El comportamiento de los homodímeros de las tres bases pirimidínicas naturales es muy similar respecto de sus propiedades de enlace, a pesar de que la formación del excímero de timina debería estar estéricamente impedido por la presencia del grupo metilo, pero en cualquier caso, la conclusión es que los tres homodímeros dan lugar a excímeros. En la tabla 8.1 se muestran las energías del estado triplete más bajo, tanto del monómero como del dímero, de las tres bases pirimidínicas del ADN/ARN. En el monómero, las tres bases nucleicas aisladas tienen señales experimentales del triplete cercanas a 3.5-3.6 eV.13,22,23 Los cálculos computacionales predicen, tanto para las transiciones verticales singlete- triplete como para las adiabáticas (origen de banda), que el uracilo se queda por encima energéticamente, seguido por la citosina y la timina (véase figura 8.7).
Como se puede observar, en las tres bases el intermedio 3(SWI) es un mínimo real en la PEH del estadoT1 y también corresponde a una estructura
de cruce singlete-triplete (T1/S0)x que, como ya se ha mencionado, será la
190 3(SWI) (T1/S0)X ≡ 3(CC) 2.70 eV 3(UU) 2.47 eV 3(TT) 2.36 eV 3(CC) 2.70 eV 3(UU) 2.47 eV 3(TT) 2.36 eV 5’ 6’ 1.611 1.601 CBC (S0) 0.78 eV CBU (S0) 0.23 eV CBT (S0) 0.40 eV CBC (S0) 0.78 eV CBU (S0) 0.23 eV CBT (S0) 0.40 eV T1 C*+ C 3.66 eV U*+ U 3.80 eV T*+ T 3.59 eV C*+ C 3.66 eV U*+ U 3.80 eV T*+ T 3.59 eV S0 C + C 0.00 eV U + U 0.00 eV T + T 0.00 eV C + C 0.00 eV U + U 0.00 eV T + T 0.00 eV 1.660 T1 CBC 5.37 eV CBU 6.66 eV CBT 6.27 eV CBC 5.37 eV CBU 6.66 eV CBT 6.27 eV 1.664 1.601 1.567 1.595 1.637 1.669 S0
Figura 8.7. Esquema basado en resultados CASPT2 de la formación de los
dímeros de ciclobutil pirimidina (izquierda) a través del triplete en los pares de bases aislados de ADN/ARN. Centro: intermedio singlete-triplete, 3(SWI). Derecha: pares de bases empaquetadas por separado. Las distancias de enlace (Å) se indican por su relevancia en: C6-C6′ en
3
(SWI); C6-C6′ y C5-C5′ en los aductos.
En la localización del intermedio 3(SWI) se ha encontrado que el más bajo en energía es el del homodímero de timina (2.36 eV) seguido por el de uracilo (2.47 eV) y citosina (2.70 eV), que puede relacionarse con el límite mínimo de energía necesaria para poblar el estado triplete en el ADN/ARN. Este orden de energía se ha obtenido en experimentos en disoluciones acuosas18,19 y en medios rígidos, 24 y se ha encontrado que los aductos CBT y CBU dimerizan más rápidamente y más eficientemente que los CBC en presencia de acetona y acetofenona.1
Los cálculos CASPT2 corroboran los datos experimentales ya que predicen que la producción de fotoaductos CBT y CBU, en el estado triplete, tiene
191
lugar a similares energías y condiciones, pero, sin embargo, se requieren energías superiores para que se forme el CBC, el cual puede estar también menos favorecido debido a la formación de excímeros muy estables en la citosina, tal como ocurre para el estado singlete.3
Así pues, dado que la eficacia de la formación del triplete es mayor en la timina que en la citosina,11,14 es posible racionalizar las preferencias por los sitios TT, y en menor extensión por los CT, TC y CC, para generar fotoproductos ciclobutánicos.
En resumen, una vez se ha propuesto la presencia de un precursor excímero singlete, que favorece la conversión interna ultrarrápida a través de una cónica (S0/S1)CI3,4,5,6,8 como la fuente más importante de formación de
dímeros CBPyr de las bases nucleicas, tanto en polímeros como en disoluciones congeladas,1 el esquema que presentamos trata de racionalizar el mecanismo para la fotosensibilización de fotoaductos triplete-triplete desde un dador apropiado, proceso de transferencia de energía que se espera sea más favorable en disolución.1 Proponemos, pues, que la estructura intermedia 3(SWI) es la mejor candidata para disparar la formación del fotoaducto ciclobutánico después del ISC y evolucionar en la región de la PEH del estado fundamental del aducto CBPyr, proceso que se ha sugerido tiene una eficiencia de cuasi la unidad.25 La eficiencia real del proceso de decaimiento a lo largo del triplete también se basará en el aumento de los valores de acoplamiento espín-órbita. En este sentido, el disolvente, o en general el medio, se espera que juegue un papel crucial en el proceso de ISC.26 La determinación de la naturaleza y localización relativa de los intermedios tripletes en los exciplejos de las diferentes nucleobases puede ayudar a racionalizar la fototoxicidad de potenciales fotosensibilizadores a consecuencia de la energía de sus estados tripletes. Del mismo modo se puede utilizar para diseñar derivados de la nucleobase adecuada, o fármacos fototerapéuticos, que sirvan para disminuir e incluso impedir la formación de dímeros de pirimidina.
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Tabla 8.1. Energías experimentales y teóricas CASPT2 (eV) para el estado excitado más bajo, T1,
de las bases pirimidínicas del ADN/ARN.a
Monómero Dímero Monómero
EVAb Tec Te (T1/S0)Xd Expe Citosina 3.66 2.98 2.70 3.50 Uracilo 3.80 3.15 2.47 3.65 Timina 3.59 2.87 2.36 3.60 a
Todas las energías están referidas al estado fundamental singlete de dos bases aisladas. Véase Figura 8.7.
b
Energía de excitación vertical singlete-triplete (EVA) en el mínimo del estado fundamental FC del
monómero (S0). c
Energía adiabática de mínimo a mínimo de los monómeros S0-T1, (Te): origen de banda de excitación
electrónica.
d
Energía adiabática de mínimo a mínimo de los homodímeros S0-T1, correspondiente al cruce singlete-
triplete más bajo (T1/S0)X y la especie intermedia 3(SWI). e
Banda máxima experimental del monomero singlete-triplete, corresponde aproximadamente a EVA. Refs.
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Conclusiones del capítulo 8
Se ha estudiado a nivel teórico CASPT2 el proceso de formación fotoinducido de los dímeros ciclobutánicos pirimidínicos en el estado excitado triplete.
Se propone un mecanismo a través del triplete del homodímero para los pares de citosina, timina y uracilo en los que se incluye una estructura intermedia, 3(SWI), cruce singlete-triplete, de carácter birradical y que representa la conformación más estable del triplete de las bases nucleicas en el ADN.
La eficiencia del mecanismo está modulada por dos factores:
o la efectividad del proceso de transferencia de energía triplete- triplete desde una molécula fotosensibilizadora dadora, que está relacionada con la posición relativa de las tres bases pirimidínicas, requiriéndose menor energía en los pares de timina y uracilo que en los de citosina y
o el proceso de cruce entre sistemas hacia el estado fundamental del fotoproducto. Cabe destacar que esta estructura intermedia 3(SWI) se encuentra en una región de la hipersuperficie donde el estado fundamental del dímero aparece degenerado con el estado triplete, es decir, coinciden en un cruce singlete-triplete, (T1/S0)x y, consecuentemente, el
decaimiento al estado fundamental del homodímero se ve particularmente favorecido.
Los rendimientos de formación más bajos observados en los dímeros de citosina, CBC, comparados con los de la timina, CBT, se puede relacionar con el hecho de que el intermedio triplete 3(SWI), mediador en la formación del fotoaducto a través de un proceso de transferencia de energía, está más alto y, por tanto, menos accesible en la citosina.
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