Závěrečná zpráva grantu 184/2002/B-FYZ/MFF

Název projektu:Optická spektroskopie základních pigmentů fotosyntézy a fotodynamické terapie
Hlavní řešitel:prof. RNDr. Jan Hála, DrSc.
Spoluřešitelé: RNDr. Roman Dědic, PhD.; Mgr. Alexander Molnár; Mgr. Tomáš Polívka, PhD.; RNDr. Antonín Svoboda, CSc.; RNDr. Martin Vácha, CSc.; RNDr. Jakub Pšenčík, PhD.; Mgr. Pavel Klinger; Mgr. Miloslav Kořínek; Martin Dientsbier
Období řešení:2002-2003
Celková dotace:428 tis. Kč

Souhrn výsledků

Nízkoteplotní absorpční, fluorescenční a hole burning spektroskopie byla použita pro charakterizaci cyanobacteriálních komplexů fotosystémů II lišících se obsahem malých chlorofyl-vážících proteinů („small putative chlorophyll-binding proteins … Scps“). Ze šířek rezonančních děr vypálených do QY pásu nízkoteplotní absorpce byly určeny doby života excitovaných stavů. Jejich velikosti byly porovnávány pro systémy s a bez Scps. Nepřítomnost Scps způsobila zpomalení přenosu excitační energie (o 500 fs), které odpovídá vypnutí ochranného zhášení spojeného s přítomností Scps. Další hole burning experimenty umožnily díky pozorování velmi širokých spektrálních děr (»30 nm) objevit ultra-rychlé ochranné zhášení ( » 9 fs) spojené s přítomností 15-cis beta-karotenu. Femtosekundová časově rozlišená absorpční spektra chlorosomů odhalila ultra-rychlé relaxace excitovaných stavů v chlorosomálních anténách zelených sirných bakterií obsahujících bakteriochlorofyly e, včetně objasnění singlet-singletní anihilace a její závislosti na intensitě laserového záření. Podrobná analýza experimentálních dat nezatížených singlet-singletní anihilací provedená na základě navrženého modelu poskytla detailní obraz o celkové relaxaci a přenosu excitační energie v chlorosomu.
Kyslík je ve svém prvém excitovaném singletním elektronovém stavu velmi reaktivní. Singletní kyslík vzniká excitací základního tripletního stavu molekuly kyslíku. Tato excitace může být způsobena přenosem excitace z tripletních hladin chlorofylových molekul na kyslík. Fotogenerace singletního kyslíku prostřednictvím chlorofylu podobných molekul hraje principiální roli ve dvou důležitých biologických procesech. Tím prvým je fotosyntéza, při níž je fotogenerace způsobená triplety chlorofylů a následná oxidativní destrukce velmi nežádoucí. Proto si fotosyntetické organismy vyvinuly celou řadu ochranných mechanismů, které minimalizují fotogenaraci singletního kyslíku. Zde hrají významnou roli karotenoidy. Na druhou stranu ve fotodynamické terapii (PDT) zhoubných nádorů se vysoká reaktivita singletního kyslíku využívá k likvidaci tumorové tkáně. Zde je proto snaha o jeho maximální produkci. Singletní kyslík je možné přímo spektroskopicky detekovat pomocí relativně slabé infračervené luminiscence (u 1270 nm). Vybudované experimentální zařízení poskytuje kombinaci dostatečného časového a spektrálního rozlišení k pozorování spektrálně rozlišených kinetik fosforescence porfyrinových molekul (v okolí 900 nm) i IČ luminiscence singletního kyslíku. Systematické hledání maximálního kvantového výtěžku fotogenerace singletního kyslíku umožňuje cílený výběr ideálního fotosensitizéru pro PDT. Na druhou stranu ve fotosyntetických systémech jsou tyto výtěžky minimální a jejich každé zvýšení svědčí o zeslabení ochranných zhášecích mechanismů.
Špičkové parametry vybudovaného zařízení dokumentují výsledky získané na vybraných derivátech chlorofylu s centrálním iontem těžkých kovů. Z kinetiky dohasínání této IR luminiscence byly určeny doby života populace a depopulace singletního kyslíku. Takto byly studovány fotosynteticky aktivní i stresované částice fotosytému 2, které jsou za normálních podmínek účinně chráněny před fotogenerací pro fotosyntézu destruktivního singletního kyslíku karotenoidy. Tato ochranná role karotenoidů představuje kromě jejich světlo-sběrného působení další velmi důležitou funkcí ve fotosyntéze. Kromě fotosyntetických systémů byly rovněž studovány PDT fotosensitizátory, kde je naopak fotogenerace singletního kyslíku žádoucí. Jako příklad uvádím v ČR klinicky používaný sulfonovaný tetrafenylporfyrin. Kde byl podrobně zkoumán vliv pH, koncentrace fotosensitizéru i kyslíku na spektrální a kinetické parametry infračervené fosforescence fotosensitizéru i singletního kyslíku.