décembre 4, 2022

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Vers un mécanisme de dissociation des liaisons induite par les rayonnements ionisants dans l’oxygène, l’eau et la fragmentation de la guanine et de l’ADN: une simulation de la théorie fonctionnelle de la densité.

Notre modèle de squelette d’ADN est similaire au résidu de désoxyribose utilisé dans d’autres Ab – initio Des calculs comme Ref.33 Où le système d’intérêt consiste en un noyau d’ADN qui a été modelé par un groupe amino attaché à un désoxyribose, comme indiqué sur les Fig. 2a – c. Le cycle sucre désoxyribose est un composant important des nucléotides et joue un rôle dans la stabilisation de la structure en double hélice de l’ADN. Tout endommagement de l’anneau de sucre provoque la rupture des fils et la formation d’une rupture de fil unique (SSB). La formation d’une paire de SSB dans des brins opposés, dans les dix paires de bases, entraîne une fracture simple à double brin (DSB).

Notre modèle de squelette d’ADN est similaire aux résidus de désoxyribose utilisés dans d’autres calculs tels que les refs.12,33 Dans lequel le système d’intérêt consiste en un noyau d’ADN modifié par un groupe amino attaché à un désoxyribose en présence d’un radical OH- comme le montre la figure 4 dans la réf.1 2. Dans les modèles à gros grains, tels que QM-MM, il est possible d’ajouter toute la structure de la guanine (ou de toute autre base) à l’anneau de sucre et d’étendre le fragment d’ADN en une molécule plus grande, en manipulant une partie dans le QM et une autre. au moyen d’un champ de force de mécanique moléculaire (MM) classique, voir par exemple réf.14.

Pour étudier l’effet des rayonnements ionisants sur les particules, nous avons systématiquement effectué un calcul DFT des particules dans différents états de charge. Pour un représentant à base d’ADN, nous considérons la guanine en plus des molécules d’oxygène et d’eau dans nos simulations.

L’effet de l’extraction d’électrons sur la molécule d’oxygène

Les espèces d’oxygène sont connues pour jouer un rôle important dans les cellules cancéreuses et normales sous rayonnement. Les cellules cancéreuses ont généralement moins d’oxygène dans un environnement complexe appelé hypoxie, elles sont donc plus résistantes aux radiations que les tissus normaux.

Pour le rayonnement à faible transport linéaire (LET), les cellules irradiées dans des conditions toxiques conservent environ 2,9 fois plus d’espaceurs appariés (DSB) que les cellules irradiées dans des conditions hypoxiques. Cela indique qu’une diminution significative de la concentration en oxygène a un effet plus important par rapport à la concentration normale en oxygène dans la cellule34.

Il a également été suggéré que l’appauvrissement en oxygène entraîne une réduction de la toxicité tissulaire normale aux débits de dose FLASH qui se produisent dans les femto à nanosecondes de rayonnement, car les dommages biomoléculaires sont réduits dans un environnement avec des niveaux d’oxygène vix.16. De plus, il existe des transitions spécifiques dans l’oxygène qui rendent l’oxygène moléculaire toxique, comme l’oxygène unique. Ainsi, il est important de comprendre la stabilité de la molécule d’oxygène car elle joue un rôle crucial dans ce que l’on appelle l’effet d’appauvrissement en oxygène et si l’environnement de rayonnement induit par la charge facilite la dissociation de la molécule d’oxygène.

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Tout d’abord, l’oxygène (O\(_{2}\)) la molécule a été optimisée et la distance de liaison et l’énergie d’équilibre ont été obtenues. La longueur de la liaison OO s’est avérée être de 1,233 Å, ce qui est cohérent avec les valeurs de calcul expérimentales et précédemment rapportées. Pas moi\(_{2}\) molécule, nous notons que l’extraction progressive des électrons montre initialement une légère contraction de la longueur de la liaison, puis se dilate lorsqu’un grand nombre d’électrons sont éliminés (voir Fig. 3). La variation de la longueur de la liaison en fonction de l’état de charge de la molécule d’oxygène est présentée dans le tableau 1. L’élimination des électrons affaiblit la force de la liaison et donc l’énergie de dissociation de la liaison diminue. Dans une molécule d’oxygène pur, l’énergie de dissociation des liaisons est plus forte du fait de la formation de doubles liaisons (119 kcal/mol soit 5,15 V/liaison).

La figure 3 montre la longueur de la liaison en fonction de l’état de charge (q). L’étiquette de l’axe des x 1 indique l’état de charge +1 avec un électron retiré, ce qui entraîne une charge positive dans la molécule. Nous avons remarqué qu’avec q = +4 (4 électrons retirés), cela montre une dissociation des liaisons. La distance (d = 7,5 Å) est due à la taille de boîte choisie de 15 Å, ce qui indique qu’ils sont isolés les uns des autres.

figure 3

L’effet de l’élimination d’un électron dans une molécule d’oxygène. Les points représentent une liaison O – O et la distance relative de la liaison est indiquée par les atomes O.

Tableau 1 Effet de l’élimination des électrons sur la longueur de liaison (d) de O\(_{2}\) bateau.

Effet de l’extraction d’électrons sur les molécules d’eau

molécules d’eau (H\(_{2}\)O) est omniprésent et joue un rôle important dans les processus vitaux, et est stabilisé en tant que molécule triatomique avec C2v La symétrie moléculaire et l’angle de liaison est de 104,5\(^{\circ}\) entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. La longueur de liaison H – O est proche de la longueur de liaison (O – H) de 0,9572 Å et de l’angle de liaison (H – O – H) de 104,5 \(^{\circ}\). Nos données calculées sont en bon accord avec les rapports expérimentaux, comme le montre le tableau 2. Nous avons observé que lorsque des électrons sont extraits d’une molécule d’eau, les longueurs de liaison (H – OH) et l’angle de liaison (H – O – H) changent de manière significative comme montré dans les Fig. 4 et 5. Notez que ces calculs ont été effectués dans le vide. Le chemin de dissociation d’une molécule d’eau, entourée d’autres molécules d’eau, sera significativement différent car en milieu aqueux la formation de radicaux OH est plus probable. Dans la figure 3, aucun de ces scénarios ne correspond à la formation d’un radical OH, simplement à cause de la symétrie géométrique d’un seul H.\(_2\)O molécule et l’état limite périodique utilisé dans le calcul DFT.

Tableau 2 Effet de l’élimination des électrons sur la longueur de la liaison H.\(_{2}\)O molécule.

La dissociation de la liaison HO – H dans une molécule d’eau prend 118,8 kcal/mol (497,1 kJ/mol) lorsqu’aucune charge n’est impliquée. L’énergie de liaison des liaisons O – H d’une molécule d’eau est d’environ 110,3 kcal/mol (461,5 kJ/mol)35. Dans le cas d’un environnement ionisant, ces valeurs seront réduites et, par conséquent, la réduction conduit à une fragmentation facile des liaisons, comme le montre la figure 4. La figure 5 montre comment la longueur et les angles des liaisons changent avec l’augmentation de l’élimination des électrons d’un composé aqueux.

Figure 4
Figure 4

L’effet d’enlever un électron dans une molécule d’eau.

Pour un environnement hautement ionisant, les angles de liaison s’écartent d’anguleux à planaires avant que les liaisons ne soient rompues, comme indiqué pour le cas de charge (q = 2). Cela indique que l’extraction des deux électrons par molécule d’eau est (3.20435324 \(\fois 10^{-19}\) coulombs par molécule) sont suffisants pour entraîner la fragmentation en ions.

Figure 5
Figure 5

L’effet d’enlever un électron dans une molécule d’eau. Les points représentent les angles de liaison H – O – H.

Effet de l’extraction d’électrons sur la guanine et sur un fragment d’une molécule d’ADN

Dans cette sous-section, nous présentons l’effet de l’extraction d’électrons sur la guanine et une partie de la molécule d’ADN. La guanine, comme le montre la figure 6, est l’une des quatre principales nucléobases de l’ADN. (2-amino-1,9-dihydro-6H-purin-6-one : IUPAC) consiste en un système cyclique pyrimidine-imidazole condensé avec des doubles liaisons conjuguées et a une structure moléculaire plane. Pour éviter l’interaction parasite due à la condition aux limites périodiques (PBC) dans le calcul DFT, un grand carré simulé a été adopté pour chaque molécule. Parce que ces molécules ont des liaisons multiples, au lieu d’observer la longueur d’une seule liaison, nous observons la somme des déplacements atomiques par rapport aux configurations élémentaires. La fragmentation progressive de la molécule de guanine est observée comme illustré à la Fig. 7. La somme correspondante des états de déplacement des atomes en fonction des états de charge est illustrée à la Fig. 8. Nous avons observé que lorsque l’état de charge est 4e, le La double liaison C-C est rompue, ce qui entraînera une instabilité structurelle.

Figure 6
Figure 6

L’effet de l’élimination d’un électron dans une molécule de guanine.

Figure 7
Figure 7

Déplacement total des atomes en fonction de la charge (q) dans la guanine. La somme du déplacement en Å et de la charge en termes de nombre d’électrons supprimés.

Figure 8
Figure 8

L’effet d’enlever un électron dans un segment d’une molécule d’ADN.

De même, lorsque des électrons sont extraits d’un segment d’ADN comme le montre la figure 8, les liaisons commencent à changer et à se séparer lorsque le changement est suffisant, tel que q = 4e. Finalement, la molécule commence à se décomposer en fragments plus petits dans un environnement d’ionisation suffisamment élevé. Cela indique que ces particules sont susceptibles de se dégrader lorsqu’elles sont exposées à un environnement de rayonnement ionisant.

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Les rayonnements ionisants peuvent extraire des électrons de ces molécules, ce qui donne des ions pouvant entraîner une dissociation des liaisons. Nos résultats indiquent que le rayonnement affecte directement la structure atomique de l’ADN en provoquant une fragmentation. De plus, il peut y avoir des effets secondaires tels que la création d’espèces réactives de l’oxygène qui oxydent les protéines et les lipides, causent des dommages à l’ADN et, finalement, l’effet global peut provoquer la mort cellulaire et une catastrophe mitotique.36.

Figure 9
Figure 9

L’effet de la déshydrogénation dans la molécule de guanine. Notation — 1H1 dénote H retiré de la première configuration, 1H5 dénote 1H retiré qui est la cinquième configuration. De même, atome 2H1:2H supprimé qui est la première configuration considérée et ainsi de suite. L’énergie de formation se rapporte à la configuration la plus énergétiquement stable de tous les H.

Effet de la teneur en hydrogène sur l’extraction des électrons et la stabilité de l’ADN

Les molécules déficientes en hydrogène, les principaux dommages à l’ADN dans le processus indirect, ont été examinées afin de vérifier leur dépendance à la dissociation induite par la charge. Pour illustrer, les atomes H ont été progressivement retirés de la guanine, comme le montre la figure 9. Fait intéressant, la fragmentation des molécules se produit avec moins d’élimination d’électrons. Un cycle guanine périodique est stable pour charger l’état 3e s’il passe trois atomes d’hydrogène. La géométrie moléculaire de la guanine montre une modification significative du dénudage des atomes 4 ou 5 H. En cas de déficit en 5H, l’état de charge du 3e sépare complètement la molécule dans la chaîne moléculaire.

Figure 10
Figure 10

L’effet d’extraction d’électrons dans l’hydrogène a réduit la molécule de guanine.

D’après nos calculs, la guanine ne se dissocie que lorsque les atomes H (\(q = 0\) dans la Figure 10). L’effet combiné de la charge et de l’environnement à faible teneur en H, comme le montre la figure 10, fragmentera ces particules. Cela indique que la dissociation induite par la charge des particules dépend fortement de l’environnement d’hydrogène. Notez que la redéfinition de la géométrie moléculaire des guanines après élimination des atomes H, a entraîné des géométries initiales légèrement différentes. Différentes configurations structurelles en fonction du nombre de processus d’extraction d’hydrogène de la guanine affectent la stabilité de la molécule en raison de l’élimination ultérieure des électrons. La géométrie améliorée s’est montrée différemment si nous avions d’abord supprimé les électrons. Par conséquent, ces deux processus, l’extraction d’hydrogène et l’élimination des électrons ne se transfèrent pas car leur structure moléculaire optimale correspondante n’est pas identique. Cette observation indique l’effet d’un changement structurel local dans le scénario réel de dommages à l’ADN, car le décapage H est un processus beaucoup plus lent par rapport aux dommages directs qui consistent essentiellement en l’élimination des électrons.

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Étant donné que les dommages indirects sont un processus lent, en raison de la réaction-diffusion des radicaux OH, nous attribuons des dommages directs suivis de dommages indirects à l’interaction de l’ADN avec une seule voie de rayonnement responsable de l’étendue linéaire dans le modèle de survie cellulaire au carré linéaire. Le deuxième scénario, à savoir l’élimination de H et l’ionisation directe ultérieure, est le plus pertinent pour les dommages à l’ADN induits par deux voies pertinentes pour le terme quadratique dans le modèle quadratique de survie cellulaire linéaire.

Il est essentiel de souligner que les codes Monte Carlo (MC) actuels utilisés pour étudier l’effet des rayonnements sur les matériaux biologiques manquent de détails car ils utilisent certaines valeurs empiriques pour l’excitation et les dommages à l’ADN.24,37 Par conséquent, le calcul actuel des premiers principes fournit des paramètres d’entrée importants à prendre en compte dans ces modèles.