只存在万亿分之一秒,自由基对细胞和DNA的破坏,为什么却这大?

2022-05-12 19:43:05 云南 物理
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自由基是具有未配对电子的原子或分子,可以对身体造成严重破坏,自由基就像被抛弃的情人,四处游荡去寻找另一个电子,最后留下了破碎的细胞、蛋白质和DNA。羟基自由基是化学上最具攻击性的自由基,其存留时间仅为万亿分之一秒。当细胞中最丰富的分子水受到辐射,使其失去一个电子时,它们就形成了。在之前的研究中,能源部阿贡国家实验室科学家琳达·杨领导的研究团队观察到了这些自由基的超快诞生。

这一过程在阳光诱导的生物破坏、环境修复、核工程和太空旅行等领域具有重要意义。现在研究团队,包括能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员,已经梳理出羟基的独特化学指纹,这将有助于科学家追踪它在复杂生物环境中引发的化学反应,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

在SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)自由电子激光器上:科学家们用仅持续百万亿分之一秒的X射线脉冲,探测到了令人难以置信的短暂的羟基自由基。研究用X射线照射一束薄薄的激光电离水,X射线的能量精确到激发自由基深处的电子,所以他们跳到了一个特定的更高轨道上。

当电子稳定回到它们原来的轨道时,其中一小部分会发射带有自由基独特签名或光谱的X射线。研究小组使用新的理论工具精确计算了这些X射线光谱,并破译了它们包含的信息。为了跟进,研究小组将研究电离辐射以更高的时间分辨率,分解水的最初时刻发生了什么,以了解更多关于这一过程的信息。

沿着这条路走下去,希望在碱性环境中研究类似的过程,这些过程既对基础感兴趣,也对核废物修复等紧迫应用感兴趣,这需要了解在经历持续辐射轰炸的储罐中发生的复杂化学物质。共振非弹性X射线散射(RIXS)为研究液体中超快动力学提供了极好的机会。在这里,研究人员用RIXS研究了液态水中重要的羟基自由基OH(AQ)。

纯液态水的脉冲电离产生了一个短暂OH(Aq)群体,这是用x射线自由电子激光飞秒x射线探测到的。研究发现,RIXS揭示了被强电荷转移跃迁掩盖在紫外吸收光谱中的局域电子跃迁,从而为研究水和多相环境中羟基自由基的电子结构和反应活性提供了一种方法,第一原理计算提供了主要光谱特征的解释。

博科园|研究/来自:SLAC国家加速器实验室

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.236001

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