Написать реакцию

Вторая важная фотохимическая реакция при облучении ультрафиолетом нуклеиновых кислот – фотогидратация пиримидиновых оснований. В этой реакции молекула воды присоединяется к возбужденному пиримидиновому кольцу с разрывом С₅ – С₆ двойной связи.

Написать реакцию

В отличие от реакции димеризации, эта реакция в клетках не фотообратимая. Гидраты пиримидинов разрушаются при температуре выше 30 С, при повышении ионной силы, изменении кислотности раствора. Реакции фотогидратации имеют место в основном, в одноцепочечных молекулах НК. Поэтому гидраты пиримидинов могут вносить мутагенный или летальный эффект лишь у клеток с активными процессами репликации и транскрипции, в ходе которых появляются одноцепочечные молекулы ДНК.

Третий тип фотохимических реакций пиримидиновых оснований – сшивки с белковыми молекулами. Фотовозбужденными молекулами в этих реакциях могут быть как молекула НК, так и белка. В процессе реакции происходит прикрепление аминокислотного остатка через SH- или OH – группу к С₅, С₆ атому цитозина или тимина.

Написать реакцию

Продукты реакции устойчивы к действию света.

Вышеуказанные типы фотохимических реакций в организмах приводят к повреждению молекул ДНК, РНК, белков и в конечном счете к нарушению генетического кода, нарушению процессов деления клеток, к гибели клеток.

Белки. Повреждение молекул белков обуславливается фотопревращениями в остатках ароматических аминокислот - триптофана, тирозин и фенилаланина. Как известно, эти молекулы, вследствие наличия в структуре -связей, интенсивно поглощают ультрафиолет (_max = 280 нм). Возбужденные молекулы аминокислот диссоцируют с образованием нейтральных радикалов и сольватированного электрона. Эти электроны обладают высокой реакционной способностью и способны окислять различные соединения, в т.ч. и белковые молекулы, что сопровождается нарушением структуры молекулы. Так, в результате окисления белковой молекулы происходит разрыв дисульфидных связей. Даже незначительные изменения в первичной структуре приводят к нарушению нативной конформации и соответственно, к потере функциональной активности белковой молекулы. Так, фотоинактивация большинства ферментов обусловлена изменениями структуры триптофана, цистина, тирозина.

Липиды. Молекулы липидов интенсивно поглощают коротковолновый ультрафиолет. Максимумы поглощения ненасыщенных жирных кислот находятся около 200 нм. Основной фотохимической реакцией при облучении ультрафиолетом является окисление молекул липидов. Первичным продуктом реакции окисления является гидроперекиси жирных кислот. Квантовый выход этой реакции может быть очень высоким, т.к. ультрафиолет индуцирует цепную реакцию окисления липидов. Поглощение квантов молекулами жирных кислот сопровождается образованием высокореакционных свободных радикалов.

RH + h  R^ + H⁺

Свободный радикал взаимодействует с кислородом, превращается в перикисный радикал.

R + O₂  RO₂^

Прекисный радикал окисляет следующую жирную кислоту с образованием свободных радикалов и перекиси водорода.

RO₂^ + RH  2 R^ + H₂O₂

Таким образом, реакция перекисного окисления липидов будет идти до полного окисления всех молекул субстрата, находящихся в реакционной смеси. Остановка реакции произойдет только в случае инактивации свободных радикалов, например, при взаимодействии их с антиоксидантоми.

Механизмы защиты живых организмов от деструктивного действия ультрафиолета. Фотреактивация, фотозащита.

В процессе биохимической эволюции у живых систем сформировались специфические механизмы, направленные на повышение устойчивости клеток к повреждающему действию ультрафиолетовых лучей. К настоящему времени известны два таких процесса – фотореактивация и фотозащита.

Фотореактивация – биологический процесс, направленный на устранение УФ-индуцированных летальных фотопродуктов нуклеиновых кислот. В этом процессе участвует специальный фоточувствительный фермент фотолиаза, строго специфичный к пирмидиновым димерам. Этот фермент выделен из многих биологических объектов. Известны природа хромофорных групп у двух фотолиаз: бактериальной и дрожжевой. У бактериальной фотолиазы хромофорная группировка представлена восстановленной молекулой ФАД с максимумом поглощения при 380 нм. Хромофорная часть дрожжевой фотолиазы является производным диазофлавина с максимумом поглощения, в зависимости от значения рН, от 375 до 420 нм. Ферментативный гидролиз димеров происходит только под воздействием света, т.е. фотолиазы работают в возбужденном состоянии. Предполагается, что при этом процессе происходит перенос электронов от молекулы фермента к субстрату. Это подтверждается данными об ингибировании процесса фотореактивации активными акцепторами электронов, например, KNO₃, KCl.

Эффект фотозащиты заключается в том, что предварительное облучение клеток длинноволновым спектром ультрафиолета или видимым светом приводит к значительному повышению их устойчивости к деструктивному действию коротковолновых лучей. Проявление такого эффекта показано на клетках микроорганизмов (бактерий, дрожжевых клеток) и на культуре клеток многоклеточных организмов. Наибольший эффект фотозащиты проявляется при действии света в интервале 310 - 350 нм. Для проявления эффекта фотозащиты необходим определенный промежуток времени между действием длинноволнового и коротковолнового света. За это время в клетках происходит синтез защитных соединений (протекторов), таких как 5-окситриптамин (серотонин). Предполагается, функция этих защитных агентов заключается в связывании их с молекулой ДНК, что уменьшает выход УФ-индуцированных димеров. Экспериментально показано, что предварительное введение протекторов в клетки значительно повышает их устойчивость к действию ультрафиолетового света.

Фотосенсибилизация. Многие организмы содержат природные пигменты, поглощающие энергию света определенных длин волн, что придает им повышенную чувствительность к действию солнечного света. Такая высокая фоточувствительность может приводить к повреждениям клеток, тогда как клетки не содержащие этих пигментов светом не повреждаются. Фотосенсибилизаторы могут быть эндогенные, т.е. синтезироваться в клетках и экзогенные, когда они вносятся в клетки извне. Известны 4 класса соединений естественного происхождения, вызывающих фотосенсибилизирующий эффект: гиперицины, хлорофиллы, порфирины и псоралены.

Гиперицины получили свое название от рода растений, в экстрактах которых были впервые обнаружены: зверобой (Hypericium). Собственно гиперицин представляет собой соединение c формулой C₃₀H₁₆O₈ , состоящее из восьми ароматических колец с восемью гидроксильными группами (рис.2). Другие соединения этой группы вместо гидроксильных групп могут содержать метильные группы(например, псевдогиперицин). Гиперицины являются фотоокислительными сенсибилизаторами и в присутствии кислорода они являются причиной гибели клеток при действии интенсивного солнечного света.

	Рис. 2. Структурная формула гиперицина

Порфирины - циклические соединения, состоящие из четырех пиррольных колец, соединенных метиновыми мостиками (цикл порфина) (Рис.3). К порфиринам относятся такие важные пигменты. как гемоглобины, хлорофиллы. Они входят также в состав молекул окислительно-восстановительных ферментов у аэробных клеток (цитохромы, каталазы, пероксидазы и др).

Порфирин: R₁=R₂=R₃=R₄=R₅=R₆=R₇=R₈=H

Протопорфирин: R₁=R₃=R₅=R₈=CH₃; R₂=R₄=—CH=CH₂; R₆=R₇=C₂H₄COO H

Уропорфирин: R₁=R₃=R₅=R₈=CH₂COOH; R₂=R₄= R₆=R₇=C₂H₄COOH

Рис. 3. Структурная формула порфина - «скелета» молекул порфиринов

Хлорофиллы. Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих организмах — высших растениях, водорослях, сине-зелёных водорослях (цианобактериях), фотоавтотрофных простейших и фотоавтотрофных бактериях и обуславливают фотодинамический эффект у мутантных растительных клеток с дефицитом каратиноидов.

Формально хлорофиллы представляют собой производные порфина, молекулы которых содержат циклопентаноновое кольцо, конденсированное с порфириновым макроциклом, центральный атом Mg и различные заместители; одно или два пиррольных цикла в молекулах частично гидрированы. В пиррольном кольце D к остатку пропионовой кислоты обычно присоединены остатки высокомолекулярных изопреноидных спиртов, которые придают хлорофиллам способность встраиваться в липидные слои мембран хлоропластов.

Рис.4. Структурная формула хлорофиллов: хлорофилл a: (R¹ = СН — СН₂, R² = СН₃, R³ = С₂Н₅, R⁴ = CH₂CH₂C(0)Y); хлорофилл b: (R¹ = СН = СН₂, R² = СНО, R³ = C₂H₅, R⁴ = CH₂CH₂C(O)Y ); хлорофилл d: (R¹ = СНО, R² = СН₃, R³ = С₂Н₅, R⁴ = CH₂CH₂C(O)Y).

Псоралены представляют собой трициклические соединения, являющиеся спаренными кумаровыми и фурановыми кольцами. Они присоединяясь к пиримидинам, повышают фоточувствительность молекул ДНК.

Рис. 5. Кумарин (R1 = R2 = Н) и его производные: умбеллиферон (R1 = Н, R2 = ОН ); эскулетин (R1 = R2 = ОН) ; скополетин (R1 = ОСН3 R2 = ОН);

Рис. 6. Псорален ( R1 = Н R2 = Н) и его производные: ксантотоксин ( R1 = Н R2 = ОСНз); бергаптен (R1 – OCH3 R2 = Н) ; изопимпинеллин (R1 – ОСН3 R2 = ОСН3)

3.2. Производные ангелицина:

ангелицин

4. Пиранокумарины:

виснадин

5. 3,4-бензокумарины: