3. STRUKTURE KOMPLEKSOV

3.1. STRUKTURE S PROTEINI IN AMINOKISLINAMI

Znanih je le malo struktur s prisotnm uranilovim ionom. Pri mnogih strukturah  eden ali celo oba okso liganda nista vidna. V predstavljenih strukturah so koordinacijski donorji oziroma levisove baze pri aminokislinah karboksilne skupine v stranski skupini aspartata in glutamata, hidroksikna skupina v tirozinu ter ketonska skupina v amidu. Na sliki 2 je prikazan kompleks med uranilom in stransko skupino aspartata ter amidno skupino [4]. Strokovnjaki so naredili tudi poskus, ali se uranilov ion veže na kakšno točno določeno aminkislinsko zaporedje. Ugotovili so da se uranilov ion ne veže specifično. Vezal se je na Asp, Glu, Lys in Tyr, ne glede na to, kakšna je bila okolica okoli teh aminokislin [4]. Zaporedje AK za vezavo uranilovega iona ni pomembno, pomembna pa je oblika proteina. Uranilov ion se namreč najraje veže v reže ter v zavoje - kjer je najmanj steričnih ovir [4].

Slika 2: slika prikazuje peptidni zavoj, ki tvori kompleks z uranilovim ionom. Kisikova atoma, ki z uanom (VI) tvorita uranilov kation sta od uranovega iona bolj oddaljena kot običajno (1,858 in 1,861 Ǻ namesto 1,743 in 1,739 Ǻ). Kompleks z uranilovim ionom tvori karboksilna spojina stranske spojine aspartata in karbonilna skupina iz amida. Slika prikazuje tudi prostorsko razporeditev okrog uranilovega iona [4].

Slika 7: Ligandi so lahko eno- ali dvovezni. Enovezen ligand je aminokislina prolin (leva struktura), aminokislina glicin pa je lahko enovezen ali dvovezen ( struktura v sredini in na desni strani).

Uranilov kation je lahko koordiniran s šestimi (leva in srednja struktura) ali s petimi (desna struktura) donorji [4].

Uranilov kation lahko z ligandi tvori tudi vodikove vezi. Akceptorja vodikove vezi sta kisika, vezana na uranov ion. Primer je prikazan na sliki 3. Razdalji U=O sta 1,743 in 1,739 Ǻ. Kisik v uranilu se lahko z vodikovo vezjo poveže z vodo (3,579 Ǻ). Skupini N-H sta dovolj blizu (3,323 in 3,597 Ǻ), da lahko delujeta kot donorja H-vezi (kot kaže je spodnja N-H skupina v napačni legi, da bi tvorila efektivno vodikovo vez). Donor vodikove vezi je tudi NH₂ skupina stranske skupine asparagina (3,493 Ǻ).

Vodikove vezi so prisotne povsod po strukturi, ki vsebuje uranilov ion ter protein. Prisotnost vodikove vezi vpliva tudi na transport uranilovega kationa [4].

Slika 3: slika prikazuje vodikove vezi med uranilovim ionom in proteinom. Prikazane so vezi med kisikom in topilom, kisikom in aminsko skupino iz verige proteina ter med kisikom in aminsko skupino iz stranske verige aminokisline. Iz slike je razvidna tudi geometrija in dolžina vodikove vezi, ki je obratno sorazmerna z močjo vezi [4]. 

Uranilov kation lahko tvori tudi komplekse s tirozinom in fosfatnimi skpinami, kar je ilustrirano na sliki 4.

Slika 4: ilustracija prikazuje koordinacijo uranilovega iona s kisikom iz fosfatne skupine, kisikom iz karboksilne skupine asparagine ter kisikom iz -OH skupine tirozina. Okso liganda nista vidna [4].

3.2. SKUPKI URANILOVIH IONOV

Pri pogojih, kot so v bioloških sistemih, uranilovi ioni hidrolizirajo. Pojavljajo pa se tudi v skupkih. Strokovnjaki predvidevajo, da nekatere strukturne značilnosti povečajo možnosti za tvorbo uranilovih skupkov. Pri poskusu z uranilovim ionom ter DNA veznim proteinom nekega adenovirusa,  so ugotovili, da se uranilovi ioni pojavijo v skupkih po trije. Skupek se je ulegel v kisli žepek med tremi proteinskimi podenotami. Okso ligandi na žalost niso bili vidni. Tak skupek je ilustriran na sliki 5 [4].

Slika 5: slika prikazuje skupek treh uranilovih ionov, ki nastane pri bioloških pogojih. Nahaja se v kislem območju proteina ter tvori koordinacijske vezi z alkilnimi skupinami aspartatov [4].

Slika 6: slika prikazuje skupek več uranilovih ionov, umeščenih v režo nekega proteina. Uranovi ioni so modre barve, kisikovi pa rdeče [4].

Slika 7: slika na levi prikazuje skupek uranilovih kationov, ki tvorijo komplekse s karbonati. Desna slika prikazuje kakšen agregat bi lahko nastal v proteinih [4].

3.2. URANIL LAHKO POŠKODUJE ENOVERIŽNO DNA

Kovine lahko poškodujejo DNA na dva načina: posredno; tako da povzročijo nastanek prostih radikalov, ali preko neposrednih interakcij z DNA. Znano je, da krom (VI) poškoduje DNA. Strokovnjaki so zato naredili poskus, če tudi uran (VI) v uranilovem ionu po podobnem mehanizmu poškoduje DNA. Poskus so izvedli in vitro, na plazmidu. Uranilov ion deluje tako, da tvori proste radikale. To pomeni, da je uran v tem primeru deluje kot kemijski genotoksik. Reakcija je predstavljena v shemi 1 [3].

U⁶⁺ + Asc → U⁴⁺ + DHA

U⁴⁺ + O₂ + 2H⁺ → U⁶⁺ + H₂O₂

_____________________________

1)         Asc + O₂ + 2H⁺ → DHA + H₂O₂

2)         ½ U⁴⁺ + H₂O₂ → ½U⁶⁺ + HO· + HOˉ

Shema 1: shema prikazuje posredni mehanizem ki povzroča pretrganje verige DNA. Askorbinska kislina (vitamin C - Asc) in kisik povzročita katalitično kroženje med uranom (VI) in uranom (IV), pri čemer nastaja vodikovega peroksid. Pri reakciji H2O2 z uranom (IV) nastajajo prosti radikali, ki lahko povzročijo pretrganje DNA. Ob prisotnosti katalaze (encim, ki razgrajuje vodikov peroksid) je bilo ~40% manj pretrganih verig DNA [3].

Neposreden mehanizem pretrganja verige DNA je prikazan na sliki 7. Kompleks med askorbinsko kislino in uranilovim ionom lahko interagira z negativno nabitimi fosfatnimi skupinami v DNA. Pri tem umik elektronske gostote stabilizira fosfodierstrsko območje, voda ali hidroksilni ion, ki sta nukleofila napadeta fosfodiestrsko vez in razcepita enoverižno DNA. Takšna reakcija je sicer bolj značilna za lantanoide, vendar tudi uranilov ion ob prisotnosti N-heksadecil-N,N,N-trimetiletilendiamida - HTMEDa, ter pri pH 5 povzroči cepitev DNA [3].

slika 8: slika prikazuje neposredni mehanizem cepitve DNA, ki jo povzroči uranilov kation [3].

4. ZAKLJUČEK

Veliko raziskav je potrdilo, da je uran genotoksičen. Mehanizmi pa na žalost še niso bili razloženi. Napake v kromosomih so se pokazale pri miškah, ki so jim vbrizgali uranilov fluorid, ter tudi pri kadilcih, ki so delali v idustriji jedrske energije. Za zdaj še ni pojasnjeno, ali so kromosomske spremembe nastale zaradi kemijskega delovanja ali zaradi radiološkega sevanja urana [3].

Pri poskusu s hrčkovimi jajčnimi celicami so ugotovili, da pride do poškodb kromosomov zaradi kemijskega delovanja urana in ne zaradi njegove radioaktivnosti. Prav tako so tudi nekatere druge raziskave potrdile, da uran s svojim kemijskim delovanjem poškoduje dedni zapis, izsevani α-delci skorajda niso vplivali na spremembe dednega zapisa [3].

Ker vse več poskusov potrjuje uranovo toksičnost, tako kemijsko kot tudi radiološko, bomo morali v prihodnosti bolj premisliti, ali imamo od uporabljanja urana več škode ali koristi.

5. VIRI in LITERATURA

1. http://www.nek.si/sl/o_jedrski_tehnologiji/jedrsko_gorivo/
2. http://projekti.svarog.org/periodni_sistem/elementi/092.html
3. M. Yazzie, S. L. Gamble, E. R. Civitello, D. M. Stearns, Chem. Res. Toxicol. 2003, 16, 524-530.
4. J. D. Van Horn, H. Huang, Coordination Chemistry Reviews, 2006, 250, 765-775

 Avtor: Janja Kobe