научная статья по теме ФОТОФИЗИКА И ФОТОХИМИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО 5-ФТОРУРАЦИЛА Химия

Текст научной статьи на тему «ФОТОФИЗИКА И ФОТОХИМИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО 5-ФТОРУРАЦИЛА»

ФОТОБИОЛОГИЯ

УДК 535.372:544.522.1

ФОТОФИЗИКА И ФОТОХИМИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО

5-ФТОРУРАЦИЛА

© 2014 г. С. С. Остахов*, М. В. Султанбаев*, С. Л. Хурсан*, Н. М. Шишлов*, Ю. А. Лебедев**, Р. Р. Кинзябулатов**

*Институт органической химии Уфимского научного центра РАН 450054, Уфа, просп. Октября, 71 Е-таИ: chemlum@anrb.ru **Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра РАН 450075, Уфа, просп. Октября, 151 Поступила в редакцию 19.03.2014 г. В окончательном виде 28.03.2014 г.

Исследована флуоресценция и фотохимические процессы в кристаллическом 5-фторурациле (БИ). Методами спектрально-люминесцентной спектроскопии и ЭПР установлено, что при фотооблучении БИ осуществляется фотоиндуцированный перенос электрона и протона, приводящие к образованию трех гидроксо-таутомеров и ион-радикальных пар, которые стабилизируются кристаллической матрицей и люминесцируют при длинах волн эмиссии 375, 415, 455 нм и 530, 555 нм соответственно.

БО1: 10.7868/80023119714050111

Один из главных в фотобиологии вопрос о первичных механизмах действия излучений на основные биохимические компоненты живых клеток не теряет своей актуальности. Важнейшим представителем синтетических аналогов урацила и тимина — структурных элементов ДНК и РНК — является противоопухолевый препарат 5-фтор-урацил (БИ). В то же время ощущается дефицит сведений о фотофизических (излучательный и безызлучательный перенос энергии) и фотохимических (фотоиндуцированный перенос протона (ФПП) и фотоиндуцированный перенос электрона (ФПЭ)) процессах, протекающих в электронно-возбужденных состояниях БИ в растворах и твердом состоянии.

Известно, что присутствие редких таутомер-ных форм нуклеиновых оснований может влиять на репликацию ДНК, приводя к точечным мутациям [1]. 5-Фторурацил обладает флуоресценцией (ФЛ) и в [2, 3] мы впервые экспериментально зарегистрировали индивидуальные спектры ФЛ 4-х из 6-ти возможных (рис. 1) таутомеров А, В, Э и С БИ в нейтральных водных растворах.

Было принято считать, что в Н-связанной кристаллической решетке дегидратированный 5-фтор-урацил существует только в диоксо-форме А [4]. Однако нами обнаружено [5], что при фотооблучении поликристаллического БИ в результате межмолекулярного ФПП наблюдается образование его енольных таутомеров, которые регистрируются по спектрам ФЛ и стабилизируются кристаллической матрицей.

При радиолизе рентгеновскими лучами монокристаллов БИ [6], его водных сернокислых и фосфорнокислых стекол [7], а также сокристал-лов с 1-метилцитозином [8, 9] методом ЭПР обнаружен ФПЭ, сопровождающийся последующим переносом протона и приводящий к образованию Я1 и Я2 радикалов 5-фторурацила (рис. 2).

В фотооблученных поликристаллических образцах БИ зарегистрирована ФЛ при длинах волн эмиссии (^ет) 530 и 555 нм [5], отнесенная нами к люминесценции ион-радикальных пар. Однако эта гипотеза требовала экспериментального обоснования.

0

О^м- -Н

1

Н

A

ОН

Лр

О^^Н

I

Н D

О

О

Н

Б

N

А

НО N Н B

ОН

N

Л

НО N Н E

Б

НО N Н

I

Н

C

ОН

О N Н

Рис. 1. Таутомеры 5-фторурацила.

O

H J\/F

N у

O^NA H

R1

H \

0

H Д^/F N Y

O^N ^ H

1

H R2

Рис. 2. Радикалы 5-фторурацила.

Целью настоящей работы было исследование методами спектрально-люминесцентной спектроскопии и ЭПР процессов ФПП и ФПЭ, приводящих к образованию енольных таутомеров и радикальных пар в поликристаллическом 5-фтор-урациле.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре "8рееогё М-40", скорректированные спектры ФЛ и возбуждения ФЛ — на спектро-флуориметре "СМ-2203". 5-Фторурацил фирмы

"Aldrich" (99.5%) использовали без предварительной очистки. Тонкие слои кристаллических образцов FU готовили упариванием его водных растворов на боковой поверхности кварцевой кюветы (1=2 мм) и облучали светом ксеноновой лампы на длине волны возбуждающего света (^ex) 265 нм непосредственно в кюветном отделении спектрофлуориметра. Интенсивность светового потока определяли c помощью радиационного компенсированного термоэлемента РТН-1У. Ре-комбинационную люминесценцию регистрировали на фотометре с чувствительностью 103 квант/с. Спектры ЭПР регистрировали на спектрометре 3-сантиметрового диапазона "Bruker EMX" (Bruker Biospin GmbH, Германия). В качестве эталонов интенсивности и g-фактора применялись 1,1'-дифенил-2-пикрилгидразил (ДФПГ) (g = = 2.0036) и Bruker Strong Pitch (g = 2.0028). Точность определения величины g-фактора была не хуже ±0.0002.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

По данным рентгеноструктурного анализа установлены 2 кристаллические формы FU: (а) [10] и (б) [11], представленные на рис. 3. Теоретически обосновано существование кристаллической структуры FU (в) (рис. 3) [12]. Обнаружено, что при фотооблучении кристаллических образцов FU в длинноволновом максимуме поглощения -«— ¿0-перехода (^ex = 265 нм) наблюдается изменение спектрального состава флуоресценции (рис. 4а). В необлученных кристал-

(a)

H H

У-N O

F^ )=O--H4 Л

F

У-N

O H H ,O

N4

O и F

H H

NN

-H'

-Q

H

V.N. .К

O--H у H

F O

O

H X /H

N N

F

-a

O

V'H

// N

F-Ty-O

У-N

O H

H

H у O

F

-H

HO

N-4 / \

Y

H H

O

(б) O

H у "O

F

, „ ,.H ^r" ^v H

N N

O I HO

(в)

H у O

F

O

F O F

ж^^н^н h'^^h

O O F F O' .O

N N H^J^^O- N N

H

F

^ H T O

H Y н F

O

F

Рис. 3. Кристаллические формы 5-фторурацила: а [10]; б [11]; в [12].

I, отн. ед. -| 0.8

- 0.6

Н 0.4

\

\

I, отн. ед.

10 8 6 4 2 0

2 1

0

(а)

АЛ

0.06

0.04

0.02

0

250 300 350 400 450 500 1, нм

Рис

0

X, нм

Рис. 4. (а) Спектры ФЛ кристаллического БИ: 1 — не-облученный; 2 — 2 мин облучения; 3 — 20 мин облучения (Хех = 265 нм, 1.5 х 1014 квант/(см2 с), 300 К). (б) Результаты покомпонентного разложения спектра 3 (а). (в) Спектры ФЛ таутомеров БИ в ЩО: 1 — А (Хех = 265 нм); 2 - В (Хех = 305 нм); 3 - Б (Хех = = 320 нм); 4 - С (Хех = 340 нм). (с (БИ) = 10-4 моль/л, рН 7, Т = 300 К).

лических образцах БИ регистрируется одна полоса ФЛ с максимумом Хет = 334 нм (рис. 4а, спектр 1), соответствующая излучению дике-то-формы 5-фторурацила. В процессе фотолиза наблюдается уменьшение интенсивности ФЛ ди-оксо-таутомера А и появление новых полос излучения в коротковолновой "синей" (Хет = 375, 415, 455 нм) и длинноволновой "зеленой" (Хет = 530, 555 нм) областях спектра (рис. 4а, спектры 2, 3).

Результаты интерпретированы нами с позиций ФПП, приводящего к образованию гидрок-со-форм 5-фторурацила и ФПЭ с генерацией радикалов.

Поиски переноса протона под действием света между молекулами, образующими водородную связь, были начаты А.Н. Терениным в 1944 г. Впервые явление ФПП, наблюдаемое в спектрах ФЛ, обнаружено в акридиновых производных при низких температурах [13]. Процесс протекает между молекулами, образующими сильную водородную связь в условиях, когда "лабильный" про-

. 5. 1 — Разностный спектр поглощения, полученный вычитанием спектра необлученного кристаллического FU из спектра фотолизованного FU (АЛ — изменение оптической плотности FU при УФ-облуче-нии). 2 — Спектр возбуждения ФЛ фотооблученного кристаллического FU (время фотолиза 120 мин, Xex = = 265 нм, 1.5 х 1014 квант/(см2 с), Xem = 600 нм, 300 К).

тон находится в поле обеих компонент и может реализоваться в кристаллическом 5-фторурациле (рис. 3).

Доказательством наличия ФПП в кристаллическом FU может служить образование енольных таутомеров B, D и C, спектрально-люминесцентные параметры которых в водных растворах определены в [2, 3]. На рис. 4б приведены результаты покомпонентного разложения спектра 3 (рис. 4а) с помощью программы анализа нелинейных графиков (Origin 8). Как видно из сравнения спектров на рис. 4б и 4в, максимумы ФЛ после фотолиза кристаллического FU в "синей" области Xem = 375, 415, 455 нм удовлетворительно коррелируют с таковыми для минорных таутомеров B, D и С в нейтральных водных растворах: Xem = 378, 414, 434 нм.

Из разностного спектра поглощения 1 на рис. 5, полученного вычитанием спектра необлученного кристаллического 5-фторурацила из его спектра после фотолиза, видно, что УФ-облучение приводит к образованию, как мы полагаем вследствие ФПП, фотопродуктов, поглощающих в видимой области в двух спектральных диапазонах 310-420 нм и 450-550 нм (рис. 5, спектр 1). Это предположение подтверждается тем, что ранее при облучении кристаллического 2-(2',4'-динит-робензил)-пиридина наблюдали ФПП, также приводящий к образованию долгоживущих окрашенных таутомеров, которые регистрируются в спектрах поглощения [14].

Изменения при фотолизе претерпевает и спектр возбуждения ФЛ FU (рис. 5, спектр 2), с учетом спектрального сдвига коррелирующий со спектром ФЛ фотооблученного кристаллическо-

го 5-фторурацила (рис. 4а, спектр 3). Максимум при 275 нм в спектре возбуждения ФЛ соответствует поглощению дикето-формы А 5-фторура-цила. В интервале длин волн 310—420 нм максимумы в спектре возбуждения ФЛ фотолизованного Би при 345, 380 нм (рис. 5, спектр 2) удовлетворительно коррелируют с таковыми в УФ-спектре при 352, 372 нм (рис. 5, спектр 1) и обусловлены, по нашему мнению, образованием гидроксо-форм 5-фторурацила.

В [15] впервые был обнаружен двойной перенос протона в возбужденном состоянии димера 7-аза-индола (7-А1) — модельной структуры, аналогичной Н-связанным парам оснований ДНК аденин-тимин и гуанин-цитозин, с двумя водородными связями, приводящий к фотоиндуцированному образованию таутомерных форм (реакция (1)):

Исходный димер

Таутомер

кV

(1)

Кристаллические структуры Би (рис. 3) имеют димерные фрагменты, в которых между молекулами существуют 2 водородные связи, и ФПП в димерах может приводить к образованию енольных форм В, Э и С 5-фторурацила по реакциям (2), (3) и (4) соответственно.

и-

О Б

М

о и

и

и

и

О

к

и—А ^и

О Б

>"Ч

О и

и I

\ О

и

(2)

Б

О

и и

Б—(А ^О

О и

и—£ В м-и Б О

и и

и

О

к

О

и

и

и и

и

I

О

(3)

N=1

N и и

и

О=^ А и

N4

и

О

Ь''

и

к

О=\ с и

■ О

и 1

О и

и-м а ) о

и

Б

N

с О и Б

В отличие от растворов, где в условиях кето-енольного равновесия гидроксо-формы Би присутствуют в минорных количествах, в твердом состоянии они стабилизируются кристаллической матрицей и накапл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком