淺談金屬離子與DNA的相互作用

毛芳芳，蔣伍玖，李 雪

(1.衡陽師范學院，湖南 衡陽 421008； 2.山東青州蓮花盆小學, 山東 青州 262521)

淺談金屬離子與DNA的相互作用

毛芳芳1，蔣伍玖1，李 雪2

(1.衡陽師范學院，湖南 衡陽 421008； 2.山東青州蓮花盆小學, 山東 青州 262521)

核酸，是一種生物大分子，是基因表達的基礎，是生物傳遞信息和儲存信息的重要載體，引導著生物發育及生命機能運作。本文從DNA的組成及結構入手，探討金屬離子與生物大分子之間的相互作用，表明：金屬離子在核酸的構象維持、生物合成、功能發揮及調控等方面發揮著重要作用。

金屬離子；核酸；配合物

1 前言

1.1 DNA的組成及結構特點

核酸對生物體的生長、發育、繁殖、遺傳及變異等重大生命現象起主宰作用，是一切生物細胞的基本組成部分。它在生物科學的地位甚至可用"沒有核酸就沒有生命"這句話來概括。其中，蛋白質編碼的DNA片段稱之為基因。

核酸分為核糖核酸(RNA)及脫氧核糖核酸(DNA)。RNA主要分布在細胞質中，DNA則 主要集中于細胞核內。DNA是一種多聚核苷酸，堿基攜帶著遺傳信息，磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接起來，磷酸基和戊糖起結構作用，由四種脫氧核苷酸為基本單元構成[1]。

DNA的結構通?？煞譃橐患壗Y構、二級結構和三級結構[2]。一級結構是指由脫氧核苷酸在分子內排列的順序，也就是DNA分子內堿基的排列順序決定，對闡明遺傳物質的功能、結構以及它的表達調控都極其重要。二級結構是指兩條多核苷酸鏈反向平行盤繞所產生的雙螺旋結構，分為左手螺旋和右手螺旋。這種雙螺旋結構決定了DNA結構的穩定性，但這種穩定性并非絕對，實驗證明即使是在室溫條件下，溶液中的DNA分子內也有一部分氫鍵會打開，而且打開的部位會不斷變化。DNA的三級結構是指雙螺旋進一步扭曲盤繞所形成的一種特定空間結構，比雙螺旋更高層次的空間構象。這種三級結構決定了DNA具有多樣性、穩定性和特異性等特點。

1.2 生命體內的金屬配離子

生命必需的金屬元素通常稱之為生物金屬或生命金屬元素，在人體內含量少，但在生命活動中發揮著重要作用。人體需要的金屬元素共有十四種：鉀、鈣、鈉、鎂、釩、鉻、錳、銅、鐵、鋅、鑰、鉆、錫、鎳。其中，許多的金屬元素都是以配合物的形式存在。如：與呼吸作用存在密切關聯的血紅素是鐵的配合物，含Fe2+/Fe3+或Cu+/Cu2+的金屬蛋白可做為呼吸過程中可逆的氧載體[3]；進行光合作用的葉綠素是Mg的配合物；目前證明對人體有特殊生理功能的微量必需元素及必需微量元素，在人體中都是以配合物的形式存在；酶分子幾乎都含有金屬配離子，是酶必不可少的組成部分，控制著生物體內的化學作用。如上所述，不同的金屬元素在生命體內的生理生化作用不同，但這些均是生命活動中必不可少的。由于金屬離子在各種生理過程中起著極其重要的作用，且有重大的應用前景，因此，研究金屬離子與生物大分子間相互作用越來越受科研工作者的關注。

在生物體中，生物金屬與生物配體形成生物配合物進行生命活動。重要的生物配體有聚核苷酸、蛋白質、維生素、糖類及卟啉等。金屬離子和蛋白質中某些膚鍵上的亞胺基、羰基及氨基酸殘基上的羧基、雜環氮、羥基、胺基等供電子基因配位形成金屬酶和金屬蛋白，使金屬離子成為活性中心的重要組成部分。

2 金屬配合物與DNA的相互作用

核酸是最重要的生物大分子，其重要性的發揮與金屬離子存在著密切聯系。金屬離子在核酸的生物合成、構象維持、功能發揮與調控等方面起著重要的作用[4]。

2.1 金屬離子與核酸的生物合成

DNA是遺傳的主要物質基礎，DNA分子中堿基或核苷酸的排列順序決定著遺傳信息，遺傳信息通過復制、轉錄和翻譯，最終傳遞給蛋白質，即體內蛋白質分子合成時氨基酸的排列順序最終由DNA分子中的核苷酸順序決定。DNA和RNA的合成，需要鎂離子參與，由氨基酸合成蛋白質，首先要在氨酰-tRNA合成酶的催化下進行氨基酸的活化，而Mg2+是氨酰-tRNA合成酶的激活劑，促進氨基酸轉移到多肽鏈，有利于肽鏈的合成。其次，生物體內的DNA聚合酶和RNA聚合酶需要Mg2+或Mn2+作為其活化劑，從而有效促進細胞復制DNA及遺傳信息的轉錄。可見，金屬離子與核酸的生物合成緊密相連。

2.2 金屬離子與核酸的構象維特

金屬離子與核酸的作用對核酸的構象會產生影響，而核酸的構象在生命過程中非常重要。經研究證實，在生理pH環境下，核酸為聚陰離子，需要通過與其相對來說非特異性的金屬離子相結合來穩定其正常堿基對間結構，如Ca2+、Mg2+、K+或Na+等。酶切技術表明，隨著Cu2+與DNA作用加強，DNA的構象會由B型轉變為C型，而Cu2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等金屬離子也可進入到核酸的堿基對之間，對核酸的穩定性產生影響。其次，金屬離子還能有效地穩定由于氧化損傷而導致的錯配堿基對以及出現在染色體末端富含鳥嘌呤堿基的DNA端粒結構，這種DNA端粒特殊結構有助于避免在復制的多重循環過程中引起染色體末端基因物質的損失。此外，鎂是核糖體的結構成分，能夠穩定核糖體亞單位構型，缺鎂時，核糖體亞單位趨于分解，蛋白質合成停止[5]。由此可見，金屬離子在核酸的構象維特上發揮著重要作用。

2.3 金屬離子與核酸的功能發揮及調控

在轉錄過程中，RNA聚合酶需要由Mg2+、Mn2+、Co2+激活。同時，RNA折疊以及RNA參與的催化都需要二價金屬離子的促進。此外，核酸的翻譯過程也離不開金屬離子的參與，過渡金屬還在基因表達過程中發揮調控作用，這種作用主要通過基因調控金屬蛋白來實現。

3 小結

金屬離子與DNA的相互作用有多種形式，這些作用的發揮主要體現在核酸的生物合成、構象維持及功能發揮與調控等方面。其次，金屬及其配合物與核酸相互作用的研究是制造光譜探針及反應性探針、開發抗癌藥物以及發展以DNA為基礎的金屬納米器件技術的基礎，因此，深入研究并持續探討金屬與核酸相互作用的化學本質具有重要意義。

[1] 張 慧.新型DNA納米機器的研究及應用[D].青島:青島科技大學,2012.

[2] 龐 博.藥物與蛋白、DNA相互作用機制的研究[D].長春:長春師范大學,2013.

[3] 趙亞英.金屬離子及氨基酸與核酸活性位點配位選擇性的理論研究[D].福州：福州大學,2004.

[4] 張 愚.金屬離子與 DNA 堿基對相互作用的理論研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2008.

[5] 楊 頻,高 飛.生物無機化學原理[M].北京:科學出版社,2002.1-167.

(本文文獻格式：毛芳芳，蔣伍玖，李雪.淺談金屬離子與DNA的相互作用[J].山東化工，2017，46(20)：49，52.)

2017-08-10

衡陽師范學院院基金青年項目(14A01)

毛芳芳(1988-)，女，碩士，研究方向為科學教育及化學課程教學。

O629.74；TQ464.6

A

1008-021X(2017)20-0049-01