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fotoionización del ADN

La fotoionización del ADN es el fenómeno según el cual la radiación ultravioleta absorbida directamente por un sistema de ADN (mononucleótido, cadena simple o doble, G-cuadruple...

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La fotoionización del ADN es el fenómeno según el cual la radiación ultravioleta absorbida directamente por un sistema de ADN (mononucleótido, cadena simple o doble, G-cuadruplex…) induce la eyección de electrones, dejando huecos de electrones en el ácido nucleico .

La pérdida de un electrón da lugar a un catión radical en el ADN. Los cationes radicales son precursores del daño oxidativo , [ 1 ] [ 2 ] que finalmente conduce a mutaciones carcinogénicas y muerte celular. Este aspecto, perjudicial para la salud, se aprovecha en los equipos germicidas que utilizan lámparas UVC lejanas . [ 3 ] Las cargas eléctricas fotogeneradas en el ADN podrían tener aplicaciones potenciales en dispositivos optoelectrónicos . [ 4 ]

Dos propiedades son cruciales en lo que respecta a la fotoionización. Por un lado, la energía de ionización (también llamada potencial de ionización, PI) se refiere a la energía necesaria para extraer un electrón de una molécula; el PI más bajo, que corresponde a la eyección del primer electrón, es el factor biológicamente más relevante. Por otro lado, el rendimiento cuántico de fotoionización Φ, es decir, el número de electrones eyectados dividido por el número de fotones absorbidos; Φ depende de la longitud de onda de la irradiación.

El mecanismo subyacente a la ionización del ADN depende del número de fotones que provocan la eyección de un electrón (monofotónica o multifotónica, inducida por pulsos láser intensos). Y, en el caso del proceso monofotónico, difiere según la energía del fotón (alta o baja energía). Mientras que la ionización monofotónica y bifotónica en fase condensada (soluciones acuosas, células…) se estudia principalmente en relación con el daño oxidativo inducido por UV, la ionización multifotónica en fase gaseosa, a menudo acoplada a la espectrometría de masas, se utiliza en diversas técnicas para obtener información espectroscópica, [ 5 ] analítica, [ 6 ] estructural [ 7 ] o terapéutica [ 8 ] más amplia .

Potenciales de ionización

Desde finales del siglo XX, numerosos estudios teóricos, realizados utilizando diversos tipos de métodos de química cuántica , se centran en el cálculo del IP más bajo de las nucleobases. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Se está dedicando un esfuerzo particular a evaluar los efectos ambientales, como la presencia de moléculas de agua, [ 12 ] [ 13 ] el apareamiento de bases, [ 14 ] el apilamiento de bases [ 15 ] o la secuencia de bases. [ 16 ] Todos estos estudios coinciden en que el IP disminuye en el orden: timina, citosina , adenina , guanina.

Experimentalmente, los IP se determinan mediante espectroscopia de fotoelectrones. [ 17 ] [ 18 ] Una serie de mediciones sistemáticas de todos los componentes elementales del ADN, así como del ADN genómico en chorros líquidos, asociadas con cálculos, proporcionaron información importante sobre la ionización en medios acuosos. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Los valores de IP medidos para nucleósidos/nucleótidos (8,1, 8,1, 7,6 y 7,3 eV para timidina monofosfato , citosina, adenosina y guanosina , respectivamente) coinciden con los calculados para la ionización vertical. Esta última corresponde a la eyección de electrones sin reordenamiento geométrico previo del marco molecular. Lo más importante es que se evidenció que el apareamiento de bases y el apilamiento de bases no tienen ningún efecto significativo.

ionización de un fotón

Rendimientos cuánticos de fotoionización

Los rendimientos cuánticos de fotoionización se determinan para el ADN en solución acuosa mediante espectroscopia de absorción transitoria utilizando pulsos láser de nanosegundos como fuente de excitación . Los electrones eyectados son solvatados por las moléculas de agua ( hidratados ) en la escala de tiempo de subpicosegundos. [ 23 ] [ 24 ] Como el espectro de absorción de los electrones hidratados, con un pico a 720 nm, es bien conocido, [ 25 ] pueden caracterizarse de forma cuantitativa. 

Fotoionización de alta energía

Los primeros experimentos se reportaron en la década de 1990 utilizando excitación a 193  nm. [ 26 ] Los rendimientos cuánticos determinados para las nucleobases a esta longitud de onda ascienden a unos pocos por ciento. El Φ encontrado para el ADN genómico es la combinación lineal de los valores de rendimiento cuántico de las nucleobases individuales, [ 27 ] [ 28 ] en concordancia con los hallazgos de la espectroscopia de fotoelectrones. [ 29 ]

Fotoionización de baja energía

Los primeros estudios sobre fotoionización de baja energía, que ocurre en longitudes de onda para las cuales la energía del fotón es significativamente menor en comparación con el potencial de ionización más bajo del ADN, se publicaron en 2005 (G-cuádruplexes a 308  nm) [ 30 ] y 2006 (cadenas simples y dobles a 266  nm). [ 31 ] Pero este fenómeno inesperado comenzó a estudiarse de manera sistemática solo diez años después. Para ello, se establecieron protocolos específicos con respecto a la pureza de los ácidos nucleicos y los componentes de la solución acuosa, así como la intensidad de los pulsos láser de excitación.

Ilustración sobre la fotoionización de baja energía. La fotoeyección de electrones (en forma de sombrero) es más eficiente en los G-cuadruplexos que en los dúplexos. (Proyecto europeo e-knownet. [ 32 ] )

A diferencia de la fotoionización de alta energía, la de baja energía depende fuertemente de la estructura secundaria del ADN. No se observa para mononucleósidos, mononucleótidos o cadenas simples puramente apiladas (Φ < 0,5 × 10 −4 ). Los rendimientos cuánticos determinados para dúplex se encuentran en el rango de (1-2) × 10 −3 mientras que los valores de Φ más altos, hasta 1,4 × 10 −2 , se han detectado para G-cuadruplexes . [ 33 ] [ 34 ] El rendimiento cuántico de fotoionización determinado para el ADN genómico es similar al reportado para la formación de fotoproductos de bipirimidina. [ 35 ]

El examen detallado de los factores estructurales que afectan la fotoionización de baja energía, combinado con cálculos de química cuántica, indica que ocurre a través de un mecanismo complejo. [ 36 ] Este último involucra estados de transferencia de carga excitados, en los que una carga atómica se transfiere de una nucleobase a una vecina; se sabe que dichos estados se pueblan durante la relajación electrónica posterior a la absorción de fotones. [ 37 ] Posteriormente, una pequeña población de estos estados experimenta una separación de carga. [ 38 ] Y, finalmente, el electrón es expulsado de la nucleobase que porta la carga negativa, porque su potencial de ionización es menor en comparación con el de las nucleobases neutras. [ 39 ]

Ionización de dos fotones

La fotoionización de dos fotones es provocada por pulsos láser intensos de corta duración. En este caso, un primer fotón absorbido por el ADN da lugar a un estado electrónico excitado . Durante su vida útil, este último puede absorber un segundo fotón. El electrón es entonces expulsado de este estado excitado y no del estado fundamental , como ocurre en la ionización de un fotón. Este modo de ionización comenzó a utilizarse ya en la década de 1980 para caracterizar químicamente las lesiones finales del ADN (roturas de cadena simple y doble, 8-oxo-7,8-dihidroguanina, etc.), derivadas de este proceso. [ 40 ] Normalmente, se han empleado láseres que emiten a 248 o 266  nm en combinación con métodos analíticos o bioquímicos. Dichas mediciones se realizan tanto en soluciones de ADN como en células. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

La necesidad de correlacionar las lesiones observadas con los electrones eyectados condujo a los primeros estudios de absorción resueltos en el tiempo sobre el proceso desencadenado por la absorción de radiación UV directamente por el ADN. Así, se descubrieron firmas de los radicales de las nucleobases tanto en el dominio espectral UV-visible como en el infrarrojo. [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]

Referencias

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Lecturas adicionales

Reseñas y testimonios

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  • Balanikas, E. (2021). "Radicales de guanina inducidos en el ADN por fotoionización de baja energía" (PDF) . Acc. Chem. Res . 53 (8): 1511– 1519. doi : 10.1021/acs.accounts.0c00245 . PMID 32786340 . 
  • Martínez Fernández, Lara; Santoro, Fabrizio; Improta, Roberto (2022). "Los ácidos nucleicos como campo de juego para el estudio computacional de la fotofísica y la fotoquímica de ensamblajes multicromóforos" . Accounts of Chemical Research . 55 (15): 2077–2087 . doi : 10.1021/acs.accounts.2c00256 . PMID 35833758 . 
  • Görlitz, M. (2024). "Evaluación de la seguridad de las nuevas tecnologías germicidas de UVC lejano". Photochem. Photobiol . 100 (3): 501– 520. doi : 10.1111/php.13866 . PMID 37929787 . 

Capítulos de libros

  • Schwell, Martin; Hochlaf, Majdi (2014). "Espectroscopia de fotoionización de nucleobases y análogos en fase gaseosa utilizando radiación sincrotrón como fuente de luz de excitación" . Fenómenos fotoinducidos en ácidos nucleicos I. Temas de química actual. Vol.  355. pp. 155–208 . doi : 10.1007/128_2014_550 . ISBN  978-3-319-13370-6. PMID 25238717 . 
  • Balanikas, E.; Markovitsi, D. (2021). "Fotoionización del ADN: de altas a bajas energías" (PDF) . En Daño fotográfico del ADN: de la absorción de luz a las respuestas celulares y el cáncer de piel . Serie integral en ciencia fotoquímica y fotobiológica. Vol.  21. pp. 29–50 . doi : 10.1039/9781839165580 . ISBN  978-1-83916-196-4.
  • Martínez Fernández, Lara; Improta, Roberto (2024). «Estudios computacionales sobre procesos de transferencia de carga fotoinducida en ácidos nucleicos: de dímeros de Watson-Crick a hélices cuádruples» . Fotofísica y fotoquímica de ácidos nucleicos . Ácidos nucleicos y biología molecular. Vol.  36. pp. 29–50 . doi : 10.1007/978-3-031-68807-2_2 . ISBN  978-3-031-68806-5.