山梨酸-1,10-邻菲啰啉稀土配合物的合成、表征及与DNA的相互作用

·化学与化学工程·

山梨酸-1,10-邻菲啰啉稀土配合物的合成、表征及与DNA的相互作用

李小芳1,冯小强1,杨声2，朱元成1

(1.天水师范学院 生化学院,甘肃 天水741001；2.定西师范高等专科学校,甘肃 定西743000)

摘要：以山梨酸(SA)和1,10-邻菲啰啉(phen)为原料合成三元稀土配合物,利用摩尔电导、紫外光谱、红外光谱、元素分析和热重分析测试手段对其进行表征,确定配合物的组成为 [Eu(Phen) (SA)2]·2H2O和[Sm(Phen) (SA)3]。此外,通过紫外光谱和黏度的测定,研究了配合物与鲱鱼精DNA(hs-DNA)的作用机制。结果发现:配合物的最大吸收峰明显红移,产生减色效应;随着配合物加入量的增加,DNA溶液的相对比黏度增大。这些信息都表明，配合物与DNA之间的作用机制属于嵌插作用。通过计算两种配合物分别与DNA的结合比、结合常数以及热力学参数,表明这两种配合物与DNA之间的反应是由熵驱动而自发进行。

关键词：山梨酸;1,10-邻菲啰啉;稀土;鲱鱼精DNA;相互作用

收稿日期：2014-05-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51063006)；天水师范学院“青蓝”人才工程和中青年教师科研基金资助项目(TSA1305/TSA1307)

作者简介：李小芳,女,甘肃甘谷人，从事天然高分子及稀土有机配合物功能活性研究。

通讯作者：冯小强,男,甘肃华亭人,从事多元有机稀土配位研究。

中图分类号：O629.74

Synthesis, characterization of rare earth complexes with sorbic

acid and 1,10-phenanthroline the and interaction with DNA

LI Xiao-fang1, FENG Xiao-qiang1， YANG Sheng2， ZHU Yuan-cheng1

(1.College of Life Science and Chemistry, Tianshui Normal University, Tianshui 741001, China;

2.Dingxi Teachers′College, Dingxi 743000， China)

Abstract:Rare earth complexes of sorbic acid (SA) and 1,10-phenanthroline (phen) were synthesized and characterized by elemental analysis, molar conductance, IR, UV-Vis and TG-DTA methods. The compositions of the complexes were confirmed to be [Eu(Phen) (SA)2]·2H2O and [Sm(Phen) (SA)3]. In addition, the interactions between complex and herring sperm DNA have been investigated by electronic absorption spectroscopy and viscosity measurements. The results showed that the absorption peaks are redshifted and the intensity is weakened, at the same time, the complex can increase the relative viscosity, which indicated that the intercalation mode between the complex and DNA is proved to exist. The combining ratios, binding constants and a series of the corresponding thermodynamic parameters were calculated, showing that the interaction between complexes and DNA was spontaneous and driven mainly by entropy.

Key words: sorbic acid; 1,10-phenanthroline; rare earth; herring sperm DNA; interaction

许多抗病毒、抗癌、防癌、治癌的药物,都是通过与癌细胞DNA发生作用,破坏其结构而影响基因调控与表达功能,从而表现出抗癌活性,即药物在生物体内都是以DNA为标靶而发挥活性的。目前,由于对抗癌药物与 DNA 作用机理的阐述不够透彻、研究手段不够全面,需要研究者进行更多深入研究。自从研究者发现1,10-邻菲啰啉-铜配合物在还原剂存在的条件下能有效切割DNA,对1,10-邻菲啰啉配合物的研究便层出不穷。基于山梨酸能有效地抑制细菌的活性,还能防止有害微生物的生长和繁殖,常用来做霉菌和酵目菌的抑制剂、食品防霉剂、杀菌剂等，同时考虑到稀土及其配合物的杀菌活性、抗炎性、抗癌[1-3],笔者首次以山梨酸、1,10-邻菲啰啉为配体,合成了以N性离子铕和钐为中心的稀土配合物,通过紫外吸收光谱和黏度的测定,研究了配合物与鲱鱼精DNA之间的作用。该项研究为低毒特效抗癌药物的设计、体外筛选、寻找新的抗癌药物提供理论依据。

1实验

1.1药品和仪器

鲱鱼精DNA(Sigma公司产品),SmCl3，EuCl3(甘肃稀土新材料有限公司)。DDS-307型电导率仪(上海雷磁);Vario EL Ⅲ型元素分析仪(德国Elementar);UV-2450紫外可见光谱仪(日本岛津公司);Spectrum One傅里叶红外光谱仪(美国Perkin Elmere公司);TG-DTA分析仪(美国Perkin Elmere公司)。

1.2配合物的合成

在5 mmol用乙醇溶解的山梨酸中,加入4 mmol/L的NaOH溶液,调体系的pH值6.0-6.5后,继续加入0.3 g配体1,10-邻菲啰啉,于60 ℃水浴中加热搅拌10min,缓慢滴加5 mmol EuCl3或SmCl3的乙醇溶液,继续加热回流6 h。之后过滤沉淀,洗涤数次,干燥至恒重。

1.3配合物与鲱鱼精DNA的作用

紫外吸收光谱实验过程参看文献[4];黏度测定实验过程参看文献[5]。

2结果与讨论

2.1配合物的表征

Eu配合物实验值(%，质量分数):Eu,28.35;C,40.38; N,5.31。计算值(%，质量分数):Eu,28.36;C,40.30;N,5.22。Sm配合物实验值(%，质量分数):Sm,30.40;C,43.38; N,5.64。计算值(%，质量分数):Sm,30.12;C,43.37;N,5.62。室温下,测得Eu配合物和Sm配合物在二甲亚砜(DMSO)中的摩尔电导率分别为11.4 S·cm2/mol和12.1 S·cm2/mol, 由此推测合成配合物为非电解质[6]。

配体phen在270 nm和324 nm有两个吸收峰,而与稀土离子形成配合物后峰位红移至271 nm和336 nm附近,同时在379 nm和385 nm处还产生新的两个吸收峰,并且发现吸收峰强度比游离配体更宽更强,表明phen和山梨酸这两种配体与稀土离子配位成键形成了新的配合物,数据如表1所示,这可能是由于配合物中芳环数目增多,分子共平面性增大所致[7]。

由表2可知，山梨酸钠盐的(COO-)反对称伸缩振动和对称伸缩振动分别位于1 606 cm-1和1 415 cm-1,Δυ值为191 cm-1。当形成配合物后,Δυ值为179 cm-1,表明山梨酸的羧基以双齿配位方式存在[8]。phen在1 424，1 506和1 364 cm-1处出现的特征吸收峰,形成配合物后均向高波数移动,表明phen以双齿螯合形式与稀土离子配位。同时,还发现配合物均在434 cm-1,500～561 cm-1附近出现新峰,可归属为RE-O和RE-N的振动峰。这些信息表明了山梨酸中羧基以双齿形式、phen中N,O原子以双齿螯合形式分别与稀土离子配位。

分析Sm配合物的TG-DTG曲线,发现在300℃以下没有任何热效应,表明水分子没有参与配位;在300℃附近有一个熔化的吸热强峰,对应质量失重30.6%,该过程可归属为山梨酸的氧化分解(理论失重30.1%)。此外,还在412℃附近有一个强熔化吸热峰,对应质量失重35.5%,该过程可归属为邻菲啰啉完全分解(理论失重39.1%)。同样,分析Eu配合物的TG-DTG曲线,该配合物的热分解过程可大致分2个阶段进行:第一个失重台阶,在170～200 ℃之间,质量损失为6.3 %,对应失去2个晶格水分子(理论失重6.7 %);第二个失重台阶,在200～700 ℃之间,质量损失为64.5 %,对应失去两分子山梨酸和一分子邻菲啰啉(理论失重64.9 %)。

2.2紫外光谱研究配合物与DNA的作用方式

DNA对配合物紫外吸收光谱的影响如图1所示:未加入DNA之前,两种配合物在270 nm，332 nm和380 nm附近有吸收峰,而当加入DNA后,配合物的特征吸收峰强度逐渐降低,并且峰位稍有红移。减色效应和红移现象是小分子与DNA发生嵌插作用的证据[9],图1谱图的变化表明了两种配合物均是以嵌入方式与DNA作用。

表1　紫外光谱数据

表2　红外光谱数据

c(DNA)=1.3×10 -3mol/L (20 μL per scan, 1～6∶0～100 μL) 图1　DNA对配合物紫外吸收光谱的影响 Fig.1　Effect of DNA on the UV spectra of complex λ/nm

通过测定262 nm处的吸光度,根据摩尔比法,发现Eu配合物与DNA的结合比n(DNA)∶n(Eu配合物) =4∶1, Sm配合物与DNA的结合比n(DNA):n(Sm配合物)=2∶1,如图2所示。根据Beer定律,计算得Eu配合物-DNA的表观摩尔吸光系数ε=3.64×104×104L/mol·cm, Sm配合物-DNA的表观摩尔吸光系数ε=3.96×104L/mol·cm。此外,根据双倒数公式[10],以1/(A0-A)～1/c(DNA)作图,如图3所示,经计算求得在不同温度下Sm配合物与DNA的结合常数K(15℃)=5.01×104L/mol,K(35℃)=9.81×104L/mol,Eu配合物与DNA的结合常数K(15℃)=0.661×104L/mol,K(35℃)=5.07×104L/mol。

在温度变化不大时,可以近似认为反应的ΔrHm为常数,可计算得到一系列热力学参数:Eu配合物与DNA之间的摩尔反应焓变ΔrHm=1.55×104J/mol,ΔrGm(15℃)=-1.55×104J/mol,ΔrSm=108 J/mol·K,Sm配合物与DNA之间的摩尔反应焓变ΔrHm=2.52×104J/mol,ΔrGm(15℃)=-2.04×104J/mol,ΔrSm=158 J/mol·K。ΔrGm<0,这说明配合物与DNA之间的反应能够自发进行。同时,ΔrSm>0,表明配合物与DNA之间的作用是熵驱动的。

图2　配合物-DNA体系的摩尔比图 Fig.2　Molar ratio plots of complex-DNA system

图3　配合物-DNA体系的双倒数曲线 Fig.3　Double reciprocal plots of complex-DNA system

2.3黏度法

DNA相对比黏度随配合物加入量的变化如图4所示。随着配合物加入量的增加,DNA溶液的相对比黏度增大,由此推测配合物均以插入方式与DNA作用[11],这与上述紫外吸收光谱分析的结果相一致。

图4　不同浓度配合物对DNA黏度的影响 Fig.4　Influence on DNA viscosity with different concentrations of complex

3结论

配合物[Eu(Phen) (SA)3].2H2O和[Sm(Phen) (SA)3]与DNA作用的吸收光谱表现出减色效应和红移现象。黏度实验表明,加入配合物均能使DNA的黏度增加。这些研究结果证实:两种配合物都是以嵌插方式与DNA相互作用。关于这两种稀土配合物的抗癌抗肿瘤活性有待进一步研究。

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(编辑任智卉)

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范代娣教授荣获第六届“侯德榜化工科学技术奖”成就奖

2014年9月23日，第六届“侯德榜化工科学技术奖”在北京举行颁奖典礼，西北大学化工学院范代娣教授荣获“侯德榜化工科学技术奖”成就奖，成为我省高校中首次获得该殊荣的专家。

侯德榜奖化工科学技术奖是目前我国化工学术界最高科技奖励，设成就奖、创新奖和青年奖3种，3种奖项每次累计不超过30名。本届全国共评出成就奖3名,创新奖11名,青年奖9名。

范代娣教授的研究领域包括生物化工、化学工程、 生物材料、生物医学工程等，担任西北大学化工学院副院长、二级教授、中国工业生化与分子生物学学会副理事长。荣获国家技术发明二等奖、陕西省科学技术一等奖等10余项奖项，荣获中国青年女科学家提名奖、被授予全国“三八”红旗手、新世纪百千万工程国家级人选、享受国务院特殊津贴专家等称号。主持组建了国家级“生物材料国家地方联合工程中心”“陕西省可降解生物医用材料重点实验室”、“陕西省发酵工程和生物材料工程技术研究中心”等研发平台。发表学术论文230余篇；申请发明专利37项，其中14件获得授权。已经完成的“基因工程技术生产类人胶原蛋白中试”项目被认为处于国际领先水平，创造了国际生物工程领域的奇迹。

著名的科学家侯德榜博士是中国化学工业奠基人之一，为世界制碱工业的发展做出了杰出贡献。“侯德榜化工科学技术奖”由中国化工学会于1996年在“侯德榜科学技术发展基金”中设立，是我国化工科学领域权威奖项。该奖项已通过国家科学技术奖励工作办公室审核，被列入首批准予登记的26个社会力量设奖名单。

(薛鲍)