Elektroneninduzierte Dissoziationsprozesse in biologisch relevanten Molekülen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Wechselwirkung monochromatisierter, niederenergetischer Elektronen (< 15 eV) mit einfachen biologischen Bausteinen wie Nucleobasen und Aminosäuren in der Gasphase in einem gekreuzten Elektronen-Molekularstrahl-Experiment untersucht. Die über eine dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) entstehenden Fragmentanionen werden in Abhängigkeit von der Elektronenenergie nachgewiesen. Folgende Resultate wurden erhalten:

* Bei Adenin, Cytosin und Thymin stellt die Dehydrogenierung des Muttermolekülanions zwischen 1 und 2 eV den bevorzugten Dissoziationskanal dar, bei Guanin ist dieser der zweitintensivste. Die Triebkraft der Reaktion ist die hohe Elektronenaffinität des entsprechenden Nucleobasenradikals. * Durch Verwendung partiell deuterierten Thymins kann diese Wasserstoffabstraktion ausschließlich den Stickstoffpositionen zugeordnet werden. Eine Abstraktion an den Kohlenstoffatomen wird im untersuchten Energiebereich (bis 10 eV) nicht beobachtet. * Bei Thymidin wird das dehydrogenierte Muttermolekülanion sowie Bindungsbruch zwischen der Zucker- und Nucleobaseneinheit beobachtet. * In Gegenwart von SF6 zeigen manche dehydrogenierte Muttermolekülanionen ein Signal bei nahe 0 eV, das mit einer dissoziativen Elektronen-Transfer-Reaktion erklärt werden kann. * Bei den beiden dominantesten Zerfallskanälen des 5-Bromuridins entsteht das Bromid-Anion und die halogenhaltige Nucleobase. Der Wirkungsquerschnitt des ersten Kanals liegt ein bis zwei Größenordnungen über dem intensivsten Dissoziationskanal der unhalogenierten Nucleobasen. Dies legt den Verdacht nahe, daß niederenergetische Elektronen eine wichtige Rolle in der Wirkungsweise von Radiosensibilisatoren spielen. * Partiell deuteriertes Glycin zeigt eine energieabhängige Ortsselektivität der der Elektronenanlagerung folgenden Wasserstoffabstraktion. * Das in Experimenten mit Cystein beobachtete Schwefelanion kann mit einer strukturellen Änderung von Cystein zu Alanin erklärt werden. * Tryptophan und N-Acetyltryptophan zeigen beide ausgeprägte Zerfallskanäle. In erstem dominiert ein 45 amu-Anion die Dissoziation. Im N-Acetyltryptophan ist die intensivste Reaktion die Spaltung zwischen der Methylenindol- und der acetylierten Glycineinheit, welche die Überschußladung trägt.

Diese Ergebnisse belegen das Potential von Elektronen, mit Energien, die unterhalb elektronischer Anregungen liegen, effektiv die Natur von DNA- Bausteinen und Aminosäuren zu verändern.

The interaction of low-energy electrons (< 15 eV) with single molecules of biological interest is studied in the gas-phase by means of a crossed electronmolecular beams experiment. The anion yield following dissociative electron attachment (DEA) is measured as a function of the incident electron energy. Various dissociative pathways are identified. The following results were obtained:

* In adenine, cytosine and thymine dehydrogenation of the parent anion between 1 and 2 eV ist the preferred dissociation channel, in guanine it is the second intense. This reaction is driven by the high electron affinity of the corresponding nucleobase radical. * By use of a partially deuterated isotopomer the hydrogen abstraction in thymine can be localized to occur exclusively at the nitrogen positions. Abstraction at the carbon positions is not observed in the investigated energy region (up to 10 eV). * For thymidine we measure a dehydrogenated parent ion as well as rupture of the bond between sugar and nucleobase units. * In presence of SF6 some dehydrogenated parent anions (thymine, adenine, glycine) show a peak near zero eV, which can be explained by a dissociative electron transfer reaction giving HF and SF5. * The two main fragmentation channels in 5-bromouridine produce the bromine anion and the halogen containing nucleobase. The cross section for the first channel is about one to two orders of magnitude larger than the most dominant decay pathway in unhalogenated nucleobases. The results indicate that the interaction with low energy electrons play an important role in the action of a radiosensitizer. * Partially deuterated glycine shows energy dependent site selectivity of hydrogen abstraction following electron attachment. * The sulfur anion in experiments with cysteine observed in the lowenergy region can be explained with a structural change from cysteine to alanine. * Tryptophan and N-acetyl tryptophane show both distinctive DEAinduced fragmentations. In the former a 45amu anion dominates the dissociation. In N-acetyl tryptophan the most intense reaction is the cleavage between the methylene indole and the acetylated glycine unit, on which the excess charge is located.

The present results demonstrate the potential of electrons for as little as subexcitation energies to effectively change the nature of DNA building blocks and amino acids.