41. Ультрафиолетовое излучение и фотодеструкционные процессы в днк: фотоизомеризация, фотогидротация, образование пиримидиновых аддукатов. Механизмы фотореактивации.
Это инициированные светом реакции, приводящие к таким химическим изменениям молекул, которые нарушают их функции, вызывают повреждения на клеточном и организменном уровнях. Наиболее эффективно индуцируются фотодеструкции коротковолновым ультрафиолетовым излучением (<290 нм). Это излучение хорошо поглощается нуклеиновыми кислотами, белками и другими внутриклеточными компонентами.
Деструктивное действие проявляется в виде реакций фотоокисления, фотоионизации, фотодиссициации и фотоприсоединения.
Например, первичная реакция при УФ-фотолизе триптофана в белках – фотоионизация с образованием катион-радикала АН+ и сольватированного электрона:
В цистиновых остатках – фотодиссициация S-S-связей:
В нуклеиновых кислотах фотоионизация азотистых оснований происходит лишь при поглощении двух квантов УФ-света. Основные фотохимические реакции, в которые вступают основания нуклеиновых кислот: димеризация, гидратация и образование (6-4) пиримидиновых аддукатов (межнитевые ковалентные сшивки).
Деструкционные реакции в большинстве случаев протекают с участием кислорода.
Выделяют 2 типа фотосенсибилизированных деструктивных реакций:
Фотовозбужденный сенсибилизатор вступает в окислительно-восстановительные реакции с молекулами, участвуя в переносе электрона или атома водорода. Образуются реакционноспособные радикалы, вступающие в дальнейшие реакции.
Происходит перенос энергии от молекулы сенсибилизатора к кислороду с образованием его электронно-возбужденной формы 1О2; образовавшийся синглетный кислород затем окисляет молекулы биологической системы (рис. ).
Рис. Фотосенсибилизированные деструктивные реакции с участием кислорода:
где S* — возбужденный фотосенсибилизатор, подвергающийся первичным изменениям, «S+ — окисленная форма сенсибилизатора, А — молекула биосубстрата, участвующая в реакции на последующей стадии.
Фотохимические реакции в ДНК. Считается, что ДНК – основная внутриклеточная мишень при летальном и мутагенном действии УФ-излучения. Волны длиной 260-265 нм совпадают с максимумом в спектре поглощения ДНК.
Основные хромофоры ДНК – это азотистые основания нуклеотидов, причем квантовые переходы пиримидиновых компонентов на порядок выше, чем пуриновых. При поглощении кванта образуются электронно-возбужденные синглетные и триплетные состояния азотистых оснований, энергия которых может превысить энергию ионизации молекулы.
Реакция фотодимеризации ДНК. Считают, что димеры пиримидиновых оснований, образующиеся в одной цепи ДНК при УФ-облучении, - соединяются два основания с образованием кольца циклобутанового типа:
Они составляют 70-80 % от всех летальных повреждений. В ДНК димеризация тимина, по-видимому, идет через синглетное возбужденное состояние основания. Замыкание углеродных связей между двумя молекулами тимина происходит в 5 и 6 положениях, между которыми в соответствии с квантово-механическими расчетами наиболее высока концентрация неспаренных электронов. Это и способствует «разрыву» 5,6-двойной связи и замыканию межтиминовых связей.
Реакция фотогидротации ДНК – фотохимическая реакция пиримидиновых оснований. Происходит под действием УФ-света присоединение воды к пиримидиновому кольцу у С5 и С6 углеродных атомов с разрывом двойных связей, происходит через синглетные возбужденные состояния атомов:
Протекает в одноцепочной ДНК, страдают клетки с активными процессами репликации и транскрипции.
Образование (6-4) пиримидиновых аддукатов – фотопродуктов происходит реже. Могут играть в УФ-мутагенезе важную роль:
Сшивки с белками - межмолекулярные взаимодействия – аминокислотные остатки белков SH- через или ОН-группы прикрепляются к С5 или С6 пиримидиновых оснований ДНК:
Фотореактивация - процесс, направленный на устранение летальных фотопродуктов ДНК при участии фоточувствительного фермента фотолиазы, субстатом которого являются лишь пиримидиновые димеры. Распад димеров пиримидина идет согласно кинетике ферментативных процессов.
Фотолиаза работает в электронно-возбужденном состоянии. Идет перенос электрона от фермента к димеру. При поглощении кванта света фотовозбужденный хромофор фотолиазы донирует электрон димеру с образованием аниона пиримидинового димера. Эта форма не стабильна и распадается на два свободных пиримидина плюс электрон. Восстановление хромофора может идти путем захвата электрона от распавшегося димера.
Фотозащита. Фотоиндуцированное длинноволновым УФ-светом образование в клетке серотонина. Серотонин связывается с ДНК и уменьшает выход димеров, ем самым снижает чувствительность к летальному действию коротковолнового УФ-излучения.