Electron spin resonance of free radicals formed from DNA and its constituents on X-ray irradiation : influence of matrices, additives, dose, temperature and time

Abstract

Electron spin resonance (ESR) studies were performed on free radicals formed upon X ray irradiation on DNA, its constituents and model compounds like fluorouracil and its derivatives. One aim of this thesis was to understand the much debated mechanism of radical formation in irradiated frozen aqueous solutions of DNA. In things matrix, DNA separates from the bulk ice as an inhomogeneous mass and mimics biological conditions. Fluorouracil (FU) and its derivatives were used as model compounds utilizing the large fluorine hyperfine splitting as a tool of radical identification. Glassy low temperature matrices were employed for comparison with frozen aqueous solutions. Electron scavengers like Na2S2O8 and K3Fe[CN]6 were used to enhance the contribution of oxidized radicals. This study gave evidence of direct irradiation action in the frozen aqueous system. The study was extended to frozen aqueous solutions containing DNA; where irradiation dose as well as electron and hole scavengers were used to modulate the formation of radicals. From spectra reconstruction utilizing isolated component patterns the formation of sugar based radicals and guanine cation radicals at low temperatures were observed which supports the direct effect of irradiation. Another aim was to study the hypothesis of electron transfer from DNA anions to the doped additives in post irradiation time phase. Time dependent quantitative ESR studies were done on DNA and on its complexes with mitoxantrone and riboflavin, deoxy ribonucleotides of thymine and cytosine and their complexes with mitoxantrone in 7 M LiBr glass. No transfer of electrons was observed but differential decay behavior with time of the radicals on DNA and the additive, respectively, was found.

Elektronen Spin Resonanz (ESR) Untersuchungen wurden an den freien Radikalen durchgeführt, die nach Röntgenbestrahlung an der DNA, ihren Komponenten und an Modell-Substanzen, wie Fluoruracil und seinen Derivaten, gebildet werden. Ein Ziel dieser Arbeit war es, den vielfach diskutierten Radikalbildungsmechanismus in gefrorenen wässrigen DNA-Lösungen besser zu verstehen. In dieser Matrix separiert sich die DNA als inhomogene Masse vom Eis und bildet so biologische Bedingungen nach. Fluoruracil (FU) und seine Derivate stellten Modellsysteme dar, deren große Fluor-Hyperfeinaufspaltung zur Radikalidentifizierung genutzt wurde. Tieftemperatur-Gläser wurden zum Vergleich mit den gefrorenen wässrigen Lösungen bearbeitet. Elektronenfänger wie Na2S2O8 und K3Fe[CN]6 wurden eingesetzt, um den Anteil oxidierter Radikale zu vergrößern. In dieser Untersuchung ergaben sich Hinweise auf eine direkte Strahlenwirkung im gefrorenen wässrigen System. Sie wurde auf gefrorene wässrige Lösungen von DNA ausgeweitet, wobei durch die Strahlendosis und den Einsatz von Elektron- und Loch-Fängern die Radikalbildung moduliert wurde. Aus der Spektrenrekonstruktion mit isolierten Mustern der Komponenten wurde auf die Bildung von Zuckerradikalen und Guanin Kationradikalen bei tiefen Temperaturen geschlossen, was auf die direkte Wechselwirkung der Strahlung hinweist. Ein weiteres Ziel war es, die Hypothese eines Elektronentransfers von den DNA-Anionen zu den zudotierten Additiven in der Zeit nach der Bestrahlung zu untersuchen. Zeitabhängige quantitative ESR-Untersuchungen wurden an DNA und ihren Komplexen mit Mitoxantron und Riboflavin, an Desoxyribonukleotiden des Thymins und Cytosins und deren Komplexen mit Mitoxantron in 7 M LiBr Glas durchgeführt. Es wurde kein Elektrontransfer beobachtet, sondern vielmehr ein zeitabhängiger differentieller Zerfall der Radikale an der DNA und am Additiv gefunden.