Люминесценция и фотохимические процессы в системах, содержащих тиминовые хромофоры

• Автор: Малкин, Владимир Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 144 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

A. Компоненты нуклеиновых кислот: химическая структура, номенклатура, таугошры, ионные

ФОРМЫ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВОДОЙ, АГРЕГАЦИЯ, КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

I. Основания, нуклеозиды, нуклеотиды, ди- и полинуклеотиды, РНК и ДНК: химическая структура и номенклатура
II. Таутомерные и ионные формы азотистых оснований нуклеиновых кислот и их производных. Взаимодействие с компонентов нуклеиновых кислот с водой. Стэкинг-взаимодействия

1. Таутомерные и ионные формы азотистых оснований

2. Взаимодействие с водным окружением, водородные связи и взаимодействия азотистых оснований нуклеиновых кислот в водных растворах
III. Кристаллические формы оснований нуклеиновых кислот, нуклеозидов и нуклеотидов. Кристаллы ти-мина - безводные и кристаллогидрат
1. Разнообразие возможных типов кристаллических форм компонентов нуклеиновых кислот
2. Кристаллические формы тимина
Резюме
Б. Спектры ультрафиолетового поглощения и люминесценции компонентов нуклеиновых кислот. Проявления взаимодействий между хромофорами
I. Спектры поглощения, люминепщнции и её возбуждения компонентов нуклеиновых кислот при 7 ТА
II. Спектры поглощения, люминесценции и её возбуждения компонентов нуклеиновых кислот при комнатной температуре
Резюме
B. ФОТОХИМИЯ ПИРИМИДИНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
I. Цтсюбутановая фотодимеризация пиримидиновых компонентов нуклеиновых кислот
1. Структура циклобутановых фотодимеров пиримидиновых компонентов ну клеиновых кислот
2. Образование циклобутановых фотодимеров пнрамвдиновых компонентов нуклеиновых кислот яри низкой температуре во льду
3. Образование циклобутановых фотодимеров при ультрафиолетовом облучении тимина при комнатной температуре в твёрдом состоянии
4. Образование циклобутановых фогодимеров при ультрафиолетовом облучении жвдких растворов пиримвдинов
4.1. Образование под действием ультрафиолетового облучения циклобутановых фотодимеров в водных растворах тимина и его производных
4.2. Диклобутановая фотодимеризация других пиримидиновых оснований в водных растворах
4.3. Диклобутановая фотодимеризация в водных растворах ди- и полинуклеотидов, ДНК и РНК
5. Диклобутановая фотодимеризация в фиксированных парах, полученных фотолизом циклобутановых димеров пиримвдинов в этиленпшколе с водой при 80К
II. Фотогидратация пиримидиновых компонентов нуклеиновых кислот
III. Дезаминирование цитозина и его производных
IV. Фотоаддукты
V. Вторичные фотохимические реакции: образование фототримеров и фототетрамеров
VI. Фотохимические свойства пиримидиновых компонентов нуклеиновых кислот и биологические системы
1. Спектр действия ультрафиолетового света на биологические системы и спектр поглощения нуклеиновых кислот, сенсибилизация
2. Фоторепарация и темновая репарация
Резюме
Г. О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАТИМОЙ ФОТОДИМЕРИЗАЦИИ ПИРИМИДИНОВ ДЛЯ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. МЕТОДЫ
А. Использованные препараты
I. Нуклеиновые основания и полинуклеотиды
II. Растворители
Б. Оборудование
1. Спектрофлуорцметр "НйасЫ 850"
I. Оборудование, применявшееся для облучения образцов при исследовании их фотохимии
III. Измерение интенсивностей облучающего света

В. МЕТОДЫРАЕОТЫ
I. Методы работы с жидкими растворами при комнатной температуре
II. Методы работы с кристаллами и твёрдыми плёнками на кварцевой подложке при комнатной температуре
1. Получение кристаллогидрата и безводного тимина
2. Исследование люминесценции кристаллов
3. Исследование спектров поглощения, люминесценции и её возбуждения твердых слоев на кварцевых подложках
Г. Методы обработки данных
ЧАСТЬ ЧЕТВЁРТАЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
A. Люминесценция и фотохимия тимина в водных растворах при комнатной температуре
I. Спектры поглощения, люминесценции и её возбуждения водных растворов тимина при комнатной температуре, и их изменения в процессе исследования
II. Фотофизические и фотохимические причины изменения спектров люминесценции и её возбуждения
водных растворов тимина в процессе их исследования
Основные результаты
Б. Люминесценция и фотохимия тимина в твёрдом состоянии на кварцевых подложках при
КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Введение
I. Ультрафиолетовые спектры поглощения, люминесценции и её возбуждения кристаллов и слоев тимина
II. Циклобутановая фотодимеризация тимина в твёрдых слоях на кварце: квантовые выходы
III. Образование фотоаддуктов
IV. Квантовые выходы фототримеризации тимина в твёрдых слоях
Основные результаты
B. Люминесценция и фотохимия политимидиловой кислоты в водных растворах при комнатной температуре
I. Спектры поглощения водных растворов политимидиловой кислоты при комнатной температуре
II. Динамика циююбутановой фотодимеризации политимидиловой кислоты
1. Проявления гетерогенности водных растворов политимидиловой кислоты в изменении формы их спектров поглощения под действием УФ облучения
2. Неоднократная обратимость циклобутановой фотодимеризации в водных растворах потитимидиловой кислоты
III. Спектрально-люминесцентные проявления гетерогенности водных растворов политимидиловой кислоты
IV. Образование побочных фотопродуктов в водных растворах политимидиловой кислоты
V. Квантовые выходы фототримеризации в водных растворах политимидиловой кислоты
Основные результаты
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А. Обоснование метода определения квантовых выходов фотодимеризации тимина в
ОПТИЧЕСКИ ГОЖИХ СЛОЯХ ПО ПАДЕНИЮ его люминесценции под действием облучения
Приложение Б. Обоснование метода определения квантовых выходов фототримеризации тимина по
СКОРОСТИ ПАДЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ФОТОАДДУКТА ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Введение
Интерес к исследованию фотофизических и фотохимических явлений в гимине возник в связи с тем, что обратимая фотодимеризация тимина является одной из основных фо-тобиологических реакций [Fiser, G.J., and Н.Е. Johns, 1976(a); Wang, S.Y., 1976 (а)]. Известно, что к фотомутагенезу, фотоканцерогенезу и гибели клеток под действием ультрафиолетового (УФ) облучения ведут в первую очередь фотохимические процессы в тиминовых компонентах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) [Альберте, Б., Д. Брей, Дж. Льюис, и др., 1986].
Причина, побуждившая нас к изучению фотопроцессов в системах, содержащих ти-миновые хромофоры - принципиальная возможность их технического использования. Обратимая реакция циклобутановой фотодимеризации пиримидиновых оснований, в принципе, пригодна для фотохимической записи информации [Рапопорт, В. Л., 1991; Yano, Ei, and S.Tatsuura, 1991], и этим определяется актуальность работы. Наиболее перспективными для этой цели могут считаться производные тимина, так как для них не свойственны возможные параллельные реакции фотогидратации и дезаминирования, характерные для урацила и цитозина. Кроме того, именно для производных тимина (диметилтимина) наблюдался предельный квантовый выход фотодимеризации, равный 1,0, который исключает возможность параллельного протекания любых фотореакций, в том числе необратимого образования фото-аддуктов, что часто сопровождает фотодимеризацию. Такой квантовый выход наблюдался в фиксированных парах молекул диметилтимина, полученных фотолизом циклобутановых димеров в стеклующейся смеси этиленгликоля с водой (ЭГ.НгО) при 80К, для которых характерно межпло-скостное расстояние 2,9 Â, что проявляется в экситонном расщеплении их спектров погло-щения-4000 см"1 [Eisinger, J., and A. A. Lamola, 1967,1969; Lamola,
A.A.,1966; Lamola, A.A., and J. Eisinger,1968]. Необычно малое межплоскостное расстояние было интерпретирование как следствие плотной упаковки [Рапопорт, В.Л., 1993].
Целью представляемой работы было исследование методами абсорбционной и люминесцентной спектроскопии межмолекулярных взаимодействий в системах, содержащих ти-миновые хромофоры (при Ткомн), и поиск плотноупакованных стопочных агрегатов тимина с экситонным расщеплением спектров поглощения -4000 см"1 в связи с перспективностью их использования для обратимой фотохимической записи информации. Для этого было необходимо изучение циклобутановой фотодимеризации тимина, проверка её многократной вое-

Циклобутановая димеризация характерна не только для пиримидинов, но и для ряда других соединений, например, таких как а,Р-ненасыщенные кетоны, кумарины, простые ал-каны (циклооктатетраен) [Fisher, G.J., andH. Е. Johns, 1976 (a); Wang, S. Y., 1961]. Могут также образовываться и смешанные циклобутановые фотодимеры пиримидинов с кумарина-ми, псораленами, пропиленом [Fisher, G.J., and Н.Е. Johns, 1976 (а)]. Наблюдалась также в чём-то подобная фотодимеризации реакция фотоцикпизации 5-пропилурацила и 5-изопропилурацила, с образованием внутримолекулярного циклобутанового кольца [Kraewska, Е., andD. Shugar, 1972].
1. Структура циклобутановых фотодимеров пиримидиновых компонентов нуклеиновых кислот
Теоретически возможно образование четырёх стереоизомеров циклобутановых димеров пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, из них два могут быть оптически активны, трёхмерные структуры всех возможных для тимина стереоизомеров (cis-syn, trans-syn, cis-anti, trans-anti) приведены на рис. 12 [ Wulff, D.L., and G. Fraenkel, 1961 (а, б)]. Возможные для прочих пиримидинов фотодимеры классифицируются сходным образом. При различных условиях облучения различны общий квантовый выход и распределение по изомерам получаемых фотодимеров. Последнее, видимо, определяется исключительно стериче-скими факторами, а не длинами волн применяемого для облучения света [Fisher, G.J., and
Н.Е. Johns, 1976(a); Varghese, A.J., and S. Y. Wang, 1968; Wang, S.Y., 1960; Wang, S.Y., 1961; Wang, S.Y., 1963]
Экспериментально для тимина, урацила, 6-метилурацила (“изотмина”) были получены по четыре стереоизомера, для оротовой кислоты - два, для цитозина - один [Fisher, G.J.., and Н.Е. Johns, 1976 (а)]. Тимин во льду, в кристалле, при облучении в нативной ДНК образует преимущественно cis-syn димеры [Fisher, G.J., and Н.Е. Johns, 1976 (a); Gerdill, R., 1961; Wang, S. Y., 1963]. В растворах могут образовываться все стереоизомеры в количествах, зависящих от концентрации, температур, кислотности, диэлектрической проницаемости раствора [Fisher, G.J., and Н.Е. Johns, 1976 (а)].