浅谈金属离子与DNA的相互作用

毛芳芳，蒋伍玖，李 雪

(1.衡阳师范学院，湖南 衡阳 421008； 2.山东青州莲花盆小学, 山东 青州 262521)

浅谈金属离子与DNA的相互作用

毛芳芳1，蒋伍玖1，李 雪2

(1.衡阳师范学院，湖南 衡阳 421008； 2.山东青州莲花盆小学, 山东 青州 262521)

核酸，是一种生物大分子，是基因表达的基础，是生物传递信息和储存信息的重要载体，引导着生物发育及生命机能运作。本文从DNA的组成及结构入手，探讨金属离子与生物大分子之间的相互作用，表明：金属离子在核酸的构象维持、生物合成、功能发挥及调控等方面发挥着重要作用。

金属离子；核酸；配合物

1 前言

1.1 DNA的组成及结构特点

核酸对生物体的生长、发育、繁殖、遗传及变异等重大生命现象起主宰作用，是一切生物细胞的基本组成部分。它在生物科学的地位甚至可用"没有核酸就没有生命"这句话来概括。其中，蛋白质编码的DNA片段称之为基因。

核酸分为核糖核酸(RNA)及脱氧核糖核酸(DNA)。RNA主要分布在细胞质中，DNA则 主要集中于细胞核内。DNA是一种多聚核苷酸，碱基携带着遗传信息，磷酸二酯键将脱氧核苷酸连接起来，磷酸基和戊糖起结构作用，由四种脱氧核苷酸为基本单元构成[1]。

DNA的结构通常可分为一级结构、二级结构和三级结构[2]。一级结构是指由脱氧核苷酸在分子内排列的顺序，也就是DNA分子内碱基的排列顺序决定，对阐明遗传物质的功能、结构以及它的表达调控都极其重要。二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构，分为左手螺旋和右手螺旋。这种双螺旋结构决定了DNA结构的稳定性，但这种稳定性并非绝对，实验证明即使是在室温条件下，溶液中的DNA分子内也有一部分氢键会打开，而且打开的部位会不断变化。DNA的三级结构是指双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的一种特定空间结构，比双螺旋更高层次的空间构象。这种三级结构决定了DNA具有多样性、稳定性和特异性等特点。

1.2 生命体内的金属配离子

生命必需的金属元素通常称之为生物金属或生命金属元素，在人体内含量少，但在生命活动中发挥着重要作用。人体需要的金属元素共有十四种：钾、钙、钠、镁、钒、铬、锰、铜、铁、锌、钥、钻、锡、镍。其中，许多的金属元素都是以配合物的形式存在。如：与呼吸作用存在密切关联的血红素是铁的配合物，含Fe2+/Fe3+或Cu+/Cu2+的金属蛋白可做为呼吸过程中可逆的氧载体[3]；进行光合作用的叶绿素是Mg的配合物；目前证明对人体有特殊生理功能的微量必需元素及必需微量元素，在人体中都是以配合物的形式存在；酶分子几乎都含有金属配离子，是酶必不可少的组成部分，控制着生物体内的化学作用。如上所述，不同的金属元素在生命体内的生理生化作用不同，但这些均是生命活动中必不可少的。由于金属离子在各种生理过程中起着极其重要的作用，且有重大的应用前景，因此，研究金属离子与生物大分子间相互作用越来越受科研工作者的关注。

在生物体中，生物金属与生物配体形成生物配合物进行生命活动。重要的生物配体有聚核苷酸、蛋白质、维生素、糖类及卟啉等。金属离子和蛋白质中某些肤键上的亚胺基、羰基及氨基酸残基上的羧基、杂环氮、羟基、胺基等供电子基因配位形成金属酶和金属蛋白，使金属离子成为活性中心的重要组成部分。

2 金属配合物与DNA的相互作用

核酸是最重要的生物大分子，其重要性的发挥与金属离子存在着密切联系。金属离子在核酸的生物合成、构象维持、功能发挥与调控等方面起着重要的作用[4]。

2.1 金属离子与核酸的生物合成

DNA是遗传的主要物质基础，DNA分子中碱基或核苷酸的排列顺序决定着遗传信息，遗传信息通过复制、转录和翻译，最终传递给蛋白质，即体内蛋白质分子合成时氨基酸的排列顺序最终由DNA分子中的核苷酸顺序决定。DNA和RNA的合成，需要镁离子参与，由氨基酸合成蛋白质，首先要在氨酰-tRNA合成酶的催化下进行氨基酸的活化，而Mg2+是氨酰-tRNA合成酶的激活剂，促进氨基酸转移到多肽链，有利于肽链的合成。其次，生物体内的DNA聚合酶和RNA聚合酶需要Mg2+或Mn2+作为其活化剂，从而有效促进细胞复制DNA及遗传信息的转录。可见，金属离子与核酸的生物合成紧密相连。

2.2 金属离子与核酸的构象维特

金属离子与核酸的作用对核酸的构象会产生影响，而核酸的构象在生命过程中非常重要。经研究证实，在生理pH环境下，核酸为聚阴离子，需要通过与其相对来说非特异性的金属离子相结合来稳定其正常碱基对间结构，如Ca2+、Mg2+、K+或Na+等。酶切技术表明，随着Cu2+与DNA作用加强，DNA的构象会由B型转变为C型，而Cu2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+等金属离子也可进入到核酸的碱基对之间，对核酸的稳定性产生影响。其次，金属离子还能有效地稳定由于氧化损伤而导致的错配碱基对以及出现在染色体末端富含鸟嘌呤碱基的DNA端粒结构，这种DNA端粒特殊结构有助于避免在复制的多重循环过程中引起染色体末端基因物质的损失。此外，镁是核糖体的结构成分，能够稳定核糖体亚单位构型，缺镁时，核糖体亚单位趋于分解，蛋白质合成停止[5]。由此可见，金属离子在核酸的构象维特上发挥着重要作用。

2.3 金属离子与核酸的功能发挥及调控

在转录过程中，RNA聚合酶需要由Mg2+、Mn2+、Co2+激活。同时，RNA折叠以及RNA参与的催化都需要二价金属离子的促进。此外，核酸的翻译过程也离不开金属离子的参与，过渡金属还在基因表达过程中发挥调控作用，这种作用主要通过基因调控金属蛋白来实现。

3 小结

金属离子与DNA的相互作用有多种形式，这些作用的发挥主要体现在核酸的生物合成、构象维持及功能发挥与调控等方面。其次，金属及其配合物与核酸相互作用的研究是制造光谱探针及反应性探针、开发抗癌药物以及发展以DNA为基础的金属纳米器件技术的基础，因此，深入研究并持续探讨金属与核酸相互作用的化学本质具有重要意义。

[1] 张 慧.新型DNA纳米机器的研究及应用[D].青岛:青岛科技大学,2012.

[2] 庞 博.药物与蛋白、DNA相互作用机制的研究[D].长春:长春师范大学,2013.

[3] 赵亚英.金属离子及氨基酸与核酸活性位点配位选择性的理论研究[D].福州：福州大学,2004.

[4] 张 愚.金属离子与 DNA 碱基对相互作用的理论研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2008.

[5] 杨 频,高 飞.生物无机化学原理[M].北京:科学出版社,2002.1-167.

(本文文献格式：毛芳芳，蒋伍玖，李雪.浅谈金属离子与DNA的相互作用[J].山东化工，2017，46(20)：49，52.)

2017-08-10

衡阳师范学院院基金青年项目(14A01)

毛芳芳(1988-)，女，硕士，研究方向为科学教育及化学课程教学。

O629.74；TQ464.6

A

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