激光拉曼光谱技术在生物分子 DNA研究中的应用和进展专业：应用物理班级：1101姓名：董晓源学号：2011254040116指导教师：王保柱摘要: 激光技术的兴起使拉曼光谱成为激光分析中最活跃的研究领域之一, 已被广泛地用于物质成分的分析和分子结构的鉴定。本文综述了拉曼技术在DNA 研究中近年来的最新进展, 包括: DNA 的常规拉曼光谱分析; DNA的激光共振拉曼光谱分析; DNA 在金属表面或电极上吸附行为的表面增强拉曼光谱研究; DNA 的傅立叶变换拉曼光谱研究等。并对拉曼光谱技术在DNA 等生物大分子领域中的研究前景做了进一步的展望。关键词: 拉曼光谱( Raman spectroscopy) ; DNA; 应用The Application and Development of Raman Spectroscopy onBiological Molecule DNAAbstract: The appearance and development of laser technology have made Raman spectroscopy one of the most attractive research fields in analysis using laser . Raman spectroscopy has been widely used in the analysis of material components and detection of molecular structure. In this review, some recent advances of Raman spectroscopy on DNA are summarized, including traditional Raman spectroscopy, Fourier transform Raman spectroscopy, laser resonance Raman spectroscopy, surface- enhanced Raman spectroscopy and so on. In addition, we also predicted the further application and development of Raman spectroscopy on DNA and other large biological molecules.Key words: Raman spectroscopy; DNA ( deoxyribonucleic acid) ; application目录1 常规激光拉曼光谱分析1.1 纤维态和水溶液状态DNA 结构研究1.2 酸碱变性、热变性及光或射线诱变DNA 研究1.3 金属离子、金属配合物及药物分子与DNA 相互作用的研究1.4 酶和蛋白质等生物分子与DNA的相互作用研究1.5 抗癌药物与DNA 相互作用研究1.6 病毒中DNA 的研究2 激光共振拉曼光谱分析2.1 抗癌药物等物质与DNA 作用研究2.2 病毒中DNA 研究3 表面增强拉曼光谱分析3.1 抗癌药物与DNA 相互作用研究3.2 药物等小分子与DNA 的作用研究3.3 基因芯片相关DNA 研究4 傅立叶变换拉曼光谱分析5 结束语1 常规激光拉曼光谱分析( Traditional Raman Spectroscopy) 常规激光拉曼对DNA 的分析主要考虑其构型构像的变化、碱基的损伤、氢键的断裂以及单双链的断裂等。1.1 纤维态和水溶液状态DNA 结构研究双链DNA 分子在水溶液中呈B 型, 纤维态多半呈A 型。余多慰等发现水溶液中DNA 的空间构像虽然以B 型为主, 但同时存在A 型构像。鲱精DNA与小牛胸腺DNA、鲑精DNA 具有同样的水合状态,每核苷酸对含有9 个 14 个结合水分子。Benevides用拉曼光谱比较了d( CGCGTG) 和d( CGCGCG)的晶体结构。发现碱基GT 的失配对Z-DNA 的构型没有明显的影响, 两种晶体的结构仍为Z 型的C3-内型-dG 和C2-内型-dG。d ( CGCGTG ) 和d( CGCGCG) 在水溶液中都显示为B 型DNA 结构, 但差异明显。d( CGCGTG) 中的10 个OPO 基团只有6个是B 型, 其余的4 个具有不平常的B 型结构。d(GGGATCCC) 2 晶体一般形成A 型DNA 双螺旋, 某些小片段可能是B 型构像, 但其水溶液中出现了B型DNA 结构, 因此八聚体是类似B 型的构像。Poon 等用拉曼光谱检测Tel、TG 等寡聚核苷酸组成的多链DNA 时, 发现Tel 和TG 聚合物具有相似的结构, 大部分的碱基是C2内型反式构像。但两种复合物的骨架构型不同, TG 比Tel 复合物的骨架结构更稳定。T Miura 等用拉曼谱研究了端粒DNA的溶液二级结构和核苷构像, 发现单链和双链端粒DNA 都显示了结构的多态性, 其B 型DNA 中双螺旋是不均匀的。DNA 的超螺旋在基因组的复制、重组、翻译、修饰和浓缩中非常重要。Serban 等对超螺旋和线性质粒的拉曼谱进行了比较, 发现它们的拉曼谱差异虽然较小, 但非常明显, 它们的骨架构像不完全一致, 超螺旋中B 型DNA 规范的C2-内型反式构像因超螺旋的诱导而发生了变化。1.2 酸碱变性、热变性及光或射线诱变DNA 研究酸碱变性是诱导DNA 结构变化的重要因素。DNA 经36%醋酸处理后, 其分子内部发生明显的质子化作用, 部分GC 之间形成Hoogsteen 碱基配对; 酸不仅导致了部分嘌呤的脱落还导致了部分嘧啶的脱落, 且嘧啶的质子化可能强于嘌呤; 质子化、脱嘌呤、脱嘧啶的共同作用进一步引起氢键的断裂, 使DNA分子内双链状态不稳定; 酸诱导DNA 时发生了酸变性, 但其产物性质显著不同于热变性或碱变性产物。热变性也可以导致DNA 结构发生变化, 从而改变其一系列物理化学性质, 影响其遗传、复制等生物学功能。Duguid 等发现B 型双链DNA 在热变性时伴随着沃森- 克里克碱基对的分裂、碱基的解堆积和B 型构像骨架的无序化。王杰芳等则观察到热变性导致DNA 构型发生变化时, DNA 双螺旋结构遭到破坏, 碱基之间氢键断裂以及垂直的碱基碱基堆积相互作用被破坏。DNA 损伤与基因突变是紫外线致癌的重要机制。紫外辐射会严重影响DNA 的构象, 损伤碱基间的氢键和基团, 使DNA 产生不可逆的变性。一般认为人类皮肤癌主要与UVB( 紫外线B 区) 暴露有关。研究显示UVA 和UVB 辐射对DNA 的影响远比UVC 照射小, 但大剂量UVA 长期照射也可以引起皮肤肿瘤, 并且UVA照射可能促进UVB 诱发肿瘤的形成。相比紫外线, 射线对DNA 的损伤更加严重。DNA 受射线照射后, 氢键断裂, 碱基受损, 主链断裂, 超螺旋结构解旋, 遗传信息丢失, 以致失去转录、复制等生物学功能。激光也能产生致癌作用, 它能导致基因突变, 改变细胞遗传物质的特性。张淑辉等通过实验说明了,He-Ne 激光可诱变DNA 构型( A 型B 型) ,使碱基发生互变异构。1.3 金属离子、金属配合物及药物分子与DNA 相互作用的研究生物活性和生命活动都离不开金属离子的存在, 金属离子可稳定核酸的结构, 对核酸有特定的键合作用, 有些还能直接与DNA 配位。但金属离子也会对DNA 结构产生损伤。拉曼光谱研究发现金属离子和DNA 相互作用时影响DNA 的构像, 使DNA双螺旋发生变性。其中过渡金属离子对B 型DNA的构像改变作用最大, 对DNA 磷酸盐的影响要弱,而碱土金属对碱基和磷酸盐都没有大的影响。二价金属离子对DNA 结构的破坏还与分子量大小有关。沈鹤柏等用光谱法研究铕离子和铈离子( Ce3+) 等七种稀土金属离子对DNA 的作用时, 则发现一些稀土金属离子不仅能使DNA 的构型发生变化, 而且具有切断DNA 主链的磷酸二酯键的作用。实验结果为探索新的DNA 水解切断体系及了解稀土元素进入人体后的作用机制提供了有价值的依据。氯化钠浓度增加时, DNA 的嘧啶残基从C2型向C3型转变。而且DNA 结构的变化还与DNA的浓度有关, DNA 浓度较高时结构变化较大。但是只在天然DNA 的确定部位发生右手构像向左手构像的转变。Wartel 等发现NaCl 浓度增加时bp 片段发生B 到Z 型的构像变化, 4. 5 M NaCl 时( dC-dG) 片段是Z 型构像, 95 bp 区的碱基堆积仍保持B 型构像, 但是这个区的相当一部分不再保持B型骨架。但也有研究发现, 一定浓度范围内Na+ 、Mn2+ 的增加并不改变核苷酸的B 型构像。而在低水活性时, 少量的Ni2+ ( 镍离子) 就能诱导出DNA 的Z 型构像。Kornilova 等发现DNA 与Cu2+复合时A 型构型发生改变, 每单位核苷的水合容量增大。Cu2+ 离子在相对湿度50% 76% 之间降低生物聚合物的水合作用, 从而对DNA 与Cu2+ 离子的相互作用产生影响。糖苷键附近的碱基扭转角也发生了变化, 变得与顺式构像相符。Neault 等观察了pH 值7. 6 时水溶液DNA 和抗坏血酸维生素C的相互作用。他们对药物的结合位点、序列特性、DNA 构像的变化、熔融特性以及水溶液中药物DNA复合物结构进行了分析, 发现大沟和小沟中A-T 碱基和G-C 碱基都发生了变化, DNA 螺旋变得轻微地不稳定。抗坏血酸主要是通过OH 的氢键和C-O 基团与磷酸盐、碱基及脱氧核酸供体原子发生相互作用。1.4 酶和蛋白质等生物分子与DNA的相互作用研究酶是活细胞中的生物催化剂, 能催化细胞或生物体进行新陈代谢及各种化学反应。研究发现酶能诱导DNA 发生扭曲, 这可能就是DNA 与酶的相互作用的本性。Rosenberg 等用-糜蛋白酶降解核小体时, 观察到核心DNA 的B 型构像向中间B 型或A 型构像转变, 发现短暂的糜蛋白酶处理对DNA 的损伤是不可恢复的。Benevides 等发现蛋白质能诱导DNA 发生弯曲, 为此提出了一个控制基因表达的DNA 重组模型, 并且认为人类性别转换可能与DNA 的变化有关。精胺和亚精胺既能结合、浓缩基因组B-DNA 而又不破坏其天然结构。在四组包含不同比率GC 碱基对的DNA 基因组与亚精胺和精胺相互作用时, Hong Deng 等人发现: B-DNA 的磷酸盐是相互作用的主要标靶; 磷酸盐的结构变化符合非特异性阳离子结合模型; 聚胺的结合作用对天然DNA 的B-构型的影响几乎可以忽略。Hud 等为精胺与DNA 的聚合物二级结构提出了一种新的模型。他们在研究相对湿度98% 条件下鱼精蛋白和DNA 的固态复合物时, 发现复合物中DNA 的B 型构像受到了修饰, 氢键也发生了变化。多精胺虽然与鱼精胺有相似的主结构, 但它们与DNA 结合时所采取的构像却完全不同。单链DNA 与抗菌素Ff 蛋白( gVp) 结合时, 螺旋骨架结构、碱基堆积和磷酸二酯骨架构像都只发生了细微的变化。而当gVp 与特定序列双链DNA 结合时, 却导致DNA 结构明显改变。1.5 抗癌药物与DNA 相互作用研究对抗癌药物和DNA 相互作用的研究, 有助于加深理解药物与DNA 的作用机理、探索新的有效的抗癌药物。刘颂豪等研究了光敏剂血卟啉单甲醚(HMME) 与DNA 的相互作用, 发现血卟啉单甲醚使DNA 分子由典型B 型构型变成了一种修饰过的B型; 连接碱基对的氢键被部分打断, 碱基堆叠也有所瓦解; 碱基本身也遭到了破坏, 有脱氨基现象发生;腺嘌呤和胞嘧啶对血卟啉单甲醚的光动力学损伤更敏感。博来霉素( Blm) 是一种能与DNA 序列相结合的抗肿瘤试剂, 能使DNA 单双链发生断裂。Rajani 等发现博来霉素与DNA 发生了插入作用, 而且这种插入作用与温度有关, 30