Введение к работе
Актуальность проблемы.
Хрусталик глаза является уникальным органом человеческого тела. Он наделён всеми необходимыми свойствами для обеспечения хорошего зрения человека - проведением падающих световых лучей и их фокусировкой на сетчатке. Дополнительным свойством хрусталика является фильтрация проходящего через него ультрафиолетового (УФ) излучения, которая осуществляется благодаря семейству низкомолекулярных соединений - кинуренину (KN) и его производным. KN и его производные являются химически и фотохимически стабильными, в этих молекулах происходит конверсия поглощенной световой энергии в тепловую в результате безызлучательного перехода Si —> So.
Вследствие особенностей строения в хрусталике замедлен обмен метаболитов, который осуществляется только за счёт диффузии, а также не происходит обновления белков и клеток. Таким образом, полученные вследствие каких-либо воздействий повреждения белков могут аккумулироваться, и в хрусталике может развиться заболевание, известное как катаракта. По данным Всемирной организации здравоохранения, это заболевание является главной причиной нарушения зрения на планете. Молекулярные механизмы образования катаракты на данный момент остаются невыясненными. В настоящее время катаракту можно вылечить лишь хирургическим вмешательством - удалить естественный помутневший хрусталик и имплантировать искусственный. Очевидно, что свойства имплантата далеки от природных, и поэтому зрение не может быть восстановлено в полной мере. Не существует и лекарства, способного восстанавливать прозрачность хрусталика. Поэтому выяснение молекулярных механизмов образования катаракты является важным для прикладных приложений.
Недавно в литературе было сделано предположение, что химические и фотохимические реакции с участием УФ-фильтров могут приводить к образованию более высокореакционных соединений, способных модифицировать белки хрусталика. В частности, УФ-облучение водных растворов KN приводит к образованию триплетного состояния KN. Триплетное состояние является химически высокоактивным и способно претерпевать реакции переноса электрона с аминокислотными остатками белков, образуя радикалы. Кроме того, в ходе метаболизма KN в хрусталике может образоваться 4,8-дигидроксихинолин-2-карбоксильная кислота (ксантуреновая кислота, XAN). В литературе сообщалось, что XAN способствует фотоокислению белков хрусталика. Более того XAN и её гликозид был обнаружен только в катарактальных человеческих хрусталиках; в нормальных человеческих хрусталиках данных соединений обнаружено не было. Поэтому исследование свойств данного соединения может
помочь определить, может ли данное соединение являться хромофором, участвующим в процессе образования катаракты.
Солнечное излучение полезно для организма, однако при длительном воздействии солнечного излучения может произойти повреждение кожных покровов. Для защиты кожи от избыточной солнечной радиации современная косметология предлагает широкий выбор солнцезащитных кремов и лосьонов. Основными действующими компонентами этих средств являются молекулы, эффективно поглощающие или рассеивающие УФ-А и УФ-В излучение. Одним из основных минусов солнцезащитных препаратов является образование свободных радикалов из активных компонентов этих средств вследствие их разложения под воздействием УФ-излучения. В свою очередь, свободные радикалы способствуют образованию активных форм кислорода (АФК), тем самым вызывая перекисное окисление липидов, что приводит к преждевременному старению клеток и даже к увеличению риска образования злокачественной меланомы.
Недавние исследования показали, что присутствие радикальных ловушек в солнцезащитных препаратах может дать заметный положительный эффект как с точки зрения замедления старения кожи, так и для уменьшения фотоповреждений кожных покровов, вызванных продолжительным солнечным облучением. В литературе с этой целью был предложен синтез хромофора - октилметоксициннамата (ОМС), ковалентно связанного с нитроксильными радикалами (нитроксидами, RNO'). Было показано, что полученные конъюгаты OMC-RNO' поглощают УФ-излучение, а также обладают антиоксидантными свойствами, обусловленными способностью нитроксильных радикалов захватывать свободные радикалы. Однако квантовый выход фоторазложения ОМС близок к единице (Ф = 0.5-И.О). Таким образом, поиск более фотостабильного соединения для синтеза подобного конъюгата является актуальной прикладной задачей для изготовления солнцезащитных препаратов.
В данной работе была предпринята попытка синтеза производных кинуренина, ковалентно связанных с нитроксильными радикалами (конъюгаты KN-RNO'). Выбор KN в качестве хромофора обусловлен его свойствами. Во-первых, кинуренин поглощает УФ-излучение в области ЗОСН-400 нм, т.е. УФ-А и УФ-В областях. Во-вторых, это природная аминокислота, которая выполняет функцию УФ-фильтра в хрусталике глаза человека и приматов, защищает ткани сетчатки и самого хрусталика от фотоиндуцированных повреждений и обладает высокой химической и фотохимической стабильностью. И в-третьих, дезактивация фотовозбужденных молекул УФ-фильтров происходит по механизму внутренней конверсии и не приводит к образованию радикальных частиц.
Основными целями работы являются:
1. Исследовать свойства XAN в основном и фотовозбуждённом состояниях, изучить фо-
тоиндуцированные процессы в молекуле XAN в различных растворителях.
2. Установить механизмы тушения триплетного состояния KN нитроксидами.
3. Исследовать фотостабильность и оптические свойства конъюгатов KN-RNO*.
Научная новизна работы. Впервые установлены предпочтительные формы XAN в ос
новном состоянии в различных растворителях. Показано, что при физиологических условиях
(нейтральный водный раствор) основным изомером является анионная кето-форма. Установ
лено, что основным каналом гибели фотовозбуждённого S і состояния XAN в водных и спир
товых растворах является таутомеризация в енольную форму основного состояния, проте
кающая с участием молекул растворителя в пикосекундном временном диапазоне, с после
дующим восстановлением исходной кето-формы, в котором также участвуют молекулы рас
творителя. В апротонных средах увеличивается вклад других каналов дезактивации возбуж
дённого состояния, приводящих к образованию короткоживущих промежуточных форм
XAN в триплетном и основном состояниях.
Обнаружено, что нитроксильные радикалы являются эффективными тушителями триплетного состояния кинуренина; при этом тушение происходит благодаря ускоренной интеркомбинационной конверсии вследствие обменного механизма, что не приводит к образованию дополнительных продуктов реакции.
Установлено, что ковалентное присоединение нитроксидов к молекуле кинуренина приводит к значительному уменьшению времени жизни триплетного состояния, а основным каналом дезактивации триплетного состояния является интеркомбинационная конверсия по обменному механизму, что также не приводит к образованию дополнительных продуктов реакции. Однако вследствие внутримолекулярного переноса электрона от фотовозбуждённой кинурениновой части к нитроксильной в конъюгатах наблюдается образование катион-радикала, что делает конъюгаты KN-RNO' менее фотостабильными, чем исходная молекула KN.
Практическая ценность. Выявленные механизмы дезактивации возбуждённого состояния XAN могут быть использованы для дальнейших исследований по выяснению молекулярных механизмов катарактогенеза, а также при разработке препаратов, предотвращающих или замедляющих процесс образования катаракты. Сочетание эндогенного хромофора кинуренина с нитроксидами обещает быть весьма перспективным для использования в солнцезащитных препаратах. Разработка новых активных компонентов солнцезащитных препа-
ратов, основанных на конъюгатах «хромофор-нитроксид», требует поиска соединений, для которых образование триплетного состояния и перенос электрона минимальны.
Личный вклад соискателя. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертационной работе, получил оригинальные результаты методами оптической, флуоресцентной и ЯМР-спектроскопии, методами лазерного импульсного и стационарного фотолиза, ВЭЖХ-анализом, а также квалифицированно провел обсуждение результатов. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждались на международной конференции «51 International Conference on Nitroxide Radicals SPIN 2008» (Анкона, Италия, 7-11 сентября 2008 г.); на XXI Симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, Россия, 25 сентября - 6 октября 2009 г.), на Международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (Мисхор, Крым, 21-25 июня 2010 г.), на Международном симпозиуме «XXIII IUPAC Symposium on Photochemistry» (Феррара, Италия, 11-16 Июля 2010 г.), на Молодежной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, Россия, 12-19 сентября 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 4 статьях, а также в 6 тезисах докладов на международных и российских симпозиумах и конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 182 наименования. Работа изложена на 121 странице, содержит 4 таблицы, 27 рисунков и 15 схем.
