ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 5, с. 368-371
= ФОТОХИМИЯ
УДК 535.37
ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСАКАРБОЦИАНИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ В РАСТВОРАХ И В КОМПЛЕКСАХ С ДНК
© 2015 г. П. Г. Пронкин, А. С. Татиколов
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН 119334, Москва, ул. Косыгина, 4
E-mail: pronkinp@gmail.com Поступила в редакцию 22.01.2015 г. В окончательном виде 25.02.2015 г.
Методом импульсного фотолиза изучены фотоизомеризация и обратная термическая изомеризация, а также спектрально-кинетические свойства триплетного состояния оксакарбоцианиновых красителей: 3,3'-диэтилоксакарбоцианиниодида (ОК1), 3,3'-диметил-9-этилоксакарбоцианинио-дида (ОК2), 3,3',9-триэтил-5,5'-диметилоксакарбоцианиниодида (ОК3) в растворах и в комплексах с ДНК. При импульсном фотовозбуждениии для ОК1—ОК3 наблюдались процессы фотоизомеризации, получены дифференциальные спектры поглощения фотоизомеров. Образование комплексов ОК1—ОК3 с ДНК затрудняет фотоизомеризацию и приводит к росту квантового выхода три-плетного состояния красителей. Дезактивация триплетного состояния протекает по двухэкспонен-циальному закону, что указывает на возможность образования комплексов двух различных типов. Изучены процессы тушения триплетного состояния ОК3 кислородом в растворах и в комплексах с ДНК.
DOI: 10.7868/S0023119315050113
Изучение фотоники красителей в комплексах с полимерами биологической природы (нуклеиновыми кислотами, белками, пептидами) имеет важное значение, поскольку именно изменения фотофизических и фотохимических свойств при комплексообразовании зачастую определяют возможность практического применения красителей и родственных соединений в биологии и медицине [1]. Поиск и совершенствование лекарственных препаратов фотодинамической терапии, выявление механизма действия фотосенсибилизаторов являются актуальными задачами современной фотохимии. Все перечисленное требует детального изучения фотопроцессов в молекулах сенсибилизаторов в комплексах с биополимерами. Это определяет необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований в данной области.
В этом отношении значительный интерес привлекают к себе полиметиновые (цианиновые) красители. Наличие гибкой полиметиновой цепи определяет быструю диссипацию энергии возбужденного электронного состояния по механизмам фотоизомеризации (или безызлучательной дезактивации), которые успешно конкурируют с процессами флуоресценции и интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние ^ Т [2—4]. Квантовые выходы флуоресценции и триплетно-го состояния полиметиновых красителей могут значительно возрастать в условиях, при которых
цис-транс изомеризация затруднена [2, 4], например, при образовании комплексов с биополимерами [5, 6].
Известно, что катионные оксакарбоцианино-вые красители могут взаимодействовать с ДНК с образованием устойчивых нековалентных комплексов [7, 8]. Однако влияние взаимодействия с ДНК на фотоизомеризацию и свойства триплетного состояния оксакарбоцианиновых красителей практически не было изучено ранее.
В настоящей работе методом импульсного фотолиза изучены фотоизомеризация и обратная термическая изомеризация, а также спектрально-кинетические свойства триплетного состояния оксакарбоцианиновых красителей: 3,3'-диэти-локсакарбоцианиниодида (ОК1), 3,3'-диметил-9-этилоксакарбоцианиниодида (ОК2), 3,3',9-три-этил-5,5'-диметилоксакарбоцианиниодида (ОК3) в растворах и в комплексах с ДНК.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерения спектров поглощения красителей проводились на спектрофотометре СФ-2000 (Россия). Для изучения фотоизомеризации и три-плетного состояния красителей использовалась установка импульсного фотолиза с возбуждением ксеноновой лампой (~50 Дж при т1/2 = 7 мкс). При регистрации триплетного состояния растворы красителей обескислороживали на вакуумной
0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0
0.005 0.010
(а)
(б)
о
2
о /о А
/о X
/о \
л
- 7 / п
- Лч 7 \ а
ГУ
1. 111111
10 8
'о 6
лГ 4 2
400
сок1/сд
(в)
80
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
1
0.03 0.02 0.01
0
0.001
0.002 0.003
0.04
а — Дифференциальный спектр поглощения ОК2 (1), полученный в воздушно-насыщенном растворе фосфатного буфера методом импульсного фотолиза (сок2 = 7-0 х 10-7 моль л-1), Т-Т — спектры поглощения ОК3 в фосфатном буфере при сенсибилизации нафталином (2) и в присутствии ДНК (3; Сднк = 4.4 х 10-5 моль л-1); б — зависимость константы скорости обратной термической изомеризации (к¡) ОК1 от концентрации ДНК; в — кинетика сигнала Т-Т-по-глощения ОК3 = 620 нм).
установке. При сенсибилизации триплетного состояния красителей фотовозбуждение проводилось через светофильтры УФС-5, в качестве сенсибилизатора использовался 1-нафталинсульфонат натрия (х. ч.; ЕТ = 21200 см-1) [9]. В экспериментах по тушению триплетных состояний кислородом для определения давления воздуха в рабочей кювете использовалась манометрическая установка.
Оксакарбоцианиновые красители ОК1—ОК3 предоставлены НИИХИМФОТОПРЕКТ (Шапиро Б.И.), ДНК цыпленка была коммерческой (Ре-анал, Венгрия). Концентрация ДНК определялась с использованием коэффициента экстинкции пары оснований е = 13200 л моль-1 см-1 при длине волны 250 нм [10]. Спектры поглощения измерялись на спектрофотометре СФ-2000 (Россия).
Измерения проводились в изопропаноле (х. ч.) и в водном растворе фосфатного буфера (рН 7, концентрация 20 ммоль л-1) при комнатной температуре (21 ± 2° С).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Фотоизомеризация. При импульсном фотовозбуждении воздушно-насыщенных растворов ОК1-ОК3 были зарегистрированы сигналы поглощения и выцветания, вызванные процессами фотоизомеризации и темновой обратной изомеризации образующегося фотоизомера. Критери-
ем, устанавливающим отнесение сигналов к фотоизомерам оксакарбоцианинов, служило отсутствие влияния кислорода на наблюдаемые сигналы, поскольку фотоизомеры цианиновых красителей образуются, как правило, из 81-состо-яния красителей, имеющего слишком короткое время жизни (сотни пикосекунд), чтобы тушиться кислородом воздуха [11, 12].
На дифференциальных спектрах ОК1 максимумы выцветания (к = 480 нм) приблизительно совпадают с полосой поглощения красителя, а максимумы поглощения (к = 505 нм) находятся в длинноволновой области. Величина наблюдаемой константы скорости гибели фотоизомера (^) не зависит от длин волн возбуждения и регистрации и составляет 9.0 с-1. Поскольку незамещенные окса-карбоцианиновые красители присутствуют в растворах в виде транс-изомеров, наблюдаемый фотоизомер соответствует цис-конфирурации (изомеризация по связи С2-С8) [13]. Значения ki для мезо-замещенных ОК2 и ОК3 оказались на три порядка выше: 1.5 х 104 и 1 х 104 с-1; положение максимумов поглощения в спектрах ~520 нм (спектр фотоизомера ОК2 приведен на рис. а, кривая 1). Интенсивность сигналов фотоизомеров ОК2 и ОК3 значительно ниже чем для ОК1, что характерно для других мезо-замещенных карбоциани-новых красителей [13] и может объясняться нали-
370
ПРОНКИН, ТАТИКОЛОВ
чием примесей цис-форм красителей, фотоизомеризация которых не происходит [14, 15].
Известно, что транс- и цис-изомеры мезо-за-мещенных тиа- и оксакарбоцианиновых красителей в растворах находятся в равновесии, которое зависит от полярности среды [13, 16]. Высокие к1 для ОК2 и ОК3 можно объяснить стерическим влиянием мезо-заместителей, выводящим концевые гетероциклические фрагменты молекул красителей из плоскости, что приводит к росту энергии цис- и транс-изомеров и соответствующему понижению потенциального барьера термической изомеризации в основном состоянии [5, 17].
Образование нековалентных комплексов краситель—ДНК затрудняет процессы фотоизомеризации, для ОК1 при Сднк = 2.39 х 10-4 моль л-1 в 2.5 раза уменьшается интенсивность поглощения фотоизомера, в 5 раз увеличивается время жизни фотоизомера ОК1 (рис. б). При импульсном фотолизе воздушно-насыщенных растворов ОК2 и ОК3 при Сднк = 4.4 х 10-5 моль л-1 и выше сигналы фотоизомеров не наблюдались.
Свойства триплетного состояния. Критерием отнесения сигналов при импульсном фотолизе к триплетным состояниям оксакарбоцианинов служило тушение кислородом воздуха наблюдаемых сигналов [9]. При прямом импульсном фотовозбуждении обескислороженных растворов ОК1-ОК3 в фосфатном буфере и изопропаноле сигналы, соответствующие триплет-триплетному (Т-Т) поглощению, не наблюдались, что обусловлено низкими значениями констант скоростей интеркомбинационной конверсии по сравнению с константами скоростей конкурирующих процессов.
При сенсибилизации триплетного состояния ОК3 1-нафталинсульфонатом натрия (концентрация сенсибилизатора 3.0 х 10-3 моль л-1) получены сигналы Т-Т-поглощения красителя (^тах = = 640 нм) с константой скорости гибели кТ = = 2900 с-1 (рис. а, кривая 2).
Введение ДНК в раствор оксакарбоцианинов приводит к возрастанию квантового выхода триплетного состояния молекул, поскольку комплек-сообразование затрудняет процессы фотоизомеризации и колебательной (безызлучательной) дезактивации, что дает возможность регистрировать спектры триплет-триплетного поглощения связанных красителей непосредственно при прямом фотовозбуждении (рис. а, кривая 3).
В присутствии ДНК кинетики гибели Т-состо-яния красителей являются двухэкспоненциаль-ными как и в случае тиакарбоцианинов [5, 6]: [-^уе*] = ^1ехр(-к1?) + ^2ехр(-к20, константы скорости гибели триплетного состояния существенно различаются (для ОК3 к1 ~ 15000 с-1, к2 ~ ~ 800 с-1; рис. в). Это может свидетельствовать о
возможности связывания молекул красителей с ДНК двумя различными способами [18]. Образование комплексов краситель-ДНК может проходить как путем связывания молекул красителей на поверхности спирали ДНК (в малом желобе), так и путем интеркаляции молекул красителя между парами оснований ДНК [19]. В комплексах краситель-ДНК различных типов (образуемых путем интеркаляции и поверхностного связывания) триплетные состояния связанных молекул красителя будут обладать различными спектрально-кинетическими характеристиками, что будет отражаться в биэкспоненциальном характере кинетики гибели триплетного состояния [5, 6, 20].
Было изу
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.