Φωτοϊονισμός του DNA

Ο όρος φωτοϊονισμός του DNA αναφέρεται στο φαινόμενο κατά το οποίο η υπεριώδης ακτινοβολία που απορροφάται απευθείας από το DNA προκαλεί την εκτόξευση ηλεκτρονίων. Ετσι δημιουργούνται στο νουκλεϊκό οξύ κατιονικές ρίζες, που φέρουν τα εναπομείναντα θετικά ηλεκτρικά φορτία (electron holes). Οι κατιονικές ρίζες πυροδοτούν μιά σειρά από χημικές αντιδράσεις που τελικά μπορεί να προκαλέσουν κυτταρικό θάνατο και καρκινογόνες μεταλλάξεις. Αυτή η επιζήμια για την υγεία πλευρά, αξιοποιείται στην κατασκευή μικροβιοκτώνων συστημάτων με λαμπτήρες υπεριώδους ακνινοβολίας. Επισης, τα ηλεκτρικά φορτία που παράγονται με αυτόν τον τρόπο παρέχουν την δυνατότητα εφαρμογών σε οπτοηλεκτρονικούς βιοαισθητήρες.

Μεγέθη και μηχανισμοί
Δύο ιδιότητες είναι σημαντικές όσον αφορά τον φωτοϊονισμό. Αφενός μεν, η ενέργεια ιονισμού, που ονομάξεται επίσης δυναμικό ιονισμού (Ionization Potential: IP), δηλαδή η ενέργεια που είναι απαραίτητη για την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από ένα μόριο. Αφετέρου δε, η κβαντική απόδοση φωτοϊονισμού Φ, δηλαδή ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονται προς τον αριθμό των απορροφούμενων φωτονίων. Το Φ εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.

Ο μηχανισμός που διέπει τoν φωτοϊονισμό του DNA εξαρτάται από τον αριθμό των φωτονίων που προκαλούν την εκτίναξη ενός ηλεκτρονίου. Μπορεί να είναι μονοφωτονικός ή πολυφωτονικός. Πολυφωτονικό ιονισμό έχουμε οταν χρησιμοποιούνται ισχυροί παλμοί λέιζερ. Αλλά και ο μηχανισμός του μονοφωτονικού ιονισμού ποικίλλει ανάλογα με την ενέργεια του φωτονίου (υψηλής ή χαμηλής ενέργειας).

Ο μονοφωτονικός ιονισμός του DNA σε υδατικά διαλύματα η κύτταρα μελετάται κυρίως σε σχέση με τις χημικές και βιολογικές βλάβες που προκαλεί. Αντίθετα, ο πολυφωτονικός ιονισμός σε αέρια κατάασταση, συχνά συνδυασμένος με φασματοσκοπία μάζας, χρησιμοποιείται σε σχέση με φασματοσκοπικό χαρακτηρισμό, αναλυτικές, δομικές η και φαρμακολογικές  μεθόδους.

Δυναμικά ιονισμού
Από τα τέλη του 20ου αιώνα, πολυάριθμες θεωρητικές μελέτες, βασισμενες σε διάφορες μεθόδους κβαντικής χημείας, επικεντρώνονται στον υπολογισμό του χαμηλότερου IP των αζοτούχων βάσεων του DNA. Όλες αυτές οι μελέτες συμφωνούν ότι το IP μειώνεται με τη σειρά: θυμίνη, κυτοσίνη, αδενίνη, γουανίνη.

Tα IP προσδιορίζονται πειραματικά με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων. Μια σειρά μετρήσεων όλων των στοιχειωδών συστατικών του DNA καθώς και γονιδιωματικού DNA, συνδιασμένη με θεωρητικούς υπολογισμούς, παρείχαν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον ιονισμό σε υδατικό περιβάλλον. Οι τιμές IP που προσδιορίστηκαν με αυτόν τον τρόπο δειχνουν ότι ο ιονισμός ειναι κάθετος, δηλαδή η εκτόξευση ηλεκτρονίου πραγματοπιείται χωρίς να προηγηθεί γεωμετρική αλλαγή του μοριακού πλαισίου. Αποδείχθηκε επίσης ότι το IP ειναι λίγο πολύ το ιδιο, είτε η βάση είναι απομονωμένη είτε βρισκεται ενταγμένη σε διπλή έλικα.

Μονοφωτονικός ιονισμός
Κβαντικές αποδόσεις φωτοϊονισμού
Οι κβαντικές αποδόσεις φωτοϊονισμού προσδιορίζονται σε υδατικό διάλυμα με τη χρήση φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης λέιζερ. Τα εκτοξευόμενα ηλεκτρόνια ενυδατώνονται  μέσα σε ~10−12 δευτερόλεπτα. Καθώς το φάσμα απορρόφησής τους είναι γνωστό, μπορεί κανεις να υπολογίσει με ακρίβεια το αριθμό τους.

Φωτοϊονισμός υψηλής ενέργειας
Οι πρώτες μελέτες έγιναν την δεκαετία του 1990 χρησιμοποιώντας διέγερση στα 193 nm.  Οι κβαντικές αποδόσεις που προσδιορίστηκαν για τις νουκλεοβάσεις σε αυτό το μήκος κύματος κυμαίνονται από 0,017 σε 0,073. Το Φ που βρέθηκε για γονιδιωματικό DNA είναι γραμμικός συνδυασμός των τιμών κβαντικής απόδοσης των μεμονωμένων νουκλεοβάσεων, και συμφωνεί με τα νεότερα ευρήματα της φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων.
Φωτοϊονισμός χαμηλής ενέργειας
Οι πρώτες μελέτες για φωτοϊονισμό χαμηλής ενέργειας, που λαμβάνει χώρα σε μεγάλα μήκη κύματος (> 230 nm), όπου η ενέργεια των φωτονίων είναι πολύ μικρότερη σε σύγκριση με το χαμηλότερο δυναμικό ιονισμού του DNA, δημοσιεύθηκαν το 2005 and 2006.  Αλλά αυτό το απροσδόκητο φαινόμενο άρχισε να μελετάται συστηματικά μόνο δέκα χρόνια αργότερα. Είναι σημαντικό γιατί αποδείχθηκε οτι ακόμη και οι ακτινοβολίες UVB και UVA μπορούν να προκαλέσουν άμεσες οξειδωτικές βλάβες στο DNA χωρις την παρέμβαση άλλων μορίων.

Σε αντίθεση με τον φωτοϊονισμό υψηλής ενέργειας, ο φωτοϊονισμός χαμηλής ενέργειας εξαρτάται πολύ από τη δευτερογενή δομή του DNA. Πειράματα που έγιναν με ακτινοβολία 266 nm έδειξαν πως τα μονονουκλεοσίδια και τα μονονουκλεοτίδια δεν υφίστανται  φωτοϊονισμό (Φ<0,5x10−4). Οι κβαντικές αποδόσεις που προσδιορίστηκαν για διπλές έλικες είναι (1-2)x10−3, ενώ οι υψηλότερες τιμές Φ, έως 1,4x10−2, αντιστοιχούν σε τετράκλωνα DNA (G-quadruplexes). Η λεπτομερής εξέταση των δομικών παραγόντων που επηρεάζουν τον φωτοϊονισμό χαμηλής ενέργειας, σε συνδυασμό με κβαντικούς υπολογισμούς, δείχνει ότι ο μηχανισμός είναι πολύπλοκος. Μεταξύ άλλων, περιλαμβάνει, ηλεκτρονική διέγερση τον νουκλεοβάσεων και μεταφορά ηλεκρικών φορτίων ανάμεσά τους.

Αναφορές

Περαιτέρω ανάγνωση 
Reviews and Accounts

Book Chapters

Κατηγορία:DNA