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Licht und Leben:
Von der PhotosynthesezurPhotodynamischen Therapie
Hugo Scheer
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Der große Aton Hymnus
Dein Aufleuchten ist schön am Rande des Himmels,Du lebender Aton, der zuerst lebte!Wenn Du Dich erhebst am östlichen Rande des Himmels,So erfüllst Du jedes Land mit Deiner Schönheit.Denn Du bist groß und funkelnd,Du bist hoch über der Erde,Deine Strahlen umarmen die Länder, ja alles,was Du je gemacht hast.
So ernähren Deine Strahlen jeden Garten,Wenn Du dich erhebst, so leben und wachsen sie für Dich.
Sonnengesang
Sei gelobt mein Herr,mit all Deinen Geschöpfen,vor allem Herr Bruder Sonne,der den Tag bringt und uns leuchtet;schön ist er,und strahlend in großem Glanz:von Dir, Höchster, ist er uns en Gleichnis.
An die Sonne
Schöner als der beachtliche Mond und sein geadeltes Licht,schöner als die Sterne, die berühmten Orden der Nacht,viel schöner als der feurige Auftritt eines Kometen,und zu weit Schönrem berufen als jedes andere Gestirn,weil Dein und mein Leben jeden Tag an ihr hängt, ist die Sonne.
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Land
Sea
Scheer, Jan 05Thanks to Norman Kuring
([email protected]) and Compton Tucker
Licht als Energie: Photosynthese
ChlorophyllJanuar 2005
ChlorophyllJuli 2005
Solarkonstante1,5 W/qm
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LudwigMaximiliansUniversitätMünchen
Department Biologie I - Botanik
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Lebensdauer angeregter Zustände (1S)
Mg
O
N N
N N
H
H
COOCH3H
COOR
5 ns (0,000.000.005 s)
0,5 ps (0,000.000.000.000.5 s)
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Isolatorschicht
Innen
Außen
(Zellmembran)
(Periplasma)
(Cytoplasma)
Licht
-- +
+
--
++ + + + ++
- - - - --
Primärreaktion: Lichtinduzierte Ladungstrennung
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Bakterielles Reaktionszentrum
PA,B
BA,B
HA,B
QA,B
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Mg
O
N N
N N
H
H
COOCH3
HCOOR
OH
H
Variable Stukturelemente in Chlorophyllen
Variable Eigenschaften
Redox Potential
Anregungsenergie
Lebensdauer angeregterZustände
Wecheselwirkungen mitProtein
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Absorptionsspektrum des RC
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BChl a
[3-Vinyl]-BChl a
[3-Hyrdroxyethyl]-BChl a
Austausche von BChl – BA,B
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Keine starken (excitonischen) Wechselwirkungen von BChl-BA,B
mit dem „Special pair“PA,B oder mit Bphe HA,B
Obere Excitonenbande von P870 liegt bei 800 nm
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3 ps
1 ps
200 ps
150 µs
Elektronentransfer im Reaktionszentrum
W. Zinth, MünchenM.E. Michel-Beyerle, MünchenA. Scherz, Rehovot
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Monomeres Bakteriochlorophyll BA ist ein echtes Intermediat beim Elektronentransfer
>>>>> Viele kleine Schritte verbessern die Effizienz
>>>>> Nur der rechte Ast ist „produktiv“
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Modell des bakteriellen Photosynthese-Komplexes
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LH2 („light harvesting complex 2“ aus Purpurbakterium)
BChl - B800
BChl - B850
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Einbringen von modifiziertenPigmenten in die B800 - Bindungstasche
BChl - B800
R. Cogdell, GlasgowJ. Herek, LundD. Leupold, BerlinL. Fiedor, Cracow
BChl - B850Verstellen von Donor (= Sender) und Akzeptor (= Empfänger
Wellenlänge [nm]
Wellenlänge [nm]
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Anregung: 800 nmMessung: 850 nm
nativ
Verzögerung [ps]
Übe
rtra
gung
auf
Akz
epto
r
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F-donor/A-acceptor
[cm-1]
Verstellen von Donor (= Sender) und Akzeptor (= EmpfängerVe
rzög
erun
g, g
emes
sen
[ps]
Verz
öger
ung,
ber
echn
et [p
s]
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BChl-B800 ist in LH2 selektiv austauschbar
Energieübertragung verlangsamt sich mit Vergrößerung der Energielücke
Aber: Energieübertragung ist durchgehend um Faktor 5 schneller als nach Förster berechnet
Akzeptor ist ein „Supermolekül“ (Exciton) aus 16 BChl
Auch B870 in LH1 ist ein „Supermolekül“ (exciton) aus ~20 Bacteriochlorophyllen
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Modell des bakteriellen Photosynthese-Komplexes
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Primärprozesse der Photosynthese
Elektronentransport im Reaktionszentrum
Elektronenfluss
(Bacterio)chlorophyll(Bacterio)pheophytinChinon
© H. Scheerps-membrane-Rc-schematisch.cdw
-
-
--
-
-
-
-
+
+
a
+
+
+
Licht
Energieübertragung
-+- +- +-
+-+-
+-+-
+-
++
++ +
+
++
++
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Intensität
Lichtklima auf Eroberfläche,
wolkenlos
RC RC RCRCRC
Chl
aChl
a Chlb
Chlb
Carotinoide
BC
hl a, b BC
hl a
BC
hl b
BC
hl c, d, e
Chl c
Chl c
Biloiproteine
Biloiproteine
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Optimierte Hybrid-Antenne aus natürlichem Peridinin-Chlorophyll-Protein und Silber Nanopartikeln
Wellenlänge [nm]
Fl
uore
szen
z
PCP auf Silber
PCP auf Glas
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Sonne als Energiequelle: 1,5 kW/qm
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Jablonski Diagram zur 1O2 Sensibilisierung
Gefahr !
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Lebensdauer angeregter Zustände (1S)
Mg
O
N N
N N
H
H
COOCH3H
COOR
5 ns (0,000.000.005 s)
0,5 ps (0,000.000.000.000.5 s)
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Bakterielles Reaktionszentrum: Schutz vor Tripletts
PA,B
BA,B
BA,B
BA,B
Carotinoid
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Das symmetrisch positionierte BB ist ein Intermediat beim Triplett Transfer zum Carotinoid
>>>>> Rechter Ast ist „produktiv“, linker Ast ist „Blitzableiter“
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Photodynamischer Effekt
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Porphyrie
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Natürliche Photosensibilisatoren
zur Abwehrvon Freßfeinden
NH N
N HN
COOH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
H
H
OH
O
O
O
O
O
O
O
H
OH
O
O
O
O
O
H
OH
O
O
H
H
OH
OH
N
O
O
OO
N N
Cl
O
O
OH OH
N
O
O
SS
O OO
SS
S
Phylloerythrin
Sporodesmin (Pithomyces chartarum)
Saguinarin (Saguinaria canadensis)
Furocumarine (Umbelliferen)
Polyacetylene (Compositen, Pilze)Terthienyl (Tagetes)
Hypericin (Hypericum perforatum)
Cercosporin (Pilze)
Hypocrellin (Hypocrella bambusae)
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a) Pigmentinjektion
b) Warten bis PigmentZielzellen erreicht
c) Belichtung
d) Warten
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NH N
N HN
COOH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
H
H
OH
O
O
O
O
O
O
O
H
OH
O
O
O
O
O
H
OH
O
O
H
H
OH
OH
N
O
O
OO
N N
Cl
O
O
OH OH
N
O
O
SS
O OO
SS
S
Phylloerythrin
Sporodesmin (Pithomyces chartarum)
Saguinarin (Saguinaria canadensis)
Furocumarine (Umbelliferen)
Polyacetylene (Compositen, Pilze)Terthienyl (Tagetes)
Hypericin (Hypericum perforatum)
Cercosporin (Pilze)
Hypocrellin (Hypocrella bambusae)
N HN
N
COOHCOOCH3
H3OOC
H3OOC
Benzoporphyrin-Derivat (Verteporfin, Visudyne® QLT)
N HN
NH N
OH
OH
OH
OH
meso-Tetrahydroxyphenyl-Chlorin (m-THPC, Foscan® Scotia)
N
NN
N
N
Me
OH
OH
OO
OO
OO
OO
Metallo-Texaphyrin
Me = Gs: Xcytrin®, Gadolite® Pharmacyclics
Me = Lu: Lutrin®, Lutex Pharmacyclics
COOH
NH2
O
5-Amino-levulinsäure (ALA, Levulan® DUSA)Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)
SnCl2
N N
N N
Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)
Mg
O
N N
N N
H
H
HHCOOH
O
Hexylether of 3-Hydroxyethyl-pyropheophorbide a
(Roswell Park Cancer Inst.)
Mg
N N
N N
H
H
COOH
Aspartyl-chlorin e6 (NPe6 Nippon Petro)
Mg
O
N N
N N
H
H
COOCH3H
COOR
OH
H
Sn-Etiopurpurin (Purlytin® Miravant)
O
N
COOH
COOH
COOH
COOC2H5
N
N
N
N N
N N
N
Al-Phthalocyanin-disolfonat (Verteporfin, Visudyne® QLT)
SO3H
AlOH
SO3H
Natürliche und künstliche Photosensibilisatoren
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Absorption von Photofrin® und Bacteriochlorophyllen
300 400 500 600 700 800 900 1000 11000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Abs
orpt
ion
[a. u
.]
Wellenlänge [nm]
Was
ser -
Abs
orpt
ion
Streuung
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Bakteriochlorophyll im Vergleich zu HPD
Vorteile
a) Sehr hohe Absorptionb) Sehr gute spektrale Lage im „therapeutischen Fenster“c) Schneller Abbau
Nachteile
a) Schlecht zugänglichb) Geringe Triplettausbeutec) Geringe Wasserlöslichkeitd) hemisch und photochemisch sehr empfindlich
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Pd
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Pd – Bacteriopheophorbid ist sehr guter Sensibilisator
a) Intensive Absorption im nahen Infrarot „Therapeutisches Fenster“
b) Sehr gute Triplettausbeute (>90 %)
c) Langlebiges Triplett
d) Anreicherung im High Density Lipoprotein (HDL)
e) Keine untere Grenzdosis
f) Schneller Abbau
g) Angriffsort sind neu gebildete Gefäße, die den Tumor versorgen
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Stand der klinischen Experimente mit Tookad®
Prostatakrebs: Klinische Phase 2/3
Makula – Degeneration: Klinische Phase 2
Vorversuche und neue Verbindungen
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Meinen Mitarbeitern Michael BandillaTatas BrotosudarmoJörg Dandler Gerhard HartwichNina Kälin Leenawaty Limantara Heike SnigulaAndreas Struck Beate Ücker
Unseren Partnern Christoph Bräuchle, MünchenRichard Cogdell, GlasgowLeszek Fiedor, KrakauWolfgang Haehnel, FreiburgRoger Hiller, SydneyEckhard Hoffmann, BochumYasushi Koyama, JapanSebastian Mackowski, Torun Avigdor Scherz, IsraelKai-Hong Zhao, Wuhan Wolfgang Zinth, München
Unseren Geldgebern Deutsche ForschungsgemeinschaftDeutsch-Israelische Stiftung Hans-Fischer-GesellschaftNEDOVolkswagen Stiftung
Ich danke:
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Ende