ثنائي البيريميدين

وفقًا للآلية المباشرة، تمتص البيريميدينات فوتونات الأشعة فوق البنفسجية، ويحدث التفاعل الضوئي بشكل رئيسي من حالة إثارة مفردة. هذه الحالات جماعية، أي أنها غير متمركزة على كلا البيريميدينين. ^{[ 37 ] [ 38 ]} كما تم الإبلاغ عن مسار ثانوي، يمر عبر حالة ثلاثية الثايمين ، المتكونة من خلال الانتقال بين الأنظمة، لمركبات CPD. ^{[ 31 ] [ 39 ]}

في حالة 64PPs، تؤدي العملية الكيميائية الضوئية المباشرة إلى تكوين وسيط تفاعل ( أوكسيتان )، ^{[ 40 ]} والذي يخضع لاحقًا لتفاعل في الظلام يؤدي إلى تكوين ثنائي الوحدات النهائي. ^{[ 41 ] [ 42 ]} يتم الحصول على متصاوغات ديوار التكافؤية ^{[ 43 ]} عند تشعيع 64PPs، حيث يلعب الهيكل الأساسي دورًا مهمًا في التفاعل. ^{[ 44 ]} كشفت الدراسات التي أجريت باستخدام مطيافية الامتصاص المعتمدة على الزمن أنه في سلاسل الثايمين المفردة، تتشكل ثنائيات الببتيد الحلقية (CPDs) في غضون بيكو ثانية واحدة، ^{[ 28 ]} بينما يكتمل التفاعل المؤدي من الأوكسيتان إلى 64PPs في غضون 4 مللي ثانية. ^{[ 45 ]}

يُعدّ مردود الكم لتفاعل التضاعف (Φ)، المُعرَّف بعدد الثنائيات المتكونة لكل فوتون مُمتص، واعتماده على طول موجة الإشعاع، عنصرين أساسيين في هذه الدراسات. ترتبط هذه المعلمات ارتباطًا وثيقًا بطبيعة الحالة الإلكترونية المُثارة التي يتم شغلها عند امتصاص الفوتون، وبطبيعتها المُسترخية. ^{[ 46 ] [ 47 ]} في سلاسل الثايمين المفردة، يكون Φ _CPD ثابتًا (0.05) عبر نطاق الامتصاص الرئيسي . في المقابل، يتناقص Φ _64PP باستمرار مع زيادة طول الموجة. ^{[ 30 ]} لا يتم الكشف عن أي 64PPs عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية UVA، حيث يُظهر الحمض النووي امتصاصًا ضعيفًا، بينما لا تزال CPDs تُحفَّز، وإن كان ذلك بكفاءة أقل (Φ _CPD = 7 × 10⁻⁴ ⁾ . والأهم من ذلك، أن اقتران القواعد يُعزز تكوين CPD تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية UVA، حيث يكون Φ _CPD أعلى بمعامل 7، بينما يُلاحظ الاتجاه المعاكس عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية UVC. ^{[ 48 ]}

تم أيضًا قياس تكوين ثنائيات البيريميدين المختلفة في الحمض النووي الجينومي النقي المعزول والمُشعَّع بطول موجي 254  نانومتر. وتُعدّ ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) (إجمالي Φ _CPD = 10⁻³ ⁾ أكثر وفرةً من ثنائيات البيريميدين 64 (64PP) (إجمالي Φ _64PP = 3 × ^10⁻⁴ ). ^{[ 49 ]} كما تم الإبلاغ عن تكوين ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) في هذا الجزيء الحيوي الطبيعي عند تعريضه للأشعة فوق البنفسجية من النوع A. ^{[ 36 ]}

في الآلية غير المباشرة، تلعب حالات الثلاثية دورًا محوريًا. تُمتص الفوتونات، عادةً في نطاق الأشعة فوق البنفسجية A، بواسطة مُحسِّس ضوئي، حيث تُشغل حالته الثلاثية عبر الانتقال بين الأنظمة . بعد ذلك، تُنقل طاقة الإثارة الإلكترونية إلى حالة ثلاثية للبيريميدين، مما يُحفز عملية التضاعف. يتشكل كل من ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) وجزيئات البيريميدين الحلقية (SP) عبر هذا المسار. في المقابل، لا يوجد دليل على أن التحسيس الضوئي يؤدي إلى تكوين 64PPs أو متصاوغاتها التكافؤية من نوع ديوار. ^{[ 50 ]}

تم اختبار مجموعة واسعة من المحسسات الضوئية، مثل البنزوفينونات والفثاليميدات والفلوروكينولونات، لدراسة متطلبات التحسيس الضوئي. عمليًا، يجب أن تكون طاقة الحالة الثلاثية لهذه المحسسات أعلى من طاقة الحالة الثلاثية للبيريميدين، وأن يكون مردودها الكمي لعبور الأنظمة مرتفعًا بما يكفي. بالإضافة إلى العوامل الخارجية، فإن 64PPs الموجودة أصلًا في الحمض النووي قادرة على التحسيس الضوئي لتكوين CPD عبر الحالة الثلاثية للبيريميدون. ^{[ 51 ]} قد يسبق التحسيس انتقال طاقة الحالة الثلاثية داخل الحلزون المزدوج؛ وقد سُجلت مسافات انتقال تصل إلى 105 أنغستروم. ^{[ 52 ]}

تمتص ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) عند أطوال موجية أقصر بكثير من البيريميدينات الأحادية المقابلة؛  ولم يُحدد بدقة الحد الأقصى لامتصاصها، والذي يقع دون 220 نانومتر. ^{[ 53 ]} في المقابل، تُظهر أطياف امتصاص 64PPs انزياحًا أحمرًا قويًا مقارنةً بنظائرها غير المتضررة. في حالة أحادي فوسفات ثنائي النوكليوزيد، تقع حدود الامتصاص القصوى في نطاق 307-325  نانومتر. ^{[ 54 ]} يُؤدي تكوين متصاوغات ديوار التكافؤية إلى انزياح هيبسوكرومي لطيف الامتصاص، مع الحفاظ على ذيل امتصاص ضعيف في منطقة الأشعة فوق البنفسجية A. يكاد يكون طيف امتصاص ناتج ضوئي البوغ (SP) مطابقًا لطيف البيريميدينات الأولية غير المتضررة. ^{[ 55 ]}

من بين ثنائيات البيريميدين المختلفة، يُظهر 64PP فقط تألقًا قابلًا للقياس ، يبلغ ذروته عند حوالي 385-400  نانومتر. وتُقدّر عوائد الكم المقابلة لها بحوالي 10⁻² ^، [ ^{54 ] أي} أعلى بمرتبتين من حيث الحجم تقريبًا من التألق الذاتي للحمض النووي غير المتضرر . ^{[ 56 ]} لهذا السبب، اقتُرح في سبعينيات القرن الماضي أن انبعاثها يمكن أن يكون مؤشرًا داخليًا لتحديد كمية تلف الحمض النووي الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 57 ]} وفي وقت لاحق، اقتُرح هذا النهج لتقييم فعالية مصابيح مبيدات الحيوانات المنوية. ^{[ 58 ]} ومع ذلك، ووفقًا لدراسات العمليات الأساسية التي تُحفزها الأشعة فوق البنفسجية في الحلزونات المزدوجة، فإن انبعاث الأشعة فوق البنفسجية عند حوالي 400  نانومتر غير مناسب للتقييم الكمي لتلف الحمض النووي. ^{[ 59 ]}

ترافق اكتشاف ازدواج البيريميدين مع ملاحظة إمكانية خضوع هذه الآفات لعملية انعكاس ضوئي، مما يؤدي إلى إعادة تكوين قواعد البيريميدين الأصلية. ^{[ 60 ]} هذه الخاصية للانعكاس الضوئي، التي تحدث عند التشعيع ضمن نطاق امتصاص ثنائي البيريميدين، حصرية لثنائيات البيريميدين الحلقية. ويحدث التفاعل بكفاءة كمية عالية جدًا، تقارب الواحد. ^{[ 61 ] [ 62 ]} لاحقًا، تم الإبلاغ عن نوع آخر من الانعكاس الضوئي لثنائيات البيريميدين الحلقية في قليل النوكليوتيدات DNA، عند التشعيع الانتقائي للقواعد النيتروجينية غير المتضررة. وقد نُسبت آلية الإصلاح الذاتي هذه إلى انتقال الإلكترون من قاعدة بيورين مجاورة إلى آفة ثنائي البيريميدين الحلقي. ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

تتأثر عملية تكوين الطفرات، وهي عملية تُعرف باسم التطفير، بشكل كبير بإنزيمات بوليميراز عبر الآفات ، والتي غالبًا ما تُحدث طفرات في مواقع ثنائيات البيريميدين. ^{[ 88 ]} يحدث هذا في بدائيات النوى من خلال استجابة SOS للتطفير، وفي حقيقيات النوى من خلال طرق أخرى. ولأن ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) بين الثايمين هي أكثر الآفات شيوعًا التي يُحدثها الأشعة فوق البنفسجية، فإن إنزيمات بوليميراز عبر الآفات تُظهر ميلًا لإدخال الأدينين مقابل هذه الثنائيات، مما يؤدي إلى تضاعف دقيق. ومع ذلك، فإن السيتوزينات التي تُعد جزءًا من ثنائيات البيريميدين الحلقية (CPDs) عُرضة لنزع الأمين ، مما يؤدي إلى تحولات من السيتوزين إلى الثايمين، ويُساهم في عملية الطفرة. ^{[ 89 ]}

تُحدث ثنائيات البيريميدين تغييرات موضعية في بنية الحمض النووي ، مما يسمح لأنزيمات الإصلاح بالتعرف على التلف. ^{[ 90 ]} في معظم الكائنات الحية (باستثناء الثدييات المشيمية كالإنسان)، يمكن إصلاحها عن طريق التنشيط الضوئي . ^{[ 91 ]} التنشيط الضوئي هو عملية إصلاح تقوم فيها إنزيمات الفوتولياز بعكس ثنائيات البيريميدين الحلقية باستخدام تفاعلات كيميائية ضوئية . إضافةً إلى ذلك، يمكن لبعض إنزيمات الفوتولياز إصلاح نواتج التفاعل الضوئي 6-4 الناتجة عن تلف الحمض النووي بفعل الأشعة فوق البنفسجية. تستخدم إنزيمات الفوتولياز ثنائي نيوكليوتيد الفلافين والأدينين (FAD) كعامل مساعد في عملية الإصلاح. ^{[ 92 ]}

إن جرعة الأشعة فوق البنفسجية التي تُقلل عدد خلايا الخميرة البرية إلى 37% (بافتراض توزيع بواسون للتأثيرات) تُعادل جرعة الأشعة فوق البنفسجية التي تُسبب في المتوسط ​​تأثيرًا مميتًا واحدًا لكل خلية من خلايا المجموعة. ^{[ 93 ]} وقد قُدِّر عدد ثنائيات البيريميدين المُستحثة لكل جينوم أحادي الصيغة الصبغية عند هذه الجرعة بـ 27000. ^{[ 93 ]} كما تم اختبار حساسية سلالة خميرة طافرة تعاني من خلل في مسارات إصلاح ثنائيات البيريميدين الثلاثة المعروفة للأشعة فوق البنفسجية. في هذه الحالة، يكون وجود ثنائي أو اثنين فقط من ثنائيات البيريميدين غير المُصلحة لكل جينوم أحادي الصيغة الصبغية قاتلًا للخلية. ^{[ 93 ]} تشير هذه النتائج بالتالي إلى أن إصلاح ثنائيات الثايمين في الخميرة البرية عالي الكفاءة. ^{[ 94 ]}

يُعدّ إصلاح استئصال النيوكليوتيدات (NER)، والذي يُطلق عليه أحيانًا "إعادة التنشيط الخفي"، آليةً أكثر عموميةً لإصلاح التلف، وهو الشكل الأكثر شيوعًا لإصلاح الحمض النووي لثنائيات البيريميدين في البشر. تعمل هذه العملية باستخدام الآليات الخلوية لتحديد موقع النيوكليوتيدات الثنائية واستئصال التلف. بمجرد إزالة ثنائي البيريميدين الحلقي (CPD)، تظهر فجوة في شريط الحمض النووي يجب ملؤها. تستخدم آليات الحمض النووي شريط الحمض النووي التكميلي غير التالف كقالب لتخليق النيوكليوتيدات المطابقة، وبالتالي ملء الفجوة في الشريط التالف. ^{[ 95 ]}

جفاف الجلد المصطبغ (XP) مرض وراثي نادر يصيب الإنسان، وينتج عن تلف الجينات المسؤولة عن ترميز بروتينات إصلاح الحمض النووي (NER) بفعل الأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى عجز الخلية عن مقاومة ثنائيات البيريميدين المتكونة. كما أن الأفراد المصابين بجفاف الجلد المصطبغ أكثر عرضة للإصابة بالسرطان، حيث تزيد احتمالية إصابتهم بسرطانات الجلد بأكثر من 5000 ضعف مقارنةً بعامة السكان. ^{[ 96 ]} تشمل بعض السمات والأعراض الشائعة لجفاف الجلد المصطبغ تغير لون الجلد وتكوّن أورام متعددة نتيجة التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 97 ]}

تمتلك بعض الكائنات الحية طرقًا أخرى لإجراء الإصلاحات:

• يوجد إنزيم لياز نواتج ضوئية الأبواغ في البكتيريا المكونة للأبواغ. وهو يعيد ثنائيات الثايمين إلى حالتها الأصلية. ^{[ 98 ]}
• يوجد إنزيم ديوكسي ريبوديبيريميدين إندونوكليوزيداز في العاثية T4 . وهو إنزيم إصلاح استئصال القاعدة خاص بثنائيات البيريميدين، وقادر على فتح موقع AP .

يُعدّ تخليق الحمض النووي عبر الآفات نوعًا آخر من آليات الإصلاح المحفوظة لدى البشر وغير الثدييات . عادةً، تمنع الآفة المرتبطة بثنائي البيريميدين الآليات الخلوية من التخليق بعد موقع التلف. مع ذلك، في تخليق الحمض النووي عبر الآفات، تستطيع بوليميرازات الحمض النووي عبر الآفات التضاعف بعد ثنائي البيريميدين الحلقي، مما يسمح لآليات التضاعف والنسخ بالاستمرار بعد الآفة. ويُلاحظ نقص في بوليميراز الحمض النووي η ، وهو أحد بوليميرازات الحمض النووي عبر الآفات، لدى الأفراد المصابين بجفاف الجلد المصطبغ . ^{[ 99 ]}