تلف الحمض النووي الناتج عن الجذور الحرة

قد يحدث تلف الحمض النووي (DNA) بفعل الجذور الحرة نتيجة التعرض للإشعاع المؤين أو المركبات المحاكية للإشعاع ^{[ 1 ]} . يُطلق على تلف الحمض النووي الناتج عن هجوم الجذور الحرة اسم التلف غير المباشر للحمض النووي، لأن الجذور المتكونة قادرة على الانتشار في جميع أنحاء الجسم والتأثير على أعضاء أخرى. قد يكون سرطان الجلد (الميلانوما) ناتجًا عن تلف غير مباشر للحمض النووي، لأنه يُكتشف في أجزاء من الجسم غير معرضة لأشعة الشمس. يُعد الحمض النووي عرضةً لهجوم الجذور الحرة نظرًا لذرات الهيدروجين غير المستقرة التي يمكن انتزاعها، وانتشار الروابط المزدوجة في قواعد الحمض النووي التي يمكن للجذور الحرة أن ترتبط بها بسهولة. ^{[ 2 ]}

يؤدي التحلل الإشعاعي للماء داخل الخلايا بواسطة الإشعاع المؤين إلى تكوين البيروكسيدات ، وهي طليعة مستقرة نسبيًا لجذور الهيدروكسيل . تُعزى 60-70% من أضرار الحمض النووي الخلوي إلى جذور الهيدروكسيل، ^{[ 3 ]} ومع ذلك، فإن جذور الهيدروكسيل شديدة التفاعل لدرجة أنها لا تستطيع الانتشار إلا لمسافة قطر جزيئي واحد أو اثنين قبل التفاعل مع مكونات الخلية. لذا، يجب أن تتشكل جذور الهيدروكسيل مباشرةً بجوار الأحماض النووية لكي تتفاعل. يُنتج التحلل الإشعاعي للماء البيروكسيدات التي يمكن أن تعمل كأشكال كامنة قابلة للانتشار من جذور الهيدروكسيل. تُولّد بعض أيونات المعادن الموجودة بالقرب من الحمض النووي جذور الهيدروكسيل من البيروكسيد. ^{[ 4 ]}

H₂O + hν → _H₂O⁺ ⁺ e⁻_​​^​

H₂O + ^e⁻ → _H₂O⁻​​^​

H₂O ⁺ → H⁺ ⁺ OH⁻_​​

H₂O⁻ ^→ OH⁻ ⁺ H⁺_​​​

2 OH · →H ₂ O ₂

يُعتقد أن تلف الحمض النووي الناتج عن الجذور الحرة يسبب طفرات قد تؤدي إلى بعض أنواع السرطان.

ينتج عن تفاعل فنتون تكوين جذور الهيدروكسيل من بيروكسيد الهيدروجين وعامل مساعد من الحديد (II). يُعاد توليد الحديد (III) عبر تفاعل هابر-فايس . تتميز الفلزات الانتقالية ذات مواقع التنسيق الحرة بقدرتها على اختزال البيروكسيدات إلى جذور الهيدروكسيل. ^{[ 1 ]} يُعتقد أن الحديد هو الفلز المسؤول عن تكوين جذور الهيدروكسيل نظرًا لوجوده بأعلى تركيز بين جميع الفلزات الانتقالية في معظم الكائنات الحية. ^{[ 5 ]} يُصبح تفاعل فنتون ممكنًا لأن الفلزات الانتقالية يمكن أن توجد في أكثر من حالة أكسدة، وقد تكون إلكترونات تكافؤها غير مزدوجة، مما يسمح لها بالمشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال أحادية الإلكترون.

Fe²⁺ + _{H₂O₂ →} Fe³⁺ + ^OH · + ^OH⁻​​

يُعدّ تكوين جذور الهيدروكسيل بواسطة التحفيز بالحديد الثنائي (Fe(II)) أمرًا بالغ الأهمية، نظرًا لوجود الحديد الثنائي مرتبطًا بالحمض النووي (DNA) ومُجاورًا له. يسمح هذا التفاعل لبيروكسيد الهيدروجين الناتج عن التحلل الإشعاعي للماء بالانتشار إلى النواة والتفاعل مع الحديد الثنائي لإنتاج جذور الهيدروكسيل، التي بدورها تتفاعل مع الحمض النووي. قد يلعب موقع الحديد الثنائي وارتباطه بالحمض النووي دورًا هامًا في تحديد الركيزة وطبيعة الهجوم الجذري على الحمض النووي. يُنتج تفاعل فنتون نوعين من المؤكسدات، النوع الأول والنوع الثاني. تُعدّ مؤكسدات النوع الأول حساسة بشكل متوسط ​​للبيروكسيدات والإيثانول. ^{[ 5 ]} وتُفضّل مؤكسدات النوع الأول والنوع الثاني قطع الحمض النووي عند تسلسلات مُحددة. ^{[ 5 ]}

يمكن لجذور الهيدروكسيل مهاجمة العمود الفقري لجزيء ديوكسي ريبوز وقواعده، مما قد يُسبب العديد من التلفيات التي قد تكون سامة للخلايا أو مُسببة للطفرات . وقد طورت الخلايا آليات إصلاح معقدة وفعالة لإصلاح هذه التلفيات. في حالة مهاجمة الجذور الحرة للحمض النووي، تُستخدم آلية إصلاح استئصال القاعدة . تبدأ تفاعلات جذور الهيدروكسيل مع العمود الفقري لسكر ديوكسي ريبوز بانتزاع ذرة هيدروجين من ذرة كربون في ديوكسي ريبوز، والنتيجة الرئيسية هي انقطاع السلسلة في النهاية وإطلاق القاعدة. يتفاعل جذر الهيدروكسيل مع ذرات الهيدروجين المختلفة في ديوكسي ريبوز بالترتيب التالي: 5′H > 4′H > 3′H ≈ 2′H ≈ 1′H. يُوازي هذا الترتيب في التفاعل تعرض ذرات الهيدروجين في ديوكسي ريبوز للمذيب. ^{[ 6 ]}

تتفاعل جذور الهيدروكسيل مع قواعد الحمض النووي DNA عبر إضافة روابط باي الغنية بالإلكترونات. تقع هذه الروابط بين ذرتي الكربون C5-C6 في البيريميدينات وذرتي النيتروجين N7-C8 في البيورينات . ^{[ 7 ]} عند إضافة جذر الهيدروكسيل، يمكن تكوين العديد من نواتج تلف القواعد المستقرة. ^{[ 8 ]} بشكل عام، لا تُسبب نواتج إضافة جذر الهيدروكسيل إلى القواعد النيتروجينية انقطاعات مباشرة في السلسلة، إذ تنشأ هذه الانقطاعات أساسًا من تلف السكريات أو من معالجة لاحقة للمواقع الحساسة للقواعد أو الخالية منها، بما في ذلك الآفات المتكونة بعد انقسام الرابطة N-جليكوسيدية وما يتبعه من إزالة بيتا. ^{[ 9 ]}

يؤدي انتزاع ذرة هيدروجين من ذرة الكربون في جزيء 1'-ديوكسي ريبوز بواسطة جذر الهيدروكسيل إلى تكوين جذر 1'-ديوكسي ريبوزيل. يتفاعل هذا الجذر مع الأكسجين الجزيئي، مُكَوِّنًا جذر بيروكسيل الذي يمكن اختزاله ونزع الماء منه لإنتاج 2'-ديوكسي ريبونولاكتون وقاعدة حرة. يُعد الديوكسي ريبونولاكتون مُطَفِّرًا ومقاومًا لإنزيمات الإصلاح، مما يُؤدي إلى تكوين موقع خالٍ من القاعدة. ^{[ 10 ]}

يمكن أن يحدث تلف جذري للحمض النووي أيضًا من خلال تفاعله مع بعض المنتجات الطبيعية المعروفة باسم المركبات المحاكية للإشعاع، وهي مركبات جزيئية تؤثر على الحمض النووي بطرق مشابهة للتعرض للإشعاع. ^{[ 11 ]} تُحدث المركبات المحاكية للإشعاع كسورًا في سلسلتي الحمض النووي عبر هجمات جذرية حرة شديدة التخصص ومتضافرة على جزيئات الديوكسي ريبوز في كلتا سلسلتي الحمض النووي. ^{[ 12 ]}

العديد من المركبات المحاكية للإشعاع هي من نوع الإينيديينات ، والتي تخضع لتفاعل بيرغمان الحلقي لإنتاج ثنائي جذور 1،4-ثنائي هيدروبنزين . يتميز ثنائي جذور 1،4-ثنائي هيدروبنزين بنشاطه العالي، حيث ينتزع ذرات الهيدروجين من أي مانح هيدروجين محتمل.

في وجود الحمض النووي، يقوم ثنائي جذر 1،4-ثنائي هيدروبنزين بانتزاع ذرات الهيدروجين من هيكل سكر الديوكسي ريبوز، وخاصةً من المواضع C-1' وC-4' وC-5'. يؤدي انتزاع الهيدروجين إلى تكوين جذر حر عند ذرة الكربون المتفاعلة. يتفاعل جذر الكربون مع الأكسجين الجزيئي، مما يؤدي إلى انقطاع في أحد خيوط الحمض النووي عبر آليات متعددة. ^{[ 13 ]} يستطيع 1،4-ثنائي هيدروبنزين أن يتموضع بطريقة تمكنه من انتزاع ذرات الهيدروجين القريبة من كلا خيطي الحمض النووي. ^{[ 14 ]} ينتج عن ذلك انقطاع مزدوج في خيطي الحمض النووي، والذي قد يؤدي إلى موت الخلايا المبرمج إذا لم يتم إصلاحه.

تخضع الإينيديينات عمومًا لتفاعل بيرغمان الحلقي عند درجات حرارة تتجاوز 200  درجة مئوية. مع ذلك، فإن دمج الإينيديين في هيدروكربون حلقي ذي عشرة أعضاء يجعل التفاعل أكثر ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية عن طريق تخفيف إجهاد الحلقة للمتفاعلات. وهذا يسمح بحدوث تفاعل بيرغمان الحلقي عند 37  درجة مئوية، وهي درجة الحرارة البيولوجية للإنسان. وقد وُجد أن الجزيئات التي تُدمج الإينيديينات في هذه البنى الحلقية الأكبر حجمًا شديدة السمية للخلايا . ^{[ 15 ]}

توجد الإينيديينات في العديد من المنتجات الطبيعية المعقدة. وقد اكتُشفت لأول مرة في أوائل ثمانينيات القرن الماضي خلال البحث عن منتجات جديدة مضادة للسرطان تنتجها الكائنات الدقيقة. ^{[ 14 ]} وكان الكاليكاميسين من أوائل هذه المنتجات التي تم تحديدها، وقد وُجد في عينة تربة مأخوذة من كيرفيل، تكساس. تُصنّع البكتيريا هذه المركبات كآليات دفاعية لقدرتها على قطع الحمض النووي من خلال تكوين 1،4-ثنائي هيدروبنزين من مكون الإينيديين في الجزيء.

تتشابه مركبات الكاليكاميسين وغيرها من المركبات ذات الصلة في عدة خصائص. تسمح البنية الممتدة المرتبطة بالإينيديين للمركب بالارتباط تحديدًا بالحمض النووي، ^{[ 16 ]} وفي معظم الحالات بالأخدود الصغير للحلزون المزدوج. بالإضافة إلى ذلك، يُعرف جزء من الجزيء باسم "المحفز"، والذي يقوم، في ظل ظروف فسيولوجية محددة، بتنشيط الإينيديين، المعروف باسم "الرأس الحربي"، مما يؤدي إلى توليد 1،4-ثنائي هيدروبنزين.

تم تحديد ثلاث فئات من الإينيديين منذ ذلك الحين: كاليكياميسين، دينيميسين ، والمنتجات القائمة على الكروموبروتين .

تُعرَّف أنواع الكاليكاميسين بمجموعة ميثيل ثلاثي الكبريتيد التي تشارك في تحفيز الجزيء من خلال الآلية التالية. ^{[ 14 ]}

استُخدم الكاليكاميسين والإسبراميسين ، وهما مركبان وثيقا الصلة به، كأدوية مضادة للسرطان نظرًا لسميتهما العالية وخصوصيتهما. ^{[ 14 ]}

يتميز الداينميسين ومشتقاته بوجود نواة من الأنثراكينون والإينيديين. يسمح مكون الأنثراكينون بالارتباط النوعي بالحمض النووي DNA عند الطرف 3' لقواعد البيورين من خلال التداخل ، وهو موقع يختلف عن الكاليكياميسين. تزداد قدرته على قطع الحمض النووي DNA بشكل كبير في وجود NADPH ومركبات الثيول . ^{[ 17 ]} وقد برز هذا المركب أيضًا كعامل مضاد للأورام. ^{[ 17 ]}

تتميز إينيديينات الكروموبروتين بوجود إينيديين كروموفور غير مستقر مرتبط ببروتين أبو .

يكون الكروموفور غير متفاعل عند ارتباطه بالبروتين الخالي من الصبغة. وعند تحرره، يتفاعل لتكوين 1،4-ثنائي هيدروبنزين، ثم يقوم بقطع الحمض النووي.

استُخدمت معظم الإينيديينات، بما فيها تلك المذكورة أعلاه، كمضادات حيوية فعّالة مضادة للأورام لقدرتها على قطع الحمض النووي بكفاءة. يُعدّ الكاليكياميسين والإسبراميسين النوعين الأكثر شيوعًا نظرًا لخصوصيتهما العالية في الارتباط بالحمض النووي، مما يقلل من الآثار الجانبية غير المرغوب فيها. ^{[ 16 ]} وقد ثبتت فائدتهما بشكل خاص في علاج ابيضاض الدم النخاعي الحاد . ^{[ 18 ]}

بالإضافة إلى ذلك، فإن الكاليكاميسين قادر على قطع الحمض النووي بتركيزات منخفضة، مما يثبت أنه أكثر فعالية بما يصل إلى 1000 مرة من الأدرياميسين في مكافحة أنواع معينة من الأورام. ^{[ 19 ]}

إن آلية الجذور الحرة المستخدمة في علاج أنواع معينة من السرطانات تتجاوز الإينيديينات. إذ يُولّد التيرابازامين جذراً حراً في ظروف نقص الأكسجين، بدلاً من آلية التحفيز التي تعتمدها الإينيديينات. ثم يقوم هذا الجذر الحر بتكسير الحمض النووي بطريقة مشابهة لـ 1،4-ثنائي هيدروبنزين، وذلك لعلاج الخلايا السرطانية. ويخضع هذا الدواء حالياً للمرحلة الثالثة من التجارب السريرية.

يُعد الانقسام الاختزالي سمة أساسية للتكاثر الجنسي في حقيقيات النوى . وقد افترض أن الحاجة إلى إصلاح تلف الحمض النووي التأكسدي الناتج عن الجذور الحرة التأكسدية هي قوة دافعة رئيسية في تطور الانقسام الاختزالي ^{[ 20 ] [ 21 ].}