Warum verursachen freie Radikale so große Schäden an Zellen und DNA, obwohl sie nur eine Billionstel Sekunde existieren?

Freie Radikale sind Atome oder Moleküle mit ungepaarten Elektronen, die im Körper verheerende Schäden anrichten können. Wie verlassene Liebhaber wandern freie Radikale auf der Suche nach einem weiteren Elektron umher und hinterlassen zerstörte Zellen, Proteine ​​und DNA. Das Hydroxylradikal ist chemisch gesehen das aggressivste freie Radikal mit einer Lebensdauer von nur einer Billionstel Sekunde. Sie entstehen, wenn Wasser, das in Zellen am häufigsten vorkommende Molekül, Strahlung ausgesetzt wird und dabei ein Elektron verliert. In früheren Untersuchungen beobachtete ein Team unter der Leitung von Linda Young, einer Wissenschaftlerin am Argonne National Laboratory des Energieministeriums, die ultraschnelle Entstehung dieser freien Radikale.

Dieser Prozess hat wichtige Auswirkungen auf Bereiche wie sonnenlichtbedingte biologische Schäden, Umweltsanierung, Nukleartechnik und Raumfahrt. Nun hat ein Forscherteam, darunter auch Mitarbeiter des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, den einzigartigen chemischen Fingerabdruck der Hydroxylgruppe entschlüsselt. Dieser wird den Wissenschaftlern dabei helfen, die chemischen Reaktionen zu verfolgen, die sie in komplexen biologischen Umgebungen auslöst. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Am Freie-Elektronen-Laser Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC:

Mithilfe von Röntgenpulsen mit einer Dauer von nur wenigen Billionstel Sekunden haben Wissenschaftler das unglaublich kurzlebige Hydroxylradikal entdeckt. Im Rahmen der Forschung wurde das Wasser ionisiert, indem ein dünner Laserstrahl mit Röntgenstrahlen bestrahlt wurde. Die Energie der Röntgenstrahlen reichte aus, um Elektronen tief im Inneren der freien Radikale anzuregen, sodass diese in eine bestimmte höhere Umlaufbahn sprangen. Wenn die Elektronen wieder in ihre ursprünglichen Umlaufbahnen zurückkehren, sendet ein kleiner Teil von ihnen Röntgenstrahlen mit der einzigartigen Signatur oder dem Spektrum des freien Radikals aus. Das Forschungsteam nutzte neue theoretische Werkzeuge, um diese Röntgenspektren präzise zu berechnen und die darin enthaltenen Informationen zu entschlüsseln.

Im Anschluss wird das Team mit höherer zeitlicher Auflösung untersuchen, was in den ersten Momenten der Wasserspaltung durch ionisierende Strahlung passiert, um mehr über diesen Prozess zu erfahren. Auf diesem Weg hofft man, ähnliche Prozesse in alkalischen Umgebungen untersuchen zu können, die sowohl von grundsätzlichem Interesse als auch für dringliche Anwendungen wie die Entsorgung radioaktiver Abfälle sind. Dazu ist ein Verständnis der komplexen Chemie erforderlich, die in Tanks stattfindet, die einer ständigen Strahlenbelastung ausgesetzt sind. Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) bietet eine hervorragende Möglichkeit, die ultraschnelle Dynamik in Flüssigkeiten zu untersuchen.

Hier verwendeten die Forscher RIXS, um das wichtige Hydroxylradikal OH (AQ) in flüssigem Wasser zu untersuchen. Durch die Pulsionisierung von reinem flüssigem Wasser wird eine kurzlebige OH(Aq)-Population erzeugt, die mithilfe von Femtosekunden-Röntgenstrahlen eines Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers nachgewiesen wird. Die Studie ergab, dass RIXS lokalisierte elektronische Übergänge aufdeckte, die durch starke Ladungstransferübergänge im Ultraviolett-Absorptionsspektrum maskiert wurden, und somit eine Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur und Reaktivität von Hydroxylradikalen in Wasser und Mehrphasenumgebungen bereitstellt. Berechnungen nach dem Prinzip der ersten Prinzipien lieferten eine Erklärung für die wichtigsten spektralen Merkmale.

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Boco Park | Forschung/Von: SLAC National Accelerator Laboratory

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.236001

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