Effect of visible and near-infrared light on adenosine triphosphate (atp)

Abstract

L' ATP es una molecula clau en el metabolisme cel.lular, actuant com a donador d'energia lliure i acoplant reaccions endergoniques i exergoniques. L'ATP es sintetitzat a la mitocondria en un proces anomenat fosforil.lacio oxidativa despres d'una serie de reaccions a la cadena de citocroms que es troba en la membrana interna de l'organel.la. La font d'energia necessaria per aquesta sintesi s'obte en les cel.lules animals dels nutrients de l'ingestio, i de la llum solar en les plantes. Existeix una via alternativa de sintesi d'ATP extramitocondrial, la glicolisi, que s'inicia amb la fosforilacio de la glucosa per l'enzim hexokinasa.<br/>Interaccio llum-materia<br/>L'energia electromagnetica l'ona de la qual oscil.la en una longitud d'ona de nanometres es anomenada llum. En aquestes frequencies, l'energia promou excitacio electronica de certs atoms i molecules. Existeix una interaccio diferent de la llum amb molecules, produida per el camp electromagnetic que per definicio la llum provoca en qualsevol medi. El camp electric resultant desplaca els electrons dels enllacos quimics produint una polaritzacio del medi sense que existeixi absorcio de l'energia. Aquest es un mecanisme interactiu que existeix sempre, i es l'unic que es dona en molecules que son transparents (no absorbeixen) per a una determinada frequencia de la llum, com es el cas de l'ATP per l'energia visible i infravermella propera. <br/>Experiments, resultats i discussio<br/>Quan l'ATP es excitat amb fotons ultraviolats, es produiex una fluorescencia en longituts d'ona visibles. L'io magnesi s'ha utilitzat per estudiar com la llum visible i infravermella propera produiex un desplacament de carregues electriques a la molecula d'ATP. <br/>La construccio d'un interferometre de Michelson ha servit per observar l'interaccio no absortiva de la llum i l'ATP. La mesura directa de l'index de refraccio d'una solucio d'ATP dona informacio sobre les caracteristiques electriques del medi. L'observacio de que aquest index canvia despres d'irradiar la solucio amb longituds d'ona visibles i infravermelles properes, confirmen que la llum provoca canvis electrics significatius en l'ATP. <br/>En aquest treball tambe s'ha estudiat el comportament bioquimic de l'ATP irradiat quant forma part de dues reaccions quimiques diferents: la de la luciferina-luciferasa i la de la hexoquinasa. En tots dos casos, l'us d'aquest ATP irradiat ha produit una alteracio dels parametres cinetics estudiats, V0 i k en la reaccio de la luciferina-luciferasa, i km i vmax en la reaccio de l'hexoquinasa.<br/>Conclusions<br/>Aquesta interaccio no absortiva de la llum amb l'ATP es la primera descrita per a una biomolecula. El mecanisme aporta noves dades per explicar els efectes observats en el metabolisme cel.lular despres de l'irradiacio d'organismes, teixits i cultius cel.lulars amb llum visible i infravermella propera.

ATP is a key molecule in cellular metabolism. In this thesis, I examined the effects of visible (635 and 655 nm) and near-infrared (810 and 830 nm) light on ATP in solution. I also examined were the biochemical behavior of light-exposed ATP in the luciferine-luciferase reaction and hexokinase reaction, the initial step in glycolysis that begins extra mithocondrial ATP synthesis. Irradiated groups in the luciferine-luciferase reaction showed an improvement in the kinetic parameters V0 and k, and more ATP molecules reacted with the enzyme when they were excited by light. When irradiated ATP was added to the hexokinase reaction, the experimental groups showed significant differences in the Michaelis-Menten kinetic parameters (km for ATP and vmax) and the rate of product synthesis was greater. Changes in both reactions were wavelength and dose dependant. <br/>When ATP was excited with UV photons, it fluoresced. This fluorescence decreased when Mg2+ was added, probably because the ion binds the phosphates, which are the part of the molecule responsible for light emission. Irradiating the ATP-Mg2+ solution with 655 nm and 830 nm light increased the fluorescence resulting from a displacement of charges in the phosphor-oxygen bond that repels Mg2+. <br/>The refraction of light in an ATP solution was observed by the Michelson interferometer and by directly measuring the refractive index. The refractive index changed after red and near-infrared light interaction due to a change in the electrical permittivity of the medium. <br/>Since ATP in water is transparent to visible and near-infrared light, and is therefore not a chromophore for those wavelengths, I conclude that the observed light interaction with ATP is not due to photon absorption but to the electromagnetic disturbance produced by the light, which leads to a polarization of the dielectric molecule that is ATP. <br/> This interaction of visible and near-infrared electromagnetic energy with ATP offers new perspectives for explaining light interaction at subcellular level.