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作者:Ryan Hopkins
在北半球，这大约是一年中的这个时候，我们开始注意到白天变长，太阳开始显示出冬天的阴云。冬天还很长，但很快温暖和阳光就会全面回来。太阳的回归意味着更多的户外时间，但随之而来的是不那么令人愉快的紫外线。紫外线会对我们的皮肤造成伤害，从晒黑到晒伤，再到有害的皮肤癌。这是我们都知道的，但它究竟是如何发生的呢?紫外线如何在细胞中发生反应是一个令人着迷的过程，我希望了解它能让你在今年春天回到阳光下之前思考一些有趣的事情!
紫外线伤害细胞的一种方式是直接破坏DNA。这是我们很多人每年春夏都会被提醒的事情——这是晒伤的原因!顾名思义，当紫外线光子照射到DNA时，DNA就会发生直接损伤。DNA是一种非常大的分子，通常会吸收紫外线光子照射时获得的能量，然后迅速以热量的形式释放能量。在DNA吸收能量后和散热前的一段时间内，它处于更高的能量状态，反应性更强;反应时间越短，DNA发生有害反应的可能性就越小。事实证明，DNA在快速消耗额外能量方面非常有效，所以它被紫外线照射时受损的概率不到0.1%。在损害确实发生的情况下，它是如何发生的?兴奋的DNA有不同的反应方式，但两个碱基对的融合是最常见的。如果两个嘧啶碱基对(胸腺嘧啶或胞嘧啶)相邻，两个环可以融合在一起。 This type of reaction, called a pericyclic reaction, is possible because of how close the rings are and how their symmetries align. The formation of a four-carbon ring between the pyrimidines makes it difficult for DNA replication enzymes to determine what base pairs should be across from the fused pyrimidines. A copying mistake like this can change how the DNA encodes a protein, resulting in an abnormal protein. If the mutation occurs in an area which codes DNA repair enzymes or tumor suppressing proteins, this mutation could lead to cancer.
紫外线也会间接损害DNA。怎么做?故事要从黑色素说起，黑色素是由生物体产生的一类化合物
有时，这种保护并不像预期的那样起作用。紫外线辐射要么会导致黑色素发生反应，要么会击中一个不能消耗能量的分子，比如氨基酸。当这种情况发生时，被激发的分子可以激发相邻的氧原子，将稳定的分子变成反应性的物种。氧在激发态，高能量状态下不太稳定，所以它会与细胞中碰撞的任何蛋白质或脂质发生反应，以回到更稳定，更低的能量状态。虽然它可以破坏细胞中的各种分子，但当它击中DNA时，破坏最大。当一个兴奋的氧撞击DNA时，它会引起鸟嘌呤到胸腺嘧啶的转化，这意味着嘌呤鸟嘌呤被嘧啶胸腺嘧啶取代。在DNA直接损伤的情况下，这种突变改变了DNA转化为蛋白质的方式，可能是潜在的有害的。这种类型的DNA损伤之所以特别危险，部分原因是它是由激发的氧分子引起的，而不是紫外线本身。对于活性氧来说，激发氧的寿命异常长，因此损伤可能发生在皮肤细胞以外的细胞中。
如果被激发的氧气与过氧化氢分子碰撞，也会造成损害。过氧化氢分子与家用消毒剂中的化合物相同。过氧化氢在线粒体中产生，是细胞呼吸作用的副产物。细胞通常会将过氧化氢转化为水，但有些分子会逃脱这一过程。如果一个被激发的氧撞击过氧化氢，过氧化氢一分为二，形成两个羟基自由基。羟基自由基是一个氢原子与一个氧原子结合，并有一个未配对的电子(这就是为什么它是自由基)。电子总是喜欢成双成对的，所以有一个未成对的电子会使化合物反应性很强。羟基自由基可以附着在DNA的主干上(脱氧核糖)，这可以导致DNA链断裂或释放一个碱基对。这两种结果对DNA或细胞都是非常有害的。
然而，我们的身体不会躺下来接受命运——有许多防御机制来保护和减轻伤害。当直接的DNA损伤将两个碱基对融合在一起时，DNA在正常的双螺旋形状上有一个凸起。几种酶在DNA周围寻找这种异常。当他们发现这样一个凸起时，他们会激活修复蛋白，切除DNA的受损部分，并放入正确的碱基对。这整个过程被称为核苷酸切除修复。间接DNA损伤的影响很难检测，因为反转不会导致扭曲的螺旋。修复这种损伤的机制被称为基底切除修复。被称为DNA糖苷酶的酶会清除因转换而错位的碱基对;其他酶会打开DNA的主干，这样DNA构建酶就可以进来，用正确的碱基对填补空缺。我们的身体也有长期帮助我们的机制。 Direct DNA damage signals the production of additional melanin, so that the next time the skin is exposed to UV light, more can be harmlessly absorbed by the melanin. This means that anytime you become more tan after being outside, there was direct DNA damage! So give your DNA a break and apply sunscreen the next time you're enjoying the sun!
注:我画的图片，所以如果你看到任何错误或想要另一个反应显示，请评论!
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