交叉學(xué)科研究推動(dòng).ppt

1、2020/12/6,1,計(jì) 亮 年,交叉學(xué)科研究推動(dòng) 生物無機(jī)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展,中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 E-mail: ,2020/12/6,2,內(nèi) 容,1. 生物無機(jī)化學(xué)的歷史回顧,3. 核酸研究領(lǐng)域的風(fēng)暴 爭論焦點(diǎn),4. 人工核酸酶功能配合物的分子設(shè)計(jì)和合成路線,5. 交叉學(xué)科方法研究小分子配合物和大分子DNA 作用機(jī)制（生物、物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等方法）,6. 配合物的生物功能及其應(yīng)用前景,7. 回顧史實(shí), 瞻望前沿,2. 生物無機(jī)化學(xué)是研究金屬離子控制 生命過程中的化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,3,金屬離子有條不紊，準(zhǔn)確控制、調(diào)節(jié)和 指揮著生物體內(nèi)千變?nèi)f化的化學(xué)反應(yīng)。,1. 生物無機(jī)化學(xué)

2、的歷史回顧,研究金屬離子和生物配體的相互作用。,金屬離子在生物體的物質(zhì)輸送、信息傳遞、 生物催化和能量轉(zhuǎn)換中起著關(guān)鍵作用。,生物體自身的金屬離子控制著自己的生命 過程, 是靠生命自己去點(diǎn)燃并照亮生命， 這或許才是人得以生生不息的真締。,2020/12/6,4,前者研究金屬離子及其化合物對生物體的生 理和病理作用。,Bioinorganic Chemistry和Inorganic Biochemistry是介于生物化學(xué)和無機(jī) 化學(xué)之間的邊緣學(xué)科。,生物化學(xué)家、醫(yī)學(xué)家研究無機(jī)生物化學(xué)和無 機(jī)化學(xué)家研究生物無機(jī)化學(xué)的角度有些差異。,后者研究金屬離子及其化合物與生物體系的 相互作用。,2020/12/

3、6,5,國際生物無機(jī)化學(xué)會(huì)議（ICBIC）簡介,ICBIC 1970年 美國 無機(jī)化學(xué)與模型研究方法 ICBIC0 1976年 英國 無機(jī)化學(xué)和生物交叉地帶發(fā)展 ICBIC1 1983年 意大利 ICBIC2 1985年 葡萄牙 ICBIC3 1987年 荷蘭 ICBIC4 1989年 美國 ICBIC5 1991年 英國 金屬識別、儲(chǔ)存、輸送和組裝 ICBIC6 1993年 美國 固氮酶的分子結(jié)構(gòu)以及自然界 N2轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3的功能及其機(jī)理,2020/12/6,6,ICBIC7 1995年 德國 金屬離子對基因調(diào)節(jié)影響 ICBIC8 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺 ICBIC9 1

4、999年 美國 ICBIC10 2001年 意大利 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無機(jī)化學(xué) ICBIC11 2003年 澳大利亞 金屬離子在細(xì)胞的交通圖， 以及許 多交通干線的劃分 和金屬離子的走向 ICBIC12 2005年 美國 ICBIC13 2007年 歐洲 ICBIC14 2009年 中國,2020/12/6,7,國際應(yīng)用生物無機(jī)化學(xué) 學(xué)術(shù)討論會(huì)（ISABC）簡介,ISABC1 1990年 武漢 金屬藥物和抗癌藥 ISABC2 1992年 廣州 生物礦化和生物材料 ISABC3 1994年 澳大利亞 利用生物電子轉(zhuǎn)移 設(shè)計(jì)制作生物傳感器 ISABC4 1997年 南非 環(huán)境生物無機(jī)化學(xué) ISAB

5、C5 1999年 希臘 地中海貧血,2020/12/6,8,ISABC6 2001年 英國 ISABC7 2003年 墨西哥 ISABC8 2004年 香港 小分子修飾使蛋白 酶功能改變和關(guān)閉 ISABC9 2006年 阿根廷,國內(nèi)定期召開全國生物無機(jī)化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)，2003年召開全國生物無機(jī)化學(xué)咨詢會(huì)議，共同討論未來我國生物無機(jī)化學(xué)的發(fā)展方向,生物無機(jī)化學(xué)研究方向緊跟時(shí)代步伐,不斷深入和調(diào)整。,2020/12/6,9,一個(gè)細(xì)胞有上千種反應(yīng)，人體有1000多種 酶，每一種酶控制一種反應(yīng)。 人體生老病死的新陳代謝過程就是有許許 多多種酶的催化反應(yīng)。 每一種酶都有特定的生物功能和酶的活性 部位。,

6、2生物無機(jī)化學(xué)是研究金屬離子 控制生命過程中的化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,10,人體內(nèi)生物酶的活性在一晝夜，一星期， 一個(gè)月，乃在 一年四季中都在有規(guī)律地 增減，從而使人的生理活動(dòng)猶如一列火 車，按照自身的時(shí)間表，準(zhǔn)確地運(yùn)行。,任何“誤點(diǎn)”都將給生命蒙上陰影，甚至 帶來災(zāi)難，這種生理活動(dòng)的時(shí)間規(guī)律被 科學(xué)家命名為“生物鐘” 。,認(rèn)識生物鐘，順應(yīng)生物鐘，保護(hù)生物鐘， 乃進(jìn)入“壽星” 行列的一張必不可少的 “通行證” 。,2020/12/6,11,圖：血紅蛋白活性中心 卟啉鐵()配合物,以下八種天然酶活性部位均為金屬卟啉，只是軸向配體不同，但它們都分別具有載氧、氧化、儲(chǔ)氧、光合成、電子傳遞和神經(jīng)

7、信息傳遞等不同生物功能。金屬卟啉可以作為人工核酸酶，它具有斷裂DNA的功能。,2020/12/6,12,細(xì)胞色素P450單加氧酶 (鐵卟啉)；降解和 催化近300種脂溶性化合物起著解毒作用。 血紅素酶 (鐵卟啉)；運(yùn)進(jìn)氧氣，也稱氧 載體, 同時(shí)運(yùn)出二氧化碳。 過氧化氫酶 (鐵卟啉)；催化H2O2 分解， 防止過氧化氫在體內(nèi)積累的保護(hù)酶。 過氧化物酶 (鐵卟啉)；催化以H2O2 為 氧化劑的氧化還原反應(yīng)。,2020/12/6,13,(5) 肌紅蛋白 (鐵卟啉)；貯存氧氣 (6) 葉綠素 (鎂卟啉)；光合作用 (7) 細(xì)胞色素C (鐵卟啉)；電子傳遞 (8) 一氧化氮酶 (鐵卟啉)；神經(jīng)信息傳遞,

8、2020/12/6,14,CytoP450 把藥RH氧化成可溶解于水中的氧化物質(zhì)(R-OH)，通過腎從尿中排出。,RH + O2 + H+ R - OH + H2O,CytoP450,NADPH NADP,NADPH為輔酶,湖南大學(xué)采用環(huán)己烷，生產(chǎn)環(huán)己酮，在8萬噸/年工業(yè)試驗(yàn)用仿生催化劑開發(fā)成功。金屬酶基礎(chǔ)理論的研究是創(chuàng)造發(fā)明新催化劑和新工藝的源泉。,化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,15,細(xì)胞色素P450酶主要是分布在肝中，肝臟好 比人體的一個(gè)巨大的“化工廠”, 在代謝、膽汁 生成、解毒、凝血、免疫、熱量產(chǎn)生以及水 與電解質(zhì)調(diào)節(jié)中均起著非常重要的作用。 人的肝臟就像一首詩，簡潔、奇妙、內(nèi)蘊(yùn)無 窮

9、，不可復(fù)制，醫(yī)學(xué)家對這輝煌的自然創(chuàng)造， 不能不從內(nèi)心發(fā)出贊嘆。 世界上沒有兩片相同的樹葉，同樣人也不會(huì) 有兩個(gè)相同的肝臟，一個(gè)肝臟便是一個(gè)獨(dú)立 的世界，要感悟到它的真締，必須進(jìn)入到它 的深處去體會(huì)，從零亂中整理出秩序和規(guī)律。,2020/12/6,16,血紅蛋白輸送O2 的化學(xué)方程式如下：,Hem + O2 HemO2,有機(jī)物在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，血紅蛋 白將組織產(chǎn)生的CO2通過以下化學(xué)反應(yīng)式運(yùn)送到肺部呼出。,Hem(NH2 )+ CO2 Hem(NHCOOH ),血紅蛋白把吸入氧從肺部運(yùn)送到組織，再把呼出 的二氧化碳從組織運(yùn)送到肺部，這是在生物界爭論 40年之后，終于在化學(xué)家合

10、作之下，通過血紅蛋白 活性中心的模擬試驗(yàn)，使問題得到圓滿解決。,( 氨基甲酰血紅蛋白),化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,17,通過血紅蛋白功能研究，我們應(yīng)力求保持愉快心態(tài)，切忌心胸狹窄，以免心氣郁滯，胸悶不暢，造成血紅蛋白載氧困難，心煩易怒，精神失衡，導(dǎo)致疾病趁虛而入, 所以我們要養(yǎng)成一種豁達(dá)的人生觀。,2020/12/6,18,t2g4eg2 (順磁性),t2g6eg0 (反磁性),圖：在O2 配位前后血紅蛋白活性中心鐵（）的電子排布,磁矩測定血紅蛋白 Fe（）的五配位的6個(gè)電子 自旋方向盡可能平行，處于高自旋狀態(tài) t2g4eg2， 離子半徑比較大，所以放不進(jìn)卟啉平面。,結(jié)合O2 后，電子的分

11、裂能增大，電子盡可能在 t2g 軌道，處于低自旋 t2g6eg0 ，并具有反磁性，引起半 徑縮小，鐵離子落在卟啉平面上，有利于輸送O2 。,化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,19,遇到CO 時(shí)，卟啉就進(jìn)行取代反應(yīng)：,CO(g) + HemO2(aq) O2(g) + HemCO(aq),血紅蛋白和CO結(jié)合很穩(wěn)定，它就失去輸送氧的功能，因?yàn)楹笳咂胶獬?shù)很大。,O2 HemCO K 210 (體溫) CO HemO2,只要有10% 的HemO2 轉(zhuǎn)化為 HemCO ，人的心臟和肺就不能得到維持生命足夠的氧，當(dāng)空氣中的CO含量一旦大于十萬分之五，對人就有致命的危險(xiǎn)。,化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,20,

12、氧化反應(yīng) 亞硝酸異戊酯+Hem(Fe+) Hem(Fe+)+CN 氰合高鐵血紅蛋白（無毒）,圖：CN 配位在生物氧化體系的呼吸鏈中的細(xì)胞色素a3鐵卟啉的鐵離子上,化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,21,人生的變數(shù)比 KCN 中毒機(jī)理還要說 不清，道不明，有得有失，有失有得。 不管生活發(fā)生什么變化，都要敢于面對， 敢于承受，不要因?yàn)榻?jīng)受不住打擊，而 意志消沉，甚至用KCN走上人生不歸路。 記?。∮袝r(shí)人生的挫折，卻會(huì)意外獲得 豐碩果實(shí)。,2020/12/6,22,人工合成的鐵卟啉Fe(por) 不能載氧,這是因?yàn)楫a(chǎn)生 氧二聚體，它們的反應(yīng)如下：,Fe(Por) + O2 Fe(Por)(O2) (1)

13、 Fe(Por)(O2) + Fe(Por) Fe(Por) - O2 - Fe(Por) (2) Fe(Por) - O2 - Fe(Por) 2Fe(Por)O (3) 2Fe(Por)O + 2Fe(Por) 2Fe(Por) - O - Fe(Por) (4),1973年 J.P.Collman 首次合成了在室溫下能載氧的圍柵型(picket-fence) 鐵() 卟啉配合物。這些生命過程均為化學(xué)反應(yīng)。,化學(xué)機(jī)理,2020/12/6,23,在世界范圍各個(gè)核酸研究小組中，掀起了分成觀點(diǎn)幾乎針鋒相對的兩大“陣營”，正如Elizabeth K. Wilson 在1997年Chemical a

14、nd Engineering News撰文稱這場大辯論的焦點(diǎn)為 ”Flurry of New Research, Heated Debate Focuses on Biomolecule” 。,3. 核酸研究領(lǐng)域的風(fēng)暴爭論的焦點(diǎn),(1) Ru(phen)32+ 配合物是否插進(jìn)DNA的堿基對中間？,(2) DNA究竟是分子導(dǎo)線還是絕緣體？,爭論焦點(diǎn)可歸納為以下二點(diǎn)：,2020/12/6,24,Ru(phen)22+配合物兩種異構(gòu)體,2020/12/6,25,DNA分子中雙螺旋結(jié)構(gòu)模型示意圖,2020/12/6,26,DNA的幾種不同構(gòu)象的側(cè)視圖和相應(yīng)的俯視圖。連續(xù)的線段表示糖和磷酸主鏈，線段表示

15、堿基對位置。,2020/12/6,27,A-DNA Z-DNA B-DNA,Conformation model of A-DNA, Z-DNA and B-DNA,2020/12/6,28,A、B、Z 型DNA的結(jié)構(gòu)比較,2020/12/6,29,結(jié)合方式,插入結(jié)合,共價(jià)結(jié)合,非共價(jià)結(jié)合,靜電結(jié)合,溝面結(jié)合,2020/12/6,30,(A) 共價(jià)作用，(B) 插入作用，(C) 氫鍵作用,2020/12/6,31,B-DNA Ru(phen)32+插入結(jié)合 Z-DNA Ru(phen)32+溝面結(jié)合,2020/12/6,32,（1） Ru(phen)32+ 配合物是否插進(jìn) DNA的堿基對中間？

16、,. Ru(phen)32+ 配合物插入DNA堿基對中,2020/12/6,33,. Ru(phen)32+配合物沒有插入DNA堿基對中,2020/12/6,34,. Ru(phen)32+ 配合物部分插入DNA中,2020/12/6,35,(2) DNA究竟是分子導(dǎo)線還是絕緣體？,DNA內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)速度 Ket 隨給予電子的給體和接受電子的 受體間距離R的指數(shù)函數(shù)而減?。?Ket = Ko exp (RRo),Ro = 給體和受體間的最近距離,Ko = Ro時(shí)的電子轉(zhuǎn)移速度, (-1) 衰減因子,值越大, Ket 隨R的增加而衰減越快，即與距離有關(guān)，稱為絕緣體,值越小，電子能轉(zhuǎn)移更遠(yuǎn)，與

17、距離無關(guān)，稱為分子導(dǎo)線,2020/12/6,36, DNA為絕緣體（與距離有關(guān)）,2020/12/6,37, DNA為分子導(dǎo)線（與距離無關(guān)）,2020/12/6,38,2020/12/6,39,DNA是絕緣體 還是分子導(dǎo)線？,電子轉(zhuǎn)移效率與堿基堆積之間規(guī)律 堆積好的可以看作金屬導(dǎo)線，堆積不好的可以看作絕緣體，堿基組中插入袋式片斷，修復(fù)率大大降低,DNA到底如何導(dǎo)電？ DNA中引入一個(gè)CA堿基誤配，大大降低DNA中電子轉(zhuǎn)移效率，第一次證明電子轉(zhuǎn)移通過堿基對進(jìn)行,光修復(fù) =400nm 修復(fù)率達(dá)到100% ，如果插入袋式片斷，修復(fù)率大大降低,提出了電荷遷移各種模型 “跳躍模型” “極子跳躍模型”等,

18、2020/12/6,40,在英國皇家化學(xué)會(huì)“化學(xué)生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)論壇” (RSCCBF) 已將“Synthesis and Biology”作為化學(xué)和生物學(xué)交叉學(xué)科中當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，合成化學(xué)技術(shù)被徐光憲教授文章中列為20世紀(jì)的重大發(fā)明。,4. 人工核酸酶功能配合物的分子設(shè)計(jì)和合成路線,2020/12/6,41,合成配合物作為人工核酸酶,研究配合物和DNA作用機(jī)制,研究配合物對DNA的生物功能,研究配合物對RNA的生物功能,核糖核酸酶溶液中構(gòu)象和對RNA的水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究,研究黑曲霉ATCC26556生物合成核糖核酸酶的選育和優(yōu)化,研究RNA的堿基序列， RNA的水解斷裂機(jī)理等,應(yīng)用抗病

19、毒、抗腫瘤藥物,A.niger SA-13-20核糖核酸酶的純化，表征及其酶學(xué)性質(zhì),2020/12/6,42,其識別位點(diǎn)僅為4-8個(gè)核苷酸，而且只能在數(shù)目有限的位點(diǎn)切割DNA,人工核酸酶 化學(xué)核酸酶包括： DNA光裂解試劑 DNA的氧化斷裂 DNA的水解斷裂,既有限制性內(nèi)切酶高度專一性，又能在人們預(yù)先設(shè)計(jì)的任何位點(diǎn)斷裂DNA?？捎糜诨蚍蛛x、染色體圖波分析、大片段基因的序列分析，以及DNA定位誘變、腫瘤基因治療與新的化學(xué)療法,研究人工核酸酶目的和意義,限制內(nèi)切酶,2020/12/6,43,4.1 人工核酸酶功能配合物的分子設(shè)計(jì),1 Hong Xu, Liang-nian Ji et,al; J

20、. Inorg Biochem. (98) 87 (2004) 2 Hong Deng, Liang-nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. (3) 325 (2003) 3 Qiang-ling Zhang, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg Biochem. (2) 194 (2003) 4 Cai-wu Jiang, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg Biochem. 93 (3) 247 (2003) 5 Hong Deng, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg Bioche

21、m. (97) 207 (2003) 6 Hui Chao, Liang-nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. 1326 (2001),2020/12/6,44,以下三個(gè)系列性配體的配合物可作為人工核酸酶的模擬體系,多吡啶,卟啉,大環(huán)多胺,Jian-Zhoung Wu, Liang-Nian Ji et.al; J.C.S.Dalton Trans (8) 1395 (1997),Hai-Yang Liu, Liang-Nian Ji et.al; J.C.S.Chem. Commun (16) 1575 (1997),Jie Liu, Liang-Nia

22、n Ji et.al; J.C.S. Dalton Trans (1) 114 (2003),2020/12/6,45, 釕()多吡啶配合物可用于作為人 工核酸酶和DNA結(jié)構(gòu)探 針，當(dāng)釕配 合物鍵合到DNA 后，釕配合物的 (MLCT)荷移光譜產(chǎn)生是非常敏感的 變化，因此可以作為一個(gè)靈敏的探針 去監(jiān)控配合物和DNA之間相互作用。,2020/12/6,46,分子設(shè)計(jì)思想：,1.設(shè)計(jì)和合成不同大小，幾何形狀的多吡啶配體,2.它們含有各種推電子或吸電子基團(tuán),3.為了使插入配體能插入DNA，插入配體通常 需要設(shè)計(jì)成幾乎剛性大平面面積,4.它們具有稠合六元雜環(huán)和形成一種特殊幾何形狀,這就使得插入配體的芳

23、環(huán)和DNA中的堿基對之間進(jìn)行重疊或堆積,2020/12/6,47,Base pair of DNA , Base pair of DNA,bpy PZTP,1 Xiao-hua Zou, Liang-nian Ji et,al; J. Biol Inorg Chem. (2) 143 (2001) 2 Jin-gang Liu, Liang-nian Ji et,al; Inorg Chem. 40 (19) 5045 (2001) 3 Xiao-hua Zou, Liang-nian Ji et,al; Inorg Chem. 40 (27) 7091 (2001), 在Ru(bpy)2(P

24、ZTP)2+中，PZTP插入配體插進(jìn)DNA的鹼基對之間，PZTP的芳環(huán)和DNA的鹼基對芳環(huán)之間形成堆積力,2020/12/6,48,4.2 功能配合物的合成路線和分子結(jié)構(gòu),我們報(bào)導(dǎo)了200多種新的不同構(gòu)型的多吡啶 釕()、等配合物，它們具有核酸酶的生 物功能，并提出了六條新的合成路線。,1 Hui Chao, Liang-Nian Ji et,al; Inorg. Chem. 42 (26) 8828 (2003) 2 Xiao-hua Zou, Liang-Nian Ji et,al; J. C. S. Dalton. 1423 (1999) 3 Ya Xiong, Liang-Nian J

25、i et,al; J. C. S. Dalton Trans. 19 (1999) 4 La-Sheng Long, Liang-Nian Ji et,al; J. C. S. Dalton. 1999 (1999) 5 Hui Chao, Liang-nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. 3711 (1999) 6 Jian-zhong Wu, Liang-ian Ji et,al; J. C. S. Dalton. 1395 (1997) 7 Hai-yang Liu, Liang-ian Ji et,al; Chem. Commun 1575 (19

26、97),2020/12/6,49, New synthetic Routes 1, The novel asymmetric ruthenium comlexes of polypyridyl ligands with as-triazine part have been designed and synthesized by following five plans.,First Plan New synthetic Routes 1,2020/12/6,50,Second Plan new synthetic Routes 1,1 Xiao-hua Zou, Liang-nian Ji e

27、t,al; Inorg Chem. 40 (27) 7091 (2001) 2 Hui Chao, Liang-Nian Ji et,al; Inorg Chem. 42 (26) 8828 (2003) 3 Jie Liu, Liang-Nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. (1) 114 (2003),2020/12/6,51,4.3 制備手性功能配合物的方法,1 Hui Chao, Liang-Nian Ji et,al; Inorg. Chem. Commun. (4) 45 (2001) 2 Wen-ji Mei, Liang-Nian Ji e

28、t,al; J. C. S. Dalton Trans. (7) 1352 (2003),rac,disodiun 0,0-dibenzoyl,Ru(bpy)2(py)2 0,0-dibenzoyl-D-tartrate,D-tartrate, Ru(bpy)2p2+,disodiun 0,0-dibenzoyl,L-tartrate,P, Ru(bpy)2p2+,Ru(bpy)2(py)2 0,0-dibenzoyl-L-tartrate,Ru(bpy)2Cl2,rac-Ru(bpy)2(py)22+,P,2020/12/6,52,.,Fig. CD spectra of -() and -

29、Ru(bpy)2 (HPIP)2+ (),Assignment of the absolute configuration of the enantiomers was made by applying excitation theory or comparing with similar complexes of known configuration.,1 Rutherford T.J.et al; Inorg. Chem (36) 4465 (1997),2020/12/6,53,5. 交叉學(xué)科方法研究小分子配合物 和大分子DNA作用機(jī)制 （生物、物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等研究方法）,我們研究了

30、十多種影響因素和相互作用規(guī)律, 和 手性配合物和CT-DNA 鍵合的動(dòng)力學(xué)機(jī)理， 動(dòng)力學(xué)和NMR證明 異構(gòu)體比 異構(gòu)體插入DNA的速度快，這是由于 異構(gòu)體和DNA是構(gòu)面作用，而 異構(gòu)體和DNA是插入作用。,從熱力學(xué)和X衍射方法證明插入配體平面性和它們 的平面面積大小和DNA 鍵合強(qiáng)度成正比的規(guī)律。,2020/12/6,54,(3) 插入配體取代基的電子效應(yīng) 從DFT計(jì)算方法和電化學(xué)定量證明取代基的拉電子 能力越強(qiáng)，相應(yīng)配合物和DNA結(jié)合強(qiáng)度(Kb) 越大。,(4) 輔助配體的影響 從熱力學(xué)和各種光譜方法證明不同類型輔助配體可以 調(diào)控和改變配合物和DNA之間結(jié)合強(qiáng)度和結(jié)合模式。,(5) 插入配體

31、的空間構(gòu)型和疏水性的影響 通過改變配體的空間構(gòu)型和疏水性，實(shí)現(xiàn)了配合物 和DNA之間作用模式和結(jié)合強(qiáng)度有規(guī)律的變化。,(6) 插入配體分子內(nèi)氫鍵的影響 用DFT計(jì)算方法和熱力方法證明分子內(nèi)氫鍵提高配合 物和DNA的結(jié)合強(qiáng)度。,2020/12/6,55,插入配體的形狀對配合物鍵合DNA是插入結(jié)合模式， 還是溝面結(jié)合模式，以及靜電結(jié)合模式的規(guī)律。,(8) 插入配體的空間位阻的影響 插入配體位阻越大，配合物和DNA結(jié)合強(qiáng)度越小。,(9) 配合物Ru(phen)32+在不同的天然DNA 的立體 選擇性CD光譜等證明Ru(phen)32+ 配合物在小 牛胸腺DNA中為部分插入結(jié)合模式，而在魚精 DNA中

32、為溝面結(jié)合模式。,(10) 插入配體取代位置的影響 實(shí)現(xiàn)了插入配體取代基位置的改變調(diào)控配合物 和DNA 的鍵合性質(zhì)。,2020/12/6,56,(11) 在平衡滲析中證明雙核和多核配合物 提高配合物鍵合DNA的手性選擇性。,配合物的MLCT峰呈現(xiàn)出溶劑顯色效應(yīng)。 隨著溶劑的給于電子能力增強(qiáng)，MLCT吸收峰出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這是由于給于電子作用提高中心釕離子的電荷密度，提高了d軌道能量，減少了與配體的* 軌道能量差。,1 Ji Liang-nian, Zhang Qian-ling; Science in China 44 (3) 246 (2001) 2 Xiao-Hua Zou and Lian

33、g-Nian Ji; Trends in Inorg. Chem. (7) 99 (2001) 3 Xian-Lan Hong, Liang-Nian Ji; Polyhedron (23) 815 (2004) 4 Xian-Lan Hong, Liang-Nian Ji; Helv Chim Acta (in press),2020/12/6,57,通過CD 光譜觀察到異構(gòu)體鍵合CT-DNA速度比快，這是由于異構(gòu)體結(jié)合DNA 比異構(gòu)體更強(qiáng)。最近，我們進(jìn)一步報(bào)導(dǎo)異構(gòu)體結(jié)合低聚核苷酸較強(qiáng)是通過插入作用，而異構(gòu)體結(jié)合低聚核苷酸較弱是通過溝面作用。,1 Jin-gang Liu, Liang-ni

34、an Ji et,al; J. Biolog. Inorg. Chem. 5 (1) 119 (2000) 2 Achilleas Garoufis, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg. Biochem. (3) 221 (2003) 3 Jin-gang Liu, Liang-nian Ji et,al; J. Indian Chem. Soc. (11) 539 (2000),5.1 和 手性配合物和DNA鍵合的 動(dòng)力學(xué)和機(jī)理,2020/12/6,58,a. Complex 1,b. Complex 2,2020/12/6,59,配合物鍵合DNA手性選擇性,滲透袋

35、內(nèi)放入CT DNA，滲透袋外放入消旋配合物，在滲透48小時(shí)后，測定配合物 2 的滲透液在CD光譜b中有二個(gè)CD信號，而結(jié)合DNA較強(qiáng)的配合物 1，在CD光譜 a 中卻沒有任何CD信號。,Fig. CD spectra of the dialyzates of complex 1 and complex 2 after 48h dialysis against CT DNA with the solution stirred. (Ru = 50mol dm-3, DNA = 1.0 mmol dm-3),2020/12/6,60,Fig. CD spectra of the dialyzate

36、of Complex 1, after dialysis against CT-DNA for (A) 6,14,20,26h,從開始到26小時(shí)，配合物 1 的 異構(gòu)體 CD 信號從無到最大值。,2020/12/6,61,Fig. 26,32,38,44h with the solution stirred (Ru=50mol dm-3, DNA = 1.0 mmol dm-3),從26小時(shí)至44小時(shí)，配合物 1 的 異構(gòu)體 CD 信號從最大值逐漸減少，最后全部消失。在其它配合物中也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。,2020/12/6,62,結(jié) 論,從滲析實(shí)驗(yàn)表明，在6, 14, 20, 26小時(shí)，隨著時(shí)間增

37、長，由于異構(gòu)體插入CT-DNA速度比異構(gòu)體快。因此滲析袋外的 異構(gòu)體含量不斷增長。,隨著滲析時(shí)間增長，26小時(shí)后， 異構(gòu)體吸收峰不斷減少，最后消失，這表明異構(gòu)體也全部插入DNA中。此時(shí)，滲析袋外溶液也由黃色變?yōu)闊o色。,2020/12/6,63,輔助配體bpy和插入配體HPIP在不同位置上的氫原子的指派如下：,NMR研究,2020/12/6,64,圖： 1H NMR spectra of free d(GTCGAC)2 (1.3 mM) (A) and with added -Ru(bpy)2(HPIP)2+ (B) and -Ru(bpy)2(HPIP)2+ (C) at a metal-to

38、-duplex ratio of 1.0,B和C分別為和 異構(gòu)體與寡核苷作用后的1H NMR 譜、寡核苷加入配合物后，引起NMR譜峰加寬，表明配合物中芳環(huán)體系選擇性地與寡聚核苷相互作用。,A,B,C,2020/12/6,65,HPIPbpy ,和 Ru(bpy)2HPIP2+ 與d(GTCGAC)2 作用后配合物的質(zhì)子共振位移變化,2020/12/6,66,寡聚核苷在重水中的化學(xué)位移證明它在溶液中以B型構(gòu)型而存在, 和 Ru(bpy)HPIP2+ 與 d(GTCGAC)2 作用后，寡核苷的質(zhì)子共振位移變化,2020/12/6,67,Fig. Expansion of the NOESY spe

39、ctra of d(GTCGAC)2 and -Ru(bpy)2(HPIP)2+ (A) and -Ru(bpy)2(HPIP)2+ (B), at a metal-to-duplex ratio of 1.0 at 303 K.,插入配體HPIP的質(zhì)子和寡核苷C3H6 和 G4H8 的質(zhì)子觀察到交聯(lián)峰 異構(gòu)體的質(zhì)子位移和強(qiáng)度均比 大,2020/12/6,68,5.2 插入配體平面性和它們的平面面積大小的規(guī)律,The Ligand Planarity of IP Complex,ORTEP View of Ru(bpy)2IP2+,bipy,bipy,IP,2020/12/6,69,Molec

40、ular structure of IP,從Ru(bpy)2IP2+ 的鍵長和鍵角我們可以看到，絡(luò)合物的整個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)扭曲的八面體，IP 插入配體是一個(gè)平面，使它具有插入DNA堿基對的潛力。,1 Liang-nian Ji et al; Crys. Res. Technol 32 (4) 597 (1997),2020/12/6,70,配合物的 PIP 配體的平面性,Molecular structure of PIPEtOH,為了增加IP配體的面積，我們在IP配體上再增加一個(gè)苯環(huán)成為PIP配體,2020/12/6,71,N(3)-C(13)-C(14)-C(15) 2.08o N(3)-C(

41、13)-C(14)-C(19) -177.6o N(4)-C(13)-C(14)-C(15) -179.05 N(4)-C(13)-C(14)-C(19) 1.27, 從X衍射方法證明兩個(gè)鍵長接近于零，兩個(gè)鍵長接近180o，證明PIP 插入配體也是一個(gè)共平面，PIP配體的平面大小是大于IP 配體，實(shí)驗(yàn)證明Ru(bpy)2PIP2+ 與DNA 的作用強(qiáng)度也是大于Ru(bpy)2IP2+ 。,1 Liang-nian Ji et al; Crystal research technology 31 (7) 857 (1996),2020/12/6,72,由于小分子配合物嵌入DNA堿基對內(nèi)會(huì)使 DN

42、A 雙螺旋伸長, DNA 溶液粘度也隨之升高。,在同樣輔助配體時(shí)，PIP 配合物粘度大于IP配合 物，這意味PIP配合物和 DNA結(jié)合強(qiáng)度大于 IP 配合物，這是由于PIP的平面面積大于IP引起的。,配合物IP 和 PIP與 DNA相互作用強(qiáng)度的粘度法測定,2020/12/6,73,Fig. Effect of increasing amounts of the cobalt(III) complexes on the relative viscosities of CT DNA at 30 0.1C, DNA = 0.5 mmol L-1 and r = Co/DNA,Co(phen)2PI

43、P3+,Co (bpy)2PIP3+,Co(phen)2IP3+,Co (bpy)2IP3+,2020/12/6,74,由于配合物插入DNA后受到大分子DNA的保護(hù)，它避免了部分溶劑分子和粹滅劑對配合物的粹滅作用，使得配合物的熒光壽命和熒光強(qiáng)度均得到增強(qiáng)。,IP和PIP配合物與DNA相互 作用強(qiáng)度的熒光光譜測定,2020/12/6,75,Excited stated lifetime versus DNA/Ru rate,Ru(bpy)2(PIP)2+,Ru(bpy)2(IP)2+,PIPIP,2020/12/6,76,Emission intensities versus DNA/Ru ra

44、te,表明兩種配合物均插入DNA，且 PIP 配合物插入DNA的強(qiáng)度比IP配合物大。,Ru(bpy)2PIP2+,Ru(bpy)2IP2+,PIP IP,2020/12/6,77,電子吸收光譜測定配合物IP和 PIP配合物和CT-DNA的相互作用強(qiáng)度,Binding Constant,2020/12/6,78, 在相同輔助配體條件下，PIP配合物的減色效 應(yīng)、紅移和鍵合強(qiáng)度均大于IP配合物，配合物在 DNA中減色效應(yīng)越大，它們的結(jié)合強(qiáng)度也越大。,Binding Constant,2020/12/6,79,插入配體平面性和它們的平面面積大小和DNA結(jié)合強(qiáng)度之間成正比規(guī)律性,2020/12/6,8

45、0,1 Hong Xu, Liang-Nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. (11) 2260 (2003) 2 Jian-zhong Wu, Liang-nian Ji et,al; J. C. S. Dalton. (8) 1395 (1997) 3 Qi-xiong Zhen, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg. Biochem. (4) 293 (2000) 4 Qi-xiong Zhen, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg. Biochem. (1) 47 (1999),Bpy phen IP

46、PIP HPIP,Area size of planarity Increase,Binding strength Kb Increase,2020/12/6,81,Ru(dmp)2OBIP2+ non-planar Kb = 1.18 104,1 Hong Xu, Liang-Nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans. (11) 2260 (2003),從X衍射技術(shù)和DFT方法分別證明Ru(dmp)2OBIP中配體OBIP不是一個(gè)平面，且它們的二面角分別為 48.6o 和48.2o ，它們鍵合CT-DNA 通過部分插入模式。,2020/12/6,82,Kb =

47、 3.12 104 Kb = 1.18 104 Ru(dmp)2PBIP2+ planar Ru(dmp)2OBIP2+ non-planar,DFT方法也證明Ru(dmp)2PBIP2+中配體PBIP 基本上是一個(gè)平面(二面角是0.4o), 它可以強(qiáng)烈地通過插入模式鍵合到CT-DNA。,Ru(dmp)2PBIP2+ planar Kb = 3.12 104,2020/12/6,83,5.3 插入配體取代基的電子效應(yīng),Fig. Molecular structure of intercalated ligand of 66-2R-dpq,The substitution group of in

48、tercalated ligand,1 Kang-Chen Zheng, Liang-Nian Ji et,al; J. Mol. Stru. (637) 195 (2003) 2 Kang-Chen Zheng, Liang-Nian Ji et,al; J. Mol. Stru. (626) 295 (2003),R= CH3, OH, H, F, CN,Electron withdrawing ability Increase,Binding strength Kb Increase,2020/12/6,84, The binding constant Kb of all complex

49、es respectively were obtained from the decay of the absorbance as follows:,(a) Ru(bpy)2dcdpq2+ C=CN-1 (Kb=3.9105 M-1),2020/12/6,85,(b) Ru(bpy)2dmdpq2+ (m=CH3 Kb=2.3104 M-1),2020/12/6,86,(c) Ru(bpy)2dpq2+ (Kb=4.7104 M-1),Fig. Absorption spectra of complexes in 5mM tris-Hcl and 50mM Nacl Buffer (PH=7.

50、2) in the presence amounts of CT-DNA (DNA=0-100m, Ru=10m),2020/12/6,87, 在配合物中取代基的 拉電子能力越強(qiáng)， 配合物和DNA 之間鍵合強(qiáng)度也越強(qiáng)，這個(gè) 規(guī)律可以幫助我們?nèi)ヌ剿魍ㄟ^取代基的電子 效應(yīng)去調(diào)控配合物和DNA之間的鍵合強(qiáng)度。,2020/12/6,88,DFT計(jì)算方法的理論解釋, HOMO 和 LUMO 能量是隨著取 代基R的拉電子能力增大而減少,Etotal/a la=27.21ev,2020/12/6,89,Co-ligand Ru(bpy)2dmdpq2+ LUMO(2b),Co-ligand Ru(bpy)2

51、dpq2+ LUMO(2b),取代基R的 拉電子能力越強(qiáng)，相應(yīng)配合物的1MLCT 光譜，電子從金屬躍遷至輔助配體逐步變化為電子從金屬躍遷至插入配體。,Intercalated ligand Ru(bpy)2dcdpq2+ LUMO(3b),金屬配合物的LUMO的電子云圖,2020/12/6,90,釕配合物的MLCT 電子躍遷，可以通過配合物的取代基效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控,Intercalated ligand dpq ( F, CN, electron withdrawing),Co-ligand bpy (CH3, OH, H, electron pushing),Ru,e,e,2020/12/6,9

52、1,釕配合物在CH3CN 中循環(huán)伏安法的實(shí)驗(yàn)證明,1 2 3三個(gè)配合物的MLCT電子躍遷可以歸屬從Ru()至輔助配體bpy, 而4是0.790 V，可以歸屬M(fèi)LCT 的電子躍遷從Ru() 至插入配體dcdpq 。,2020/12/6,92,6. 釕多吡啶配合物的生物功能和應(yīng)用探索,在釕多吡啶配合物的應(yīng)用領(lǐng)域， 我們已經(jīng)研究 以下六種生物功能,DNA結(jié)構(gòu)探針,(2) 發(fā)光pH 傳感器等,(3) 一系列新的DNA分子光開關(guān),(4) 三階非線性光學(xué)材料,(5) 新的釕配合物的抗癌活性,(6) DNA的光斷裂試劑,2020/12/6,93,1 Jian-zhong Liu, Liang-nian Ji

53、 et,al; Appl Biochem Microbio. 39 (5) 493 (2003) 2 Liu Jian-zhong, Ji Liang-nian et,al; World J. Microbio Biochem. 9 (3) 417 (2003) 3 Jian-zhong Liu, Liang-nian Ji et,al; Biochem Eng J. 14 (2) 137 (2003) 4 Hai-yan Song, Liang-nian Ji et,al; J. Microbio Cata B: Enzy. 22 (1-23) 37 (2003) 5 Cai-wu Jian

54、g, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg. Biochem. 93 (3-4) 247 (2003) 6 Qian-ling Zhang, Liang-ian Ji et,al; J. Inorg. Biochem. 95 (2-3) 194 (2003) 7 Hong Xu, Liang-ian Ji et,al; New J. Chem. 27 (8) 1255 (2003),2020/12/6,94,6.1 DNA結(jié)構(gòu)探針,1 Hong Deng, Liang-nian Ji et,al; J. C. S. Dalton Trans 325-330 (2003)

55、2 Qi-xiong Zhen, Liang-nian Ji et,al; Inorg. Chim. Acta (303) 141 (2000) 3 Liang-nian Ji; Mat. Sci and Eng. (C10) 51-57 (1999),由于空間匹配原因，配合物的異構(gòu)體，類似右手螺旋漿結(jié)構(gòu)，它對右手雙螺旋(B型)CT-DNA 的親和力超過異構(gòu)體，這些絡(luò)合物可以用于作為探索DNA結(jié)構(gòu)的工具(B型還是Z型？) 。,2020/12/6,95,6.2 發(fā)光pH傳感器,在雙釕()配合物上的發(fā)光pH 傳感器通過含有咪唑配體的質(zhì)子化和去質(zhì)子化進(jìn)行“關(guān)開關(guān)”轉(zhuǎn)換。,1 Hui Chao, Li

56、ang-nian Ji et, al; Polyhedron (19) 1975 (2000) 2 Hui Chao, Bao-hui Ye, Liang-nian Ji et, al; Inorg. Chem. Comm. (2) 338 (1999),2020/12/6,96,6.3 一系列新的DNA 分子光開關(guān),配合物對DNA表現(xiàn)類似光開關(guān)性質(zhì)，在水溶液中配合物沒有發(fā)光，在DNA中發(fā)光被打開，隨著DNA濃度增高發(fā)光不斷增強(qiáng)，呈現(xiàn)出“關(guān)開關(guān)”的分子光開關(guān)性質(zhì)。,1 Xiao-Hua Zou, Liang-nian Ji et,al; J. Bio. Inorg. Chem. (6) 143

57、 (2001) 2 Jin-gang Liu, Liang-nian Ji et, al; Chemistry Letters 1085 (1999) 3 Qian-ling Zhang, Liang-nian Ji et,al; J. Inorg. Biochem (95) 194 (2003),2020/12/6,97,6.4 三階非線性光學(xué)材料,釕()配合物具有類似三階非線性光學(xué)性質(zhì)，它們具有強(qiáng)的自散焦特性，以及反向可飽和的吸收作用。,1 Hui Chao, Liang-nian Ji et,al; J. Chem. Soc. Dalton Trans 1920 (2001) 2 Hui

58、 Chao, Liang-nian Ji et,al; J. Chem. Soc. Dalton Trans 3711(1999) 3 Cai-wu Jiang, Liang-nian Ji et,al; Polyhedron (20) 2187 (2001) 4 Cai-wu Jiang, Liang-nian Ji et,al; J. Coord. Chem. 56 (2) 147 (2003) 5 Cai-wu Jiang, Liang-nian Ji et,al; Trans Met. Chem. (27) 520 (2002) 6 Chao Hui, Ji Liang-nian et,al; Chin. J. Chem. (20) 1235 (2002) 7 Jiang Cai-wu, Ji Liang-nian et,al; Acta Chim. Sincia 60 (1) 65 (2002) 8 Xiao Wan-nen, Ji Liang-nian et,al; Chin. Phys. Soc. 49 (6) 1086 (2000),2020/12/6,98,