background image

 

1

Dr Agnieszka Wolnicka-Głubisz 
 
Zagadnienia do przygotowania: 
 
Prawo Lamberta-Beera, absorbancja, stany wzbudzone cząsteczek (diagram Jabłońskiego), 
stan singletowy, stan tripletowy, zjawisko fosforescencji i fluorescencji, wolne rodniki, 
reaktywne formy tlenu, tlen singletowy 
 

Efekt fotodynamiczny 

 
Wprowadzenie 
 
Reakcje  fotouczulane to zespół zjawisk fotofizycznych i fotochemicznych, w których 
energia promieniowania, pochłonięta prze odpowiedni chromofor (uczulacz, 
fotosensybilizator) jest wykorzystana do indukcji przemian chemicznych substratu
 , 
takich jak utlenienie, redukcja, izomeryzacja, degradacja. Wiele substancji chemicznych  
może absorbować energię świetlną (energie promieniowania) i zamieniać ją w energie 
chemiczną.  Należą do nich zarówno barwniki endogenne występujące w organizmach 
roślinnych i zwierzęcych (chlorofil, bilirubina, retinal)  jak i egzogenne związki i leki: 
ksantyny, akrydyny, antybiotyki, antracykliny, leki psychotropowe (chlorpromazyna) i 
moczopędne.  
 
Gdy w reakcjach fotouczulanych bierze udział tlen cząsteczkowy (

3

O

2

)  to określany je 

mianem reakcji  fotouczulanego utleniania. Końcowym efektem działania światła w 
obecności tlenu i uczulacza jest nie tylko wynikiem działania reakcji fotoutlenienia, ale 
również wielu procesów wtórnych. W przypadku komórek mogą to być np. zmiana płynności 
błon, powstanie wiązań krzyżowych pomiędzy cząsteczkami białek, białek i lipidów, białek i 
DNA, zatrzymanie proliferacji komórek, utrata zdolności naprawy DNA, mutacje, śmierć 
komórki (apoptoza, nekroza). 
Zespól zjawisk wzbudzanych światłem w obecności uczulacza (fotosensybilizatora) i 
tlenu cząsteczkowego prowadzącego do trwałych uszkodzeń struktury i funkcji układu 
biologicznego nazywamy EFEKTEM FOTODYNAMICZNYM. 
 
Substraty reakcji fotouczulanych  
 
Substratem reakcji fotouczulanych, w zależności od natury i mikrotopografii fotouczulacza w 
komórce są składniki błon komórkowych, cytoplazmy, organelli komórkowych czy nawet 
jądra komórkowego.  
 
Lipidy 
 
Ważną grupę związków podatnych na fotoutlenianie stanowią: nienasycone lipidy 
(nienasycone kwasy tłuszczowe, trójglicerydy, fosfolipidy) i związki rozpuszczalne w 
nienasyconych lipidach (cholesterol, 

β-karoten, sterole, tokoferole, witamina D i 

prostaglandyny). 
Związki te w wyniku działania reakcji fotouczulanego utlenienia ulegają peroksydacji, co 
wpływa na : 
•  wzrost przepuszczalności błon dla jonów 

•  zmianę płynności błony 
•  tworzenie się wiązań krzyżowych między cząsteczkami lipidów i białek 

background image

 

2

•  inaktywację receptorów błonowych 
Procesy te mogą prowadzić do destrukcji błon biologicznych i śmierci komórki. 
 
Białka 
 
Do najbardziej podatnych na  fotouczulane utlenianie należą aminokwasy aromatyczne 
(histydyna, tyrozyna, tryptofan) lub zawierające siarkę (metionina, cysteina). Modyfikacje 
konformacyjne reszt aminokwasowych wpływają na zmianę własności fizyko-chemicznych 
białek: 
•  rozpraszanie światła,  

•  ruchliwość elektroforetyczną,  
•  rozpuszczalność,  

•  lepkość,  

•  sedymentację,  
•  wrażliwość na temperaturę i enzymy proteolityczne,  

•  liczbę grup tiolowych (SH).   
 
Wykazano, że fotouczulane utlenianie białek  powoduje utratę ich biologicznych funkcji, 
takich jak: 
•  utrata własności antygenowych białek, co pozbawia je zdolności do oddziaływania z 
przeciwciałem 
•  inaktywacja enzymów wywołana destrukcją ważnych reszt aminokwasowych w miejscu 
aktywnym lub w jego bliskim otoczeniu 

 

 

Kwasy nukleinowe  
 
 Ze 

względu na swoja lokalizację kwasy nukleinowe w komórce są mało 

prawdopodobnym celem dla promieniowania widzialnego. To prawdopodobieństwo zwiększa 
się  jedynie w przypadku dodatnio naładowanych barwników, które jonowo wiążą się  z 
kwasami nukleinowymi, takich jak: akrydyny, bromek etydyny czy furokumary (psoraleny). 
Wykazano jednak, że  fotouczulane utlenianie kwasów nukleinowych powoduje: 
Zmiany w lepkości, temperatury topnienia DNA, zachowania polarfograficznego i 
wrażliwości na enzymy proteolityczne, co skutkuje w zmianie ich funkcjonalności:  
• 

utratę aktywności zakaźnych wirusowego DNA i RNA, 

• 

utratę aktywności transformującej DNA, 

• 

hamowanie aktywności translacyjnej  

• 

oraz zmianę właściwości antygenowych 

   
Utrata aktywności biologicznej kwasów nukleinowych pod wpływem działania 
fotodynamicznego jest najczęściej wynikiem destrukcji guaniny. Również reakcje wtórne 
zachodzące już po samym fotoutlenieniu mogą prowadzić do kowalencyjnego sprzęgania 
cząsteczek kwasów nukleinowych z białkami. 
 
Mechanizmy reakcji fotouczulanych 
 

Proces reakcji fotouczulanych wszystkich typów rozpoczyna się od absorpcji przez 

cząsteczki fotosensybilizatora (S) kwantów promieniowania, co powoduje ich przejście ze 
stanu podstawowego do stanu wzbudzonego (

1

S*).  

background image

 

3

 

                                                                                              h

ν       

0

S  

   

1

S* 

 

Czas życia tego stanu jest bardzo krótki - rzędu 10 

–12

-10

-9

 s i zależy od efektywności 

procesów dezaktywacji : 
 

1

S* 

→ S +hν 

FL

  

 

emisja promieniowania w postaci fluorescencji 

1

S* 

→ S + ciepło  

 

konwersja wewnętrzna, czyli bezpromienista dyssypacja energii 

1

S* 

→ 

3

S*  

interkombinacyjna konwersja, przejście ze stanu singletowego 
w tripletowy  

 
Jeśli część pochłoniętej energii zostanie wykorzystana na zmianę spinu elektronu 
walencyjnego uczulacza to na skutek przejścia interkombinacynego (ISC) wzbudzony 
uczulacz 

1

S* przejdzie do dłużej żyjącego stanu tripletowego (

3

S*). Czas życia 

3

S* jest 

dłuższy, rzędu 10

-6

-10

-3

 s, co zwiększa szanse na zajście kolejnych reakcji.  

 

                                                                                      ISC 

1

S* 

  

3

S* 

 
W dalszym ciągu w zależności od rodzaju fotosensybilizatora oraz warunków środowiska 
reakcja może przebiegać na trzy różne sposoby, z których tylko dwa pierwsze ze względu na 
udział tlenu  prowadzą do efektu fotodynamicznego : 
 

                               

A  

S

+.

 + A

-. 

        

3

O

2

 

 

 

              

 

 

 

 A

ox  

          typ 1 

  

S

· -

 + A

 

3

O

2    

                                       A 

3

S*

   

                                    

1

O

2

  +  S                           A

ox   

             typ 2      

 

 

                                     

                                                      S-A               typ 3

 

 
 
Rys. 1 Trzy typy reakcji fotouczulanych
 
S- sensybilizator (

0

S-stan podstawy, 

1

S*- stan wzbudzony, singletowy, 

3

S*- stan wzbudzony, 

tripletowy) 
S

- anionorodnik sensybilizatora, S

- kationorodnik sensybilizatora 

A-substrat [np. cząsteczka białka (B), lipidu (LH)] 
A

,

 

A

- rodnikowa forma substratu [np. B

·

, L

·

A

ox

- produkt utleniania [np. LOOH] 

3

O

2

 – tlen cząsteczkowy (stan podstawy, tripletowy), 

1

O

2

- tlen singletowy (stan wzbudzony, 

sigletowy) 
S-A- addukt, produkt reakcji fotouczulanej bez udziału tlenu 
 
W reakcjach typu 1 w wyniku oddziaływania wzbudzonych cząsteczek uczulacza (

3

S*) z 

cząsteczkami substratu (A) dochodzi do oderwania lub przyłączenia elektronu i powstania 
rodnikowych form substratu (A

.

), które reagując z tlenem cząsteczkowym 

3

O

2

 ulegają 

utlenieniu. 
 W 

reakcjach 

typu 2 energia wzbudzonego uczulacza (

3

S*) przekazywana jest 

bezpośrednio na tlen cząsteczkowy (

3

O

2

). Taki transfer energii pomiędzy 

3

S* a 3O

jest 

background image

 

4

możliwy ze względu na taka samą multipletowość cząsteczek. Przekazana energia zużywana 
jest na reorientacje spinu w cząsteczce tlenu, w wyniku, czego tworzona jest wysoce 
reaktywna forma tlenu- tlen singletowy (

1

O

2

). 

 W 

reakcjach 

typu 3 dochodzi do przeniesienia elektronu (lub wodoru) między 

wzbudzonymi cząsteczkami uczulacza (

3

S*) a substratem lub przyłączenie uczulacza do 

substratu z wytworzeniem adduktów (S-A). 

 

 
Efektywność reakcji fotouczulanego utleniania 
 

Wiele czynników fizykochemicznych wpływa na przebieg reakcji fotodynamicznych, 

należą do nich: 
•  stężenie i stopień agregacji fotouczulacza , 

•  efektywność pochłaniania światła przez fotosensybilizator, której miarą jest molowy 
współczynnik absorbcji (

ε) 

•  wydajność obsadzenia stanu tripletowego  fotouczulacza, która zależy od jego struktury 
eletronowo-atomowej 
•  lokalne stężenie i ruchliwość tlenu, donorów i akceptorów, jonów wodoru (pH), metali 
ciężkich, niesparowanych elektronów 
•  temperatura. 

•  oddziaływanie fotosensybilizatora z substratem 
•  przestrzennego zbliżenia donora i akceptora energii, co ułatwi jej przekazanie i 
transformację 
 

 

Znaczenie procesów fotodynamicznych 
 
Niepożądane reakcje fototoksyczne i fotouczulane 
W pewnych warunkach endogenne barwniki mogą indukować zjawiska fotodynamiczne in 
vivo
 nawet u ludzi. Przykładem są osoby cierpiące na porfirię, u których zaburzenia działania 
enzymów w szlaku syntezy hemu prowadzą do nadmiernej akumulacji porfiryn w skórze 
czyniąc ją nadwrażliwą na światło słoneczne, a w szczególności pasmo promieniowania UV 
(200-400nm).Wiele substancji chemiczne zawartych np. w kosmetykach oraz leki lub zioła, 
które same w sobie nie posiadają żadnych właściwości, które by mogły niekorzystnie 
oddziaływać na skórę,  pod wpływem promieniowania UV powodują reakcje fotouczulające 
objawiające się zaczerwienieniem skóry i opuchlizną. 
 
Terapia fotodynamiczna (PDT) 
Zjawiska fotodynamiczne znalazły zastosowanie w terapii nowotworów. Niszczenie tkanki 
nowotworowej za pośrednictwem reakcji fotodynamicznego utleniania nosi nazwę 
terapii fotodynamicznej - PDT (z ang. photodynamic therapy).
 
Metoda ta polega na lokalnym naświetlaniu miejsca chorego po uprzednim wprowadzeniu do 
układu uczulacza. Do najczęściej stosowanych uczulaczy należą pochodne hematoporfiryn 
np. kwas 5- aminolewulinowy (5-ALA)

 

Perspektywa, jaką stwarza metoda terapii fotodynamicznej jest bardzo zachęcająca, daje ona, 
bowiem możliwość wybiórczego niszczenia komórek nowotworowych z pełną ochroną 
zdrowych komórek organizmu, w przeciwieństwie do obecnie stosowanych w onkologii 
metod leczenia, takich jak radioterapia czy chemioterapia, które nie dają możliwości 

background image

 

5

wybiórczego działania na tkankę nowotworową z oszczędzeniem prawidłowych komórek 
organizmu. 
 
Wykonanie ćwiczenia
 
 
 

Wykonaj poniższe doświadczenia, sporządź sprawozdanie. Na podstawie uzyskanych 
wyników odpowiedz w sprawozdaniu na wszystkie pytania podane na końcu instrukcji. 

 

1.  Światło pochłaniane przez róż bengalski jest zdolne do uszkodzenia komórek 

pierwotniaków. 

 
Zmierz widmo absorbcji różu bengalskiego  (RB) w wodzie. W tym celu przygotuj 3 ml 
10 µM RB. Zanotuj w maksimum wartość absorbancji oraz długość fali. 
Do 6 szalek nalej po 4ml zawiesiny pierwotniaków tak, by pokryła dno szalki ( do 
wszystkich dodaj taką samą objętość).  
Przyglądnij się ruchom pierwotniaków pod lupą.  
Do 2 szalek dodaj  po 50 µl różu bengalskiego o stężeniu 100 µM do kolejnych 2-óch  - 
po 200 µl różu bengalskiego. Dwie szalki pozostaw bez barwnika.  
Okryj folią, pozostawiając w ciemności 2 szalki z RB i jedną bez RB, a pozostałe trzy 
naświetlaj równocześnie lampą z rzutnika.  
Kontroluj po lupą efekt co 30s i notuj zmiany (szybkość, typ poruszania się, kształt i kolor 
pantofelków) lub ich brak.   
Naświetlaj tak długo, aż zaobserwujesz brak ruchliwości pantofelków i zmianę ich 
wyglądu. Porównaj zachowanie pantofelków w szalce pozostawionej w ciemności z takim 
samym stężeniem.  
 
Opisz doświadczenie, wyniki zamieść w tabeli. W dyskusji wyników wskaż czy: 
a-  róż bengalski absorbuje promieniowanie w zakresie światła widzialnego 
b-  róż bengalski nie jest toksyczny, 
b- samo światło nie uszkadza pierwotniaków 
c- światło pochłaniane przez substancje jest zdolne do uszkodzenia komórek 
pierwotniaków.  
c-  jaki efekt zaobserwowałeś/łaś? Jak długo należało naświetlać pierwotniaki i w jakim 

stężeniu RB? Stężenie końcowe RB w próbce należy przeliczyć! 

d-  Czy efekt zależy od stężenia RB? 

 
 

background image

 

6

2.  Światło pochłaniane przez błękit metylenowy jest zdolne do utlenienia 

tryptofanu. 

 

Rozcieńcz wodą destylowaną tryptofan (1,5x10

-4

M) pobierając 400 

µl trp i uzupełniając 

resztę wodą do 3 ml.  
Do drugiej probówki dodaj 30 

µl  błękitu metylenowego (BM; 0,6 mM) i również resztę 

uzupełnij wodą.  
Zmierz ich widmo absorpcji Trp i BM względem odnośnika, zapisz dla każdego  z nich 
charakterystyczne maksyma absorbancji. Wybierz charakterystyczną  długość fali dla 
tryptofanu i błękitu metylenowego.  
Sporządź 30 ml roztworu w naczyńku zawierającego 4 ml tryptofanu i 300 

µl błękitu 

metylenowego i resztę wody.  
Przygotuj statyw z 5 probówkami.  
Pobierz 3 ml próbki do 1-szej probówki. 
Następnie resztę mieszaniny w naczyńku  naświetlaj światłem z rzutnika stale mieszając przez 
12 min odbierając co 3 min 3ml roztworu do nowej opisanej probówki. Zmierz absorbancję 
dla wybranych maksimów. 

 
Sporządź wykres zależności zmian absorbancji dla tryptofanu i BM od czasu naświetlania. 
(równanie prostej i współczynnik korelacji) 
 
Odpowiedz na pytania: 
a- w jaki sposób zmierzyć widmo absorpcji wybranych substancji ? 
b- jaki jest molowy współczynnik ekstynkcji BM w zakresie światła widzialnego? Od 
czego zależy ε ? 
c - w którym miejscu widma najlepiej mierzyć efekt utleniania tryptofanu? Odpowiedz 
uzasadnij. 
d - w którym miejscu widma najlepiej mierzyć zmiany absorbancji dla  błękitu 
metylenowego? Odpowiedz uzasadnij. Czy związek ten ulega fotoblaknięciu czy jest też 
nie? Odpowiedz uzasadnij. 
e- czy światło pochłaniane przez substancje BM jest zdolne do utlenienia tryptofanu ? Jak 
nazwiesz ten proces? Odpowiedz uzasadnij. 

 
Literatura: 
 

1.  S. Paszyc. Podstawy fotochemii. PWN, Warszawa 1992 
2.  G. Bartosz. Druga twarz tlenu. PWN, Warszawa 2006