книги из ГПНТБ / Харт Э. Гидратированный электрон

амин) (I) и пролин (II) точно так же, как и любые амины, нереакционноспособны в щелочном растворе.

сн.-сн^

10-

Рис. 6.9. Реакционная способность гетероциклических соедине­ ний.

ном и оксипролином невозможно объяснить. Интересно, что пиррол (IV) нереакционноспособен (£ = 6-105 Л 1 _ і • се/с- 1 ) [430], несмотря на сопряженный характер его структуры. На осно­ вании изложенного можно сделать вывод, что иминогруппа является донором электронов по отношению к граничным точкам бутадиеновой структуры и вследствие этого уменьшает ее электросрильность [17]. Принимая во внимание неактивность пир-

170

рола, можно считать, что измеренная константа скорости реак­ ции е~ с пирролидином (k = 4,2-106 М^-секг1) весьма завышена, что, по-видимому, обусловлено влиянием примесей. Фуран (V) также имеет низкую константу скорости (£ = 3-106 М - 1 -се/с- 1 ) [232], значение которой должно рассматриваться как верхний

[430] лишь немного выше, чем реакционная способность метионина (£ = 3,5-.107 М-^-секг1) [101]; следовательно, сопряжен­ ная бутадиеновая структура в этой молекуле также подавлена.

дезактивирует двойную связь точно так же. как и ароматическое

влияние гетероциклической иминогруппы выражено еще более резко. Для пирролидона (IX) и тиобарбитурат-ионов (реак­ ционная способность этих соединений уже обсуждалась в

разд. 6.3) выполняются зависимости, справедливые для карбо­ нильных соединений.

171

диссоциированное соединение. Значение рКа для имидазола (6.9)

мнению Рабани, определяется наличием в них карбонильных групп. Таким образом, соотношение Бренстеда может приме­

Константа скорости реакции его щелочной формы с e~j равна

1,2-107 М-1 -сек-1 [101].

Пиридин в отличие от бензола весьма реакционноспособен (&=1,0-109 М-і-секг1) [232], что обусловлено высокой поляр­ ностью связи C = N и ее резонансным эффектом. Если углерод двойной связи заменен на третичный атом азота, реакционная способность соединения увеличивается на два порядка. Приме­ рами здесь служат пиррол и имидазол, бензол и пиридин, тиа-

и > С = 0 в общем преобладает над дезактивирующим влиянием групп ОН и NH 2 , и скорости реакций этих соединений с е~ достигают диффузионного предела. 1,3-Диметилурацил (XIV)

172

группой пиримидинов, а не со связью C = N . Подобное поведение аналогично поведению кетонов и иминов, рассмотренному в разд. 6.3. Различие в константах скорости аденозина и адено- зин-5-фосфата (/г = 3 , Ы 0 1 0 и 3,8-10° Л И - с е / с - 1 соответственно) [403] может быть объяснено наличием у последнего двойного отрицательного заряда. Этот вывод подтверждается результа­ тами изучения влияния pH на реакционную способность 3-ури- дилмонофосфата [215]. Однако влияние заряда не может быть полностью ответственным за наблюдаемое уменьшение кон­

является, по-видимому, электронодонорная емкость группы О - . Другим соединением, наглядно демонстрирующим дезактиви­ рующее влияние группы ОН на реакционную способность пурина

далось образование промежуточных продуктов. Ион-радикал, получающийся из тимина, реагирует с ацетофеноном, бензофе-

а не электронного переноса, так как сродство тимина к элек­ трону в воде выше, чем у кислорода. Весьма желательно систе­ матическое изучение химических свойств этих частиц, поскольку некоторые из них являются промежуточными также в биохими­ ческих и радиобиологических системах.

6.8. ОРГАНИЧЕСКИЕ СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ

Считается общепринятым, что парамагнитные частицы реаги­ руют с е~ со скоростями, лимитируемыми диффузией [17, 140].

радиолизе метанол обычно добавляется к исследуемому рас­ твору для конверсии весьма активных радикалов ОН в отно-

173

сительно инертные радикалы СН2ОН. Метанол количественно удаляет радикалы ОН, не влияя на концентрацию гидратиро­

k<\(P М-1-сек'1.

Относительная неспособность радикала СН2ОН акцептиро­ вать электрон и образовывать ион С Н 2 О Н _ , возможно, обуслов­ лена стабилизацией этого радикала в планарной форме, которая имеет тенденцию к потере своего неспаренного электрона и образованию карбониевого нона СН2 ОН+. Последний превра­ щается в формальдегид в результате переноса протона к рас­ творителю. Тенденция СН2 ОН вести себя в качестве донора электронов убедительно продемонстрирована реакцией, проте­ кающей в газовой фазе [84]:

N2 0 + СН2 ОН -+ СН2 0 + N s + ОН,

а также реакциями в водном растворе:

Реакции такого типа изучены для некоторых а-спиртовых pa- ' дикалов, и полученные константы скорости коррелируют с а*-функцией Тафта для соответствующих алкильных остатков [66]. Более того, а-спиртовые радикалы, являются достаточно

переноса с нитробензолом, причем скорость этой реакции лими­ тируется диффузией.

Некоторые алкильные радикалы, включая (СН 3 ) 2 СОН,

СНзСНОН, СН2 ОН, СНзСНСООН и CHsCOOH, вступают в ре­ акцию переноса электрона с галогенсодержащими алифатиче­ скими соединениями [46]:

RHCOH + RX -+ RHCO + Н+ + R X ~ .

Отсюда ясно, что радикалы, имеющие сильную тенденцию к потере электрона, обладают низким сродством к электрону и, следовательно, малой реакционной способностью по отношению

Достоверной информации о реакционной способности других органических радикалов (олефиновых, ароматических и гетеро-

174

Г Л А В А 7

РЕАКЦИИ ГИДРАТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОНА С ВЕЩЕСТВАМИ, ВХОДЯЩИМИ В СОСТАВ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

7.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Раздел радиационной химии, в котором рассматриваются изменения, происходящие в облучаемых биологических системах на молекулярном уровне, относится к так называемом моле­ кулярной радиобиологии. Молекулярная радиобиология, в свою очередь, подразделяется на две части в соответствии с последо­ вательностью событий, происходящих в облученной клетке. Химические изменения, протекающие в компонентах биологиче­ ских систем за 10_ 3 сек после поглощения энергии излучения, являются быстрыми изменениями, в то время как химические изменения, обусловленные вторичными химическими реакциями биополимеров с относительно долгоживущнми продуктами радиолиза, определяются как задержанные эффекты.

Радиационная химия занимается в основном быстрыми изменениями. Действительно, большая часть информации, инте­ ресующей радиационных химиков, содержится в процессах, которые при имеющихся в живых клетках концентрациях био­

веществ вызываются их взаимодействием с первичными продук­ тами радиолиза воды, т. е. с атомом Н, радикалом ОН и e~q . Периоды полупревращения первичных радикалов в этих усло­ виях больше 10- 8 сек. В концентрированных растворах проте­ кают еще два дополнительных процесса: перенос заряда или энергии от воды к растворенному веществу и прямое действие ионизирующего излучения на молекулы растворенного вещества. Кроме того, в этих условиях необходимо обращать особое вни­ мание на судьбу вторичных электронов (как термализованных, *гак и надтепловых), которые могут взаимодействовать с окис­ ленными продуктами радиолиза.

Среди радиобиологов есть тенденция применять данные по кинетике и выходам радиолиза разбавленных водных раство­ ров, содержащих биологически важные вещества, для интер­ претации механизмов в молекулярной радиобиологии. Такое использование в общем некорректно, так как сравнение живой клетки с разбавленными водными растворами справедливо лишь

176

в том смысле, что в обеих системах при действии излучения образуются продукты радиолиза воды ОН, H и e~q. В концен­ трированных растворах, которыми обычно являются биологиче­ ские системы, важен эффект прямого действия; в некоторых случаях он может преобладать над косвенным действием излу­ чения, столь хорошо изученным радиационными химиками. Ги­ бель клетки происходит при молекулярных нарушениях, обус­ ловленных поглощением энергии около 100 эв, которая по порядку величины сравнима с энергией, необходимой для обра­ зования шпоры, т. е. для осуществления одного первичного радиолитического акта. Так как концентрации реакционноспособных компонентов в живой клетке достигают порядка 1 моль/л, первичные продукты, возникающие при действии ионизирующего излучения, будут реагировать с компонентами клетки на рас­ стояниях 2,5—5 нм от места своего рождения. Другими сло­ вами, химические реакции, происходящие в живой клетке, на­ поминают скорее химическое поведение частиц в шпорах, а не эффекты косвенного действия.

Установлено, что мутационное и летальное действие излуче­ ния осуществляется в результате химических изменений в ядре клетки. Более того, эти химические изменения происходят из-за радиолитических превращений внутри ядра, которое представ­ ляет собой высококонцентрированный агрегат нуклеиновых кис­ лот и протеинов, содержащий только ~80% воды. При этих условиях судьба появляющихся при действии излучения элек­ тронов не может быть предсказана с полной определенностью.

В принципе возможно возникновение сольватированных элек­ тронов во внутриклеточной среде, но образование их внутри ядра маловероятно. Совсем не обязательно, чтобы все электроны, в концентрированной биологической системе гидратировались или сольватировались; однако вследствие их высокой реакцион­

от одной группы к другой. Молекулы, которые могут быть пре­ восходными восстановителями, не переносят сольватированные

акцепторов, как 0 2 и Н3 0+, в концентрациях 0,1—1 M [108, 299]. При термализации первичного электрона в области, в кото­ рой кроме молекул воды, содержатся молекулы растворенных веществ в высокой концентрации, электрон может присоеди­ ниться к одной из этих молекул до того, как произойдет его сольватация. Если полное сечение захвата теплового или над-

теплового электрона достаточно велико, то вероятность обра­ зования сольватированного электрона мала. В случае, когда растворенное вещество не имеет большого сродства к электрону, у последнего есть возможность стать сольватированным. Таким образом, не исключено, что электроны будут сольватироваться в гидратированных молекулах протеинов типа желатина или альбумина, прежде чем вступят в дальнейшие реакции.

Как было показано [27, 226], в концентрированных водных растворах инертных электролитов сольватированный электрон проявляет физические и химические свойства, аналогичные свойствам е~ (см. гл. 3). Однако сольватация электрона до реакции менее вероятна в гидратированных нуклеиновых кис­ лотах из-за наличия активных акцепторов в значительной кон­ центрации. Электрон в этом случае может присоединиться к одному из компонентов сложной биохимической системы. С дру­ гой стороны, электрон, не будучи сольватированным и локали­ зованным на какой-либо определенной орбитали, может пере­ мещаться по цепочке биополимера до тех пор, пока не произойдет его захват на заметном расстоянии от места терма­ лизации. Короче говоря, хотя электрон и образуется внутри области биологической мишени, он не обязательно должен быть гидратированный или сольватированным.

Полная термализация вовсе не необходима для вхождения электрона на орбитали электронного акцептора. Вероятность вхождения является функцией сродства акцептора к электрону. Если сечение захвата надтеплового несольватированного элек­ трона молекулой с положительным сродством к электрону зна­ чительно, вполне допустимо [224], что роль сольватированного электрона в молекулярной радиобиологии будет невелика. На возможную роль недовозбужденных несольватированных элек­ тронов в радиобиологии указывают данные по восстановителькому дезаминированию N-ацетилаланина при концентрациях последнего выше 0,1 М. На эту реакцию не оказывают влияния акцепторы е~ [197, 384]. Нельзя забывать, что концентрация компонентов ядра клетки выше по крайней мере на порядок, и поэтому такие эффекты в области клетки, обладающей наибольшей радиочувствительностью, будут выражены еще сильнее.

Влияние кислорода на радиобиологические процессы, по-ви­ димому, обусловлено его взаимодействием с вторичными свобод­ ными радикалами. Эта реакция представляет собой процесс присоединения кислорода, а не является прямым электронным переносом. Примером может служить реакция кислорода с элек­ тронным аддуктом тимина (см. гл. 6). Образование перекиси водорода в присутствии кислорода не доказывает участия гид­ ратированного или сольватированного электрона в превраще­ ниях, происходящих в облучаемой системе. Известно, что

178

перекись водорода образуется не только при диспропорционировании гидроперекисных радикалов, но и при гидролизе орга­ нических перекисей и гидроперекисей.

Существуют два фактора, определяющих судьбу электрона в полимерной системе, каковой является ядро клетки. Один из них — относительное сродство к электрону различных функцио­ нальных групп, являющихся по существу потенциальными ло­ вушками электрона. Другой фактор — скорость необратимого химического превращения, например разрыв связи с образова­ нием аниона и свободного радикала или протонирование с воз­ никновением только свободного радикала. Любой из этих про­ цессов может происходить после присоединения электрона. Вероятность химического превращения в данной функциональ­

к электрону данной группы по отношению ко всем остальным группам в системе определяется парциальным временем t на­ хождения электрона вблизи группы в биополимере. Следова­ тельно, вероятность р химического превращения, происходящего в отдельной группе, равна:

В ближайшем будущем в связи с развитием наносекундной импульсной техники станут возможными прямые измерения скоростей реакций переноса протона или разрыва связей в раз­ бавленных водных растворах. Эта кинетическая информация, однако, может оказаться недостаточной для молекулярной ра­ диобиологии, так как скорости Ri необратимых превращений сильно зависят от ближайшего окружения исследуемой функ­ циональной группы. Так, расположенный рядом донор протонов увеличивает скорость реакции переноса протона, а кислотный остаток облегчает образование частиц анионного типа. Этот вывод подтверждается тем фактом, что родственные, и противо­ положные партнеры данного нуклеозида оказывают существен­ ное влияние на структурнонеобратимые изменения, происходя­ щие под действием излучения [453]. Поскольку маловероятно, что соседние структурные единицы изменяют сродство данной группы к электрону, этот эффект необходимо приписать изме­ нению скорости R .

групп нуклеиновых кислот и протеинов в субмикросекундном диапазоне. Поэтому оценить роль сольватированных электронов

12* 179