05_ef_fotodyn.pdf

EFEKT FOTODYNAMICZNY

Zagadnienia do przygotowania:

stany wzbudzone cz ą steczek, multipletowo ść , stan singletowy, stan tripletowy,

zjawisko fluorescencji, zjawisko fosforescencji, wolne rodniki, reaktywne formy tlenu,

wzory chemiczne aminokwasów, zasad purynowych i pirymidynowych, peroksydacja

lipidów.

Wprowadzenie

Efekt fotodynamiczny (FD) to zespó ł zjawisk indukowanych ś wiat ł em

w obecno ś ci uczulacza i tlenu prowadz ą cych do trwa ł ego uszkodzenia struktur

i zaburzenia funkcji uk ł adów biologicznych. U podstaw efektu le żą reakcje

fotouczulane (RF), w których energia promieniowania poch ł oni ę ta przez odpowiedni

chromofor (uczulacz) jest wykorzystywana do przemian chemicznych substratu

takich jak utlenianie, redukcja, izomeryzacja, przy łą czanie pewnych grup lub

degradacja.

Gdy w RF bierze udzia ł tlen cz ą steczkowy to okre ś lamy je mianem reakcji

fotouczulanego utleniania (FU). Ko ń cowy efekt dzia ł ania ś wiat ł a w obecno ś ci tlenu

i uczulacza jest wynikiem nie tylko reakcji fotoutleniania ale równie ż wielu procesów

wtórnych, cz ę sto nie zwi ą zanych bezpo ś rednio z samym fotoutlenieniem.

Zatem do ko ń cowych skutków feakcji fotouczulanych nale żą :

– peroksydacja lipidów i zmiana p ł ynno ś ci b ł on komórkowych

– powstawanie wi ą za ń krzy ż owych pomi ę dzy cz ą steczkami bia ł ek, bia ł ek

i lipidów oraz bia ł ek i DNA

– anomalie i zatrzymanie podzia ł ów komórkowych

– zanik zdolno ś ci naprawy DNA

– mutacje

– ś mier ć komórki

U zwierz ą t wy ż szych obserwuje si ę zaczerwienienia skóry, opuchlizn ę ,

nekroz ę tkanki i ogólne zatrucie organizmu, je ż eli produkty reakcji fotouczulanej

przedostan ą si ę do krwioobiegu lub gdy nast ą pi tworzenie fotouczulacza

w organizmie (np. synteza nietypowej dla organizmu porfiryny).

Molekularne tarcze efektów fotodynamicznych

W celu ustalenia najbardziej prawdopodobnej tarczy uczulanego

fotoutleniania i poznania mechanizmów molekularnych prowadz ą cych do

uszkodzenia lub ś mierci komórki badano fotolabilno ść sk ł adników komórkowych,

takich jak: bia ł ka strukturalne i enzymatyczne, kwasy nukleinowe, lipidy b ł on.

Białka

Wykazano, ż e fotouczulane utlenianie bia ł ek powoduje utrat ę ich

biologicznych funkcji. Fotouczulana inaktywacja enzymów wynika z destrukcji

wa ż nych reszt aminokwasowych w miejscu aktywnym lub w bliskim otoczeniu

miejsca aktywnego. Dzia ł anie fotodynamiczne niszczy w ł a ś ciwo ś ci antygenowe

bia ł ek i pozbawia je zdolno ś ci oddzia ł ywania z przeciwcia ł em.

Wyra ź nym modyfikacjom ulegaj ą g ł ównie reszty aminokwasów aromatycznych

(histydyna, tyrozyna, tryptofan) oraz siarkowych (metionina, cysteina).

Modyfikacje konformacyjne bia ł ek wp ł ywaj ą na zmiany :

– rozpraszania ś wiat ł a

– ruchliwo ś ci elektroforetycznej

– rozpuszczalno ś ci

– lepko ś ci

– w ł asno ś ci sedymentacyjnych

– wra ż liwo ś ci na temperatur ę i enzymy proteolityczne

– liczby grup -SH

Lipidy

Wa ż n ą grup ę zwi ą zków podatnych na fotoutlenianie stanowi ą nienasycone

lipidy (kwasy t ł uszczowe, trójglicerydy, fosfolipidy) oraz zwi ą zki rozpuszczalne

w nienasyconych lipidach (cholesterol, β -karoten, sterole, tokoferole, witamina D).

W wyniku fotouczulanego utleniania nast ę puje peroksydacja lipidów, której efektem

jest:

– wzrost przepuszczalno ś ci b ł ony dla jonów

– utrata p ł ynno ś ci b ł ony

– utworzenie wi ą za ń krzy ż owych mi ę dzy cz ą steczkami lipidów i bia ł ek

– inaktywacja enzymów i receptorów b ł onowych

Procesy te prowadz ą do destrukcji b ł on biologicznych i mog ą by ć ź ród ł em

kancerogenezy.

Kwasy nukleinowe

Utrata aktywno ś ci biologicznej kwasów nukleinowych pod wp ł ywem dzia ł ania

fotodynamicznego jest wynikiem fotoutlenianej destrukcji guaniny. Wykazano, ż e

reakcje wtórne zachodz ą ce ju ż po samym fotoutlenieniu mog ą prowadzi ć do

kowalencyjnego sprz ę gania cz ą steczek kwasów nukleinowych i bia ł ek.

Uczulane fotoutlenianie kwasów nukleinowych powoduje utrat ę zdolno ś ci

zaka ź nych wirusowego RNA i DNA, utrat ę aktywno ś ci transformuj ą cej DNA,

hamowanie aktywno ś ci translacyjnej oraz zmian ę w ł a ś ciwo ś ci antygenowych.

Obserwuje si ę równie ż zmiany:

– lepko ś ci

– temperatury topnienia DNA

– zachowania polarograficznego

– wra ż liwo ś ci na enzymy proteolityczne

Ze wzgl ę du na sw ą lokalizacj ę , kwasy nukleinowe w uk ł adach komórkowych

s ą jednak ma ł o prawdopodobnym celem dla promieniowania widzialnego .

Dla ka ż dego uczulacza i obiektu poddanego promieniowaniu pierwotne

uszkodzenia mog ą by ć ró ż ne. Czy wcze ś niejsze s ą modyfikacje bia ł ek

strukturalnych czy funkcjonalnych, lipidów b ł on, DNA czy RNA, oraz jakie funkcje

komórek naj ł atwiej zaburzy ć – to wszystko zale ż y od natury uczulacza, jego

mikrotopografii w komórce, od przepuszczalno ś ci b ł on i od efektywno ś ci

komórkowych mechanizmów ochronnych.

Mechanizm efektu fotodynamicznego

Schemat reakcji fotouczulanych mo ż na przedstawi ć nast ę puj ą co:

3 O 2

R *

A ox

Typ 1

3 O 2

S *

1 O 2

A ox

Typ 2

Typ 3

gdzie:

S i S *

–

stan podstawowy i wzbudzony uczulacza

–

substrat reakcji fotouczulanych

3 O 2 i 1 O 2

–

stan podstawowy (tripletowy – spiny elektronów równoleg ł e)

i elektronowo wzbudzony (singletowy – spiny elektronów

antyrównoleg ł e) tlenu cz ą steczkowego

R˙

–

rodnikowa forma substratu

A ox

–

produkt fotoutleniania

–

produkt reakcji fotoutleniania bez udzia ł u tlenu

W reakcjach fotouczulanych typu 1 produkt powstaje w wyniku oddzia ł ywania

rodnikowych form substratu z tlenem cz ą steczkowym w stanie podstawowym. Formy

rodnikowe substratu powstaj ą w reakcji substratu ze wzbudzonym uczulaczem.

W reakcjach typu 2 energia wzbudzenia uczulacza jest wykorzystywana do

aktywacji tlenu cz ą steczkowego, czyli do tworzenia wysoce reaktywnych form tlenu

singletowego. W reakcjach typu 3 elektronowo wzbudzony uczulacz indukuje

przeniesienie elektronu (lub wodoru) mi ę dzy cz ą steczkami substratu i uczulacza lub

przy łą czenie uczulacza do substratu – wytworzenie adduktów.

Promieniowanie poch ł oni ę te przez uczulacz wzbudza jego cz ą steczki przenosz ą c

elektrony walencyjne na wy ż sze poziomy energetyczne:

S + h ν 6 1 S*

przej ś cie w stan singletowy wzbudzony

Czas ż ycia tego stanu jest rz ę du piko-, nanosekund i zale ż y od efektywno ś ci

procesów dezaktywacji:

1 S *

S + h ν F

emisja promieniowania w postaci

fluorescencji

1 S *

S + ciep ł o

wewn ę trzna konwersja, czyli

bezpromienista dyssypacja energii

1 S *

3 S *

interkombinacyjna konwersja, czyli

przej ś cie bezpromieniste ze stanu

singletowego w tripletowy

1 S *

S + hv P

emisja promieniowania w postaci

fosforescencji

Czas ż ycia wzbudzonego stanu tripletowego jest stosunkowo d ł ugi – rz ę du mikro-,

milisekund. Z uwagi na to prawdopodobie ń stwo wykorzystania energii wzbudzenia

jest znacznie wi ę ksze ni ż dla stanu singletowego. Ponadto stan tripletowy umo ż liwia

efektywny transfer energii na cz ą steczki tlenu, które w stanie podstawowym s ą

tripletami.

Mechanizmy wykorzystania energii wzbudzenia uczulacza mog ą by ć ró ż ne.

Proponuje si ę kilka schematów:

1. S * + A

S + A

gaszenie

2. S * + 3 O 2

1 O 2 * + S

mi ę dzycz ą steczkowy transfer

1 O 2 * + A

A o x

energii, aktywacja O 2 , powstanie

1 O 2 , który jest odpowiedzialny za reakcje

typu 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: