книги из ГПНТБ / Харт Э. Гидратированный электрон

По-видимому, существует качественное и, возможно, полуколичествеиное соответствие между тенденцией компонентов живой клетки захватывать электрон и их реакционной способностью относительно е~ . Только с этой точки зрения информация о ре­ акциях биополимеров и их функцинальных групп с е~ может представлять интерес для молекулярной радиобиологии.

В последующих разделах рассматривается реакционная спо­ собность различных компонентов живой клетки по отношению

кle~q. При этом необходимо иметь в виду, что описанные

реакции следует использовать в молекулярной радиобиологии с известной осторожностью, только как модельные процессы. Дело в том, что меж- и внутримолекулярные процессы электрон­ ного переноса, определяющие химическое поведение данной сложной системы, могут не протекать в индивидуальных ее

фрагментах.

По мере усложнения биологических систем даже в разбав­ ленных растворах их поведение качественно изменяется. Вслед­

[146]. Этот результат находится в соответствии с нереакционноспособностыо спиртов и эфиров относительно e~q.

Насыщенные жирные кислоты с длинной цепью слабо рас­ творяются в воде даже в своей анионной форме. Так как ионы ацетата и пропионата, а равным образом и углеводороды не­ реакционноспособны по отношению к е~ , можно заключить, что ионы высших жирных кислот также будут нереакционноспо­ собны. Зная низкую реакционную способность этилена [133], можно предположить, что и ненасыщенные жирные кислоты будут проявлять низкую активность относительно е~ . Жиры — эфиры жирных кислот, по-видимому, должны быть более реакционноспособны (/JÄJIO7 М - 1 • се/с- 1 ). Стероиды вследствие их малой растворимости в воде еще не исследовались, однако их состав и структура говорят о том, что реакционноспособными могут быть только кетостероиды. В целом молено сказать, что углеводы, жирные кислоты и их обычные производные нереак­ ционноспособны. Маловероятно, что в лсивой клетке, содержащей гораздо более реакциоиноспособные вещества в значительных концентрациях, жирные кислоты, углеводы и стероиды имели возможность прореагировать с е~ •

180

7.3. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ

Константы скорости аминокислот и пептидов приведены на рис. 7.1. Если в аминокислотах отсутствуют активные функцио­ нальные группы, то их реакционная способность относительно

пролин; leu — лейцин; tyr — тирозин; tryp — триптофан: a s p N H j — а с п а - рагнновая кислота; acetyl-a! — ацетнлалании; his-his — гнстндилгнстнднн и т. п. Цифры в скобках — значения pH растворов.

е~ низка [100, 101, 145]. Константа скорости для глицина зависит от pH. Это указывает на то, что реакционная способ­ ность о-аминокислот (сама по себе низкая: А = S -106 М^-секг1 при рН = 6) обусловлена в основном наличием в них аммониевой

181

кильная группа) имеют еще меньшие константы скорости реак-

собными аминокислотами являются тирозин, фенилаланин,

ная способность первых четырех кислот может быть объяснена наличием в них ароматической или гуанидиновой функциональ­ ной группы. Последние три кислоты, реакционная способность которых уже обсуждалась в гл. 6, показывают сильную зави­ симость константы скорости реакции от pH. Гистидин в своей кислой форме имеет константу скорости реакции с с~ почти на два порядка выше, чем биполярный ион. Последний, в свою очередь, в шесть раз активнее, чем анионная форма гистидина [101]. Изменение в 100 раз константы скорости реакции гисти­

дина с е~ обусловлено различием в реакционной способности имидазолиум-ионз и имидазола. RSH- и RS~^opMbi цистеина

различаются по реакционной способности в пять раз. Цистин

Такое поведение этих соединений отличается от поведения ионов метиламмоиия, которые при взаимодействии с е~ дают атомы H [381]. В ароматических аминокислотах дезаминирования не происходит, имеет место восстановление ароматического кольца гидратированным электроном [125]. В цистеине после элек­ тронного захвата разрывается связь С—S [465]:

HSCHoCH (NH2 ) C O O " + e~ -* HSCH2 CH (NH2 ) СОО=~ -* H S " +

+ C H 2 C H (NHa ) C O O -

и далее

Пептиды значительно реакционноспособнее, чем аминокисло­ ты [102, 145]. Активность этой группы соединений опреде­ ляется аммониевой группой пептида, а не карбонильной, что следует из рассмотрения относительной реакционной способно­ сти ацетилглицина и глицилглицина. Константы скорости реак­ ций этих соединений с е~ отличаются на два порядка. Зави­ симость реакционной способности глицилглицина от pH также

182

подтверждает этот вывод [100]. Кроме того, установлена ли­ нейная связь между логарифмом константы диссоциации аммо­ ниевых групп аминокислот и дипептидов и логарифмов констан­ ты скорости их взаимодействия с е~ [100, 102] (рис. 7.2). На­ клон прямой (ордината, т. е. константа скорости, меняется на

вдвое превышает наклон, вычисленный из соотношения Бренстеда для неорганических и органических протонсодержащих кис­ лот, включая ион аммония [374] (см. гл. 5). Такое различие не удивительно, так как продуктом реакции кислых форм ами­ нокислот является аммиак, а не атом водорода [464]. В то же время это расхождение находится в соответствии с выводом, сделанным в гл. 5, согласно которому выполнение соотношения Бренстеда для реакций е~ не обязательно должно указывать на протонный перенос.

В гл. 6 было отмечено, что у аминокислот и пептидов истин­ ным реакционным центром служит карбонильная группа, кото­ рая активирована по отношению к нуклеофильной атаке сопря­ женной аммониевой группой. Поскольку эти группы оказывают друг на друга индукционное влияние, значение рК. иона NH^" в

183

них является функцией сродства к электрону карбонильной группы.

Пептиды, подобно аминокислотам, претерпевают дезаминирование в результате присоединения электрона к группе —CONIT— с дальнейшим разрывом пептидной цепи. Такой тип радиационного разложения характерен для дипептидов [197] и циклического полимиксин-додекапептида В [298]. Радикалы

—C(OH)NH—, по-видимому, имеют относительно большое вре­ мя жизни ( т і / 2 > 1 0 - 3 сек) и до того, как произойдет дезаминирование, могут окисляться до исходного пептида окислительны­ ми продуктами радиолиза, образующимися в сравнимых кон-' центрациях одновременно с гидратированиым электроном [255].

Радикалы —C(OIT)NH— также восстанавливаются добавками

радиопротектор, присутствующий в относительно низких концен­

ния цитознна в присутствии цистеина, должны предостеречь би­ ологов от интерпретации поведения радиобиологической систе­ мы на основании известных законов радиолиза простых водных систем.

Как и при радиационном разложении цистеина, присутствие группы SH в олигопептидах качественно изменяет процесс раз­ ложения. Реакция е~ с глутатионом, например, приводит к вы­ делению K S - без разрыва пептидной цепи [303]. Очевидно, в длинном полипептиде или протеине происходит перенос атома H

от группы SH к восстановленной группе — C(OH)NH — в ре­ зультате внутримолекулярной перегруппировки. При этом уве­ личивается радиашюннохимический выход разрыва пептидных связей.

7.4. ПОЛИПЕПТИДЫ И ПРОТЕИНЫ

При переходе от аминокислот и олигопептидов к полипепти­

створах NaCl соответственно]. Скорость реакции полиглутами­ новой кислоты не зависит от pH в интервале 6—12; добавление

184

повышение реакционной способности, возможно, связано с мультиположительным зарядом полиэлектролита (каковым является полилизин), так как константы скорости нейтральных молекул меньше по крайней мере на три порядка. Заряд обусловливает два эффекта: увеличивает размеры молекул в результате обра­ зования длинных спиралей из кольцеобразного нейтрального полимера и создает поле, притягивающее отрицательные гидратированные электроны. Заряд полиэлектролита, однако, может экранироваться противоионами, что в общем подобно нейтрали­ зации. Количественная оценка скорости реакций полилизина по­

Скорость реакции полиглутамата также достигает диффу­ зионного предела. Во всей экспериментальной области pH поли­ электролиты находятся в отрицательно заряженной, частично кольцеобразной форме, и поэтому солевой эффект в этих систе­ мах небольшой. Добавление электролита, который экранирует отрицательные заряды, вызывает свертывание молекул поли­ электролита в спирали, уменьшая тем самым их размеры. Сле­ довательно, ожидаемое увеличение реакционной способности, обусловленное экранированием отрицательных зарядов, в неко­ торой степени компенсируется уменьшением общего поперечно­ го сечения молекулы полиэлектролнта.

Влияние конфигурации на реакционную способность прояв­ ляется и у протеинов. Реакционная способность рибонуклеазы, желатина и коллагена изменяется в 10 раз при переходе от бес­ порядочных колец к вытянутым цепям или спиралям [103]. Ско­ рость реакции при этом лимитируется диффузией, и различие в константах скорости может быть обусловлено только геомет­ рией соединений.

Таким образом, поведение систем е~ —полипептид можно объяснить тем, что гидратированный электрон, встречающийся с молекулой полиэлектролита, удаляется из раствора в резуль­ тате необратимого процесса. Хотя электрон и не может на зна­ чительное ( > 1 0 - 9 сек) время попадать на отдельную орбиталь, у него нет шансов избежать захвата при наличии высокой кон­ центрации ловушек в полиэлектролите. Другим объяснением по­

сумме констант скорости для индивидуальных ловушек, каждая

185

из которых имеет относительно низкую реакционную способ­ ность. Последний механизм, возможно, относится к процессам туннелирования, которые характерны для многих реакцией ej .

Имеются определенные доказательства наличия туннельного механизма. Импульсным методом показано [36], что полилизин, содержащий один ион меди на одну молекулу полиэлектролита, реагирует с радикалами ОН со скоростью, лимитируемой диффу­ зией. При этом Си (II) количественно окисляется до Си ( I I I ) . В условиях эксперимента взаимодействие между ОН и Си (II)

Теория внутримолекулярной электронной проводимости в не­ сопряженных полиэлектролитах находится в согласии с корре­ ляцией между константами скорости реакций желатина, лизо-

качественно отличается от поведения низкомолекулярных ве­ ществ. Это делает весьма сомнительной прямую экстраполяцию поведения мономерных компонентов живой материи к поведению биополимеров. Такой вывод, сделанный на основании поведения биополимеров в разбавленных растворах, тем более справедлив для внутриклеточной среды.

на расстояние, соответствующее размерам нескольких агрегиро­ ванных молекул биополимера. Независимо от механизма элек­ тронного переноса, будь то переход электрона в зону проводи­ мости, миграция по полимерным молекулам или туннелирование между несвязанными ловушками, электрон в конце концов^ за­ хватывается ловушкой с самым высоким сродством к электрону. Это обстоятельство может объяснить селективность радиацион­ ных повреждений в протеинах [102, 307]. Эксперименты пока­ зывают [7], что электроны могут переноситься от одной орга­ нической молекулы к другой по мере увеличения их сродства к электрону.

Хотя сродство к электрону функциональных групп в биопо­ лимерах и простых мономерах различно, в первом приближении этим можно пренебречь. Тогда восстановление одних и тех же аминокислот гидратированным электроном, по-видимому, долж­ но протекать одинаково как в протеине, так и в его разбавлен­ ном гидролизате. Отсюда становится ясным, что кинетическое

186

поведение мономеров по отношению к е~ несет в себе важную информацию, пригодную для использования в молекулярной радиобиологии.

7.5. ПУРИНЫ, ПИРИМИДИНЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Как уже упоминалось в гл. 6, пурины и пиримидины прояв­ ляют высокую реакционную способность относительно е~ , и реакции большинства из них протекают со скоростями, лимити­ руемыми диффузией. Поэтому следует ожидать высокой реак­ ционной способности и у биологически активных молекул, со­ держащих пуриновые или пиримидиновые группы. Обнаружено,

[403]. Аденин взаимодействует в три раза быстрее, что объяс­ няется, видимо, влиянием отрицательно заряженного фосфата. Как и следовало предполагать на основании данных о реакци­

легкость миграции электрона через я-связи сопряженных пури­ нов и пиримидинов, в настоящее время нельзя предсказать, ка­ кой из четырех реакционноспособных компонентов Д Н К яв­ ляется акцептором дополнительного электрона. Возможно, что электрон, присоединившийся сначала к ДНК, затем восстанав­ ливает одну из функциональных групп протеиновой оболочки ну­ клеиновой кислоты живой клетки. С другой стороны, не исклю­ чена возможность того, что один из радикалов, образованный при действии ОН или другого окислительного радикала, спосо­ бен восстанавливаться электроном, временно захваченным ДНКВероятность такого механизма находит экспериментальное под­

ОН [92]. По-видимому, электрон, захваченный азотистым осно­ ванием, удаляется из него до того, как произойдет протонирование этого анион-радикала. Поэтому наиболее вероятно, что электроны имеют второстепенное значение в критическом по­ вреждении клеточного ядра, хотя они могут активно участвовать в репарационных процессах, протекающих за время < 1 0 - 8 сек.

В работах [276—278] найдено, что 5-бромурацил (BrU), введенный вместо тимина в ДНК, повышает радиочувствитель­ ность нуклеиновой кислоты. При этом вероятность радиацион­ ного повреждения Д Н К прямо пропорциональна содержанию в ней бромурацила. Эти факты находятся в соответствии с нашей

187

трактовкой роли Д Н К и электронов в молекулярной радиобио­ логии. Вероятно, BrU, будучи галоидопроизводным, имеет бо­ лее высокое сродство к электрону, чем тимин. Кроме того, имея присоединенный электрон, BrU, по-видимому, должен претерпе­ вать необратимое дегалоидирование с образованием свободного радикала. Таким образом, BrU — заместитель с высокой веро­ ятностью (р) химического превращения (см. разд. 7.1). Захва­ тывая электрон и являясь источником необратимого химического превращения, BrU удаляет из системы электрон, который в про­ тивном случае мог бы восстанавливать окисленное место, «за­ лечивая» таким путем некоторые из радиационных поврежде­ ний. По этой причине 5-бромурацил можно рассматривать как сенсибилизатор.

Механизм восстановления электроном радиационного по­ вреждения может быть проиллюстрирован на примере димеров тимина, которые предположительно являются продуктами его радиолиза. Эти димеры под действием гидратированных элек­ тронов превращются в мономеры [150]. Точный механизм та­ кой деструкции неизвестен.

Влияние геометрии трехмерной структуры на радиочувстви­ тельность биополимеров видно в случае ДНК . Показано, что

выводы

Некоторые агрегаты биополимеров в живой клетке, имеющие

Поэтому из изучения кинетики поведения этих систем в разбав­ ленных растворах можно получить очень мало информации, представляющей интерес для радиобиологии. Термализованиый (сольватированный или несольватированный) электрон реаги­ рует с макромолекулой при каждом столкновении. Затем про­ исходит перенос электрона в результате либо межмолекулярно­ го, либо внутримолекулярного процесса к месту с высоким срод­ ством к электрону, которое в то же время имеет высокую веро­ ятность необратимого химического превращения.

Для оценки радиационных повреждений, производимых электроном в живой клетке на молекулярном уровне, необходи­ ма идентификация функциональных групп, претерпевающих при этом необратимые изменения. Другими словами, молеку­ лярная радиобиология нуждается в информации о судьбе си­ стемы за время < 1 0 - 1 0 сек после присоединения электрона. За это время электрон может быть перенесен на значительное рас­ стояние в пределах агрегата биополимеров [7] или покинуть агрегат, присоединившись к соседней молекуле.

188