Молекулярні механізми впливу повільних електронів на біологічні структури
Анотація
Актуальність. У статті наведено огляд біофізичних досліджень, виконаних науковцями Закарпатського відділення Українського біофізичного товариства, який присвячується світлій пам’яті видатного українського біофізика, професора Юрія Павловича Благого.
Мета роботи – з’ясування особливостей фізичних процесів та структурних змін у молекулах нуклеїнових кислот, ініційованих низькоенергетичними електронами (10-1-102 еВ).
Матеріали і методи. Об’єктами дослідження було обрано молекулярні компоненти нуклеїнових кислот – азотисті основи, нуклеозиди. Застосовано комплекс методів: спектральний метод для вивчення люмінесценції біомолекул, збуджених електронним ударом; електричний метод при визначенні повних перерізів утворення позитивних і негативних іонів; метод газофазної мас-спектрометрії з іонізацією електронним ударом для встановлення продуктів взаємодії повільних електронів з біомолекулами. Більшість експериментів було проведено в умовах пучків електронів та молекул, що перетинаються.
Результати. Досліджено процеси збудження, іонізації та фрагментації молекулярних складових нуклеїнових кислот електронним ударом. Отримано спектри випромінювання біомолекул в області довжин хвиль 200-500 нм для різних енергій налітаючих електронів. Для ідентифікації спектральних смуг детально досліджено відповідні функції збудження, визначено енергетичні пороги процесів, здійснено мас-спектрометричний аналіз з іонізацією біомолекул електронним ударом, проведено квантово-хімічні напівемпіричні розрахунки параметрів їх структури. Встановлено, що складна суперпозиційна природа спектрів відображає одночасне протікання різних фізичних процесів. Зокрема, крім прямого збудження синглетних і триплетних станів молекул основ, наявне дисоціативне збудження та збудження іонізованих біомолекул і їх фрагментів. Аналіз функцій збудження показав наявність інтеркомбінаційних переходів з утворенням триплетних метастабільних станів молекул основ нуклеїнових кислот. Важливо, що процеси появи негативних іонів мають резонансний характер і супроводжуються дисоціацією молекул навіть при енергіях, менших за пороги збудження та іонізації.
Висновки. Досліджено фізичні процеси, ініційовані впливом низькоенергетичного випромінювання у біоорганічних структурах, та їхні біофізичні наслідки. Зокрема, показано, що електрони, змінюючи фізичну структуру нуклеотидних основ, навіть при невеликих енергіях можуть викликати появу точкових мутацій.
Завантаження
Посилання
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I. (1980). Excitation of the nucleic acids bases by low-energy electrons. In Mechanisms of radiation damage and restoration of nucleic acids (p. 51). Pushchino-on-Oka. (in Russian).
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I. (1982). Peculiarities of the excited states formation of nucleic acid base molecules under slow electrons and laser radiation. Abstracts of Papers. I Biophys. Congress. Moscow, August 3-8, 1982. (Vol.4. p.76). (in Russian).
Sukhoviya, M.I. (1974). Dynamics of changes in the secondary luminescence of peripheral blood leukocytes after x-ray irradiation. Radiobiology, 14(3), 441-443. (in Russian).
Sukhoviya, M.I., Kovalchuk, A.V., Trifonov, E.N. (1975). Effect of ionizing electromagnetic radiation on DNA in solution and on white blood cells. Reports of the USSR Academy of Sciences, 225 (3), 1202-1205. (in Russian).
Sukhoviya, M.I., Slavik, V.N., Shafranyosh, I.I., Shimon, L.L. (1991). Peculiarity of the interaction of nucleic acid base molecules with of low energies electrons. Biopolymers and Cell, 7(6), 77-82. (in Ukrainian)
Sukhoviya, M.I., Voshchepinec, E.I., Shafranyosh, I.I., Shimon, L.L. (1996). Excitation and ionization of adenine by electron impact. Biopolymers and Cell, 12(3), 97-100. (in Ukrainian)
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, M.І., Shafranyosh, I.I. (1999). Spectral investigation of the electron-impact excitation of the nucleic acid base molecules. In Spectroscopy of Biological Molecules: New Directions (pp. 281-282). Kluwer Аcademic Publishers (Dordrecht / Boston/ London).
Shafranyosh, I.I., Sukhoviya, M.I. (2007). Excitation of thymine molecules in the gas phase by electron impact. Optics and spectroscopy, 102(4), 553-555. (in Russian).
Shafranyosh, I.I., Stecovich, V.V., Chavarga, M.M., Sukhoviya, M.I. (2012). Excitation of luminescence of uracil molecules by electron impact. Optics and spectroscopy, 112(1), 39-43. (in Russian).
Svyda, Ju.Ju., Shafranyosh, M.I., Sukhoviya, M.I., Chavarga, M.M., Shafranyosh, I.I. (2016). Luminescence of guanine molecules in the gas phase under the electron beam. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (39), 106-110. (in Ukrainian)
Shafranyosh, I.I., Mitropolskij, I.E., Kuzma, V.V., Svyda, Ju.Ju., Sukhoviya, M.I. (2018). Luminescence of uracil on the surface of ceramics under electron excitation. Journal of Applied Spectroscopy, 85(1), 38-43. (in Russian).
Volkova, S.E., Nebesny, F.I., Slavik, V.N., Sukhoviya, M.I., Chavarga, M.M., Shafranyosh, I.I., Shimon, L.L. (1989). Mass spectrometry studies of nucleic acid bases. Abstracts of Papers. Conf. on the application of mass spectrometry in biology and medicine. Kharkov, 1989. (pp.109-110). (in Russian).
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I., Shimon, L.L. (1999). Investigation of the excitation and ionization of nucleic acid bases by electron impact. Bulletin of Kharkiv University, №434, Biophysical bulletin, 3(1), 39-41. (in Russian).
Shafranyosh, I.I., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, M.I. (2006). Absolute cross sections of positive and negative ions production in electron collision with cytosine molecules. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., (39), 4155-4162.
Shafranyosh, I.I., Petrushko I.A., Slavik, V.N., Sukhoviya, M.I. (2000) .Structural changes of nucleic acid bases caused by low-energy electrons. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (6), 259-263. (in Ukrainian)
Sukhoviya, M.I. (2001). Physical processes in biomacromolecules caused by electron impact and their biophysical role. Bulletin of Kharkiv University, №525, Biophysical bulletin, 1(8), 34-36. (in Ukrainian)
Sukhoviya, M.I., Shimon, L.L., Shafranyosh, M.I., Margitych, M.O., Shafranyosh, I.I., (2006). Experimental determination of cross sections formation of the cytosine molecule positive ions and its fragments by slow electrons. Bulletin of Kharkiv University № 716, Biophysical bulletin, 2(16), 19-24. (in Ukrainian)
Sukhoviya, M.I., Medulych, V.V., Shafranyosh, I.I. (2007). Ionization of uracil molecules by electron impact. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (20), 46-49. (in Ukrainian)
Shafranyosh I.I., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, M.I., Shimon L.L. (2008). Formation of positive and negative ions of thymine molecules under the action of slow electrons. Technical Physics, 53(12), 1536-1540.
Shvab, R.L., Shafranyosh, M.I., Stecovich, V.V., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I. (2009). Formation of positive and negative ions of adenine molecules caused by slow electrons. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (25), 195-201. (in Ukrainian)
Shvab, R.L., Mynda, V.V., Stecovich, V.V., Stukalov, O.M., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I. (2010). Experimental and quantum-chemical modeling of formation processes of positive and negative adenine ions by electron impact. Scientific Herald of Cherkasy University. Series Chemistry, (175), 54-57. (in Ukrainian)
Stecovich, V.V., Pavluchok-Gogerchak, O.V., Sukhoviya, M.I., Shvab, R.L., Shafranyosh, I.I. (2010). About radiobiological significance of slow electrons. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Biology, (27), 198-201. (in Ukrainian)
Shafranyosh, I.I. and Sukhoviya, M.I. (2012). Inelastic collisions of the uracil molecules with electrons. J. Chem. Phys., 137(18), 184303-1-184303-6.
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh M.I., Chavarga M.M., Shafranyosh I.I. (2012). Electron impact ionization and excitation of uracil molecules. Ukr. J. Phys., 57(7), 752-760.
Shafranyosh, M.I., Zhygan, A.V., Svyda, Ju.Ju., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I., Minaev, B.F., Baryshnikov, G.V., Minaeva, V.A. (2014). Ionization of guanine molecules in collisions with electrons. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (36), 137-143. (in Ukrainian)
Shafranyosh, I.I., Svyda, Ju.Ju., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, M.I., Minaev, B.F., Baryshnikov, G.V., Minaeva, V.A. (2015). Absolute effective cross sections of ionization of adenine and guanine molecules by electron impact. Technical Physics, 85(10), 16-22. (in Russian)
Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, M.I.,. Margitich, M.O., Shafranyosh, I.I. (2005). Negative ions formation of the cytosine molecule by electron impact. Biopolym. Cell., 21(6), 531-535.
Shafranyosh, M.I., Sukhoviya, M.I., Shimon, L.L., Shafranyosh, I.I. (2005). Absolute cross sections for the electron-impact formation of cytosine anions. Tech. Phys. Let. 31(12), 1071-1073.
Shafranyosh, M.I., Sukhoviya, M.I., Shimon, L.L., Shafranyosh, I.I. (2008). Resonance formation of negative ions of uracil molecules. Scientific Herald of Uzhhorod University. Series Physics, (23), 85-90. (in Ukrainian)
Minaev, B.F., Shafranyosh, M.I., Svyda, Ju.Ju., Sukhoviya, M.I., Shafranyosh, I.I., Minaev, B.F., Baryshnikov, G.V., Minaeva, V.A. (2014). Fragmentation of the adenine and guanine molecules induced by electron collisions. J. Chem. Phys., 140, 175101-1–175101-15.
Aflatooni, K., Scheer, A.M., Burrow, P.D. (2006). Total dissociative electron attachment cross sections for molecular constituents of DNA. J. Chem. Phys., 125, 054301-1 – 054501-5.
Huber, D., Beikircher, S., Denifl, M., Zappa, F., Matejcik, S., Märk, T.D. and Scheier, P. (2006). High resolution dissociative electron attachment to gas phase adenine. J. Chem. Phys. 125, 084304-1 – 084304-7.
Van der Burgt, P.M., Finnegan, S. and Eden, S. (2015). Electron impact fragmentation of adenine: partial ionization cross sections for positive fragments. Eur. Phys. J. D. 69, 173-181.
Цитування
The Watson-Crick rare tautomer hypothesis of mutations and reality
(2020) Biophysical Bulletin
Crossref
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
