Fotochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Transkrypt

1 Fotochemia Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego 1

2 Fotochemia zajmuje się badaniem przebiegu reakcji chemicznych zachodzących pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. 2

3 Fotochemia Prawo Grotthusa i Drapera: przemianę fotochemiczną w układzie reagującym może wywołać tylko promieniowanie zaabsorbowane przez ten układ promieniowanie wywołujące reakcję fotochemiczną może być absorbowane bezpośrednio przez reagujące cząsteczki przez cząsteczki innej substancji zwanej sensybilizatorem (uczulaczem), które przekazują energię wzbudzenia reagentom 3

4 Fotochemia Prawo Grotthusa i Drapera: Energie fotonów powinny być zbliżone do energii wewnątrzcząsteczkowych wiązań reagujących substancji aby wywołać reakcję fotochemiczną energie wiązań zawarte są w granicach kj mol -1 odpowiada im energia promieniowania z zakresu nm 4

5 Fotochemia etapy reakcji fotochemicznej Etapy reakcji fotochemicznej: pierwsze stadium każdej przemiany fotochemicznej - absorpcja promieniowania wzbudzającego elektrony kolejne etapy: procesy pierwotne obejmują przemiany, w których uczestniczą cząsteczki znajdujące się we wzbudzonych stanach elektronowych. Rozróżniamy pierwotne procesy fotofizyczne i fotochemiczne procesy wtórne 5

6 Etapy reakcji fotochemicznej Pierwotne procesy fotofizyczne: zmienia się tylko stan energetyczny wzbudzonej cząsteczki cząsteczka traci energię wzbudzenia emitując promieniowanie cząsteczka traci energię w sposób bezpromienisty Pierwotnym procesom fotochemicznym może ulegać: sama tylko wzbudzona cząsteczka mogą to być reakcje pomiędzy cząsteczkami wzbudzonymi i niewzbudzonymi 6

7 Reakcje fotochemiczne fotodysocjacja dwuatomowej cząsteczki na atomy; fotolityczny rozpad cząsteczek wieloatomowych hn (185nm) N 2 O N 2 + O* * - atomy lub cząsteczki w elektronowym stanie wzbudzenia fotodysocjacja cząsteczek na rodniki, np. w parach acetonu hn (185nm) CH 3 CO CH 3 CH 3. + CH 3 CO. 7

8 Reakcje fotochemiczne fotodysocjacja prowadząca do obojętnych cząsteczek, np. w trakcie naświetlania par formaldehydu promieniowaniem o długości fali mniejszej od 265 nm zachodzi rozkład na rodniki i proces pierwotny: HCHO hn H 2 + CO fotojonizacja ulegają m.in. cząstki wieloatomowe naświetlane krótkofalowym promieniowaniem nadfioletowym h (C 6 H 6 ) 3 N (C 6 H 6 ) 3 N +. + e promieniowanie <180 nm wywołuje jonizację trifenyloaminy w fazie gazowej 8

9 Reakcje fotochemiczne fotoizomeryzacja izomeryzacja cis-trans cis stilben trans stilben reakcję wywołuje naświetlanie roztworu stilbenu, l = 295 nm 9

10 Reakcje fotochemiczne fotodimeryzacja wzbudzone cząstki antracenu (A*) reagują z niewzbudzonymi (A) A* + A A 2 reakcje fotoproteolityczne wzbudzona cząstka kwasu AH* oddaje proton zasadzie B, przy czym powstaje cząstka sprzężonej zasady A - * w stanie wzbudzonym AH* + B A - * + HB + 10

11 Reakcje fotochemiczne W wyniku pierwotnych procesów fotochemicznych powstają często nietrwałe produkty przejściowe atomy, rodniki, niestabilne cząsteczki Ulegają one wtórnym, termicznym reakcjom prowadzącym do trwałych produktów. Na przykład pierwotną reakcją w fotochemicznej syntezie HCl jest rozpad cząsteczek Cl2 na skutek ich wzbudzenia Cl 2 hν 2Cl 11

12 Prawo równoważności fotochemicznej Einsteina-Starka Absorpcja jednego fotonu powoduje zajście pierwotnego procesu (fizycznego lub chemicznego) w jednej cząsteczce absorbującej substancji 12

13 Prawo równoważności fotochemicznej Einsteina-Starka Reakcję fotochemiczną charakteryzuje: wydajność kwantowa i fotochemicznego: i-tego pierwotnego procesu i = liczba cząsteczek A ulegających i-temu procesowi pierwotnemu liczba fotonów zaabsorbowanych przez cząsteczki A j i <=1, na ogół j i <1 (przemiany współzawodniczące - część wzbudzonych cząsteczek dezaktywuje się w pierwotnych procesach fotofizycznych) j i >1 (reakcje łańcuchowe użyteczne w technologii chemicznej) j i =1 (reaktor fotochemiczny zaopatrzony w rtęciową lampę łukową o mocy 1 kw emitującą UV może produkować ~2 g/h związku o masie cząsteczkowej 100) 13

14 Reakcje fotochemiczne a termiczne Elektronowe wzbudzenie substratu umożliwia reakcje, których powinowactwo byłoby ujemne, gdyby reagujące cząsteczki pozostawały w podstawowym stanie elektronowym. hν nco 2 + nh 2 O C n H 2n O n + no 2 Wzbudzone elektronowo cząsteczki mają duży zasób energii, który w przypadku aktywacji termicznej mogłyby osiągnąć dopiero w bardzo wysokiej temperaturze. Wzbudzenie elektronowe zmienia rozkład gęstości ładunku elektronowego w cząsteczce i symetrię funkcji falowej opisującej ten rozkład, a to pociąga za sobą zmiany momentów dipolowych w cząsteczkach, niekiedy geometrii cząsteczek i ich reaktywności w porównaniu z cząsteczkami w stanie podstawowym. 14

15 Doswiadczalne metody fotochemii W celu określenia wydajności kwantowych reakcji należy mierzyć: Stężenia produktów Energię zaabsorbowanego promieniowania Wydajność kwantową fluorescencji i fosforescencji 15

16 Doswiadczalne metody fotochemii Źródła promieniowania wzbudzającego: Światło słoneczne (przeprowadzenie standardowych testów na fotostabilność barwników i pigmentów) Lampy łukowe ich widmo zależy od gazu wypełniającego bańkę (kwarcowe lampy rtęciowe) z ich promieniowania wycina się odpowiedni fragment za pomocą filtrów optycznych Lampy wodorowe i ksenonowe używane jako źródła promieniowania ciągłego w zakresie nadfioletu Lasery (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania przechodzącego przez materiał lasera, promieniowanie monochromatyczne) 16

17 Źródła promieniowania wzbudzającego widmo liniowe widmo ciągłe

18 Przekazywanie energii elektronowej i sensybilizowane reakcje fotochemiczne Fotoinicjacja absorbcja promieniowania o długości fali powyżej 300nm i odszczepienie rodników inicjujących polimeryzację Sensybilizacja sensybilizator pochłania promieniowanie, przekazuje substratom swoją energie wzbudzenia, nie biorąc udziału w reakcji 18

19 Przekazywanie energii elektronowej i sensybilizowane reakcje fotochemiczne Przekazywanie energii elektronowej To proces w którym wzbudzona cząsteczka donora (D*) powraca do stanu Podstawowego z jednoczesnym przekazywaniem energii elektronowej do cząsteczki akceptora A: D* + A = D + A* Kolejne procesy z udziałem tak wzbudzonej cząsteczki akceptora A* Określamy mianem procesów sensybilizowanych. Proces przekazywania Energii przejawia się wygaszaniem emisji D* i zastąpienie jej emisją lub fotochemiczną reakcją charakterystyczną dla wzbudzonej cząsteczki A*. 19

20 Przekazywanie energii elektronowej i sensybilizowane reakcje fotochemiczne Sensybilizowana fluorescencja atomów niektórych metali W zderzeniach międzyatomowych reakcja przekazywania energii elektronowej zachodzi najefektywniej gdy jeden ze stanów wzbudzonych atomu A ma energię nieznacznie niższą od energii wzbudzenia D* np. w wyniku naświetlania mieszaniny par rtęci talu promieniowaniem odpowiadającym linii rezonansowej Hg (253,7nm). Zaobserwowano promieniowanie emitowane przez wzbudzone atomy talu. Atomy talu nie absorbują promieniowania 253,7nm, a wzbudzone atomy Hg nie mogą emitować żadnego innego promieniowania, więc zjawisko można wyjaśnić bezpromienistym przekazaniem energii wzbudzenia atomu talu przez atomy rtęcie, w trakcie ich zderzenia. 20

21 Reakcje fotochemiczne - równania kinetyczne reakcji fotochemicznych Na mechanizm reakcji fotochemicznej wpływają następujące czynniki: Stężenia reagentów Temperatura Natężenie i długość fali absorbowanego promieniowania Sposób naświetlania układu reagującego Procesy wtórne Reakcje termiczne biegnące równolegle z fotochemicznymi 21

22 Reakcje fotochemiczne - równania kinetyczne reakcji fotochemicznych Aktywowana termicznie reakcja tworzenia HBr przebiega wieloetapowo Szybkość tej reakcji: H 2 (g) + Br 2 (g) 2HBr (g) zamiast I etapu reakcji termicznej inicjacja pod wpływem hν hn Br 2 Br. + Br. szybkość v = I abs Φ 0 I abs szybkość, z jaką fotony o odpowiedniej częstości ulegają absorpcji, podzieloną przez objętość, w której ona zachodzi (proporcjonalna do iloczynu wydajności kwantowej reakcji pierwotnej Φ 0 i szybkości absorpcji promieniowania przez substrat) 22

23 Reakcje fotochemiczne - równania kinetyczne reakcji fotochemicznych reakcje propagacji łańcucha: Br + H 2 HBr + H k 2 H + Br 2 HBr + Br. k 3 przerwanie łańcucha: Br. + Br. Br 2 k 4 Szybkość tworzenia produktu: szybkość reakcji jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z natężenia absorbowanego światła 23

24 Reakcje fotochemiczne - fotosensybilizacja Zachodzi podczas naświetlania mieszaniny dwóch związków, z których jeden absorbuje promieniowanie, a drugi ulega przemianom fotochemicznym Reakcja stosowana np. do wytwarzania atomowego wodoru naświetlanie gazowego wodoru światłem lampy rtęciowej o długości fali 254 nm w obecności śladowych ilości par rtęci w wyniku rezonansowej absorpcji promieniowania atomy Hg ulegają wzbudzeniu (do Hg*) i zderzają się z cząsteczkami H 2 Hg* + H 2 Hg + H. + H. (1) Hg* + H 2 HgH + H. 24

25 Reakcje fotochemiczne - fotosensybilizacja reakcje (1) etap inicjujący dla innych reakcji, w których pary rtęci pełnią funkcję fotosensybilizatora, np. reakcja syntezy formaldehydu z tlenku węgla i wodoru H. + CO HCO. HCO. + H 2 HCHO + H. HCO. + HCO. HCHO + CO (2) reakcja (2) reakcja dysproporcjonowania 25

26 Fototerapia FOTOTERAPIA to leczenie samym światłem, natomiast, jeżeli światło wykorzystywane jest do wzbudzania wcześniej zaaplikowanych środków chemicznych, to taką formę leczenia nazywamy fotochemioterapią FOTOUCZULACZ to związek chemiczny, który wykazuje brak toksyczności dla żywych komórek. Może być aktywny do wzbudzenia przez światło o określonej długości fali, pokrywającej się z jego pasmem adsorpcji.

27 Fototerapia Fototerapia (światłoterapia), czyli światłolecznictwo, helioterapia to nazwa określająca różne działania mające u podstawy leczenie światłem. W zależności od długości fali rozróżniamy promieniowanie widzialne, promieniowanie podczerwone (ang. infrared: IR) i promieniowanie nadfioletowe (ang. ultra-violet UV).

28 Fototerapia FOTODYNAMICZNA TERAPIA PDT to metoda terapeutyczna będąca formą światłoterapii. Polega na zaaplikowaniu pacjentowi substancji fotouczulającej (fotosensybilizatora), która pod wpływem światła o odpowiednio dobranej długości fali zmienia swoje właściwości, w wyniku czego dochodzi do uszkodzenia napromienianej tkanki FOTODYNAMICZNA diagnostyka PDD definiowana jest jako metoda służąca do określania stopnia zaawansowania i rozległości zmian nowotworowych. Tkanki wzbudzone światłem o odpowiedniej długości fali, w której nastąpiła akumulacja fotouczulacza, świecą.

29 Helioterapia Metoda leczenia przez naświetlanie całego ciała lub jego części promieniowaniem Słońca, naturalnym promieniowaniem w zakresie podczerwonym i nadfioletowym. Promieniowanie słoneczne jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Światło słoneczne jest najsilniejszym zewnętrznym regulatorem wewnętrznych rytmów biologicznych człowieka: czuwanie, dobowe wahania temperatury ciała, rytm dobowy wydzielania niektórych hormonów. 29

30 Helioterapia Witamina D Najważniejszą funkcją witaminy D jest jej udział w procesie rozwoju i funkcjonowaniu układu kostnego wpływa na regulację homeostazy wapnia i fosforanów. Bierze także udział w rozwoju i funkcjonowaniu układu nerwowego jest ona ważnym elementem w procesie wzrostu neuronów, produkcji neurotropin i syntezie niektórych neuromediatorów. Ocenia się, że ok % dobowego zapotrzebowania na witaminę D 3 pochodzi z biosyntezy w skórze. Przekształcenie prowitaminy D w prewitaminę D zachodzi pod wpływem promieniowania UV o długości nm (zakres UV-B), eksperymentalnie ustalono, że najbardziej efektywną długością fali świetlnej jest nm (z maksimum przy 297 nm). 30

31 Helioterapia W skórze, przede wszystkim w naskórku (głównie w keratynocytach warstwy rozrodczej), pod wpływem światła słonecznego 7-dehydrocholesterol ulega nieenzymatycznej fotoizomeryzacji do prewitaminy D, Fotoizomeryzacja 7-dehydrocholesterolu do prewitaminy D Pod działaniem energii cieplnej ciała prewitamina D przekształcona zostaje w ciągu kilku godzin w witaminę D Izomeryzacja prewitaminy D do cholekalcyferolu (witaminy D 3 )

32 Helioterapia Pierwszy etap biosyntezy aktywnej postaci witaminy D ma miejsce w wątrobie, gdzie z krwią dociera chole- i ergokalcyferol. Po enzymatycznej hydroksylacji przy węglu C-25 powstaje witamina 25- (OH)D, która przekazywana jest z wątroby do nerek (a także do niektórych innych tkanek, np. skóry oraz komórek odpornościowych). Dochodzi do powstawania aktywnej formy witaminy D, a mianowicie 1α,25-(OH) 2 D 3. Hydroksylacja witaminy D 3 do 1,25-(OH) 2 D 3 (kalcytriol) 32

33 Helioterapia Niedobór witaminy D Krzywica zespół chorobowy u dzieci związany z zaburzeniem prawidłowego stosunku między wapniem a fosforem w ustroju; zaburzenie jest wynikiem upośledzonego wchłaniania wapnia w przewodzie pokarmowym oraz wzmożonego wydalania fosforu przez nerki; stan taki powoduje gorszą mineralizację kości gorsze ich wysycenie solami wapnia i fosforu; prowadzi to do zmiękczenia kości długich i płaskich, które w wyniku działających na nie obciążeń ulegają zniekształceniom (koślawe kolana, pałąkowate golenie, skrzywienie boczne kręgosłupa i zniekształcenie klatki piersiowej); brak wit D wpływa niekorzystnie na rozwój zębów i przyczynia się do ich próchnicy. mała zawartość wit D w produktach spożywczych stąd podawanie dzieciom dawek uzupełniających i eksponowanie na działanie promieni słonecznych. 33

34 Wolne rodniki w biologii i medycynie nowotwory

35 Ścibior-Bentkowska D., Czeczot H. Postepy Hig Med Dosw. (online), 2009; 63: Stres oksydacyjny a terapia przeciwnowotworowa- terapia fotodynamiczna metoda leczenia niektórych typów nowotworów głowy i szyi, przełyku, żołądka, szyjki macicy czy pęcherza moczowego zastosowanie selektywnego leku fotouczulającego (np. Metvix, Photofrin, Foscan), światła laserowego i tlenu prowadzi do złożonych reakcji fotochemicznych, którym towarzyszy powstawanie w komórkach nowotworowych RFT, odpowiedzialnych za uszkodzenia w nich struktur wewnątrzkomórkowych i indukcję apoptozy. Przeciwnowotworowe działanie terapii fotodynamicznej polega przede wszystkim na bezpośrednim niszczeniu komórek nowotworowych i 35 naczyń odżywiających guz

36 Stres oksydacyjny a terapia przeciwnowotworowa- terapia fotodynamiczna Substancje fotouczulające: Porfiryny spełniają większość wymagań stawianych obecnie fotouczulaczom: selektywnie gromadzą się w komórkach neoplastycznych, co związane jest najprawdopodobniej ze swoistą naturą tkanek nowotworowych, duże śródmiąższowe przestrzenie, nieszczelność układu naczyniowego, zaburzony drenaż limfatyczny, obniżona wartość ph podwyższona aktywność endocytozy, w której pośredniczą receptory dla lipoprotein o niskiej gęstości LDL 36

37 Stres oksydacyjny a terapia przeciwnowotworowa- terapia fotodynamiczna Substancje fotouczulające: zgromadzone w komórce łatwo wzbudzają się pod wpływem światła o długości około 400 nm dając intensywną czerwoną luminescencję. wzbudzone światłem o długości powyżej 600 nm wydajnie generują tlen singletowy oraz rodnikowe formy utleniające, tj. anionorodnik ponadtlenkowy czy rodnik hydroksylowy. szybko eliminowane z organizmu stanowią niewielkie źródło efektów ubocznych. łatwo dostępne i chemicznie stabilne. 37

38 Stres oksydacyjny a terapia przeciwnowotworowa- terapia fotodynamiczna Wykres tzw. toksyczności ciemnej (bez dostępu światła) oraz fototoksyczności badanych pochodnych i Photofrinu (PH), jako związku referencyjnego. Zbadano pięć różnych dawek energii. Przeżywalność komórek oceniano testem MTS po 24 godzinach od zakończenia naświetlania. Inkubacja komórek z badanymi fotouczulaczami bez naświetlania nie powodowała znaczącego zahamowania ich wzrostu (dawka energii zero). Inkubacja komórek z badanymi fotouczulaczami bez naświetlania nie powodowała znaczącego zahamowania ich wzrostu (dawka energii zero). Zahamowania proliferacji nie obserwowano także w przypadku naświetlania grup kontrolnych. Świadczy to, iż żaden z tych czynników oddzielnie, tak światło jak i fotouczulacz, 38 nie powodują efektu cytotoksycznego

39 Stres oksydacyjny a terapia przeciwnowotworowa- terapia fotodynamiczna