Strålingsinduserte radikaler i enkrystaller av L-arginin monofosfat monohydrat ved 295 K og 77 K : En modell for studier av ladningstransport i DNA-proteinkomplekser ved Elektron Magnetisk Resonans spektroskopi og DFT beregninger

Abstract

I celler pakkes DNA-molekylet tett sammen rundt flere ulike proteiner, de såkalte histonene. Det er av interesse å kartlegge hvorledes denne nære kontakten mellom DNA og proteiner påvirker strålingsresponsen til DNA. DNA holdes på plass rundt histonene blant annet ved hjelp av hydrogenbindinger mellom fosfatgruppa i DNA-tråden og sidekjeden til aminosyra L-arginin. Enkrystaller av L-arginin monofosfat monohydrat (LAP) er i så henseende et interessant modellsystem idet dette er et velordnet system som består av hydrogenbundne komplekser av L-arginin, en fosfatgruppe og vann. Enkrystaller av LAP ble bestrålt med røntgenstråling og undersøkt ved elektron paramagnetisk resonans spektroskopi (EPR), samt ved avledede teknikker (ENDOR, EIE). Det ble foreslått modeller for de observerte radikalene. Disse modellene ble videre undersøkt ved hjelp av DFT-beregninger (Density Functional Theory) som ble sammenlignet med eksperimentelle data. Ved romtemperaturbestråling ble det observert fem radikaler. To av disse ble identifisert som fosfatradikaler (RI og RII), dannet ved brudd i P – OH bindinger. Av de tre radikalene assosiert til L-arginin ble to identifisert. Det ene ble knyttet til en deaminering (RIII) og det andre til en netto hydrogenabstraksjon i sidekjeden til L-arginin (RIV). I studier av LAP-krystaller bestrålt og observert ved 77 K ble det funnet minst fem radikaler. Ett av disse (LII) ble identifisert som et radikal dannet ved en dekarboksylering av karboksylgruppa i L-arginin. Ved oppvarming av 77 K-bestrålte krystaller til 240 K forsvant resonanslinjene til LII. Det ble foreslått at dekarboksyleringsradikalet ledet til et radikal, analogt til RIV, dannet ved en netto hydrogenabstraksjon i sidekjeden. Lavtemperaturradikalet som LIII representerer ble antatt å ha den samme radikalstrukturen som RIV som også er dannet ved en netto hydrogenabstraksjon i L-arginins sidekjede. For LIII er det imidlertid foreslått at prosessen er en direkte dehydrogenering. Radikal LI, som gav opphav til de klart mest intense resonanslinjene i EPR-spektrene, så fra oppvarmingseksperimentene ut til å være opphavsradikalet til RIII. Det ble i analysen antatt at LI var et karboksylanion, men dette har ikke latt seg stadfeste med sikkerhet. For de to andre radikalene (LIV og LV) som ble observert i 77 K-bestrålte LAP-krystaller kunne det ikke etableres radikalmodeller da det bare fantes svært begrensede eksperimentelle data for LIV og LV. Fosfatradikaler ble ikke observert ved lavtemperaturbestråling, men disse fremkom ved oppvarming. Det ble antatt at opphavsradikalet til fosfatradikalene RI og RII er et (foreløpig ukjent) radikal assosiert til L-arginin som gjennom en sekundær radikalreaksjon avspalter et hydrogenatom. Dette synes så å angripe fosfatgruppen på to ulike posisjoner, noe som leder til en avspaltning av vann og de to fosfatradikalene RI og RII.