三元TBZ/HPB-銅(Ⅱ)-L-蛋氨酸配合物的合成、表征、抑菌活性及與DNA的作用

盧艷梅 區志鑌 劉海峰,2 樂學義＊,,2

(1華南農業大學理學院應用化學系，廣州 510642)(2華南農業大學生物材料研究所，廣州 510642)

三元TBZ/HPB-銅(Ⅱ)-L-蛋氨酸配合物的合成、表征、抑菌活性及與DNA的作用

盧艷梅1區志鑌1劉海峰1,2樂學義＊,1,2

(1華南農業大學理學院應用化學系，廣州 510642)(2華南農業大學生物材料研究所，廣州 510642)

本文合成了2個新的三元銅(Ⅱ)配合物：[Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]ClO4·H2O(1)和[Cu(HPB)(L-Met)]ClO4(2)[TBZ=2-(4′-噻唑基)苯并咪唑，HPB=2-(2-吡啶)苯并咪唑，L-Met=L-蛋氨酸]。通過元素分析、摩爾電導率、IR、UV-Vis及電噴霧質譜對這些配合物進行了表征。用二倍稀釋法研究了配合物的抗菌活性，發現配合物對金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，G+)，枯草桿菌(Bacillus subtilis，G+)，沙門氏桿菌(Salmonella，G-)和大腸桿菌(Escherichia coil，G-)具有良好的抑制作用。采用電子吸收光譜、熒光光譜、粘度測定及瓊脂凝膠電泳方法研究了配合物與DNA的相互作用，結果表明，配合物以插入方式與DNA作用，在維生素C存在下通過羥自由基·OH，單線態氧1O2或者1O2類似物如Cu-O2,切割pBR322 DNA雙螺旋結構。

銅(Ⅱ)配合物；2-(4′-噻唑基)苯并咪唑；2-(2-吡啶)苯并咪唑；DNA；抑菌活性

小分子特別是過渡金屬配合物與DNA的鍵合和分子識別特性使其有可能作為DNA結構探針、化學核酸酶、藥物和殺菌劑等而具有廣泛的應用前景[1-14]。研究發現，苯并咪唑衍生物具有殺菌、抗癌等活性[15-16]，尤其是這些化合物與某些金屬形成配合物時可進一步提高其生物活性[17-19]，因此苯并咪唑衍生物過渡金屬配合物與DNA相互作用及其應用受到人們廣泛關注[20-26]。L-α-氨基酸是重要的生物配體，當在金屬配合物中插入這類氨基酸后，不僅有助于提高配合物的生物活性，而且能夠提高配合物在水中的溶解性，從而有助于減小配合物因水溶性差而導致細胞對藥物吸收效果不好等不足之處[27]，因此研究含L-α-氨基酸及苯并咪唑衍生物過渡金屬配合物具有重要意義。

基于 2-(4′-噻唑基)苯并咪唑(TBZ)(圖 1)與 2-(2-吡啶)苯并咪唑(HPB)(圖2)是2個重要的苯并咪唑衍生物，具有良好的抗寄生物、抗菌和抗真菌活性等[20-22]，本文合成了2個含有2-(4′-噻唑基)苯并咪唑(TBZ)/2-(2-吡啶)苯并咪唑(HPB)及 L-蛋氨酸的銅(Ⅱ)三元配合物[Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]ClO4·H2O(1)和[Cu(HPB)(L-Met)]ClO4(2)[TBZ=2-(4′-噻唑基)苯并咪唑，HPB=2-(2-吡啶) 苯并咪唑，L-Met=L-蛋氨酸]，通過元素分析、摩爾電導率、IR、UV-Vis光譜及電噴霧質譜對配合物的結構進行了表征，用二倍稀釋法研究了配合物的抑菌活性，并采用電子吸收光譜、熒光光譜、粘度測定及瓊脂凝膠電泳方法研究了配合物與DNA的相互作用。

圖1 2-(4′-噻唑基)苯并咪唑(TBZ)的分子結構式Fig.1 Molecular structure of 2-(4′-thiazolyl)benzimidazole

圖2 2-(2-吡啶)苯并咪唑(HPB)的分子結構式Fig.2 Molecular structure of 2-(2-pyridyl)benzimidazole

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

配體 2-(2-吡啶)苯并咪唑(HPB)、Cu(ClO4)2·6H2O分別參照文獻[28-29]方法制備。 L-蛋氨酸(L-Met)、2-(4′-噻唑基)苯并咪唑(TBZ)、抗壞血酸(Vit C)、溴化乙啶(EB)、小牛胸腺 DNA(CT-DNA)、瓊脂糖凝膠、質粒pBR322DNA和三羥甲基氨基甲烷(Tris)均為生化試劑，其他為市售分析純試劑。研究配合物與DNA相互作用時，底液為 10 mmol·L-1Tris+50 mmol·L-1NaCl緩沖液 (pH=7.2)，TBE 電泳緩沖液為：4.5×10-2mol·L-1Tris+4.5 ×10-2mol·L-1H3BO3+1 mol·L-1EDTA(pH=8.3)，參照文獻方法[30]確定CT-DNA濃度。ACATAR 360 FTIR型紅外光譜儀(KBr壓片)，美國Nicolet公司；Vario EL元素分析儀，ELEMENTAR公司；DDS-12A型電導率儀，上海宇隆儀器有限公司；Shimadzu UV-2550型紫外/可見分光光度計，日本Shimadzu公司；F-4500熒光光譜儀，日本HITACHI公司；烏氏粘度計，上海晶菱玻璃有限公司；移液槍，大龍醫療設備(上海)有限公司；凝膠電泳池，大連捷邁科貿有限公司；BIO-RAD凝膠成像系統，BIO-RAD Laboratories-Segrate意大利米蘭；LCQDECA液質聯用儀，美國FINNIGAN公司。

1.2 配合物的合成

稱取0.5 mmol TBZ(HPB)溶于20 mL無水乙醇中，加熱攪拌下加入1.0 mL 0.5 mol·L-1Cu(ClO4)2溶液，反應 15 min，得溶液A；稱取0.5 mmol L-Met溶于5 mL雙蒸水中，加熱，得溶液B；把溶液B加入溶液A中，加熱攪拌回流30 min；反應結束后，冷卻混合液至室溫，過濾，靜置濾液，10 d后析出藍色晶體。過濾并依次用少量水、乙醇洗滌，空氣中干燥后置于干燥器中保存。

配合物 1：IR(KBr)，ν/cm-1：3431(s，br)，3258(m)，3 092(m)，1 621(vs)，1 387(s)，1 524(w)；UV-Vis，λ/nm(ε/(L·mol-1·cm-1))：243(14694)，301(18197)，619(196);EA(%)， Found： C，32.80；H，3.38；N，11.82；Calc for C15H21O8N4CuS2Cl(%)：C，32.79；H，3.18；N，11.89。 ESMS(甲醇，m/z):432.1([Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]+)。

配合物 2：IR(KBr)，ν/cm-1：3438(s，br)，3263(m)，2 914(m)，1 638(vs)，1 396(s)，1 486(w)；UV-Vis，λ/nm(ε/(L·mol-1·cm-1))：239(26241)，325(27001)，627(301);EA(%)， Found： C，40.19； H，3.81；N，11.08；Calc for C17H19O6N4CuSCl(%)：C，40.24；H，3.75；N，11.05。 ESMS(甲醇，m/z)：405.9([Cu(HPB)(L-Met)]+)。

1.3 抑菌試驗

采用試管二倍稀釋法測定配合物最小抑菌濃度 (MIC)。 所用菌株為： 金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus， G+)， 枯 草 桿 菌(Bacillus subtilis，G+)，沙門氏桿菌(Salmonella，G-)，大腸桿菌(Escherichia coil，G-)，G+為革蘭氏陽性，G-為革蘭氏陰性 (由華南農業大學農學院-廣東省植物分子育種重點實驗室提供)。取10支(10 mL)消毒試管并進行編號。往每支試管中分別加入1.0 mL營養肉湯，然后把1.0 mL待測樣品加入到1號管內，振蕩搖勻后，從1號管吸取1.0 mL溶液加入到2號管，再從2號管吸取1.0 mL溶液加入到3號管，一直到9號管，再從9號管內吸取1.0 mL溶液棄去。10號管不加待測樣品。在1號管到10號管中分別加入20 μL菌液，其中10號管作為陽性對照管，然后將10支試管放入恒溫恒濕培養箱，在相對濕度大于80%和溫度37℃條件下培養24 h后取出觀察，記錄現象。

1.4 配合物與CT-DNA作用

1.4.1 電子吸收光譜

以Tris-HCl/NaCl緩沖溶液為空白對照液，測定標題配合物在200～400 nm之間的吸收光譜。然后，依次往空白池和樣品池中加入等體積的CT-DNA溶液，使DNA與配合物的濃度比值不斷增加，室溫下反應6 min后在同樣波長范圍內掃描。配合物濃度為 0.1 μmol·L-1。

1.4.2 熒光光譜

溴化乙啶 (EB)與CT-DNA加入到5 mL Tris-HCl/NaCl緩沖溶液中，放置4 h。在掃描速度為240 nm·s-1和525 nm為激發波長條件下，測定EB-CTDNA體系在550～650 nm波長區間的熒光強度。然后，依次增加標題配合物濃度，室溫下反應5 min后在同樣同樣波長范圍內掃描。系列試樣溶液中EB濃度為 4.8 μmol·L-1，CT-DNA 濃度為 5.5 μmol·L-1。

1.4.3 粘度試驗

溫度恒定在(29.0±0.1)℃，CT-DNA 濃度固定為0.2 mmol·L-1，依次增大配合物濃度。 相對粘度按公式η=(t-t0)/t0(t0為緩沖溶液流經毛細管所需時間，t為含不同濃度配合物的DNA溶液流經毛細管所需的時間)計算。 以(η/η0)1/3對 CComplex/CDNA(η0為未加配合物時DNA溶液的比粘度)作圖。

1.5 配合物對pBR322DNA的切割作用

將200 ng pBR322 DNA與不同濃度的配合物以及50倍于配合物濃度的還原劑Vit C混合，然后用Tris-HCl/NaCl緩沖溶液定容至17 μL，在28℃下放置 2 h 后，加入 3 μL Loading buffer(含 0.25%溴酚藍和50%甘油的水溶液)，在0.8%瓊脂糖凝膠和TBE 電泳液(45 mmol·L-1Tris+45 mmol·L-1H3BO3+1 mol·L-1EDTA，pH=8.3)中電泳(100 V)40 min。 Gold View(4～5 μL)作為凝膠著色劑，溴酚藍作為電泳過程指示劑，電泳結果在BIO-RAD紫外檢測儀下觀察并拍照。為了探索配合物切割DNA的作用機理，先分別將 4 μL DMSO、100 μmol·L-12，2，6，6-四甲基-4-哌啶酮(TMP)和 NaN3與 200 ng pBR322 DNA混合作用15 min，再加入配合物及Vit C，28℃下放置2 h后，進行電泳。

2 結果與討論

2.1 配合物表征

元素分析結果與理論值基本吻合，由此推測的配合物組成與實際一致。測得配合物1，2在甲醇溶液中的摩爾電導率分別為 81.5 和 103 S·cm2·mol-1，表明配合物均為1∶1型電解質[31]。

用KBr壓片測定配合物紅外光譜。結果表明，配合物1、2在3430 cm-1附近強的吸收峰歸屬于結晶 H2O 的 ν-O-H；2914～3263 cm-1范圍內 2 個強吸收帶歸屬于-NH2的2個不對稱分裂吸收峰 ν-N-H，表明 -NH2參與了配位；1 700～1 750 cm-1范圍內沒有任何吸收帶，表明L-Met的羧基參與了配位，且Δν(νas(COO-)-νs(COO-))＞200 cm-1，表明-COO-為單齒配體基團[32]。另外，配合物在1500 cm-1附近都有吸收，歸屬于配體TBZ(HPB)上的C=N伸縮振動。

UV-Vis光譜表明，配合物甲醇溶液在紫外區均有2個較強的吸收峰，歸屬于配體的π→π*躍遷。與自由配體相比，最大吸收峰的位置未發生改變，但強度有所減弱，歸因于TBZ/HPB上的氮原子配位后引起配體上電子云密度的降低。與配體相比，配合物1、2分別在619和627 nm處出現了一個新的弱而寬的吸收峰，歸屬于配合物分子中心Cu(Ⅱ)離子的d→d躍遷。

用甲醇作溶劑測得配合物ES-MS。結果表明，配合物1的ES-MS具有正離子峰m/z=432.1，表明配合物分子中存在配離子[Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]+；而配合物2的ES-MS具有正離子峰m/z=405.9，推測該配合物分子中存在配離子[Cu(HPB)(L-Met)]+。

綜合上述配合物的元素分析、摩爾電導率、紅外光譜、UV-Vis光譜及ES-MS分析結果，并分別參考類似配合物[33-34]，可推測配合物1、2分子式為：[Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]ClO4·H2O(1)和 [Cu(HPB)(L-Met)]ClO4(2),分別為變形四方錐和平面四方形結構,如圖3所示。

圖3 配合物1、2的可能分子結構Fig.3 Possible molecular structures of the complexes

2.2 抑菌活性

將化合物配成濃度為 1 024、800 及 640 μg·mL-1的原液，通過二倍稀釋法配制成系列濃度溶液， 細菌最終接種量為5×106CFU·mL-1，37℃下培養 24 h，測得 Cu(ClO4)2、TBZ、HPB 和配合物抑制細菌最低濃度(MIC)，結果見表1。

表1 化合物抑制細菌生長的最低濃度Table 1 Minimal inhibitory concentrations(MIC,μg·mL-1)of the compounds for the assayed bactera

表1中實驗數據表明：配合物抑菌活性均高于Cu(ClO4)2及2-取代苯并咪唑配體(TBZ/HPB)，這可能是由于金屬離子與配體之間協同作用的結果。另外，對所有細菌，配合物2的MIC值小于配合物1，表明2-取代苯并咪唑配體本身的性質對配合物抑菌活性有重要影響，2-取代苯并咪唑配體抑菌活性越強，其對應的配合物抑菌活性就越強。

2.3 配合物與CT-DNA的相互作用

為了初步探索配合物抑菌作用機理，本文通過光譜學、流體力學等方法研究了配合物與CT-DNA的作用。

2.3.1 電子吸收光譜

電子吸收光譜是研究小分子化合物與CT-DNA相互作用的最常用和最有效的方法之一。在210～400 nm范圍內，標題配合物均出現了2個吸收峰，歸屬于2-取代苯并咪唑配體的π→π*躍遷峰。配合物與CT-DNA相互作用的吸收光譜滴定曲線如圖4所示。

圖4 配合物在不同DNA濃度下的電子吸收光譜圖Fig.4 Absorption spectra of the complexes upon addition of DNA

結果表明，隨著CT-DNA濃度增加，配合物在210～400 nm波長范圍內吸收峰強度顯著減弱。這可能歸因于配體插入到CT-DNA堿基之間，導致配體的π空軌道與堿基的π軌道發生偶合，偶合后的π軌道因部分填充電子，使π→π*躍遷幾率減小，從而產生減色效應[35]。

另外，通過CT-DNA對配合物的電子光譜滴定試驗，能夠根據以下方程式求得配合物與CT-DNA的結合常數：

其中，CDNA表示 CT-DNA 的濃度，εa、εf和 εb分別表示Aobsd/CCu、自由配合物的摩爾吸光系數和完全結合后的配合物的摩爾吸光系數，以CDNA/(εf-εa)對CDNA作圖，斜率與截距的比值即為配合物與DNA的結合常數 Kb[36]。 配合物 1、2的 Kb值分別為 1.584×105和 2.601×105L·mol-1， 表明配合物 2 與 CT-DNA的相互作用強于配合物1，這可能主要歸因于HPB的芳環面積大于TBZ，有助于配合物插入到DNA的堿基對之間。

2.3.2 熒光光譜

熒光光譜被廣泛的應用于研究配合物與DNA之間的相互作用。測得配合物與CT-DNA作用的溴化乙啶(EB)熒光光譜如圖5所示。

圖5 配合物對EB-DNA體系熒光光譜的影響Fig.5 Effects of the complexes on the fluorescence spectra of EB-DNA system

從圖中可以看出，隨著配合物濃度增加，EBCT-DNA體系的熒光強度被顯著地淬滅，這歸因于配合物分子將EB從EB-CT-DNA復合物中擠出，即配合物對CT-DNA的插入作用[37]。通過配合物對EB-DNA體系熒光光譜的滴定實驗，可以應用經典Stern-Volmer方程求得配合物取代EB而與CTDNA作用的淬滅常數Ksq[38]

其中，I和I0分別表示滴加和未滴加配合物時EBCT-DNA體系的熒光強度，r表示配合物與CT-DNA的濃度比。以I0/I對r作圖獲得一條直線(圖5中插圖)，直線的斜率即Ksq值。由此獲得配合物1、2的Ksq值分別為 0.0898 和 0.1012， 表明與 DNA 作用大小次序為：配合物2＞1，與上述電子吸收光譜測定結果一致。

2.3.3 粘度測定

粘度法被認為是在缺乏晶體結構數據情況下確定配合物與DNA鍵合模式最有力的證據之一[39]。DNA粘度對其鏈長度變化非常敏感。當配合物以靜電、溝面結合等非插入方式與DNA作用時，DNA溶液的粘度無明顯變化；以部分插入方式與DNA作用時，DNA溶液的粘度降低；而通過經典插入方式與DNA作用時，DNA溶液的粘度增加。CT-DNA相對比粘度隨配合物加入量的變化如圖6所示。

圖6 DNA相對粘度隨配合物加入量的變化Fig.6 Effect of increasing amounts of the complexes on the relative viscosity of CT-DNA

結果表明，隨著配合物加入量的增加，CT-DNA溶液的相對比粘度增大，由此推測配合物通過配體HPB或TBZ以插入方式與CT-DNA作用。據CTDNA溶液相對比粘度的變化幅度推得配合物與CT-DNA插入作用的強弱為：配合物2＞1，與上述電子吸收光譜和熒光光譜分析的結果一致。

2.4 配合物對pBR322 DNA的切割作用

完整的pBR322 DNA通常呈超螺旋型 (Ⅰ型)，當其中一條鏈上出現一個切口(即單鏈斷裂)時就變為切口環形(Ⅱ型)，而當兩條鏈在同一位置都發生斷裂時就變為線型(Ⅲ型)。這3種構型pBR322DNA在電泳過程中具有不同的遷移速率，通常Ⅰ型遷移速率最快，Ⅲ型次之，Ⅱ型最慢[40]。28℃下，配合物對pBR322DNA的切割作用如圖7所示。

圖7 配合物切割pBR322 DNA的凝膠電泳圖Fig.7 Agarose gel eletrophoresis for the cleavage of pBR322 DNA by the complexes in the presence of Vit C

結果表明，抗壞血酸、配合物、或Cu(ClO4)2、TBZ及HPB在存在抗壞血酸時，均未對pBR322 DNA顯示出明顯的切割作用，但2個配合物在存在抗壞血酸時，能將pBR322 DNA共價閉環的超螺旋構型(FormⅠ)切割成缺刻構型(FormⅡ)，且切割作用大小為配合物2＞1，與上述配合物對DNA的插入作用大小一致，由此推測這種割作用可能與配合物對DNA的插入作用有關。

為進一步探索配合物對DNA切割的作用機制，在活性氧·OH自由基清除劑(DMSO)及單線態氧1O2清除劑(TMP和NaN3)存在下，研究了配合物對pBR322 DNA的切割作用(圖8)。

圖8 加入抑制劑后配合物切割pBR322 DNA的凝膠電泳圖Fig.8 Cleavage of pBR322 DNA by the complexes in the presence of an inhibitor DMSO,TMP,or NaN3

由圖8可知，在沒有DMSO，TMP或NaN3存在的條件下，2個配合物都能將pBR322 DNA共價閉環的超螺旋構型 (FormⅠ)切割成缺刻構型(FormⅡ)(第 2，3泳道)。然而，羥自由基·OH 抑制劑 DMSO的加入可明顯抑制配合物對pBR322 DNA的切割作用(第4，5泳道)，表明切割作用與羥自由基·OH有關；另外，加入單線態氧1O2抑制劑TMP后，配合物對pBR322 DNA的切割被明顯抑制 (6，7泳道)，表明切割作用還可能涉及到單線態氧1O2或者其類似物，用另一單線態氧1O2抑制劑NaN3試驗也得到了類似的結果(第8，9泳道)。綜合以上分析結果，推測兩配合物切割pBR322 DNA涉及到羥基自由基·OH、單線態氧1O2或者單線態氧1O2類似物，可能的反應歷程如下：

配合物(以[Cu(Ⅱ)]表示)首先與DNA作用，然后在Vit C作用下被還原：

而 [Cu(Ⅱ)-DNA中Cu+易被空氣中O2氧化產生(Haber-Weiss 反 應 第 一步)[41]：

標題配合物與本課題組所報道的芳胺銅(Ⅱ)氨基酸配合物有著類似的配位組成和結構，可能具有超氧化物歧化酶(SOD)活性[42]，因而能有效地催化歧化產生 H2O2和 O2：

接著H2O2氧化 [Cu(Ⅱ)]-DNA產生活性氧物種，如羥自由基·OH、單線態氧1O2或其類似物,例如Cu-O2[43],這些活性氧物種能進攻并切割pBR322 DNA雙螺旋結構[1,42-45]。

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Syntheses,Characterization,Antibacterial Activities of Ternary Copper(Ⅱ)Complexes with 2-(4′-Thiazolyl)benzimidazole/2-(2-pyridyl)benzimidazole and L-Methionine and Their Interaction with DNA

LU Yan-Mei1OU Zhi-Bin1LIU Hai-Feng1,2LE Xue-Yi＊,1,2
(1Department of Applied Chemistry,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)(2Institue of Biomaterial,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Two new ternary copper(Ⅱ) complexes:[Cu(TBZ)(L-Met)(H2O)]ClO4·H2O(1)and[Cu(HPB)(L-Met)]ClO4(2)[TBZ=2-(4′-thiazolyl)benzimidazole,HPB=2-(2-pyridyl)benzimidazole,L-Met=L-methionine],were synthesized and characterized by elemental analysis,molar conductivity,IR,UV-Vis spectroscopy and ES-MS.The complexes were assayed against gram-positive (Staphylococcus aureus,Bacillus subtilis)and gram-negative(Salmonella,Escherichia coil)bacteria by doubling dilutions method,and the interaction of the complexes to DNA was investigated by electronic absorption spectroscopy,fluorescence spectroscopy,viscosity measurements and agarose gel electrophoresis.The results indicated that the complexes could bind to DNA by intercalative mode,and cleave pBR322 DNA in the presence of vitamin C in the involvement of the hydroxyl radical，and may be a singlet oxygen or a singlet oxygen-like entity such as copper-peroxide Cu-O2,with the order of the binding ability and cleavage activity of the complexes to DNA:complex 2＞1.

ternary copper(Ⅱ) complex;2-(4′-thiazolyl)benzimidazole;2-(2-pyridyl)benzimidazole;DNA;antibacterial activity

O614.121

：A

：1001-4861(2011)04-0704-07

2010-09-25。收修改稿日期：2010-11-21。

廣東省科技計劃項目(No.2009B020312010)，廣東省自然科學基金(No.10151064201000016)及華南農業大學211工程項目(No.2009B010100001)資助。

＊通訊聯系人。 E-mail：lexyfu@163.com，Tel：08620-85287010