Suyun Radyasyon Kimyası

Transkript

1 Suyun Radyasyon Kimyası Radyobiyolojide ve reaktör teknolojisinde kimyasal işlemlerde su ve sulu çözeltilerin önemi nedeniyle suyun radyasyon kimyası deneysel ve teorik çalışmalarda esas konu olmuştur.

2 Suyun Radyolizi H 2 O e -, H 2 O. +, H 2 O* Suda elektronların su molekülleri ile sarılmasına hidrate elektonlar denir. e- + n H 2 O e - aq H 2 O. + çok reaktiftir saniyede bozunur ve H + iyonları ve.oh radikallerini verir. H 2 O. + H + +.OH

3 Eksite su molekülleri H. ve.oh radikalleri veya iyonları oluştururlar. H 2 O * H. +.OH H 2 O * e - + H 2 O. +

4

5

6

7 Primer verimler İyonizasyon olayından sonra 10-7 saniyede tüm spur reaksiyonları tamamlandığında kalan türlerin verimleridir.

8 Düşük LET li radyasyonlarla ışınlanan sudan çıkan primer radikal ve moleküler verimleri üzerinde ph bağımlılığı

9

10

11

12

13

14 Serbest Oksijen Radikallerinin Etkileri Serbest radikaller yaşam için gereklidir. Elektron transferi, enerji üretimi ve pek çok diğer metabolik işlevde temel oluşturur. Ancak zincir reaksiyonu kontrolsüz bir davranış göstermesi durumunda hücrede hasarlara neden olur.

15 Oksijenli serbest radikallerin en önemlileri süperoksit ve hidroksil radikalidir.

16

17 H 2 O * H. +.OH

18

19 Biyolojik sistemlerin tanıdığı en reaktif tür olan. OH, su dahil ortamda rastladığı her biyomolekülle tepkimeye girer. Hidroksil radikalinin başlıca tepkimeleri: Elektron transfer tepkimeleri Hidrojen çıkarma tepkimeleri Katılma tepkimeleri Hidroksil radikali ile oluşan en iyi tanımlanmış biyolojik hasar, lipid peroksidasyonu olarak bilinen serbest radikal zincir reaksiyonudur.

20 Her tür biyolojik molekül. OH ın bir hedefi ise de özellikle elektronca zengin bileşikler tercihli hedeflerdir. (Nükleik asitler, proteinler ve lipidler) DNA ile tepkimesi sonucu baz modifikasyonları, baz delesyonları, zincir kırılmaları gerçekleşebilir. Proteinlerde oksidasyonlar sonucu proteoliz. Hücre zarı lipidlerinin peroksidasyonu zarın yapısını bozar ve geçirgenliğini arttırır. Özellikle. OH yapımını katalizlemelerindeki etkileri nedeniyle, canlılardaki metal iyonları radikal hasarlarından birinci derecede sorumludurlar.

21 Canlıların yaşlanması, radikallerin neden olduğu kalıcı hasarların bir birikimi olarak değerlendirilmektedir. Vücutta üretilen radikaller her zaman tehlikeli kimyasal türler olarak değerlendirilmemelidir. Oksijenin biyokimyasal tepkimelerde kullanılması için reaktif formlarına çevrilmesi zorunludur.

22 H 2 O 2 ve OH radikalinin faydaları Nature de yayınlanan bir çalışmada hidrojen peroksidin immün sistemde rol oynadığı bildirilmiştir. Araştırmacılar zebra balıklarında yaptıkları çalışmada doku zedelememesinden hemen sonra hücreler içerisinde hidrojen peroksidin arttığını bulmuşlar ve hidrojen peroksitlerin beyaz kan hücrelerine sinyal göndererek iyileşme sürecinde rol aldığı şeklinde düşünülmüştür. Hidrojen peroksit biyolojik işlemlerin bir çoğunda bir sinyal molekül olarak önemli bir görev üstlenmektedir.

23 Hidroksil radikali immün sistemin bir yan ürünü olarak sıklıkla üretilebilmektedir. Makrofajlar, bakteri gibi patojenlerle karşılaştıklarında sıklıkla bu radikalleri üretirler. Hidroksil radikali birçok makromolekülü (karbonhidrat, nükleik asit, lipidler ve proteinler) hasara uğratabilir. Çok kısa bir yarı ömre (10 9 sn) sahip olup bundan dolayı oldukça reaktif bir radikaldir. Bu durumun hidroksil radikalinin organizmaların yapısında oldukça tehlike oluşturduğunu belirtmektedir. Süperoksitlerin, süperoksit dismütaz ile detoksifikasyonununa karşın, hidroksil radikali herhangi bir enzimatik reaksiyonla detoksifiye edilememektedir.

24 Hidroksil radikalin sıklıkla atmosferdeki kirleticilerin temizlenmesinde rol aldığı vurgulanmıştır çünkü birçok kirletici ile reaksiyona girerek ilk adımda onların elemine edilmesini sağlar. Aynı zamanda metan ve ozon gibi bazı sera gazlarının eleminasyonunda da işlev görmektedir. Organizmalar radyasyona maruz kaldığında hücredeki DNA hasarının %60-70 i hidroksil radikali nedeniyle meydana gelir.

25

26

27 Biyopolimerlerin Radyasyon Kimyası

28 Radyasyonun karbonhidratlara Etkisi Sulu solusyonlarda önce suyun radyolizi ile radikaller ve ürünleri oluşur. H 2 O e - aq,.oh H 3 O + H 2 O 2 H 2 D-Glukoz ile birçok çalışma yapılmıştır.

29 Radyasyonun karbonhidratlar üzerine en yaygın etkisi H atomunun çıkarılmasıdır. D-Glukoz örneği için oluşan organik radikaller şunlardır.

30 Radyasyonun karbonhidratlar üzerine en yaygın etkisi H atomunun çıkarılmasıdır. D-Glukoz örneği için oluşan organik radikaller şunlardır.

31 Oksijen bulunmayan su bulunan koşullarda D-Glukozdan oluşan radikal, H atomunun çıkarılmasıyla glukonik asit ve glukoson oluşur. Suda D-Glukoz 3 çeşit organik radikal glukonik asit veya glukoson H çekilir H 2 O eklenir H çekilir

32 Polisakkaritlere Radyasyonun Etkisi Karbonil ve asit gruplara ayrılır. Ayrıca C-C bağlarında kırılmalar olur. Radyasyon etkisiyle polisakkaritlerin sulu çözeltilerinde vizkozite azalır. Susuz durumlarda çözünürlükte artışa yol açar. Polisakkaritlerde radyasyon etkisinin birkaç örneği: Kağıtta kolay yırtılma, Selüloz fibriller ve plastiklerde mukavemet azalması, Sebzelerde pektinin bozulmasıyla yumuşama.

33 Serbest radikallerin lipidlere etkileri Lipidler serbest radikallerin etkilerine karşı en hassas olan biyomoleküllerdir. Hücre membranlarındaki kolesterol ve yağ asitlerinin doymamış bağları, serbest radikallerle kolayca reaksiyona girerek peroksidasyon ürünleri oluştururlar. Lipid peroksidasyonu kendi kendini devam ettiren zincir reaksiyonu şeklinde ilerler ve oldukça zararlıdır.

34 Hücre membranlarında lipid serbest radikalleri (L ) ve lipid peroksit radikallerinin (LOO ) oluşması, reaktif oksijen türlerinin (ROS) neden olduğu hücre hasarının önemli bir özelliği olarak kabul edilir. Serbest radikallerin sebep olduğu lipid peroksidasyonuna "nonenzimatik lipid peroksidasyonu" denir.

35 Lipid radikali (L ) dayanıksız bir bileşiktir ve bir dizi değişikliğe uğrar. Lipid radikallerinin (L ) moleküler oksijenle (O 2 ) etkileşmesi sonucu lipid peroksit radikalleri (LOO ) oluşur. Lipid peroksit radikalleri (LOO ), membran yapısındaki diğer poliansatüre yağ asitlerini etkileyerek yeni lipid radikallerinin (L ) oluşumuna yol açarlar. Kendileri de açığa çıkan hidrojen atomlarını alarak lipid peroksitlerine (LOOH) dönüşürler ve böylece olay kendi kendini katalizleyerek devam eder.

36 Serbest radikallerin proteinlere etkileri Proteinler serbest radikallere karşı yağ asitlerinden daha az hassastır. Proteinlerin serbest radikal hasarından etkilenme derecesi amino asit kompozisyonlarına bağlıdır. Doymamış bağ ve kükürt içeren triptofan, tirozin, fenilalanin, histidin, metiyonin, sistein gibi amino asitlere sahip proteinler serbest radikallerden kolaylıkla etkilenirler.

37 triptofan

38 Glisin Asetik asit İmino asit

39 İmino asit İmino asit

40 Glisin C2H5NO2

41 Sülfür İçeren Moleküllerin Radyasyon Kimyası Tiyol (-RSH), Sülfidril (-SH) ve Disülfitler (-SS) -SH ve -SS- grupları radyasyona çok hassastır. Organik sülfür bileşikleri radyobiyolojide koruyucu fonksiyonu olan maddelerdir. C-H bağlarına kıyasla S-H bağları daha zayıftır. Bu zayıf bağ serbest radikallerin tiyollerden hidrojen çıkarmasına yol açar. R. + RSH RH + RS. Radikal tiyol organik radikal Reaksiyonunda H tiyole girer ve organik bileşik onarılmış olur. Bu reaksiyon sülfitli bileşiklerin organik maddelerin radikallerini onararak koruyucu etki göstermesidir. Örneğin bir tiyol olan sisteamin ve DNA nın karışımı ışınlandığında oluşan DNA radikalleri sisteaminden H atomunu çıkartır ve kendisi onarılmış olur. Sisteaminden ise organik RS radikaline dönüşür. Oluşan organik RS radikalinin oluşturacağı biyolojik hasar DNA daki biyolojik hasara oranla daha az olacaktır ve bu koruyucu bir etkidir.

42 S-H a sülfidril grubu denir. Tiyol ise R grubu ile sülfidrilin bileşiminden oluşur. Bazı tiyol örnekleri Koenzim A Glutatyon Sistein Radyokoruyucular (radioprotectors) Çoğunlukla içerdiği sülfidril grubu ile radyasyona karşı koruyucu etki yapan biyolojik zararı azaltan organik maddelerdir.

43 Serbest radikallerin nükleik asitlere ve DNA'ya etkileri İyonize edici radyasyonla oluşan serbest radikaller DNA'yı etkileyerek hücrede mutasyona ve ölüme yol açarlar. Hidroksil radikali (OH ) deoksiriboz ve bazlarla kolayca reaksiyona girer ve değişikliklere yol açar. Hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) membranlardan kolayca geçerek ve hücre çekirdeğine ulaşarak DNA hasarına, hücre disfonksiyonuna ve hatta hücre ölümüne yol açabilir.

44 Nükleik asitler üzerine radyasyonun etkisi Radyasyonun sulu çözeltilerdeki indirekt etkisi göze alındığında hidrate elektronların (e - aq) nükleik asitlerin nükleotidlerinde bazlarla reaksiyona girdiği buna karşılık fosfat ve deoksiribozla fazla reaksiyona girmediği bulunmuştur. Hidrojen radikali bazlarla reaksiyona girer ve bazlara katılma reaksiyonu yapar. Hidroksil radikali (OH.) karbonhidratlardan daha fazla pürin ve pirimidin bazlarıyla reaksiyona girer. DNA nın sulu çözeltileri ışınlandığı zaman OH. radikallerinin %20-25 i karbonhidratlarla geri kalanı bazlarla reaksiyona girer. Yani başlıca reaksiyon polinüklotidlerin baz kısmında gerçekleşir.

45 Pirimidinler purinlere oranla radyasyona karşı daha hassastır. Timin ise en hassas bazdır.

46

47 Kromatin izole edilip radyasyona maruz bırakıldığında DNA zincirinin ışınlanmasına benzer etkiler yapar. Fakat radyasyonun DNA daki etkisi kromatinden daha azdır.

48 Süperoksit Dismütaz (SOD) SOD, süperoksit anyon radikali (O2 ) nin, daha az reaktif olan H2O2 e indirgenmesini katalize eder. Bir radikal üzerine direkt olarak hareket eden tek enzimdir. Hidrojen iyonu kullanır ve oksijen üretir. Toksik ve reaktif olan O2 ni temizleyerek hücreleri korur.

49 Katalaz H 2 O 2 i suya ve oksijene dönüştürerek temizleyen bir diğer enzim katalazdır. En yüksek oranda karaciğer ve eritrositlerin peroksizomlarında lokalize olmuştur.

50 Serbest radikal, yararları ve zararları Serbest radikallerin büyük hücresel hasar, mutasyon, kanser ve biyolojik yaşlanmadan sorumlu olabileceği ifade edilmiştir. Canlılardaki serbest radikaller McCord ve Fridovich (1969) tarafından süperoksit dismutaz enziminin (SOD) keşfinden sonra önem kazanmış ve sonuç olarak serbest radikallerin biyolojide önemli olduğu anlaşılmıştır. Birçok araştırıcı radikallerin hücredeki DNA, protein, lipid ve diğer biyomoleküller ile etkileşmeleri sonucu ortaya çıkabilen oksidatif hasarlar üzerinde çalışmıştır.

51 Serbest radikaller veya bunların türevlerinin sorumlu olduğu önemli fizyolojik işlevler damar tonusun düzenlenmesi, oksijen basıncının algılanması ve oksijen konsantrasyonu tarafından kontrol edilen fizyolojik işlevlerin düzenlenmesi, lenfositlerin antijen reseptörlerinin de dâhil olduğu çeşitli zar reseptörlerinden sinyal iletiminin sağlanması ve redoks homeostazisinin sağlanması ve devam ettirilmesi