Водородные связи защищают биомолекулы от УФ

Химики из Германии и Великобритании обнаружили, что водородные связи в молекулярной системе затрудняют разрыв химических связей под действием ультрафиолета. Это явление может играть важную роль и в биологических системах, например, защищать белки и нуклеиновые кислоты от действия солнечного излучения.

Известно, что поглощая ультрафиолетовое излучение, молекулы вещества переходят в возбужденное состояние. При этом полученная избыточная энергия может расходоваться на разрыв химической связи (фотодиссоциация) либо на реорганизацию химических связей в молекуле (фотоизомеризация), либо на химическую реакцию с другой, невозбужденной молекулой.

Если такие процессы происходят в живой клетке с ее компонентами, то это может приводить к неблагоприятным последствиям. Классический пример – димеризация тимина в ДНК клетки под действием ультрафиолета, когда два остатка тимина «склеиваются» между собой, что ведет к ошибкам в хранении и передаче генетической информации, искажая структуру молекулы ДНК. Именно для исправления подобных ошибок служат системы внутриклеточной репарации повреждений – сложные механизмы, включающие слаженную работу многих ферментов. Ранее было известно, что характер фотохимических реакций может меняться при наличии водородных связей в системе, так как эти связи влияют на протекание первой стадии фотохимической реакции – перенос атома водорода от возбужденной молекулы к невозбужденным соседям.

Авторы новой работы, сравнивая фотодиссоциацию в системах с водородными связями и без них, пришли к выводу, что водородные связи стабилизируют систему и защищают ее от фотоповреждений.

Авторы изучали поведение молекул аммиака при облучении ультрафиолетом с длиной волны 200 нанометров, сравнивая изменения в электронной структуре изолированных молекул аммиака с изменениями в парах молекул, связанных между собой водородной связью (димеров). Схема превращений (a->b->c->e), не приводящих к диссоциации аммиака в димере, в отличие от диссоциации в изолированных молекулах D. A. Horke et al. / PRL, 2016. Было показано, что изолированная молекула аммиака после возбуждения лазером теряла один из атомов водорода, в то время как димеры, связанные водородной связью, не изменяли химического строения. По данным ученых, после возбуждения одной из молекул ее протон перемещался по водородной связи, как по каналу, к соседней молекуле – происходила стабилизация. Этот процесс обратим, и в некоторый момент в системе происходит перенос заряда, после чего она возвращается в исходное невозбужденное состояние.

Авторы предполагают, что такой же механизм защиты от фотодиссоциации может существовать и в биомолекулах. Так, аналогичные водородные связи между аминогруппой (R–NH2) и другими атомами азота возникают в парах азотистых оснований, входящих в состав РНК и ДНК.

Источники:
D. A. Horke, H. M. Watts, A. D. Smith, E. Jager, E. Springate, O. Alexander, C. Cacho, R. T. Chapman, and R. S. Minns, Hydrogen Bonds in Excited State Proton Transfer, Phys. Rev.
Lett. 117, 163 002 – Published 11 October 2016

Добавить комментарий