一种镍金属配合物的合成、结构及DNA性质研究

贾 冰, 彭婷婷, 高恩军

(沈阳化工大学 应用化学学院 辽宁省无机分子基化学重点实验室, 辽宁 沈阳 110142)

癌症的死亡率仅次于心脑血管疾病,严重威胁着人类的生命健康.中国因患癌症而死亡的人数在世界上排名第一.据统计,2015年全球约820万人死于癌症,其中中国约占280万,在中国每天约有7 500人死于癌症.目前,外科手术、放射性疗法和化学疗法是现代医学中用来治疗癌症的3种主要手段,前两者主要用于治疗良性非转移的肿瘤,后者主要针对晚期恶性、顽固性的肿瘤.因此,新型抗肿瘤药物的研发对癌症的治疗具有重大意义[1].

目前,晶体工程金属超分子结构的设计与制造在超分子化学和材料科学领域中具有重要意义.人们对这一领域产生越来越多的兴趣,这不仅仅在于其具有有趣的结构图案,也因为其在现代医学方面的应用令人瞩目.而且在制备各种化合物时,具有现代医学功能的化合物由于潜在的应用价值引起了极大的关注.因此,选择合适的配体来构建具有特殊功能的化合物至关重要，如多元配体中的羧酸配体和含氮配体就被广泛用于金属超分子化合物的设计与合成.因为羧酸盐配体是产生不同框架形成多功能配位构型的完美候选物.其中羧基具有潜在的配位点,可以采用不同的配位模式,而—C==O可以作为O—供体.此外,含有N—供体的配体由于与金属中心的结合能力很高,常常用于构建配位聚合物.含氮羧酸配体能够兼顾两者的优势,既具有丰富的配位模式又可以调节功能特性,在金属超分子化合物的设计合成方面已引起了广泛的关注[2].

另一方面,金属镍在地壳中含量丰富,较为常见,并且镍是人体中所需的一种微量元素.镍配合物因其在序列特异性结合、结构探针和治疗剂等多方面的应用,使得镍金属配合物在核算化学中也起着重要的作用.

本文选用2,2-联吡啶-5,5-二羧酸配体与硝酸镍合成晶体,并进行表征反应.通过荧光光谱研究发现配合物可以从DNA中替代EtBr,证实该配合物具有DNA结合亲和力.通过凝胶电泳法发现配合物可以切割超螺旋质粒DNA pBR322,表明配合物具有有效的DNA切割能力.

1 实验部分

1.1 实验试剂

实验所需试剂2,2-联吡啶-5,5-二羧酸、硝酸镍等均为化学纯,未经进一步处理直接使用.去离子水与DMF在实验中作为溶剂.

1.2 实验仪器

Bruker Smart 1000 CCD面探X-射线衍射仪,Perkin-Elmer LS55 荧光光谱仪,JS-Poewr 600 电泳仪,D-MS-1磁力搅拌器.

1.3 配合物单晶的合成与制备

在蒸馏水与DMF体积比为1∶1的溶液中将2,2-联吡啶-5,5-二羧酸(0.015 g)与硝酸镍(0.045 g)混合,并将所得溶液在室温下搅拌30 min.然后将溶液密封在15 mL的Teflon内衬反应器中,在85 ℃的条件下加热72 h,缓慢冷却至室温.所得混合物用蒸馏水洗涤并在空气中干燥,得到可用于X射线衍射的块状晶体.C12H22N2NiO12元素分析[理论值(实测值),w/%]:C,32.37(32.36);H,4.96(4.94);N,6.30(6.29);O,43.16(43.15).根据金属镍所求得的产率为56.79 %.

1.4 荧光光谱的测定

荧光猝灭测量可用于监测配合物与DNA的结合能力.其中溴化乙锭(EtBr)是共轭平面分子,其荧光强度非常弱,但是能显示出由于其在DNA碱基对之间的强嵌入,发射荧光的DNA在全部DNA的比例大大增加.在之前的研究中[3],由于配合物已经从DNA-EtBr复合物中取代了EtBr,其荧光可被沉积的配合物猝灭,导致荧光发射强度降低.即配合物的浓度越高,DNA-EtBr配合物的荧光强度越低.证明了溴化乙锭(EtBr)用作光谱探针,使荧光淬灭测量也可用于监测配合物与DNA的结合能力,即配合物与DNA的结合亲和力[ 3-4].

1.5 凝胶电泳的测定

使用超螺旋质粒DNA pBR322作为靶,使用琼脂糖凝胶电泳检测配合物的切割效率.当切割环形质粒DNA时,超螺旋形式(形式Ⅰ)将观察到有最快的迁移;如果一条链被切割,超螺旋将变得松弛是以产生较慢移动的切口圆形(形式Ⅱ);而如果两条链都被切割,则会产生在其间迁移的线性形式(形式Ⅲ).配合物的切割效率已经通过琼脂糖凝胶电泳将超螺旋pBR322 DNA从Ⅰ型转化为Ⅱ型和Ⅲ型的能力进行了评估[5].

在凝胶电泳实验中,使用Tris缓冲液(50.0 mmol/L Tris-乙酸酯,18.0 mmol/L NaCl缓冲液,pH为6.8～7.3)和1.5 g琼脂糖制备凝胶,然后用1.0 g/L EtBr染色.将化合物与质粒DNA pBR322(0.5 g/L)混合均匀并震荡,并在室温下孵育2 h,然后将其加入到冷却的质量分数0.8 %的琼脂糖凝胶中.将上述琼脂糖凝胶放入装有Tris-乙酸盐缓冲液,电压为80 mV的电泳槽中电泳100 min.电泳结束后在UV光下进行拍照[6-7].

2 结果与讨论

2.1 配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]的结构

配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]单晶数据如表1所示,并通过XP软件对单晶结构进行可视化,如图1所示.

表1 晶体数据和结构Table 1 Crystal data of the complex

从图1可以看出:中心镍是6配位的,其中中心金属镍与2,2-联吡啶-5,5-二羧酸配体上的2个氮相连,并且与4个水分子上的氧相连.而2,2-联吡啶-5,5-二羧酸是一个刚性配体,2个六元环彼此平行,2个氮原子牢牢地抓住镍原子,使之无法扭曲变形,使配体和金属结合时形成一个完全对称的结构.键长λ/nm:Ni—O(3)为0.206 0,Ni—O(4)为0.203 8,Ni—N(1)为0.207 7.键角θ/(°):O(3)—Ni—O(4)为93.233,N—Ni—O(3)为99.170,N—Ni—O(4)为90.477.

图1 晶体配位图Fig.1 Crystal coordination diagram

2.2 荧光光谱法

设置激发波长为526 nm,得到DNA-EtBr复合体系与配合物作用的发射光谱图(最大发射峰为618 nm),如图2所示.

1c(配合物)=0 mol/L 2c(配合物)=1 mol/L 3c(配合物)=2 mol/L 4c(配合物)=3 mol/L 5c(配合物)=4 mol/L 6c(配合物)=5 mol/L 7c(配合物)=6 mol/L 8c(配合物)=7 mol/L

图2 不同浓度的配合物与DNA-EtBr作用的荧光光谱
Fig.2 Fluorescence spectra of different concentrations of complexes bingding to DNA-EtBr

在用5×10-5mol/L EtBr预处理的5×10-5mol/L的DNA上加入配合物后,观察到荧光强度明显降低,且加入的配合物浓度越高,猝灭现象越明显.还原程度与从DNA中除去溴化乙锭的配合物的量度以及相邻的DNA碱基对和配合物之间的作用程度有关[8-9].

根据经典的Stern-Volmer方程:I0/I= 1+Ksq·r,其中:I0和I分别表示不存在及存在配合物时的荧光强度;r是配合物与DNA的浓度比,Ksq是依赖于EtBr的结合浓度与DNA浓度比例的线性Sterne-Volmer猝灭常数.从图3可以看出,猝灭曲线表明配合物能够与DNA结合,其中Ksq值为0.124.数据表明该配合物与EtBr竞争,并猝灭EtBr-DNA体系的荧光强度[10-11].

图3 配合物的Stern-Volmer猝灭曲线斜率值Fig.3 The Stern-Volmer quenching curve slope of the complex

2.3 凝胶电泳法

通过凝胶电泳法研究3种不同浓度的配合物切割超螺旋pBR322质粒DNA的能力，结果如图4所示.

图4 配合物切割pBR 322 DNA的琼脂糖凝胶电泳图Fig.4 Agarose gel electrophoresis of complex cleave pBR 322 DNA

从图4可以看出,DNA可被水溶性镍配合物切割,并将超螺旋DNA(I型)逐渐降解为开环DNA(Ⅱ型)和少量线性DNA(Ⅲ型).其中0道为空白对照,未添加配合物.1、2、3道添加配合物的浓度分别为5 μmol/L、2.5 μmol/L、1.25 μmol/L.随着镍配合物浓度的降低,切割活性依次减弱,并在相对高浓度时(泳道1和2)出现Ⅲ型DNA,说明配合物对pBR322质粒DNA具有切割作用.对于不存在金属络合物的对照(泳道0),观察到少量DNA裂解[12].可以看出,配合物[Ni(dpdc)4(H2O)]在类似金属配合物中对质粒DNA的切割作用较好[13].

3 结 论

实验制备了一种新颖的具有大平面结构构型的镍金属化合物[Ni(dpdc)4(H2O)],通过X-射线单晶衍射与元素分析表征了配合物的结构.荧光光谱研究发现配合物添加到EtBr-DNA体系中后,能够与EtBr竞争结合DNA的位点,导致荧光猝灭效果.琼脂糖凝胶电泳研究了配合物切割DNA超螺旋质粒pBR 322的能力,表明配合物具有有效的DNA切割能力.