An Ultrafast Spectroscopic and Quantum-Chemical Study of the Photochemistry of Bilirubin : Initial Processes in the Phototherapy for Neonatal Jaundice

Autor: Zietz, Burkhard
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2006
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Text
Popis: Bilirubin is a degradation product of haem, which is constantly formed in all mammals. Increased levels of bilirubin in humans lead to jaundice, a condition that is very common during the first days after birth. This neonatal jaundice can routinely be treated by phototherapy without any serious side effects. During this treatment, bilirubin undergoes a photoreaction to isomers that can be excreted. The most efficient photoreaction is the isomerisation around a double bond (Z-E-isomerisation), which results in more soluble photoproducts. The work presented in this thesis shows results of a femtosecond optical spectroscopy study, combined with quantum-mechanical investigations, of the mechanism of isomerisation of bilirubin. The spectroscopic research was conducted with bilirubin in organic solvents, and in buffer complexed by human serum albumin. This albumin complex is present in the blood, and has thus medical importance. Quantum-chemical calculations (CASSCF) on a bilirubin model were used to explain experimental results. The fluorescence decay observed with femtosecond spectroscopy shows an ultrafast component (~120 fs), which is explained by exciton localisation, followed by processes with a lifetime of about 1-3 ps. These are interpreted as the formation of a twisted intermediate, which decays with a lifetime of 10-15 ps back to the ground state, as observed by absorption spectroscopy. CASSCF calculations, in combination with the experimental results, suggest the ca. 1-3 ps components to be relaxation to the twisted S1 minimum, followed by the crossing of a barrier, from where further relaxation takes place through a conical intersection back to the ground state. Time-dependent DFT calculations were utilised to analyse the absorption spectrum of bilirubin. Good agreement with the measured spectrum was achieved, and low-lying states were observed, that need further investigation. The theoretically obtained CD spectrum provides direct evidence that bilirubin preferentially binds to human serum albumin in the enantiomeric P-form at neutral pH.
Bilirubin är en nedbrytningsprodukt av hem som ständigt bildas hos alla däggdjur. En förhöjd bilirubinkoncentration i den mänskliga kroppen kan leda till gulsot, något som är mycket vanligt under de första dagarna efter födelsen (neonatal gulsot). Fototerapi används rutinmässigt som säker behandlingsmetod, under vilken bilirubin genomgår en fotoreaktion till en isomer som kan utsöndras. Den mest effektiva fotoreaktionen är en Z-Eisomerisation, vilken leder till lösligare fotoprodukter. Arbetet som presenteras i denna avhandling visar resultaten av en kombinerad femtosekund optisk-spektroskopisk och kvantmekanisk undersökning av mekanismen bakom bilirubins isomerisation. Den spektroskopiska studien genomfördes med bilirubin, löst i organiska lösningsmedel och i buffert i komplex med humant serumalbumin. Detta albuminkomplex finns i blodet, och är därför av medicinskt intresse. Kvantmekanistiska CASSCFberäkningar på en bilirubinmodell användes för att förklara de experimentella resultaten. Det uppmätta fluorescence sönderfallet visar ultrasnabba komponenter (~120 fs). Dessa tolkas som excitonlokalisering, som följs av bildandet av ett vridet intermediat med en hastighetskonstant på ca. 1 ps-1(beroende på lösningsmedlet). Absorptionsmätningar visar att detta intermediat sönderfaller tillbaka till grundtillståndet med en livstid på 10-15 ps. CASSCF beräkningar, i kombination med de experimentella resultaten, tyder på att sönderfallet med livslängden på ca. 1 ps är en relaxation till det vridna S1-tillståndet. Reaktionsvägen därifrån antas passera en barriär till en konisk genomskärning, som möjliggör snabb relaxation till grundtillståndet. Tidsberoende DFT-beräkningar användes för att analysera bilirubins absorptionsspektrum, vilket gav bra överensstämmelse med uppmätta data. Dessutom hittades ett tillstånd med låg excitationsenergi, som kräver ytterligare studier. Med hjälp av det beräknade CD-spectret kunde det visas att bilirubin binder till albumin i P-formen vid neutralt pH.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: