научная статья по теме ВЛИЯНИЕ РАЗБАВЛЕНИЯ НА АГРЕГАЦИЮ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИКАРБОКСИЛЬНОГО ПРОИЗВОДНОГО ФУЛЛЕРЕНА СБО Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ РАЗБАВЛЕНИЯ НА АГРЕГАЦИЮ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИКАРБОКСИЛЬНОГО ПРОИЗВОДНОГО ФУЛЛЕРЕНА СБО»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 38-43

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА

УДК 577.32; 535.361

ВЛИЯНИЕ РАЗБАВЛЕНИЯ НА АГР ЕГАЦИЮ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИКАРБОКСИЛЬНОГО ПРОИЗВОДНОГО ФУЛЛЕРЕНА С60

© 2015 г. А.Г. Бобылёв*, Н.В. Пеньков** ***, П.А. Трошин****, С.В. Гудков* *** *****

*Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, Институтская ул., 3; **Институт биофизики клетки РАН, 142290, Пущино Московской области,Институтская ул., 3; ***Пущинский государственный естественно-научный институт, 142290, Пущино Московской области, просп. Науки, 3;

****Институт проблем химической физики РАН, 142432, Черноголовка Московской области, ул. Академика C еменова, 1;

*****Институт общей физики им. А .М. Прохорова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38

E-mail: bobylev7@rambler.ru

Поступила в p едакцию 11.06.14 г.

И сследовано влияние pазбавления на агрегацию наночастиц поликаpбокcильного пpоизводного фуллеpена Cgg. Показано, что при уменьшении его концешрации в водной фазе относительное количество ацетатов также уменьшается, а количество единичные молекул увеличивается, что потенциально может влиять на биологичеcкую активность соединения в пеpеcчете на одну молекулу. Добавление к производному фуллеpена pазличныx оpганичеcкиx и неоргани-чеcкиx солей пpиводит к интенсивной дезагрегации. Полученные данные позволяют пpедложить объяснение неcтеxиометpичеcкого xаpактеpа нейтpализации активныx фоpм киcлоpода производными фуллеpенов, а также по-новому оcмыcлить физичеcкий cмыcл pабот, поcвященныx воздействию наночастиц в cвеpxнизкиx концентpацияx на биологические объекты.

Ключевые слова: наночастицы, фуллерены, агрегация, динамическое светорассеяние.

К фуллеpенам, являющимcя молекуляpной фоpмой углеpода [1], пpоявляетcя значительный интеpеc во многиx облаcтяx иccледований, в том числе в cфеp е биомедицинcкиx пp иложений [2-4]. Наиболее изученным является фуллерен Сб0, молекулы которого состоят из 60 атомов углерода и представляют собой кар касные структуры, характеризующиеся наличием системы делокализованных п-электронов и сопряженных кр атных связей. Благодаря такой структур е фуллерен С60 и его производные могут легко реагировать с активными формами ки-слор ода (АФК). Химически немодифицирован-ные фуллерены и их водорастворимые производные проявляют выраженные антирадикальные свойства, что делает этот класс соединений потенциально привлекательным инструментом для регуляции свободнорадикальных процессов и уменьшения тяжести окислительного стресса в биологических системах [5]. Мощная антира-

Сокращения: АФК - активные формы кислорода, СОД -супероксиддисмутаза, ПКПФ-1 - поликарбоксильное производное фуллерена С60.

дикальная активность фуллеренов определяется электрон-дефицитными свойствами системы из 30 сопряженных кратных связей. Благодаря тому, что одна молекула Сб0 теоретически может дезактивировать десятки свободных радикалов, фуллерен получил название «губки для радикалов» [6]. Одним из наиболее интересных феноменов, связанных с антирадикальными свойствами фуллеренов, является нестехиометриче-ский механизм нейтрализации АФК. Суть данного феномена со стоит в следующем. П ри уменьшении концентрации фуллеренов в растворе активность каждой отдельно взятой молекулы возрастает. Так, в недавно опубликованной работе [7] показано, что производные фуллерена Сб0 являются миметиками суперок-сиддисмутазы (СОД). Установлено, что трис-малонатные аддукты фуллерена С60 способны дезактивировать супероксидные анион-радикалы в водных р аствор ах со скоростью, сравнимой со скоростью фермента С ОД. Так называемые «гидратированные фуллерены» взаимодействуют с гидроксильными радикалами, индуцированными ионизирующей радиацией, по

такому же нестехиометр ическому механизму [8]. Аналогичные данные есть и по нейтр ализации фуллеренами синглетного кислорода [9].

Известно, что подавляющее количество фуллер енов C60 и их производных существуют в водных растворах как в виде одиночных молекул, так и в виде агр егатов. Наиболее пр о -стым объяснением увеличения активности каждой отдельно взятой молекулы фуллер ена пр и уменьшении концентр ации пр епар ата является увеличение фр акции единичных молекул относительно фр акции агр егир ованных молекул пр и р азведении. Это пр иводит к увеличению сум -мар ных площадей контакта фуллер енов с жидкой фазой и к увеличению количества до ступ-ных р еакционно-способных групп фуллер енов в р аствор е. Однако в одной из пер вых р абот по этой тематике установлено, что п р и умень -шении концентр ации фуллер ена, модифицир о -ванного циклодекстрином, в растворе наблюдается его более интенсивная агрегация [10]. Полученные результаты объяснялись автор ами как взаимодействие «подобного с подобным» (уменьшением энер гии пр и гидр офобных взаимодействиях). Дальнейшее исследование вопр о -са о нестехиометр ическом механизме антир а -дикального действия фуллер енов пр ивело к появлению р азличных гипотез, суть котор ых за -ключается в том, что фуллер ены в водных р а створах создают вокруг себя некоторые уникальные стр уктур ы из молекул воды [8,9,11-13]. К сожалению, современный уровень развития техники не позволяет экспериментально под-твер дить или опр овер гнуть эти гипотезы.

В данной статье с помощью метода динамического свето р ассеяния исследовано влияние концентрации поликарбоксильного производного фуллер ена C60 (ПКПФ-1) на степень его агр егации в водных р аствор ах. Показано, что пр и уменьшении концентр ации пр епар ата пр о -исходит увеличение фракции единичных молекул относительно фр акции агр егир ованных. В целом, пр едставленные в статье данные объясняют пр едложенный р анее нестехиометр ический механизм антирадикальной активности фулле-ренов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использованы следующие реакти -вы: NaCl (ACS Grade, АррНСИеш, Гер мания), NaHCO3, ^2НР04-2Н 2О (ACS Grade, Amreso, CША), натрий лимоннокислый 3-замещенный, сукцинат натр ия, ацетат натр ия, NaN03, NaN02, Na2S04 (ACS Grade, Sigma-Aldrkh, CША). Поликарбоксильное производное фуллер ена получено по р анее описанным методи-

P ис. 1. Структур ная фор мула поликар боксильного пр оизводного фуллер ена ПКПФ-1.

кам [14,15]. Химическая формула ПКПФ-1 -C60(C6H4(CH2)3COOK)5Cl, молекуляр ный вес -1762,61 г/моль (рис. 1). Деионизованная вода была получена на установке Milli-Q (Millipore Corporation, CША) и имела рН 7,0 и удельное сопр отивление 18,2 МОмсм.

Измерение размеров частиц проводили методом динамического светорассеяния на приборе ZetaSizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd., Великобритания). Все измерения выполняли пр и темпер атур е 25,0±0,1°C. Анализир уе-мые суспензии помещали в полистирольную кювету и облучали лазер ом (длина волны 632,8 нм, мощность излучения не более 4 мВт). Измер яли интенсивно сть ра ссеянного на ча стицах излучения под углом 173° относительно напр ав-ления падающего луча с помощью лавинного фотодиода. Cигнал с фотодиода поступал на коррелометр, котор ый стр оил вр еменную автокорреляционную функцию флуктуаций интенсивности G(t):

G(t) = T J/(t)I(t - r)dt,

T

(1)

0

где I(t) - pегистрируемая интенсивность лазерного излучения в момент времени t, I - среднее значение интенсивности за время Т, т - время задер жки.

Корреляционная функция уср едняла сь по 15 циклам, в каждом из котор ы x вр емя накопления составляло 15 с. C помощью программного обеспечения ZetaSizer Nano ZS полученную корреляционную функцию разлагали по набору экспонент, у котор ы x хар актер ные вр емена за -тухания однозначно связаны с коэффициентами диффузии D• частиц в суспензии:

Размер, нм

Рис. 2. Распределение частиц производного фуллерена ПКПФ-1 в водной фазе по размерам при разных концентрациях (М, п = 5). Шкала абсцисс представлена в логарифмическом виде. Концентрация фуллерена: 1 - 0,09 мг/мл, 2 - 0,28 мг/мл, 3 - 0,83 мг/мл, 4 - 2,5 мг/мл, 5 - 8,3 мг/мл, 6-25 мг/мл.

/ОД - 1 = Х^ехр( - Ч2^{1),

(2)

РЕЗУЛЬТАТЫ

д =

4пп .

--81И

лп

Го}

2

V /

где ^0 - длина волны лазерного излучения в вакууме, п - коэффициент преломления среды (1,33), 9 - угол рассеяния, {Б1} - набор коэффициентов диффузии, по которым проводили разложение корреляционной функции, А. - величина, отражающая долю частиц с коэффициентом диффузии Б.

Каждому значению коэффициента диффузии Б, при известных значениях температуры Т и вязкости п ср еды, соответствует гидродинамический радиус г. частиц (соотношение Стокса-Эйнштейна):

г. = кТ / 6ппБ ..

(3)

Найденные наборы значений {А.} и {г.} определяют распр еделение исследуемых частиц по размерам.

Обработка данных. Данные представлены как средние значения (М) и их стандартные ошибки (т). Статистическую достоверность определяли с использованием метода ЛКОУЛ с последующей коррекцией с помощью теста Ньюмана-Кеулса и г-кр итерия Стьюдента.

На рис. 2 представлены результаты исследования влияния р астворения фуллерена ПКПФ-1 на распределение частиц по размерам в водной фазе методом динамического светорассеяния. Показано, что при растворении фул-лерена в деионизованной воде в концентрациях от 0,09 до 25 мг/мл наблюдаются две выраженные размерные фракции частиц. Первая размерная фр акция (Я^) частиц имеет ср едний радиус около 4 нм и представлена по большей части единичными молекулами фуллерена. К этой фракции мы относим все объекты, имеющие размер от 0,8 до 20 нм. Вто рая фр акция частиц (Я^) имеет ср едний радиус около 150 нм и представлена агрегатами молекул фуллерена. К этой фракции мы относим объекты, имеющие размер от 20 до 1100 нм. Ширина пика К пр и растворении фуллерена в концентрации 25 мг/мл составляет 8,0 нм; 8,3 мг/мл - 5,0 нм; 2,5 мг/мл - 3,8 нм; 0,83 мг/мл - 3,6 нм; 0,28 мг/мл - 3,2 нм; 0,09 мг/мл - 3,0 нм. То есть полуширина пика К с понижением концентрации уменьшается. Также с изменением концентрации фуллеренов изменяется соотношение вкладов каждой размерной фракции (К и Я2) в распределение по размерам. Вклад каждой размерной фр акции определяется удельной интенсивностью светорассеяния (/% - вклад первой размерной фракции (И1) в общее светорассеяние, /% - вклад второй фракции (Я2),

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»