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

• Bilirubin is a degradation product of haem, which is constantly formed in allmammals. Increased levels of bilirubin in humans lead to jaundice, a conditionthat is very common during the first days after birth. This neonataljaundice can routinely be treated by phototherapy without any serious sideeffects. During this treatment, bilirubin undergoes a photoreaction to isomersthat can be excreted. The most efficient photoreaction is the isomerisationaround a double bond (Z-E-isomerisation), which results in more solublephotoproducts.The work presented in this thesis shows results of a femtosecond opticalspectroscopy study, combined with quantum-mechanical investigations, ofthe mechanism of isomerisation of bilirubin. The spectroscopic research wasconducted with bilirubin in organic solvents, and in buffer complexed byhuman serum albumin. This albumin complex is present in the blood, andhas thus medical importance. Quantum-chemical calculations (CASSCF) ona bilirubin model were used to explain experimental results.The fluorescence decay observed with femtosecond spectroscopy shows anultrafast component (~120 fs), which is explained by exciton localisation,followed by processes with a lifetime of about 1-3 ps. These are interpretedas the formation of a twisted intermediate, which decays with a lifetime of10-15 ps back to the ground state, as observed by absorption spectroscopy.CASSCF calculations, in combination with the experimental results, suggestthe ca. 1-3 ps components to be relaxation to the twisted S1 minimum, followedby the crossing of a barrier, from where further relaxation takes placethrough a conical intersection back to the ground state.Time-dependent DFT calculations were utilised to analyse the absorptionspectrum of bilirubin. Good agreement with the measured spectrum wasachieved, and low-lying states were observed, that need further investigation.The theoretically obtained CD spectrum provides direct evidence thatbilirubin preferentially binds to human serum albumin in the enantiomericP-form at neutral pH.

• Bilirubin är en nedbrytningsprodukt av hem som ständigt bildas hos alladäggdjur. En förhöjd bilirubinkoncentration i den mänskliga kroppen kanleda till gulsot, något som är mycket vanligt under de första dagarna efterfödelsen (neonatal gulsot). Fototerapi används rutinmässigt som säker behandlingsmetod,under vilken bilirubin genomgår en fotoreaktion till enisomer 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 kombineradfemtosekund optisk-spektroskopisk och kvantmekanisk undersökningav mekanismen bakom bilirubins isomerisation. Den spektroskopiskastudien genomfördes med bilirubin, löst i organiska lösningsmedel och ibuffert i komplex med humant serumalbumin. Detta albuminkomplex finns iblodet, och är därför av medicinskt intresse. Kvantmekanistiska CASSCFberäkningarpå en bilirubinmodell användes för att förklara de experimentellaresultaten.Det uppmätta fluorescence sönderfallet visar ultrasnabba komponenter(~120 fs). Dessa tolkas som excitonlokalisering, som följs av bildandet avett vridet intermediat med en hastighetskonstant på ca. 1 ps-1(beroende pålösningsmedlet). Absorptionsmätningar visar att detta intermediat sönderfallertillbaka till grundtillståndet med en livstid på 10-15 ps.CASSCF beräkningar, i kombination med de experimentella resultaten, tyderpå att sönderfallet med livslängden på ca. 1 ps är en relaxation till detvridna S1-tillståndet. Reaktionsvägen därifrån antas passera en barriär till enkonisk genomskärning, som möjliggör snabb relaxation till grundtillståndet.Tidsberoende DFT-beräkningar användes för att analysera bilirubins absorptionsspektrum,vilket gav bra överensstämmelse med uppmätta data. Dessutomhittades ett tillstånd med låg excitationsenergi, som kräver ytterligarestudier. Med hjälp av det beräknade CD-spectret kunde det visas att bilirubinbinder till albumin i P-formen vid neutralt pH.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Fysikalisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Physical Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

Bilirubin

Phototherapy

Neonatal Jaundice

Femtosecond Spectroscopy

CASSCF

TD-DFT

Isomerisation Dynamics

Biophysical chemistry

Biofysikalisk kemi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)