物的配體共軛性加強(qiáng)，產(chǎn)生紅移現(xiàn)象，紅移程度反映出插入能力的大小。當(dāng)金屬配合物嵌插如 DNA 堿基對(duì)中，即發(fā)生插入作用時(shí)，將會(huì)發(fā)生減色效應(yīng)，這是因?yàn)?DNA 堿基對(duì)與插入配體間發(fā)生π電子嘴積，使后者的π *空軌道上也有一定的電子填充，從而使MLCT 躍遷的幾率減少。 Ⅰ 對(duì)于 DNA 的吸收光譜來(lái)說(shuō)，如導(dǎo)致構(gòu)象變化，則產(chǎn)生減色效應(yīng)和紅移現(xiàn)象，且作用越強(qiáng)減色效應(yīng)越明顯；如導(dǎo)致 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的破壞，則產(chǎn)生增色效應(yīng) 。 圖 23 cis[Pt(NH3)2]離子與 DNA 片段分子 d(GGAGACCAGAGG)（上圖）和（ dpGpG）（下圖）形成的鏈內(nèi)加合物晶體結(jié)構(gòu) 23 第二節(jié) 配合物與 DNA 作用的研究手段 為探討 DNA 與金屬配合物間的相互作用及作用機(jī)理，許多研究方法和技術(shù)被引入此研究領(lǐng)域。小分子與特定堿基作用并形成加合物，使 DNA 雙鏈解旋并彎曲。 圖 22 手性配合物的分子結(jié)構(gòu)圖 二、 共價(jià)結(jié)合 共價(jià)結(jié)合包括與 親核試劑的作用和與親電試劑的反應(yīng)。當(dāng)與左手螺旋的 Z 型 DNA作用時(shí)，情況剛好相反，∧型配合物優(yōu)先與其發(fā)生嵌插作用，△型配合物由于手性不能匹配，未能插入。當(dāng)小分子嵌入 DNA 堿基對(duì)后，有的可能抑制 DNA 復(fù)制與轉(zhuǎn)錄功能，有的則在經(jīng)過進(jìn)一步活化后使 DNA 斷裂受損而影響其功能。它是以平面或幾乎平面的芳香雜環(huán)嵌入 DNA 的堿基對(duì)中如圖 （ 3） 。 溝內(nèi)結(jié)合的小分子就是這樣選擇性的作用于 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)中 AT 較為豐富的片段，通過氫鍵、范德華力等作用，非嵌入性地捆縛住 DNA，從而阻止 DNA的模版復(fù)制，起到抗病毒、抗腫瘤的作用。大、小溝區(qū)在電勢(shì)能、氫鍵特征、立體效應(yīng)、水合作用上都有很大的不同。有些小分子與 DNA 的靜電作用隊(duì)其與 DNA 間的嵌插作用起重要的穩(wěn)定作用。 圖 21 DNA 與小分子的非共價(jià)結(jié)合的三種模式 (1)外部靜電結(jié)合 核酸是一個(gè)高度帶電的聚合電解質(zhì)，它的陰 離子磷酸根部分強(qiáng)烈地影響DNA 的構(gòu)象及其反應(yīng)。 一、非共價(jià)結(jié)合 非共價(jià)結(jié)合包括靜電力結(jié)合、溝內(nèi)結(jié)合和嵌插結(jié)合，如圖 21 所示。 20 第一節(jié) 配合物與 DNA 的作用方式 核酸由平行 堆積 的堿基、聚合的陰離子磷酸 骨架以及兩 條有核苷酸鏈形成的大溝、小溝組成了配合物 分子識(shí)別的位點(diǎn)。 因此，金屬配合物和大分子 DNA 相互作用研究來(lái)探索 DNA 的結(jié)構(gòu)與功能，將有助于人們從分子水平上了解生命現(xiàn)象的本質(zhì)，并從基因水平上理解癌癥、遺傳病、艾滋病等疾病的發(fā)病機(jī)理和藥物作用機(jī)理，從而使通過分子設(shè)計(jì)尋找有效的治療藥物成為可能。 BDNA 的疏水型堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，具有親水性的磷酸二酯鍵形成多聚核苷酸為主鏈外側(cè)，由于 ZDNA 中堿基鳥嘌呤的 C8 和 N7 暴露于雙螺旋的外側(cè)，受保護(hù)程度小，容易受化學(xué)致癌劑攻擊而引起化學(xué)反應(yīng)，因此， ZDNA 可能與突變、基因表達(dá)和調(diào)控有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)能夠解釋許多特征生命現(xiàn)象，引起世界各國(guó)科學(xué)家的高度重 視。而且，科學(xué)家們還在兔血中證實(shí)了左手螺旋 DNA 即Z 型 DNA 的存在，生物體中 BDNA 和 Z 型 DNA 之間存在一定平衡狀態(tài)。 19 第二章 金屬配合物與 DNA 相互作用的研究 眾所周知， 核酸是生物體重要的遺傳物質(zhì)、遺傳信息的攜帶者和基因表達(dá)的物質(zhì)基礎(chǔ)，它在生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁衍等活動(dòng)中起著 十分重要作用。在這一類金屬蛋白質(zhì)中，金屬與蛋白質(zhì)之比為一恒定常數(shù)，金屬與蛋白質(zhì)組成一個(gè)穩(wěn)定的配合物。金屬離子和蛋白質(zhì)形成配合物后，金屬可影響蛋白質(zhì)電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能力，并對(duì)蛋白質(zhì) 的結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作 18 用。 圖 114 L酪氨酸與銅離子、鈀 離 子形成的配合物 肽與金屬離子配位時(shí)，除末端氨基 、羧基和氨基酸殘基側(cè)鏈的某些基團(tuán)可作為配位基團(tuán)外，肽鍵中羰基和亞氨基也可能參與配位，一般金屬 蛋白質(zhì)配合物的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。 Z 型 DNA 為左手螺旋，它的堿基序列特點(diǎn)是嘌呤和嘧啶交替伸展，沒有明顯的大溝、小溝之間的差異。 A 型 DNA 也是右手螺 旋結(jié)構(gòu)，但堿基中的糖環(huán)取 C3180。 DNA 中最常見的結(jié)構(gòu)為 B 型，它的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是； ①右手螺旋結(jié)構(gòu)；②分子以大溝和小溝交替纏繞；③平行的堿基對(duì)之間平均距離為；④堿基中糖環(huán)采取 C2180。 DNA 的構(gòu)型 DNA 的主要結(jié)構(gòu)形式有 B 型、 A 型和 Z 型。除了上述鏈狀結(jié)構(gòu)外，生物體普遍采取雙鏈環(huán)型 DNA 的形式。第三種力是磷酸殘基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子之間的形成的離子鍵，因?yàn)樵谏?pH 條件下， DNA 帶有大量負(fù)電荷，如果沒有陽(yáng)離子與它成鍵，由于自身不同部位的負(fù)電荷間的排斥作用，將使DNA 非常不穩(wěn)定。 DNA 分子中堿基層層堆積，在 DNA 分子內(nèi)部形成了一個(gè)疏水環(huán)境，從而促使 互補(bǔ)堿基對(duì)間形成氫鍵。雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有 10 個(gè)堿基對(duì)，因而每轉(zhuǎn)的高度為 34 197。糖環(huán)平面與螺旋軸基本平行，磷酸基連在糖環(huán)的外側(cè)。由于堿基對(duì)的大小基本相同，所以無(wú)論堿基序列如何，雙螺旋 DNA 分子整個(gè)長(zhǎng)度的直徑相同，螺旋直 徑為 2nm。 1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?PPPPP1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?PPPPPAGCTTCGC 圖 111 DNA 雙螺旋的兩條鏈 （ 2）兩條鏈上的堿基均在主鏈的內(nèi)側(cè)，一條鏈上的 A 一定與另一條鏈上的 T 配對(duì)， G 一定與 C 配對(duì)，其間距離剛好與雙螺旋的直徑吻合。末端相對(duì)（如圖 111）。其要點(diǎn)： （ 1） DNA 分子是由兩條方向相反的平行多核苷酸鏈構(gòu)成的，一條鏈 5180。末端。另外，由于所有核苷酸間的磷酸二酯鍵有相同的走向， RNA 和 DNA 鏈都有 特殊的方向性，而每條線形核酸鏈都有一個(gè)5180。磷酸二脂鍵，由相間排列的戊糖和磷酸構(gòu)成核酸大分子的主鏈，而代表其特性的堿基則可以看成是有次序地連接在主鏈的側(cè)鏈基團(tuán)。因此，核苷酸間的連接 鍵是 3180。羥基和相鄰核苷酸的戊糖上 5180。研究證明 DNA 和 RNA 都是沒有分支的多核苷酸長(zhǎng)鏈。 OO HH 2 C1 ?1NNN H 2OOO OO P5 ? 圖 19 5180。— 和 5180。— ， 5180。核糖核苷酸的糖環(huán)上有三個(gè)自由羥基，能形成 2180。常見的核糖核苷有四種：腺嘌呤核苷（ A）、鳥嘌呤核苷（ G）、胞嘧啶核苷（ C）、尿嘧啶核苷（ U）；常見的脫氧核糖核苷有四種：腺嘌呤脫氧核苷（ dA）、鳥嘌呤脫氧核苷（ dG）、胞嘧啶脫氧核苷（ dC）、胸腺嘧啶脫氧核苷（ dT）； 腺嘌呤 Ade 鳥嘌呤 Gua 胞嘧啶 Cyt 胸腺嘧啶 Thy 尿嘧啶 Ura 嘧啶 嘌呤 12 核苷酸 核苷中的戊糖上羥基與磷酸酯化后就形成核苷酸。 X射線結(jié)構(gòu)分析證實(shí)，核苷的堿基與糖環(huán)平面相互垂直，如圖 18 為腺嘌 呤核苷酸和胞嘧啶核苷酸的結(jié)構(gòu)。）通常與嘌呤堿的第 9 個(gè)氮原子或嘧啶堿的第 1 個(gè)氮原子相連。 磷酸 核酸 核苷酸 （堿基 戊糖 磷酸） 核苷酸 （堿基 戊糖） 嘌呤和嘧啶 （堿基） 核糖或脫氧核糖 （戊糖） 11 NNNHN NNNHNNH2 NHNNHNONH2 NN NNHNH2O NHNHOO NHNHOO 圖 17 嘌呤堿和嘧啶堿 核苷 核苷由堿基和核糖或脫氧核糖縮合而成。 RNA 主要含胞嘧啶和尿嘧啶，大多數(shù) DNA 也含胞嘧啶，但不含尿嘧啶而以胸腺嘧啶代之。它們所含的兩種嘌呤堿完全相同，即腺嘌呤和鳥嘌呤?！?。核酸分子中的戊糖都是β D型， RNA 含 D核糖， DNA 含 D2脫氧核糖，兩者不同之處在于核糖的第二個(gè)碳原子上羥基甲基化。每個(gè)核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。 一、 核酸的化學(xué)組成與分類 核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。 2020 年，美、英、日、法 、 德和中國(guó)科學(xué)家宣布共同完成了人類基因組序列的測(cè)試工作，這是繼發(fā)現(xiàn)DNA 結(jié)構(gòu)后生命科學(xué)中的又一里程碑，標(biāo)志著人類基因組時(shí)代的到來(lái)。 1975 年 Berg 建立了 DNA 體外重組技術(shù) — 基因工程，使核酸的研究取得了迅猛的發(fā)展，并逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用 。 1943 年 Avery 通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證 明了 DNA是重要遺傳物質(zhì) ，第一次向人們展示了 DNA 的生理功能 。范德華力是指分 子間非極性基團(tuán)的偶極與偶極之間的相互作用，以及極性基團(tuán)的偶極與偶極之間的相互作用。疏水鍵是指多肽鏈上疏水性較強(qiáng)的氨基酸如纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等具有芳環(huán)或雜環(huán)等疏水側(cè)基可以避開水而相互聚集在一起，形成孔穴，對(duì)維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)起著重要作用。而維持蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象的作用力主要是非共價(jià)鍵作用，包括氫鍵、鹽鍵、疏水鍵范德華力等。亞基單獨(dú)存在，無(wú)生物活性或活性很小，只有通過亞基相互聚合成四級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，蛋白質(zhì)才是具有完整的生物活性。這些肽鏈相互以非共價(jià)聯(lián)結(jié)成一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的單位，這種肽鏈就稱為該蛋白質(zhì)的亞基。蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈上的所有原子在三維空間的分布。在 β折疊結(jié)構(gòu) 中，所有肽鏈均參與構(gòu)成鏈間的氫鍵，并且氫鍵與肽鏈長(zhǎng)軸接近垂直 。 β折疊結(jié)構(gòu) 在 β折疊結(jié)構(gòu) 中，肽鏈采取較伸展的形式，各條肽鏈的長(zhǎng)軸平行，相鄰肽鏈之間借助氫鍵連接成如圖 14 的片狀結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)多肽鏈能否形成 α螺旋 結(jié)構(gòu)以及形成 的螺旋體是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和序列有直接關(guān)系。螺旋體內(nèi)氫鍵形成示意圖如下： H C C OH NR 3NHCO α螺旋 結(jié)構(gòu)有左手螺旋和右手螺旋兩種，天然蛋白質(zhì)的 α螺旋 絕大多數(shù)為右手螺旋。氫鍵是由每個(gè)氨基酸殘基的 NH 與前面隔三個(gè)氨基酸殘基的 C=O 形成的。螺旋上升時(shí)，每個(gè)殘基沿軸旋轉(zhuǎn) 100176。 α螺旋 結(jié)構(gòu) 其要點(diǎn)如下：① α螺旋 結(jié)構(gòu)中，每隔 個(gè)氨基酸殘基，螺旋上升 1 圈。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈盤曲折疊方式。它可以使兩條肽鍵共價(jià)交聯(lián)，或使一條肽鏈的某一部分成環(huán)。肽鏈中的氨基酸已不是原來(lái)完整的分子，而是具有C HRH N CO 結(jié)構(gòu)的氨基酸殘基 。它們對(duì)維持蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)和行使 蛋白質(zhì)功能都起著重要作用。下圖為蛋白質(zhì)中多肽鏈一個(gè)片斷的結(jié)構(gòu)通式，表示氨基酸的種類、連接方式和排列順序。二級(jí)以上是指空間結(jié)構(gòu)。 一、 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分為四級(jí)