氨基酸轰击电离辐射 - 首先发生断裂？

电离辐射，包括高能电子，通常是最好避免的。然而，核事故甚至医疗工具都意味着人体组织偶尔会暴露在核辐射中。20世纪中期的“原子时代”之后，了解辐射对人体的影响被认为是至关重要的。维尔纽斯大学的耶琳娜·塔穆利恩博士最近的研究是电离辐射对氨基酸谷氨酰胺的影响。混合密度泛函理论的理论分析和质谱的实验分析使我们能够更好地理解谷氨酰胺是如何受到电离辐射的影响。

在黄色背景上的三刀片涡轮机肯定是最识别的危险符号之一。对于许多人来说，这个符号可能会召唤核工业的想法，但更准确地说是对电离辐射的警告。

令人难以置信的破坏性同时也是一种强大的医学工具——这就是电离辐射的悖论。也许最恰当的例子之一是Marie Skłodowska-Curie:她发现了钋和镭元素，创造了“放射性”一词，并在第二次世界大战中率先使用x射线。她对电离辐射物质的研究为她赢得了两次诺贝尔奖，并最终付出了生命的代价。

电离辐射对细胞的影响
电离辐射对身体的破坏性效果引起了大量的关注，部分原因是它跨越生物学，化学，物理和药物。结果，即电离辐射的长期效应是很好的。一方面，暴露于这种辐射的细胞是突变变异的风险增加，这可能导致癌症。另一方面，受控暴露于辐射是放射疗法的基础。

蛋白质是特别“危险”的生物分子，因为它们的结构——折叠成精确束的氨基酸序列——决定了它们如何执行细胞功能。具有改变的氨基酸的蛋白质可以表现不同，导致细胞异常行为。

在立陶宛维尔纽斯大学物理学院的高级研究员Jelena Tamuliene博士以及来自乌克兰Uzhhorod uzhhorod研究所的同事研究了电离辐射对氨基酸分子的破坏性影响。他们最近的研究在原子水平上调查了高能电子对谷氨酰胺的影响（见图1)，一种用于蛋白质生物合成的氨基酸。

具有改变的氨基酸的蛋白质可以表现不同，导致细胞异常行为。

本研究分为两部分。首先，实验小组将谷氨酰胺样品以高能电子的形式暴露于各种剂量的电离辐射中，并在磁性质谱仪(见图2）.其次，Tamuliene博士通过一种称为杂化官能团的分析方法进行了理论预测，这种方法可以模拟谷氨酰胺分子的分子几何形状和能量参数。结合实验和理论检验，深入分析了高能电子对谷氨酰胺的影响。

轰击和质谱
将样品暴露于几十兆 - 电子（MEV）区域中的高能量电子不是可能的标准实验室套件的东西 - 实现这些能量需要电子加速器。在乌克兰Uzhhorod的电子物理研究所，实验室将三个含有谷氨酰胺的箔包络含有谷氨酰胺在由这种电子加速器（微量瓶子）产生的电子束下，并将上述样品暴露于不同剂量的11.5meV电子。上述样品被照射不同的时间长度，以达到三种不同剂量的电离辐射：5,10和20千升（kgy）。然后使用质谱法分析这些辐照样品，加上未暴露于电离辐射的样品。质谱是一种分析方法，其利用电子将分子分离成离子。得到的离子称为“碎片”（见图。3-11)——通常情况下，这些是分子中有一两个键断裂的部分。

碎片离子可以通过它们来检测“m / z”-它们的质量电荷比。几乎总是，碎片的电荷是+1，意味着m / z.价值等于质量。作为一个例子，甲烷具有一个具有质量12的一个碳原子和每个具有质量1的4个氢原子。它的“分子离子峰”是m / z.=16 -它所有原子的质量。它也会有一个碎片峰在m / z.=15 - CH的质量_3.⁺由一个碳氢键断裂而产生的碎片。

质谱中的神秘面纱
实验质谱显示出一种有趣的模式：大多数样品有具有相似丰富的片段，表明无论辐照剂量如何，谷氨酰胺的结构相当相似。但是，规则有一些例外。

辐照容易改变氨基酸的结构，引起其周围氢原子的运动。

首先，谷氨酰胺样品暴露在高剂量的高能辐射下，在微控管中导致产生大量的碎片m / z.= 16和17。第二,m / z.= 29片段，从非照射谷氨酰胺的大量存在，在辐照谷氨酰胺的测量质谱中的质量范围大得多。第三，最有趣的模式：峰值m / z.= 28。在非照射的谷氨酰胺中，该峰非常低。一个小的辐射剂量
5 kgy增加了金额，但10 kgy导致另一次减少。通过20吨辐射，量增加到5 kgy剂量中看到的类似水平。

识别主峰
解释这些模式并不完全在公园散步。一个m / z.价值有时可以很容易地归结为分子结构的一部分，但通常一个分子中的多个结构都有必要的原子来达到m / z.全部的。在所有四个光谱的最强烈峰值中看到了一个很好的例子：m / z.= 84。谷氨酰胺的总质量是146，所以分子中质量总和为62的部分必须被除去，才能产生m / z.= 84片段。谷氨酰胺的结构提供了多种方法。

用标准的实验室设备是不可能将样品暴露在几十兆电子伏(MeV)区域的高能电子中。

理论分析有力地表明，谷氨酰胺分子脱落的第一组是COOH，质量为45。剩下的17个可能来自OH或NH_3.．谷氨酰胺中存在一个-OH基团，但理论分析也预测，电离辐射可能导致一个H从一个-NH移动₂一个基团和另一个基团，形成了一个NH_3.．的m / z.=84峰既可以解释谷氨酰胺失去COOH和OH，也可以解释COOH和NH_3.．

棘手的碎片
模式的m / z.=28更难解释，但进行这项工作的团队提出了一个清晰的建议，来解释为什么随着辐射剂量的增加，这些碎片会增加、减少和再次增加。对于未辐照的谷氨酰胺，m / z.28是少量存在的。稍微大一点的碎片m / z.= 29强烈存在，很可能是HC-NH₂⁺．m / z.因此，28因此将是一个类似的片段，其中H缺失：HC-NH⁺．

以5 kgy为剂量照射的谷氨酰胺显示出降低m / z.= 29和增加m / z.=28，表明辐照降解了NH₂小组以某种方式。在10％和20 kgy的剂量，碎片的生产m / z.=17和16变得重要-这些可能对应NH_3.⁺，并进一步分解为nhh₂⁺．这些峰存在的事实是辐照的好证据，导致形成-NH_3.小组，如受理论分析所预说的那样。

这也解释了为什么在10kgym / z.=28峰减少:氮素在m / z.= 17 nh._3.⁺碎片是同样的氮，否则就会在m / z.= 28 HC−NH⁺片段。高辐照剂量会产生−NH_3.在谷氨酰胺上形成氨氮_3.⁺片段并防止HC-NH⁺结果是片段。

等压离子形成
这个谜题还有最后一部分:为什么会这样m / z.= 20 kGy谷氨酰胺再次增加28 ?北半球_3.⁺峰值高于以往，这意味着答案不太可能在形成HC-NH的形成中。相反，可能有其他离子有助于m / z.= 28，其在氨基酸的质谱期间以较高的辐射受到严重损伤的质量光谱法形成。

Tamuliene等人提出了两个可能的离子，其也可以具有m / z = 28：c = o⁺和CH₂CH₂⁺．这些碎片的产量增加，加上一些HC - NH+，可能会增加所谓的“等压离子产量”——质量相同但组成不同的多个碎片的总和。

谷氨酰胺的NH₂团体有风险
通过这种神秘的解决，光谱和理论证据表明，当用高能量电子照射谷氨酰胺时，大多数分子仍然完好无损 - 但特别是易受伤害的是-NH₂在该氨基酸中存在的群体。辐射易于改变氨基酸分子的结构，从而导致氢原子周围的分子。

了解辐射如何影响氨基酸使得可以更好地进行细胞中发生的痕量过程，使我们提供更好的背景，以分析如何最小化电离辐射引起的损害，而且还可以更好地利用它作为良好的技术。