杂环-色氨酸类席夫碱配合物的合成、表征与生物活性研究

摘要

氨基酸席夫碱其金属配合物被证实具有抗癌、抑菌、与DNA作用等生物活性及优良的载氧、催化性能,已成为生物无机化学与材料学领域的研究热点之一。泛素-蛋白酶体通路,作为真核细胞蛋白质降解的重要途径,控制着许多负责细胞周期和肿瘤生长的蛋白的降解。特异性的阻断该通路,会影响到细胞内众多关键蛋白的调控,进而影响到多个细胞内过程,最终导致细胞凋亡。蛋白酶体也因此成为了一个理想的抗肿瘤药物设计与开发的新靶点。近年来,席夫碱金属配合物的抗肿瘤活性已得到了人们的重视,但是对于含吲哚环的色氨酸类席夫碱金属配合物作为蛋白酶体抑制剂诱导肿瘤细胞凋亡的研究却是少有报道。因此,设计和合成新型的氨基酸类席夫碱金属配合物,研究其化学结构、生物活性及作用机制,特别是对肿瘤细胞内蛋白酶体的抑制作用及作用机理,对于抗肿瘤药物的开发具有重要的指导意义。
　　本文选择4种不同结构的杂环羰基化合物,使其与色氨酸缩合并与金属离子反应,得到了25种未见报道的席夫碱金属配合物,并培养了11个配合物的单晶。采用元素分析、红外光谱分析、紫外光谱分析、核磁共振氢谱分析、热重分析等分析测试方法对其结构进行了表征,推断出金属配合物可能的化学结构;采用X-射线单晶衍射分析对金属配合物的单晶进行结构测试和解析;对部分配合物与DNA的作用方式进行了研究;以蛋白酶体为靶点,研究了杂环-色氨酸类席夫碱镉配合物对肿瘤细胞内蛋白酶体活性的抑制作用及对肿瘤细胞的诱导凋亡作用。主要进行了以下几方面工作:
　　(1)合成并培养了2-乙酰基吡啶缩L-色氨酸席夫碱系列5个金属配合物单晶,其组成分别为M(C18H16N3O2)2·2CH3OH(M=Mg(II), Ni(II), Cu(II), Cd(II))、Zn(C18H16N3O2)2·2CH3CH2OH。单晶结构分析表明,上述五种配合物晶体均属四方晶系,空间群 P43212。每一个金属原子都与两分子的2-乙酰基吡啶缩 L-色氨酸配体相结合,并分别与每分子配体中吡啶上氮原子、羧基上羟基氧原子以及席夫碱>C=N-结构上氮原子配位,最终构成了一个4N+2O的六齿中性八面体配合物。此外,每分子金属配合物中都包含两个溶剂分子,其是晶体结构的一部分,但处于游离状态而不参与配位。以镁配合物Mg(C18H16N3O2)2·2CH3OH为代表,其晶胞参数a=b=11.6532(14)?,c=29.025(3)?,α=β=γ=90?,V=3941.5(8)?3,F(000)=1480,ρcalcd=1.181 g/cm3。最终偏差因子R1=0.0670,wR2=0.1763(对I>2σ(I)的衍射点)。通过N-H…O分子间氢键作用,配合物最终形成了一个二维的面状结构。
　　(2)合成了2-乙酰基吡嗪缩L-色氨酸席夫碱系列5种金属配合物,并培养了配合物 Ni(C17H15N4O2)2·2CH3OH的单晶。单晶结构分析表明,该配合物晶体属四方晶系,空间群P43212,晶胞参数a=b=11.8069(10)?,c=28.961(2)?,α=β=γ=90?,V=4037.2(6)?3,F(000)=1544,ρcalcd=1.213 g/cm3。最终偏差因子R1=0.0548,wR2=0.1466(对I>2σ(I)的衍射点)。每一个镍原子都与两分子的2-乙酰基吡嗪缩 L-色氨酸配体相结合,并分别与每分子配体中吡嗪环上氮原子、羧基上羟基氧原子以及席夫碱C=N结构上氮原子配位,形成了一个扭曲的八面体结构。在外界,每分子镍金属配合物中均包含两个游离状态的溶剂甲醇分子。镍配合物均通过 N-H…O分子间氢键的作用形成一维链状结构,链之间通过同样的N-H…O分子间氢键形成了二维网状结构。
　　该系列其余4种配合物的化学组成分别为:M(C17H15N4O2)2·2CH3OH(M=Mn(II), Cu(II), Cd(II))、Zn(C17H15N4O2)2·4CH3OH。
　　(3)合成了5-甲基呋喃-2-甲醛缩L-色氨酸席夫碱系列5种金属配合物,配合物的化学组成为:M(C17H15N2O3)2·2CH3OH(M=Mn(II), Ni(II), Cu(II), Cd(II))、Zn(C17H15N2O3)2·4CH3OH。
　　(4)合成了5-溴噻吩-2-甲醛缩L-色氨酸席夫碱系列5种金属配合物,配合物的化学组成为:M(C16H12N2O2SBr)2·2CH3OH(M=Mn(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II), Cd(II))。
　　(5)合成并培养了2-乙酰基吡嗪缩D-色氨酸席夫碱镍金属配合物单晶,其组成为Ni(C17H15N4O2)2·2CH3OH。单晶结构分析表明,该配合物属单斜晶系,空间群C2/c,晶胞参数a=17.4878(17)?,b=11.3696(12)?,c=18.6213(18)?,α=γ=90?,β=106.0470(10)?,V=3558.2(6)?3,F(000)=1544,ρcalcd=1.377 g/cm3。最终偏差因子R1=0.0356,wR2=0.0866(对I>2σ(I)的衍射点)。每一个镍原子都与两分子的2-乙酰基吡嗪缩 D-色氨酸配体相结合,并分别与每分子配体中吡嗪环上氮原子、羧基上羟基氧原子以及席夫碱C=N结构上氮原子配位,形成了一个扭曲的八面体结构。在外界,每分子镍金属配合物中均包含两个游离状态的溶剂甲醇分子。
　　(6)合成并培养了2-乙酰基吡啶缩D-色氨酸席夫碱系列4个金属配合物单晶,其组成分别为 M(C18H16N3O2)2·2CH3OH(M=Mg(II), Ni(II), Cd(II))、Zn(C18H16N3O2)2·4CH3OH。单晶结构分析表明,上述四种金属配合物均属四方晶系,空间群P41212。每一个金属原子都与两分子的2-乙酰基吡啶缩D-色氨酸配体相结合,并分别与每分子配体中吡啶上氮原子、羧基上羟基氧原子以及席夫碱>C=N-亚胺基结构上氮原子配位,最终均形成一个扭曲的六齿八面体配合物。
　　(7)以2-乙酰基吡啶缩 L-色氨酸席夫碱镁金属配合物Mg(C18H16N3O2)2·2CH3OH的晶体结构为基础,运用Gaussian03量子化学程序包,采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31+G*水平上对分子进行结构优化。计算了分子稳定构型的总能量、前线分子轨道能量、原子自然电荷分布、静电势等。计算结果表明,理论值与实验值基本相符,证明了计算模型的稳定性。
　　(8)利用紫外吸收光谱、荧光发射光谱及粘度测定等方法,研究了2-乙酰基吡啶缩L-色氨酸席夫碱镁金属配合物Mg(C18H16N3O2)2·2CH3OH及2-乙酰基吡嗪缩 L-色氨酸席夫碱镍金属配合物 Ni(C17H15N4O2)2·2CH3OH与小牛胸腺 DNA之间的相互作用。实验表明,上述两种金属配合物是通过静电结合而与CT-DNA发生作用。其它的结合方式,例如氢键结合,亦可能同时存在于体系中。研究表明,配合物中配体共面性差,配合物与DNA发生静电结合的可能性大。
　　(9)以蛋白酶体为靶点,研究了杂环-色氨酸类席夫碱镉配合物的抗肿瘤活性及作用机制。
　　以人乳腺癌MDA-MB-231细胞为作用对象,利用MTT法对前文合成的25种色氨酸类席夫碱金属配合物进行了抗肿瘤活性初筛。实验结果显示,与同系列铜、锌金属配合物相比,2-乙酰基吡啶缩L-色氨酸席夫碱镉金属配合物Cd1、2-乙酰基吡嗪缩L-色氨酸席夫碱镉金属配合物Cd2以及5-甲基呋喃-2-甲醛缩L-色氨酸席夫碱镉金属配合物Cd3对人乳腺癌MDA-MB-231细胞增殖的抑制效果更佳。结合蛋白酶体活性测试、蛋白质免疫印迹及细胞形态学研究等方法证明了金属配合物 Cd1、Cd2、Cd3均可以通过抑制人乳腺癌MDA-MB-231细胞细胞内类糜蛋白酶体活性来诱导其发生细胞凋亡。
　　5-溴噻吩-2-甲醛缩L-色氨酸席夫碱镉金属配合物Cd4在噻吩环α位上连有的溴原子增大了配合物的空间位阻,致使其不能自由穿过人乳腺癌MDA-MB-231细胞的细胞膜进入细胞体内,无法有效抑制细胞内类糜蛋白酶体活性,进而导致Cd4对人乳腺癌MDA-MB-231细胞的凋亡诱导效果不明显。
　　金属配合物Cd1、Cd2、Cd3、Cd4均能不同程度的抑制人前列腺癌LN-CaP细胞及人多发性骨髓瘤ANBL6-V10R细胞的细胞增殖,且这种抑制作用随药物浓度的增大而逐渐增强。以金属配合物Cd4为代表,研究表明,Cd4可以通过抑制细胞内类糜蛋白酶体活性来诱导人前列腺癌LN-CaP细胞及人多发性骨髓瘤ANBL6-V10R细胞发生凋亡。
　　Bortezomib与Cd4的联合作用能够更好地抑制人多发性骨髓瘤ANBL6-V10R细胞细胞内类糜蛋白酶体活性,进而高效诱导其发生细胞凋亡。

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前言

第一章 文献综述

1.1 席夫碱及其配合物概述

1.2 色氨酸席夫碱及其配合物概述

1.3 配合物与DNA相互作用概述

1.4 蛋白酶体及其抑制剂概述

1.5 本论文的研究目的、内容及方法

1.6 本论文的主要创新点

第二章 2-乙酰基吡啶缩L-色氨酸席夫碱配合物的合成、表征与量子化学计算

引言

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 量子化学计算

2.4 小结

第三章 2-乙酰基吡嗪缩L-色氨酸席夫碱配合物的合成与表征

引言

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 小结

第四章 羰基氧、硫杂环缩L-色氨酸席夫碱配合物的合成与表征

引言

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 小结

第五章 杂环-D-色氨酸类席夫碱配合物的合成与表征

引言

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 小结

第六章 配合物与DNA的相互作用研究

引言

6.1 实验部分

6.2 结果与讨论

6.3 小结

第七章 配合物的抗肿瘤活性研究

引言

7.1 实验部分

7.2 实验结果及讨论

7.3 小结

第八章 结论与建议

8.1 结论

8.2 建议

参考文献

致谢

个人简历

在读期间发表的学术论文