席夫碱稀土配合物与DNA的作用方式

2017-01-05李小芳冯小强朱元成

发光学报 2016年7期

关键词：席夫碱氨基配体

李小芳，冯小强*，杨声，朱元成

(1. 天水师范学院化工学院，甘肃天水 741001； 2. 定西师专化学系，甘肃定西 743000)

席夫碱稀土配合物与DNA的作用方式

李小芳1，冯小强1*，杨声2，朱元成1

(1. 天水师范学院化工学院，甘肃天水 741001； 2. 定西师专化学系，甘肃定西 743000)

席夫碱；稀土； DNA；循环伏安法；光谱法

1 引言

席夫碱具有碳氮双键的亚胺或甲亚胺基团，容易和金属离子配位得到结构各异的配合物，从而赋予了其丰富的功能活性，是潜在的一种新型抗癌、抗肿瘤和抗氧化药物[1-3]。近期国内研究者对席夫碱及配合物的合成和生物活性做了大量研究，如宁夏大学学者[4]发现合成的3,5-二碘水杨醛缩2,6-二氨基吡啶席夫碱金属配合物对藤黄微球菌有良好的抑制作用，并且是以插入方式与ct-DNA结合的；南华大学学者[5]合成的2-羟基-1-萘甲醛缩2,6-二氨基吡啶席夫碱以及钍配合物对枯草杆菌、大肠杆菌、乳酸菌有良好的抑制作用，且配合物的抑菌活性好于席夫碱本身；贵阳医学院学者[6]以三齿席夫碱配体H2L{1-苯基-3-[(2-羟基苯)亚胺]-1-丁酮}和单齿N-杂环[咪唑(Himdz)，2-甲基咪唑(Mimdz)]分别与Ni2+配位得到的配合物，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和奇异变形杆菌具有一定的抑菌活性；陕西科技大学学者[7]合成双乙酰基二茂铁双肼腙配体，分别与Cu2+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+合成的金属配合物比其配体有更高的抗菌活性。Ejiah等[8]通过体外抑菌法研究发现，水杨醛缩氨基苯甲酸席夫碱对细菌大肠杆菌、绿浓杆菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌具有很好的抑菌活性。Raman[9]等合成的席夫碱金属(Cu2+、Ni2+、Co2+、Zn2+)配合物对伤寒沙门菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽胞杆菌4种细菌和黑曲霉、黄曲霉、纹枯病菌3种真菌有很好的抑制作用，在氧化剂存在下仅有席夫碱铜配合物能够切割ct-DNA。

研究发现，大多数抗肿瘤药物的药理活性与DNA插入结合方式有关。因此，研究药物小分子与DNA间的作用机制，有助于揭示抗肿瘤药效机理，为寻求新型高效低毒抗肿瘤药物提供导向。稀土离子能有效地和核酸结合而优于过渡金属及其配合物。关于稀土配合物的合成及与生物大分子的相互作用研究较多[10-11]。以糠醛和对氨基苯磺酸制得的席夫碱为配体，与稀土离子(La3+，Nd3+，Eu3+)反应合成配合物，有可能筛选出比原来单一原料更低毒、高效和经济的抗菌、抗肿瘤药物。虽然席夫碱稀土配合物的合成和表征有过一些研究，但关于其与DNA相互作用的研究报道却很少。基于席夫碱独特的生理活性，本文合成了3种糠醛缩对氨基苯磺酸席夫碱的稀土配合物，通过紫外吸收光谱、荧光光谱和循环伏安法研究了席夫碱及稀土配合物分别与鲱鱼精DNA之间的作用模式。

2 实验

2.1 材料与仪器

鲱鱼精DNA(Sigma公司)。RF-5301型荧光分光光度计(日本岛津公司)；CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；UV-2450紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)。

2.2 糠醛缩对氨基苯磺酸席夫碱及稀土配合物的制备

对氨基苯磺酸用40 mL 5%的NaOH溶液溶解，通入氮气，在60 ℃搅拌下加入等摩尔的糠醛，反应溶液即刻由淡黄色变为红棕色，最后变成褐色。继续恒温回流2 h。反应结束后，将反应液减压浓缩后加入大量无水乙醇，马上有黄色沉淀产生。抽滤、干燥得土黄色席夫碱，产率85%。

在席夫碱水溶液中缓慢加入等摩尔量的稀土氯化物，40 ℃恒温反应5 h，然后用5%NaOH调pH至弱碱性，即刻有沉淀产生。静置抽滤，干燥得稀土配合物。

2.3 席夫碱稀土配合物与鲱鱼精DNA的作用

DNA在金电极表面的自组装参看文献[12]，电化学实验过程参看文献[13]；紫外光谱和荧光光谱法研究稀土配合物与DNA相互作用的具体实验过程参看文献[14]。

3 结果与讨论

3.1 配合物表征

3.2 紫外光谱法研究配合物与DNA的作用

席夫碱配体及3种稀土配合物的紫外吸收光谱数据及图如表1和图1所示。席夫碱在246.5 nm和200.5 nm处产生2个很强的吸收峰。与稀土离子配位形成配合物后，吸收峰较席夫碱在246.5 nm和200.5 nm的吸收峰分别红移11～16 nm和蓝移5 nm。配合物除了出现配体的一些峰外，还在213～216 nm附近产生新的吸收峰。紫外光谱表明席夫碱与稀土离子配位成键形成了新的配合物。合成的3种稀土配合物的紫外光谱相似，说明它们的结构也相似。

席夫碱及3种稀土配合物在加入DNA前后的紫外光谱如图2所示。随着DNA不断加入到配合物溶液中，所引起的光谱扰动相对较大，吸收峰的形状虽然几乎没有变化，但吸光度逐渐下降，即出现了减色效应，在195 nm处的吸收峰峰位稍有红移趋势。吸光度降低，是由于配合物与DNA的磷酸基团发生了相互作用，使得DNA链的缠绕性增大，DNA的空间结构趋于缩拢，发色基团被部分内陷包裹，吸收跃迁偶极矩减小，导致发生减色效应。小分子吸收光谱出现减色效应和红移现象是该小分子与DNA发生嵌插作用的依据。从图2紫外吸收光谱的变化可判断3种稀土配合物及席夫碱均以嵌入方式与鲱鱼精DNA发生相互作用，从而形成了新的化合物[15]。此外，减色效应的大小与插入程度正相关，吸光度下降程度的大小也反映了小分子与DNA之间结合能力的强弱，一般而言，小分子的吸收峰强度下降越大，则与DNA的作用能力越强。在浓度相同的这3种配合物及席夫碱中，席夫碱-Eu和席夫碱-La分别与DNA作用后的减色程度更为明显，而席夫碱-Nd较小，席夫碱最小。这说明席夫碱-Eu和席夫碱-La插入程度较大，而席夫碱-Nd插入程度较小，席夫碱与DNA的插入程度最小，即与DNA间的作用能力顺序为：Eu (Ⅲ)>La(Ⅲ)>Nd(Ⅲ)>席夫碱。这可能是席夫碱配体与DNA发生作用的同时，稀土离子也参与了与带负电荷的DNA作用，最终导致DNA主链线电荷密度减小，缠绕增大，进而增强了与DNA的结合作用。

图1 席夫碱及3种稀土配合物的紫外吸收光谱

Fig.1 UV spectra of Schiff base and three kinds of complexes

表1 席夫碱及3种稀土配合物的紫外光谱数据

c(complex)=0.5 mg·mL-1, c(DNA)=0.1 mg·mL-1 (20 μL per scan, 1～10: 0～180 μL)

图2 DNA加入前后席夫碱及稀土配合物的紫外吸收光谱。(a) Eu配合物；(b) Nd配合物；(c) La配合物； (d) 席夫碱。

Fig.2 UV absorption spectra of Schiff base and complexes before and after DNA addding. (a) Eu complex. (b) Nd complex. (c) La complex.(d) Schiff.

3.3 荧光光谱法研究配合物与DNA的作用

游离态的中性红(NR)自身的荧光很弱，但当NR分子以嵌插方式与DNA结合后，体系的荧光强度会大幅度增大。但是，当有一个能取代键合的NR或能破坏DNA二级结构的分子加入时，NR-DNA体系的荧光会发生猝灭或部分猝灭[16]。以550 nm为激发波长，测得DNA-NR体系在596 nm处有一强的荧光发射峰，如图3所示。逐渐滴加席夫碱或稀土配合物时，明显看到在596 nm处的荧光强度也随之逐渐降低，峰位并没有明显的移动。这说明席夫碱及稀土配合物能够猝灭DNA-NR体系的荧光，即席夫碱及稀土配合物与NR一样，和DNA存在相同的作用机理，导致席夫碱及稀土配合物与NR竞争与DNA的结合，使得NR在DNA的结合位点上逐渐被置换出来，溶液中游离态的NR分子数增多，荧光较DNA-NR减弱。但席夫碱及稀土配合物的浓度增大到一定程度时，荧光强度下降幅度很小，说明此时席夫碱及稀土配合物、NR和DNA三者之间的作用达到平衡，与DNA的结合已经达到饱和。因此，可以推断出席夫碱及稀土配合物都能够与DNA以插入方式发生键合。此外，荧光强度的下降程度能够说明小分子与DNA作用强度，从图3的变化程度来看，滴加配合物后的DNA-NR体系的荧光强度下降程度远远大于席夫碱，说明席夫碱形成配合物后与DNA的作用强度强于席夫碱本身，这主要是稀土离子在起作用。

3.4 循环伏安法研究配合物与DNA的相互作用

图3 席夫碱及稀土配合物对DNA-NR体系荧光光谱的影响。(a) La配合物；(b) Eu配合物；(c) Nd配合物；(d) 席夫碱。

Fig.3 Effect of Schiff base and complex on the fluorescence spectra of DNA-NR. (a) La complex. (b) Eu complex. (c) Nd complex. (d) Schiff.

图4 席夫碱配合物存在下，K4Fe(CN)6在Au/DNA电极上的循环伏安曲线。(a)Nd配合物；(b)La配合物；(c)Eu配合物。

Fig.4 CV curves of K4Fe(CN)6in Schiff base complex solution. (a) Nd complex. (b) La complex. (c) Eu complex.

图5 席夫碱配合物存在下，扫速对K4Fe(CN)6在Au/ DNA电极上循环伏安曲线的影响。(a) Eu配合物；(b) La配合物；(c) Nd配合物。

Fig.5 Effect of scan rate on CV curves of K4Fe(CN)6in Schiff base complex solution. (a) Eu complex. (b) La complex. (c) Nd complex.

4 结论

[1] 宋玉民,马俊怀,张玉梅. 姜黄素苯胺希夫碱稀土配合物的抑菌性研究 [J]. 化学试剂, 2013, 35(12):1069-1072. SONG Y M, MA J H, ZHANG Y M. Antibacterial properties of complexes of curcumin aniline Schiff base with rare earth [J].Chem.Reag., 2013, 35(12):1069-1072. (in Chinese)

[2] XU D F, MA S Z, DU G Y,etal.. Synthesis, characterization, and anticancer properties of rare earth complexes with Schiff base and o-phenanthroline [J].J.RareEarths, 2008, 26(5):643-647.

[3] 林明丽,刘醒民,崔秀兰,等. 稀土与苯并咪唑甲基酮缩二乙三胺Schiff碱配合物的合成、表征及生物活性 [J]. 稀土, 2004, 25(6):38-40. LIN M L, LIU X M, CUI X L,etal.. Synthesis, characterizition and biological activity of rare earth complexes with benzimidazole-semidiethylenetriamine Schiff base [J].Chin.RareEarths, 2004, 25(6):38-40. (in Chinese)

[4] 高敏,杨天林,李慧,等. 3, 5-二碘水杨醛缩2, 6-二氨基吡啶席夫碱及其金属配合物的制备及与ct-DNA的作用研究 [J]. 化学通报, 2011, 74(6):562-568. GAO M, YANG T L, LI H,etal.. Synthesis of 3, 5-diiodo-salicylalidehyde and 2, 6-diaminopyridine Schiff base andct-DNA cleavage by its metal complexes [J].Chemistry, 2011, 74(6):562-568. (in Chinese)

[5] 汤金辉,王宏青,王榆元,等. 2-羟基-1-萘甲醛缩2, 6-二氨基吡啶钍的席夫碱配合物的合成及其抑菌活性的研究[J]. 应用化工, 2014, 43(1):31-34. TANG J H, WANG H Q, WANG Y Y,etal.. Synthesis of 2-hydroxynaphthaldehyde and 2, 6-diaminopyridine Schiff base complex of thorium and bacteriostatic activity studies [J].Appl.Chem.Ind., 2014, 43(1):31-34. (in Chinese)

[6] 张奇龙,冯广卫,王丽,等. 基于Schiff 碱及咪唑类配体的镍(Ⅱ)配合物的合成、结构及其抑菌活性研究 [J]. 无机化学学报, 2014, 30(5):1025-1030. ZHANG Q L, FENG G W, WANG L,etal.. Synthesis, crystal structure and antibacterial activity of Schiff base Ni(Ⅱ) complexes containing Schiff base and imidazole [J].Chin.J.Inorg.Chem., 2014, 30(5):1025-1030. (in Chinese)

[7] 刘玉婷,殷艳佼,李鑫,等. 含二茂铁基Schiff 碱及其金属配合物的合成、表征及抑菌活性 [J]. 精细化工, 2014, 31(4):467-470. LIU Y T, YIN Y J, LI X,etal.. Synthesis and antibacterial activity of Schiff base bearing ferrocenyl and its metal complexes [J].FineChem., 2014, 31(4):467-470. (in Chinese)

[8] EJIAH F N, FASINA T M, FAMILONI O B,etal.. Substituent effect on spectral and antimicrobial activity of Schiff bases derived from aminobenzoic acids [J].Adv.Biol.Chem., 2013, 3(5):475-479.

[9] RAMAN N, FATHIMA S S A, RAJA J D. Designing, synthesis and spectral characterization of Schiff base transition metal complexes: DNA cleavage and antimicrobial activity studies [J].J.Serb.Chem.Soc., 2008, 73(11):1063-1071.

[10] 孙慧娟,王忠侠,吕杨超,等. 桂皮酸-邻菲啰啉稀土配合物的合成及其与DNA作用研究 [J]. 稀土, 2014, 35(6):27-32. SUN H J, WANG Z X, LV Y C,etal.. Studies on synthesis of REphen (cin)3and interaction with CT-DNA [J].Chin.RareEarths, 2014, 35(6):27-32. (in Chinese)

[11] 霍丽娜,刘伟,杨天林,等. 新型铈苦味酸配合物的合成、表征及其与白蛋白相互作用 [J]. 稀土, 2014, 35(2):37-43. HUO L N, LIU W, YANG T L,etal.. Synthesis, characterization and interaction of a novel Ce(Ⅲ) picorate complex with HSA, BSA and VOA [J].Chin.RareEarths, 2014, 35(2):37-43. (in Chinese)

[12] 胡全,张克军,金辉乐,等. 电化学法研究苯磺酰类5-氟尿嘧啶衍生物与双链和G-四链DNA的相互作用 [J]. 中国科学: 化学, 2012, 42(6):792-798. HU Q, ZHANG K J, JIN H L,etal.. Electrochemical investigation on the interaction of benzene sulfonyl 5-fluorouracil derivatives with double-stranded DNA and G-quadruplex DNA [J].Sci.Sin.Chim., 2012, 42(6):792-798. (in Chinese)

[13] 李小芳,冯小强,杨声,等. 丁二酰化壳寡糖稀土配合物与鲱鱼精DNA相互作用的电化学及光谱学研究 [J]. 发光学报, 2013, 34(12):1662-1666. LI X F, FENG X Q, YANG S,etal.. Interaction of succinic-oligochitosan rare earth complexes with herring sperm DNA by electrochemical and spectral methods [J].Chin.J.Lumin., 2013, 34(12):1662-1666. (in Chinese)

[14] 李小芳,冯小强,张宏伟,等. 甲基丙烯酸-8-羟基喹啉-镧配合物的合成及与鲱鱼精DNA相互作用的光谱学研究 [J]. 化学研究与应用, 2014, 26(9):1406-1410. LI X F, FENG X Q, ZHANG H W,etal.. Synthesis and DNA-binding of La(Ⅲ)complex with methacrylic acid and 8-hydroxyquinoline [J].Chem.Res.Appl., 2014, 26(9):1406-1410. (in Chinese)

[15] 王丽娟,杨天林,杨欢春. [RE(pic)L](pic)2·6H2O的合成、荧光性质及与DNA作用方式初探 [J]. 稀土, 2010, 31(6):6-11. WANG L J, YANG T L, YANG H C. Synthesis, fluorescence property and preliminary DNA-binding studies of [RE(pic)L] (pic)2·6H2O [J].Chin.RareEarths, 2010, 31(6):6-11. (in Chinese)

[16] 曹瑛,李一峻,何锡文. 中性红作为DNA作用方式光谱探针的研究 [J]. 高等学校化学学报, 1999, 20(5):709-712. CAO Y, LI Y J, HE X W. Studies on neutral red as interacting mode spectroscopic probe of DNA [J].Chem.J.Chin.Univ., 1999, 20(5):709-712. (in Chinese)

[17] RODRIGUEZ M, BARD A J. Electrochemical studies of the interaction of metal chelates with DNA. 4. Voltammetric and electrogenerated chemiluminescent studies of the interaction of tris (2, 2′-bipyridine) osmium(Ⅱ) with DNA [J].Anal.Chem., 1990, 62(24):2658-2662.

[18] PATIENTE N, SIERRA S, AIRAKSINEN A. Action of mutagenic agents and antiviral inhibitors on foot-and-mouth disease virus [J].VirusRes., 2005, 107(2):183-193.

[19] CARTER M T, RODRIGUEZ M, BARD A J. Voltammetric studies of the interaction of metal chelates with DNA. 2. Tris-chelated complexes of cobalt(Ⅲ) and iron(Ⅱ) with 1, 10-phenanthroline and 2, 2b′-bipyridine [J].J.Am.Chem.Soc., 1989, 111(24):8901-8911.

[20] ERKKILA K E, ODOM D T, BARTON J K. Recognition and reaction of metallointercalators with DNA [J].Chem.Rev., 1999, 99(9):2777-2796.

李小芳(1983-)，女，甘肃甘谷人，硕士，实验师，2009年于兰州大学获得硕士学位，主要从事功能高分子及有机稀土配位的研究。

E-mail: tslxffxq@163.com

冯小强(1979-)，男，甘肃华亭人，硕士，副教授，2007年于兰州大学获得硕士学位，主要从事功能高分子方面的研究。

E-mail: fengxiaoqiang1979@163.com

Interaction of Schiff Base Rare Earth Complexes with Herring Sperm DNA

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

(1.CollegeofChemicalEngineeringandTechnology,TianshuiNormalUniversity,Tianshui741001China;2.ChemistryDepartment,DingXiTeachers’College,Dingxi743000,China)