無機化學(xué)基本原理-02 -生物簡介

巢暉生物無機與合成化學(xué)教育部重點實驗室無機化學(xué)與材料研究所，化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院中山大學(xué)，廣州“生物無機化學(xué)簡介”2地球生命起源于最早形成的有機碳水化合物分子生命起源3這些最早的碳水化合物分子產(chǎn)生于強大的閃電電荷與地球發(fā)展早期階段的水的相互作用。生命起源4生命的化學(xué)

化學(xué)進(jìn)化假說(無機物有機物),1922年,蘇聯(lián)生物化學(xué)家奧巴林。

1953年,美國化學(xué)家米勒證實該假說,合成出11種氨基酸。5人類基因組計劃美國科學(xué)家于1985年率先提出，由美國、英國、德國、日本、法國、中國六個國家的科學(xué)家共同參加的旨在闡明人類基因組30億個緘基對的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因，破譯人類全部遺傳信息，使人類在分子水平上真正全面認(rèn)識自我的科學(xué)計劃。2003年4月14日，美、日、德、法、英、中等6國科學(xué)家宣布人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標(biāo)全部實現(xiàn)。6《自然》：重新認(rèn)識人類基因組

由美國國立人類基因組研究所（NHGRI）組織成立的，包括全世界11個國家80家科研機構(gòu)35個小組的研究人員。繼“人類基因組計劃”后最大的國際合作計劃之一——“DNA元件百科全書”計劃（ENCODE）日前發(fā)表了一系列重要文章，挑戰(zhàn)了關(guān)于人類基因組的傳統(tǒng)理論，即人類基因藍(lán)圖不是由孤立的基因和大量“垃圾DNA片段”組成的，而是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，單個基因、調(diào)控元件以及與編碼蛋白無關(guān)的其他類型的DNA序列一道，以交疊的方式相互作用，共同控制著人類的生理活動。1.Nature,2007,447,799-816.2.GenomeResearch,2007,17(6)7諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(1959年)“Forthediscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid”“把生命理解成化學(xué)”A.Kornberg8諾貝爾化學(xué)獎(2006年)“Forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription”R.D.Kornberg9化學(xué)生物學(xué)融合化學(xué)和生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)和方法，通過研究外源性化學(xué)物質(zhì)及其對生命體系的影響而達(dá)到了解和調(diào)控生命體系的目的。傳統(tǒng)的生物學(xué)研究生命過程的途徑是用基因突變的方法，利用天然存在的變種或無序引入突變或定點突變干擾正常的生命過程，再用對照方法弄清楚這些過程的內(nèi)在聯(lián)系和相互關(guān)系?；瘜W(xué)生物學(xué)利用化學(xué)小分子干擾生命過程，從而來分析這些變化。JUNE200510

蛋白質(zhì)及肽酶水解酶羧肽酶(Zn)氨肽酶(Mg,Zn)磷酸脂酶(Mg,Zn,Cu)氧還酶氧化酶(Fe,Cu,Mo)羥化酶(Fe,Cu)超氧化物歧化酶(Cu,Zn,Mn)異構(gòu)酶及合成酶的輔酶維生素B12輔酶(Co)調(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)肽鈣調(diào)蛋白(Ca)人血漿促生長因子(Cu)鋅指蛋白(Zn)運送及儲存蛋白電子載體細(xì)胞色素(Fe)鐵硫蛋白(Fe)銅藍(lán)蛋白(Cu)金屬儲存及運送蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白鐵蛋白(Fe)運鐵蛋白(Fe)金屬硫蛋白(Cu,Zn,Hg,Cd..)膠原蛋白(Ca)載氧蛋白血紅蛋白(Fe)肌紅蛋白(Fe)血藍(lán)蛋白(Cu)血釩蛋白(V)與蛋白結(jié)合的金屬離子11金屬蛋白和金屬酶血藍(lán)蛋白細(xì)胞色素C氧化酶脲酶核糖核酸酶12血紅蛋白卟啉環(huán)配體血紅蛋白中的血色素基團血紅蛋白的結(jié)構(gòu)13鈣和天冬氨酸(asp)和谷氨酸(glu)的O原子配位，形成為四面體構(gòu)形鈣調(diào)蛋白的結(jié)構(gòu)14CO2的水合:CO2+H2O

HCO3-+H+

碳酸酐酶的水解作用過程15含卟啉鐵,免疫調(diào)節(jié)、改善營養(yǎng)性貧血。紅桃K"forhisresearchesintotheconstitutionofhaeminandchlorophyllandespeciallyforhissynthesisofhaemin"HansFischer諾貝爾化學(xué)獎(1930年)16(A)由銅離子引起的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化模型;(B)Prion蛋白質(zhì)部分順序。

曾風(fēng)靡英國的瘋牛病(Priondisease)則是由于銅離子導(dǎo)致的神經(jīng)毒性而引起的。Prion蛋白中重復(fù)出現(xiàn)的每一段序列(PHGGGWGQ)是螺旋結(jié)構(gòu),當(dāng)它與銅離子結(jié)合后引起二級結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,成為折疊片,因而聚集成PrPsc。PrPsc蛋白聚集引起病變并帶有傳染性。銅離子在瘋牛病的發(fā)病機理中扮演著至關(guān)重要的角色.瘋牛病17碳酸鑭（Fosrenol)高磷酸血癥（血液中磷的濃度過高）常出現(xiàn)在長期透析慢性腎功能衰竭的患者。如不得到有效治療，高磷酸鹽血癥可能導(dǎo)致腎性骨營養(yǎng)不良，造成一系列骨疾病，表現(xiàn)為骨痛、脆骨癥、骨骼畸形和骨折。此外，有證據(jù)表明高磷酸鹽血癥還可能引起心血管疾病，透析患者中近半數(shù)就死于心血管疾病。在美國269，000透析的腎病患者中，盡管控制飲食，采取低磷飲食，仍有80%發(fā)展高磷酸血癥。碳酸鑭因為它與食物中的磷酸鹽生成難溶的磷酸鑭，通過消化道排出體外，從而降低磷酸鹽的吸收。FOSRENOL于2004年10月獲美國食品及藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)，目前作為處方藥在美國出售。2005年3月，歐盟監(jiān)管部門準(zhǔn)許FOSRENOL在歐盟16個成員國銷售。La2(CO3)38H2O18砒霜As3+治療白血病砒霜19ProfessorofCIT美國科學(xué)院院士“通過將無機化學(xué)知識運用到生物過程而對于理解控制金屬蛋白中的電子傳遞過程的物理和化學(xué)機理起到了積極作用?！盚.B.Gray20蚯蚓血紅蛋白金屬蛋白的顏色蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬蛋白的工作方式？配體場理論等化學(xué)知識21細(xì)胞色素C“如果電子傳遞無法正常進(jìn)行，生命也將終止”。體內(nèi)最重要的一種電子轉(zhuǎn)移是物質(zhì)代謝時,電子沿電子鏈傳遞而最終和氧反應(yīng)產(chǎn)生水,在此過程中釋放的能量以腺苷三磷酸形式儲存起來以供生命運用。22分析方法

電子吸收光譜拉曼光譜與共振拉曼光譜穩(wěn)態(tài)熒光和時間分辨熒光光譜圓二色光譜高分辨率核磁共振譜穆斯堡爾譜

X射線晶體結(jié)構(gòu)測定

ITC和DSC23穩(wěn)態(tài)熒光和時間分辨熒光光譜研究生物大分子的動態(tài)結(jié)構(gòu)，及配合物與DNA相互作用等。24圓二色光譜可以幫助確定生物大分子的二級結(jié)構(gòu)，研究外來配體（底物、抑制劑）與金屬蛋白和金屬酶結(jié)合引起的金屬蛋白和金屬酶活性部位的變化。25顯微共焦拉曼光譜儀，主要研究物質(zhì)分子振動光譜和微觀結(jié)構(gòu)。拉曼光譜儀26高分辨率核磁共振譜儀可以分辨出某些金屬蛋白和金屬酶中各種氨基酸殘基的質(zhì)子信號。27穆斯堡爾譜儀穆斯堡爾譜是利用原子核無反沖的射線吸收或共振散射現(xiàn)象研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種方法。已廣泛應(yīng)用于血紅蛋白和鐵硫蛋白的研究。28X-射線單晶衍射儀29ITC-DSC等溫滴定微量量熱儀（ITC），差示掃描微量量熱儀（DSC）

研究生物熱力學(xué)與生物動力學(xué)的重要工具，它通過高靈敏度、高自動化的微量量熱儀連續(xù)、準(zhǔn)確地監(jiān)測和記錄一個變化過程的量熱曲線，原位、在線和無損傷地同時提供熱力學(xué)和動力學(xué)信息。獲得生物分子相互作用的完整熱力學(xué)參數(shù)，包括結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點數(shù)、摩爾結(jié)合焓、摩爾結(jié)合熵、摩爾恒壓熱容和動力學(xué)參數(shù)(如酶活力、酶促反應(yīng)米氏常數(shù)和酶轉(zhuǎn)換數(shù))。

30生物無機化學(xué)在生命體中這些化學(xué)反應(yīng)是一系列有組織的、配合準(zhǔn)確、默契的化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜組合，從而實現(xiàn)了由低級運動到高級運動形式的轉(zhuǎn)化。人們從個別金屬離子在生化反應(yīng)中所起的作用逐漸認(rèn)識到生命活動無不與金屬離子有著千絲萬縷的聯(lián)系。即沒有金屬離子就沒有生命。生物無機化學(xué)—應(yīng)用無機化學(xué)(特別是配位化學(xué))的理論和方法研究無機元素、無機化合物與生物體系及其模擬體系相互作用的學(xué)科。

3132生物無機化學(xué)研究

金屬酶和金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能

金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用金屬藥物仿生材料（生物礦化、仿生合成、仿生催化）33DNA人體內(nèi)的每個細(xì)胞含有46個獨立的DNA分子,每一個DNA分子平均含有大約1.6億對脫氧核苷酸。(DNA:theMoleculeofLife)生物中心法則:生物信息從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)。(DNA:theCodeofLife)化學(xué)小分子與DNA相互作用-DNA足跡試劑、診斷試劑、化療藥物等。M.Demeunynck,C.Bailly,W.D.Wilson(Eds.),DNAandRNABinders:FromSmallMoleculestoDrugs,Wiley-VCH:Weinheim,

2003.

34DNA結(jié)構(gòu)35配合物與DNA作用小分子化合物與DNA相互作用的三種基本模式：（A）靜電相互作用、（B）小溝結(jié)合和（C）插入作用。

36核酸探針生物學(xué)上的核酸探針是一類具有特異順序的DNA或RNA克隆片段。它們能專一性地與受檢靶DNA進(jìn)行分子雜交，從而對核酸進(jìn)行定性和定量分析。核酸探針是分子生物學(xué)的基本工具，它具備兩個基本功能要素：示蹤性和顯示性。傳統(tǒng)的探針標(biāo)記物一般為放射性核素，常用的有32P，3H，35S等。放射性標(biāo)記核酸探針已廣泛用于分子生物學(xué)和臨床診斷，但存在一些缺陷（如污染，運輸，半衰期短等）。37J.K.BartonProfessorofCIT發(fā)現(xiàn)配合物[Ru(bpy)2dppz]2+與DNA結(jié)合力強，在水溶液中沒有熒光，當(dāng)加入雙鏈DNA后產(chǎn)生很強的發(fā)光，可作為DNA的分子光開關(guān)。(JACS,1990,112,4960)DNA分子光開關(guān)

38雜交發(fā)光探針將配合物[Ru(phen)2DPPZ]2+連接到一段寡核苷酸上便成為一種新型的雜交發(fā)光探針，其發(fā)光強度與另一條DNA單鏈的匹配程度有關(guān)，完全匹配時強度最大，不匹配堿基數(shù)目越多則發(fā)光強度越小。(JACS,1992,114,8733)39

除了G:C和A:T堿基配對的DNA雙股螺旋結(jié)構(gòu)外，鏈的彎曲以及溝寬度的改變所造成的雙螺旋結(jié)構(gòu)變形，使得DNA還可以形成各種不同類型的其他結(jié)構(gòu)。其中三螺旋區(qū)(triplehelices)、突起區(qū)(bulges)、發(fā)夾環(huán)狀區(qū)(Hairpins)等具有突狀結(jié)構(gòu)的DNA突狀區(qū)尤為重要，它們在RNA復(fù)制、移碼突變、插入誘導(dǎo)突變、非同源重組等許多生命過程中都起著非常重要的作用；最近研究還發(fā)現(xiàn)DNA突狀區(qū)是HIV-1等病毒復(fù)制的調(diào)控蛋白的主要攻擊點。

DNA突狀結(jié)構(gòu)40DNA突狀結(jié)構(gòu)識別C.C.Cheng,etal,Angew.Chem.Int.Ed.

1999,38,125541DNA突狀結(jié)構(gòu)識別F.R.Keene,etal,DaltonTrans.2002,4343.42

G4-DNA是由G-四聚體堆積而成的。G-四聚體由在平面排列的四個鳥嘌呤構(gòu)成。鳥嘌呤之間由N1H亞氨基質(zhì)子和C6=O撥基以及N2H氨基質(zhì)子和N7之間的兩個氫鍵相連，每個鳥嘌呤都作為堿基對氫鍵的供體和受體。端粒、免疫球蛋白開關(guān)區(qū)、基因啟動子區(qū)等許多具有重要生物學(xué)功能的基因組中都存在富含鳥嘌呤的序列，其中很多序列在體外實驗中已被證實能夠形成G4-DNA結(jié)構(gòu)。

G-QuadruplexDNA4344G4-DNA抑制端粒酶活性45G-Quadruplex識別TelomeraseinhibitionintheTRAPassay(TelomereRepeatAmplificationProtocol)46G-Quadruplex識別47人工核酸酶48[Co(phen)2(dpta)]3++DNA+DNADNA對配合物熒光的淬滅是配合物的激發(fā)態(tài)通過電子轉(zhuǎn)移對DNA中鳥嘌呤堿基進(jìn)行氧化的結(jié)果。

49[Co(phen)2(dpta)]3++DNA實驗條件：

365nm紫外燈照射60min.結(jié)果分析：DNA斷裂與配合物激發(fā)態(tài)通過電子轉(zhuǎn)移對

DNA中鳥嘌呤堿基進(jìn)行氧化有關(guān)。50

[Co(phen)2(dpta)]3++DNAFig.PhotocleavagecleavageofpBR322DNAinthepresenceof20M[Co(phen)2(dpta)]3+anddifferentinhibitorsafterirradiationat365nmfor60min.lane0,DNAcontrol;lane1,noinhibitor;lane2–6:(2)D-mannitol(50mM),(3)SOD(1000unit),(4)histidine(10mM),(5)DMSO(0.4M),(6)sodiumformate(50mM).證實DNA斷裂與羥基自由基(OH)也有關(guān)。B.Peng,H.Chao,etal,J.Inorg.Biochem.,2006,inpress51金屬在生命活動中的作用52

已知25中金屬元素為生命體所必需.

金屬離子與核酸,蛋白質(zhì)等生物大分子的作用及對神經(jīng)系統(tǒng)不正常的影響可以直接或間接地?fù)p傷DNA而引起細(xì)胞變異.

金屬配合物可以用于治療和診斷疾病.

歐共體聯(lián)合歐洲的科學(xué)家從1996年起開始相關(guān)研究.2001年美國NIH特別設(shè)立“金屬在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用”課題.

日本政府組織200多名科學(xué)家并投入大量資金從事該方面的研究,(JIBC,2000,82,1-183).金屬藥物5354金屬藥物55NatureReviewscancer2002,3,18856順鉑的發(fā)現(xiàn)

1965年美國密西根州立大學(xué)

B.

Rosenberg教授在研究電場對大腸桿菌生長速度的影響時，發(fā)現(xiàn)所用的鉑電極與營養(yǎng)渡中的成分形成的六氯合鉑和一些順式的含鉑絡(luò)合物能夠抑制大腸桿菌的細(xì)胞分裂，但對細(xì)菌生長的影響卻很小。這一偶然的發(fā)現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注，美國癌癥研究所立即組織對這些絡(luò)合物進(jìn)行廣泛的研究和臨床試驗。

有絲分裂絲狀物磁偶極場方向圖57[(NH4)2[PtCl6]]

光照異構(gòu)體cistrancis合成二價鉑化合物順鉑順鉑的發(fā)現(xiàn)581995年,WHO對上百種治癌藥物進(jìn)行排名,順鉑的綜合排名位居第二.研究表明,順鉑具有抗癌活性主要是由于它能是癌細(xì)胞DNA復(fù)制發(fā)生障礙而抑制癌細(xì)胞的分裂.其機理為:跨膜運轉(zhuǎn),水合離解,靶向遷移和作用于DNA

順鉑已成為臨床上治療睪丸癌、卵巢癌、頭頸腫瘤和膀胱癌等最廣泛使用的藥物之一.毒副作用，如腎毒性、骨髓毒性、耳毒性、外周神經(jīng)毒性、催吐性及長期使用產(chǎn)生的耐藥性等.順鉑59抗癌機理DNA解旋和復(fù)制

順鉑結(jié)合DNA，鏈內(nèi)交聯(lián)，抑制DNA復(fù)制。靶向遷移60順鉑與DNA作用的機制61鉑族化合物抗癌藥物研究現(xiàn)狀

在過去的25年里與鉑配合物抗癌相關(guān)的報道很多。有幾千個新的鉑族化合物進(jìn)入篩選，其中的28個化合物進(jìn)入臨床研究，有4個化合物已獲得批準(zhǔn)進(jìn)入場，還有2～3個化合物將獲得生產(chǎn)批文。62臨床應(yīng)用的鉑配合物據(jù)最新統(tǒng)計，順鉑和卡鉑（也叫碳鉑）在1996年就進(jìn)入全球銷售額領(lǐng)先的10大抗癌藥物之列，分別排名第8

位和第5

位。1999年卡鉑又進(jìn)入全球最暢銷的150種處方藥排行榜，名列第66位。

63

目前，臨床應(yīng)用鉑類抗癌藥最大的問題是耐藥性，許多患者先天或后天對鉑類抗癌藥物產(chǎn)生耐藥性，嚴(yán)重降低了藥物的療效及其抗癌譜。癌細(xì)胞產(chǎn)生耐藥機理表現(xiàn)為：①降低藥物的跨膜運轉(zhuǎn)，使藥物在癌細(xì)胞內(nèi)不能進(jìn)行有效的積累；②增加細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽和金屬硫蛋白的濃度，破壞藥物的結(jié)構(gòu)，使之失活；③增強DNA的修復(fù)功能，使鍵合在DNA鏈上的鉑類藥物活性基團解離；④提高細(xì)胞對A2Pt/DNA加合物的耐受力。因此，針對以上機理，設(shè)計和合成能克服癌細(xì)胞耐藥性的鉑類藥物是當(dāng)前藥物研究和發(fā)展的方向。

面臨問題64其它鉑配合物65多核鉑配合物

多核鉑配合物可與癌細(xì)胞的DNA發(fā)生多點鍵合，結(jié)合能力更強，對DNA的結(jié)構(gòu)和功能破壞得更加嚴(yán)重，使得癌細(xì)胞難以自我修復(fù)和更難耐受,且與順鉑無交叉耐藥性，是具有開發(fā)應(yīng)用前景的新藥。英國Novuspharm公司已推出3種多核鉑配合物進(jìn)行臨床研究，分別為順式-雙核鉑配合物(簡稱BBR-3610)、反式-雙核鉑配合物(簡稱BBR-3611)和反式-三核鉑配合物(簡稱BBR-3464)。臨床前研究表明BBR-3464與DNA的交聯(lián)程度高于順鉑，劑量只需順鉑的1/10

。66國際上已經(jīng)普遍認(rèn)為，釕配合物將成為最有前途的抗癌藥物之一.歐盟自1997年就成立了釕抗癌藥物的研究和發(fā)展工作組(COSTD8)，加強相應(yīng)的研究.釕(III)配合物抗癌活性的重要的假設(shè)——“還原活化”(Activationbyreduction)，即釕(III)配合物可能只是前體藥物，在體內(nèi)通過還原活化后與生物分子發(fā)生作用。Keppleretal和Alessioetal對釕配合物進(jìn)行了廣泛的藥理學(xué)評價,進(jìn)一步促進(jìn)了釕配合物的抗腫瘤活性的發(fā)展(Prog.Clin.Biochem.

Med.1989,10,41;MetalBasedDrugs1994,1,41).釕配合物67體內(nèi)抗腫瘤活性試驗(1)對P388體系的最佳T/C值分別為200和160(順鉑為180，5-氟尿嘧啶為150).(2)對Walker256肉瘤、Stockholm腹水癌、皮下移植的B16黑色素瘤、Scroma180腹水癌、Ehrlich腹水癌、MAC15A直腸癌以及AMMN(acetoxymethylmethylnitrosmine，CH3(NO)NCH2OC(O)CH3)誘導(dǎo)的鼠結(jié)腸癌（順鉑無效）都有很好的效果.(3)在體外活性試驗中并不表現(xiàn)出較高的活性,暗示了釕配合物在抗癌機制上與順鉑類藥物的不同.

氨和亞胺類681995年，mer-[Ru(terpy)Cl3]（terpy=2,2’:6’,2’’-三聯(lián)吡啶）對LS/BL鼠腹水癌表現(xiàn)出活性.計亮年研究組對含有配體1和2的釕多吡啶配合物進(jìn)行了HL-60人白血病、Bel-7402人肝癌、KB人鼻咽癌、HeLa人宮頸癌等瘤株的體外活性篩選.Mishra等對含有配體3的釕多吡啶配合物進(jìn)行了廣泛的體外活性篩選，發(fā)現(xiàn)有幾個配合物表現(xiàn)出很好的活性.

多吡啶類69極好的水溶性，在空氣中很穩(wěn)定.對P388體系表現(xiàn)出明顯的抗腫瘤活性外，還對Ehrlich腹水癌(120mg/Kg，T/C=460)、L1210鼠白血病(60mg/Kg，T/C=210)、MX-1移植人乳腺癌(60mg/Kg，T/C=13)等表現(xiàn)出突出的活性.試驗過程中，沒有觀察到以往許多抗癌藥所帶來的神經(jīng)毒性、肝毒性以及骨髓抑制等損害.環(huán)己二胺四乙酸釕配合物乙二胺四乙酸類70DMSO作為極性分子，它容易穿過細(xì)胞膜；作為比較獨特的配體，其S和O都是潛在的配位原子.上一個世紀(jì)70年代，cis-[Ru(DMSO)4Cl2]被合成和晶體結(jié)構(gòu)表征，是釕配合物中用于研究抗腫瘤性質(zhì)的第一個配合物.根據(jù)[Ru(DMSO)4Cl2]的順式和反式配合物對光和熱的穩(wěn)定性不同，合成了相應(yīng)的反式配合物，并用于抗癌活性研究.良好的水溶性、低毒性以及對某些耐順鉑的P388淋巴白血病表現(xiàn)出很好的活性.以[(DMSO)2H][trans-Ru(DMSO)2Cl4]為原料制得的Na[trans-Ru(DMSO)(im)Cl4](NAMI)對腫瘤如肺癌、MCa乳腺癌的轉(zhuǎn)移表現(xiàn)出特別的活性，該配合物在1999年作為抗轉(zhuǎn)移藥物就已經(jīng)進(jìn)入一期臨床.二甲亞砜(DMSO)類71DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DNA在細(xì)胞內(nèi)往往以超螺旋狀態(tài)存在。超螺旋的解旋是復(fù)制與轉(zhuǎn)錄前的必要準(zhǔn)備，除緩解張力以利于復(fù)制與轉(zhuǎn)錄過程的正常進(jìn)行外，更重要的是暴露DNA分子中的結(jié)合位點，使參與復(fù)制或轉(zhuǎn)錄的各種調(diào)控蛋白發(fā)揮作用，當(dāng)復(fù)制或轉(zhuǎn)錄完成后，親代與子代DNA的分離則又要求由解旋狀態(tài)恢復(fù)或轉(zhuǎn)變到超螺旋狀態(tài)。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（Topoisomerase簡稱Topo）就是一種能催化這類轉(zhuǎn)化反應(yīng)的基本核酶，在許多與DNA有關(guān)的遺傳功能中顯示重要作用，如DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組、切割與再連接和細(xì)胞染色體的組織以及有絲分裂等過程。.

J.C.Wang,ScientificAmerican1982,247,100-109.J.C.Wang,Annu.Rev.Biochem.,1996,65,635-691.72拓?fù)洚悩?gòu)酶

根據(jù)拓?fù)洚悩?gòu)酶誘導(dǎo)DNA斷裂機制的不同，主要將其分為兩類：I型DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(TopoI)和II型DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(TopoII)[2]。TopoI為單體蛋白,相對分子質(zhì)量為91KD,有765個氨基酸；TopoII為同源二聚體，有、兩種亞型，相對分子量分別為170KD和180KD。

TopoITopoIIL.Stewart,etal,Science1998,279,1534-1541.

J.M.Berger,etal,Nature

1996,379,225-232.73TopoI作用機理TopoI的作用機理：酶先與DNA結(jié)合，然后切斷DNA雙鏈中的一條脫氧核苷酸鏈，Tyr723的羥基與斷裂的DNA鏈形成共價連接的磷酸二酯鍵，另一條脫氧核苷酸鏈旋轉(zhuǎn)一周并穿過第一條鏈的切口處之后，Tyr723與DNA形成的磷酸二酯鍵水解斷開，并使切斷的DNA鏈重新連接起來。整個過程使DNA的螺旋程度增加或降低一個連系數(shù)。隨后酶與DNA重新分開或進(jìn)行下一輪作用。該過程不需要任何輔助因子。L.Stewart,etal,Science1998,279,1534-1541.74TopoII作用機理TopoII的作用機理：TopoII首先以非共價方式與DNA結(jié)合，在等二價陽離子催化作用和ATP的作用下（提供能量），使DNA雙鏈同時發(fā)生斷裂。隨后通過TopoII的構(gòu)型轉(zhuǎn)變，使同一DNA雙鏈的某一段通過切口，然后將斷開的雙鏈DNA重新連接起來。整個過程使DNA的螺旋程度增加或降低兩個連系數(shù)。隨后酶與DNA重新分開，并恢復(fù)起始構(gòu)象。

J.M.Berger,etal,Nature

1996,379,225-232.75轉(zhuǎn)錄-拓?fù)洚悩?gòu)酶76拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑

甄永蘇主編，“抗腫瘤藥物研究與開發(fā)”，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

與正常細(xì)胞不同，拓?fù)洚悩?gòu)酶在腫瘤細(xì)胞中表現(xiàn)出不受其他因素影響的高水平表達(dá)。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶是目前抗腫瘤藥物研究的一個熱門靶點。近年來以拓?fù)洚悩?gòu)酶為靶點的抗癌藥物已成為臨床化療方案中最重要藥物。金屬配合物應(yīng)用到DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制方面還非常少，這是和無機化療藥物順鉑（通過鍵合作用干擾DNA的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制）完全不同的一種抗腫瘤作用模式。77Chiral[Ru(bpy)2(uip)]2+F.Gao,H.Chao,L.N.Ji,etal,J.Biol.Inorg.Chem.,2007,12,1015-1027Uracil,apyrimidinebaseofnucleicacids

78Chiral[Ru(bpy)2(uip)]2++DNA5.8105M-12.9105M-179

拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制TopoITopoII80

拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制81

光動力療法的作用基礎(chǔ)是光動力效應(yīng)。這是一種有氧分子參與的伴隨生物效應(yīng)的光敏化反應(yīng)。其過程是，特定波長的激光照射使組織吸收的光敏劑受到激發(fā)，而激發(fā)態(tài)的光敏劑又把能量傳遞給周圍的氧，生成活性很強的單態(tài)氧，單態(tài)氧和相鄰的生物大分子發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞受損乃至死亡?，F(xiàn)在光動力治療已被公認(rèn)為臨床上除手術(shù)、放療、化療之外的第四種治療癌癥的方法。與其它三種方法相比，光動力治療具有選擇性(藥效選擇性富積和選擇性光照激活），更易將藥物作用點控制在病變組織內(nèi)，因而具有顯著高效性和安全性。光動力治療(PhotodynamicTherapy)IIIIIIIV82光動力學(xué)療法的歷史

NielsFinsenwontheNobelPrizeforhisworkonphototherapyvonTappeinerandA.Jodlbauerintroducedtheterm‘photodynamic’FriedrichMeyer–BetzperformedthefirststudywithPhotodynamictherapy(PDTwithporphyrinsinhumans;heusedhaematoporphyrinonhisownhandsRichardLipsonandBaldesdescribesthetumouraccumulationofHPDanditsuseinthephotodetectionoftumoursThomasDoughertysuccessfullytreatedskincancerinpatientsDoughertyperformedthefirstcontrolledclinicalstudyinhumansHermanvonTappeinerandA.JesionekusedtopicaleosinandwhitelighttotreattumoursontheskiHermanvonTappeinerandA.JesionekusedtopicaleosinandwhitelighttotreattumoursontheskiSamuelSchwartzdevelopedhaematoporphyrinderivative(HPD)byacetylationandreductionofhaematoporphyrin;HPDwasfoundtobetwiceasphototoxicashaematoporphyrinI.DiamondshowedThephototoxicityofhaematoporphyrinagainstgliomasinvivoandinvitroThefirstPDTdrugwasApprovedinCanadaOscarRaabshowedthecytotoxiceffectsofthecombinationofacridineandlightoninfusoria(Parameciumcaudatum)NielsFinsenusedlighttotreatsmallpoxandcutaneoustuberculosisNielsFinsenwontheNobelPrizeforhisworkonphototherapyvonTappeinerandA.Jodlbauerintroducedtheterm‘photodynamic’FriedrichMeyer–BetzperformedthefirststudywithPhotodynamictherapy(PDTwithporphyrinsinhumans;heusedhaematoporphyrinonhisownhandsRichardLipsonandBaldesdescribesthetumouraccumulationofHPDanditsuseinthephotodetectionoftumoursThomasDoughertysuccessfullytreatedskincancerinpatientsDoughertyperformedthefirstcontrolledclinicalstudyinhumansHermanvonTappeinerandA.JesionekusedtopicaleosinandwhitelighttotreattumoursontheskinHermanvonTappeinerandA.JesionekusedtopicaleosinandwhitelighttotreattumoursontheskinSamuelSchwartzdevelopedhaematoporphyrinderivative(HPD)byacetylationandreductionofhaematoporphyrin;HPDwasfoundtobetwiceasphototoxicashaematoporphyrinI.DiamondshowedThephototoxicityofhaematoporphyrinagainstgliomasinvivoandinvitroThefirstPDTdrugwasApprovedinCanada1900

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1999J.F.KellyusedHPDtotreatbladdercancerinhumans;healsoobservedtumourregressionnderivative(HPD)byacetylationandreductionofhaematoporphyrin;HPDwasfoundtobetwiceasphototoxicashaematoporphyrin83PDT的作用機制84PDT的光敏劑PDT使用的理想光敏劑的原則為:①組分單一,結(jié)構(gòu)明確,性質(zhì)穩(wěn)定;②在光照時具有強的光毒性,對機體無副作用、安全;③與正常組織相比,在靶組織內(nèi)有相對的選擇性存留,

而又不會在體內(nèi)滯留過久;④光敏化力強,三線態(tài)氧壽命長而且產(chǎn)量多;⑤在光療窗口(600～900nm)有強吸收,以利于治療時采用對人體組織穿透較深的光源;⑥在生理pH值可溶解。85第一代光敏劑血卟衍生物(HpD)和Photofrin多為混合制劑,在體內(nèi)的滯留時間長,避光時間需4周以上;它們的最長激發(fā)波長在630nm,此波長穿透的組織深度有限(<0.5cm),限制了在較大靶組織上的應(yīng)用。第二代光敏劑

大致分為五類:卟啉衍生物;中介取代芳基卟吩(一氫卟吩)類;酞菁類;葉綠素a降解產(chǎn)物衍生物;其它。與第一代光敏劑相比較,第二代光敏劑不僅在更長的可見光區(qū)(640～850nm)有更強的吸收,更主要是這些以Al或Zn為中心離子的大環(huán)金屬化合物的三線態(tài)產(chǎn)率與三線態(tài)壽命比第一代光敏劑大得多。光敏劑的發(fā)展86第二代光敏劑R=H單天門冬?；溥卜觘6(monoaspartylchlorine6),最大吸收在664nm,在空氣飽和的重水中的單重態(tài)氧量子產(chǎn)率是0.77.它是除Photofrin外真正水溶性的PDT藥,是最早在文獻(xiàn)中報道的,也是第一個上臨床的第二代光敏劑.87第三代光敏劑的設(shè)計是針對第二代光敏劑的缺點,為第二代光敏劑的衍生物,是在第二代光敏劑的基礎(chǔ)上交聯(lián)上某些特殊的化學(xué)物質(zhì),進(jìn)一步提高了靶組織的選擇性,這些化學(xué)物質(zhì)簡單的如多聚體(Polymers)和脂質(zhì)體(Liposomes),復(fù)雜的如靶組織表達(dá)的抗原或受體的相應(yīng)抗體和配體等。第三代光敏劑88第三代光敏劑89第三代光敏劑90第三代光敏劑91第三代光敏劑竹紅菌乙素HB92“表彰他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致人類患胃炎、胃潰瘍和十二指腸潰瘍的罪魁——幽門螺桿菌?！卑拇罄麃喛茖W(xué)家巴里·馬歇爾(左)和羅賓·沃倫(右)2005年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎93幽門螺桿菌94膠體次枸櫞酸鉍(colloidalbismuthsubcitrate,CBS):各種研究表明,鉍劑治療胃潰瘍有兩種機制:一是膠體次枸櫞酸鉍的高分子結(jié)構(gòu)在胃中選擇性地附著在潰瘍表面可以形成一種保護(hù)性薄膜來阻止胃酸的侵蝕;二是部分在胃液中的鉍可以進(jìn)入幽門螺桿菌內(nèi)抑制其生長,從而達(dá)到治療的目的。膠體次枸櫞酸鉍95JACS,2003,125,12408膠體次枸櫞酸鉍的結(jié)構(gòu)96

在低濃度下銀有很強的抗菌活性,并且具有低毒的功能.1965年,Moyer研究發(fā)現(xiàn)硝酸銀溶液(最低濃度至0.5%)對葡萄狀球菌,鏈狀球菌,假單胞菌等有抗菌活性.

在一些國家用1%硝酸銀溶液滴洗剛出生嬰兒的眼睛以預(yù)防新生兒ophthalmianeonatorum.

磺胺嘧啶銀(Silversulfadiazine)作為抗菌劑被廣泛用于嚴(yán)重?zé)齻麜r的抗菌消毒.抗菌劑97抗菌劑首先，銀離子附著于細(xì)菌上，引起細(xì)菌表面減少的變化，而且擾亂了他們的電荷平衡。而后細(xì)菌的細(xì)胞壁破裂并被消滅。然后，由于銀離子被帶入細(xì)菌中，他們與細(xì)胞霉菌起反應(yīng)并結(jié)合。這能抑制細(xì)胞霉菌和細(xì)菌的繁殖，因而消滅細(xì)菌。98

公元前2500年,我國就有以金作為各種藥物和營養(yǎng)品的記載.

金的硫醇類化合物(如Myocrisin)和含磷的金的口服藥(如Auranofin)用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎.抗關(guān)節(jié)炎MyocrisinAuranofin99

和復(fù)雜的天然有機化合物相比，模擬其結(jié)構(gòu)合成的金屬配合物不僅能選擇識別不同底物蛋白，而且表現(xiàn)出更高的藥理活性(IC50=3–10nM)[20]，同時釕配合物還可以充當(dāng)揭示涉及蛋白激酶的細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程的分子探針(Williams,D.S.;Atilla.G.E.;Bregman,H.;Arzoumanian,A;Klein,P.S.;Meggers,E.Angew.Chem.,Int.Ed.2005,44,2.)酶抑制劑100青蛙胚胎酶抑制劑101酶抑制劑102核磁共振成像(MRI)疾病診斷的主要手段有X射線,超聲波,放射性同位素和核磁共振等.核磁共振成像(MRI)利用生物體不同組織在外磁場影響下產(chǎn)生不同的共振信號來成像,能夠判別百萬分之一的結(jié)