Struktura karotenoidów, a agregacja w błonach lipidowych – badania z użyciem spektroskopii chiralooptycznej

Znane ze swojej charakterystycznej barwy oraz właściwości antyoksydacyjnych, karotenoidy cieszą się w świecie naukowym niesłabnącym zainteresowaniem. Wiąże się to, między innymi, z interesującymi zmianami jakie procesy agregacji wprowadzają w ich strukturę elektronowo-oscylacyjną, a także z samą naturą układów supramolekularnych i ich rolą w organizmach żywych. Dla dokładnego zrozumienia istoty procesów agregacji konieczne jest narzędzie umożliwiające wnikliwe przyjrzenie się utworzonym strukturom, opisanie i scharakteryzowanie ich. Do realizacji tego celu niezwykle użyteczna okazuje się stosunkowo młoda gałąź spektroskopii – spektroskopia chiralooptyczna – głównie elektronowy dichroizm kołowy (ECD) oraz ramanowska aktywność optyczna (ROA). W niniejszej pracy przedstawiono wyniki dotyczące procesów agregacji zeaksantyny oraz α-karotenu w obecności liposomów z DPPC (dipalmitylofosfatydylocholiny). W przypadku zeaksantyny stwierdzono, że otrzymane agregaty H, odznaczają się zupełnie inną strukturą niż opisywane w literaturze agregaty utworzone w roztworach – w przeciwieństwie do nich są lewo, a nie prawoskrętne, co świadczy o wpływie środowiska chiralnych fosfolipidów na strukturę agregatów. Niestety, brak warunków rezonansowych spowodowany hipsochromowym przesunięciem pasm nie pozwala na uzyskanie sygnału ROA dla agregatów zeaksantyny. Z kolei, przeprowadzone dla α karotenu doświadczenia wskazują na to, że uzyskanie agregatów zlokalizowanych w błonie fosfolipidowej dla tego karotenoidu jest zadaniem eksperymentalnie trudnym – α-karoten wykazuje skłonność do tworzenia struktur agregatów także poza liposomami. Niemniej jednak, opracowano ostatecznie odpowiednią preparatykę umożliwiającą otrzymanie liposomów zawierających agregaty α-karotenu. Z kolei, zastosowanie wymienionych wyżej technik umożliwiło ich dokładną charakterystykę. Badania wskazują na to, że agregaty utworzone w błonach cechuje inna struktura oraz stabilność niż te utworzone poza błonami. Dla agregatów ulokowanych w liposomach szczególnie ciekawe okazało się ujemne pasmo przy 537 nm, widoczne w ECD, nieobecne w przypadku próbek zawierających mikrokrystality, zanikające po czasie czy przekroczeniu temperatury przejścia fazowego dla liposomów z DPPC. Natomiast spektroskopia ROA dostarczyła wiele istotnych informacji na temat konformacji cząsteczek tworzących agregaty – na podstawie przeprowadzonych badań wiadomo m.in. że wbudowanie α karotenu w błonę skutkuje sigmoidalnym wygięciem łańcucha polienowego.

The carotenoids, well-known due to their characteristic color and antioxidant properties, arouse constant interest in the scientific world. It is related, among others, to the interesting changes that the aggregation processes introduce in their electronic-vibrational structure, as well as with the very nature of supramolecular systems and their role in living beings. For in depth understanding the aggregation processes and formed structures, suitable tools need to be used. A relatively young branch of spectroscopy – chiroptical spectroscopy, mainly electronic circular dichroism (ECD) and Raman optical activity (ROA), is proving extremely useful for these purposes. This work shows the results of zeaxanthin and α-carotene aggregation in the presence of DPPC (dipalmitylophosphatidylcholine) liposomes. For zeaxanthin, the H aggregates were obtained. Their structure was different from these obtained from solutions and described in literature – unlike them, prepared aggregates in liposomes were left-, not right-handed. It indicates the influence of chiral phospholipids on the aggregates structure. Unfortunately, absence of resonance effect made obtaining ROA signal impossible for zeaxanthin aggregates. The conducted experiments show that obtaining α-carotene aggregates located in the phospholipid membranes is a rather difficult task – as α carotene shows a tendency to aggregates also outside liposomes. Nevertheless, a suitable preparatory procedure was eventually developed to obtain liposomes containing α-carotene aggregates that were structurally characterized using chiroptical spectroscopies. The research reveal that the structure and stability of aggregates in liposomes differs from the aggregates outside the membranes. For the incorporated carotenes ECD spectra show the additional, negative Cotton signal at 537 nm, absent in the case of microcrystalites, and disappearing with time or in response to exceeding the phase transition temperature of the DPPC liposomes. On the other hand, analysis of the ROA spectra provided relevant information about the α-carotene molecules conformation in aggregates, for example – indicated the sigmoidal bending of the polyene chain occurring due to incorporation of α carotene molecules into assemblies.