ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2013, том 55, № 2, с. 165-169
ПРИРОДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
УДК 541.64:547.995.1
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ БИОПОЛИМЕРА ХИТОЗАНА НА ЕГО БАКТЕРИЦИДНУЮ АКТИВНОСТЬ
© 2013 г. Ж. Т. Азимов, Б. Л. Оксенгендлер, Н. Н. Тураева, С. Ш. Рашидова
Институт химии и физики полимеров Академии наук Республики Узбекистан 100128 Ташкент, ул. Кадыри, 7Б, Узбекистан Поступила в редакцию 10.01.2012 г. Принята в печать 15.08.2012 г.
Предложена поляризационная модель бактерицидной активности биополимера хитозана, основанная на термодинамике процесса проникновения хитозана в клетку бактерий с учетом его молекулярного строения и кинетике умерщвления бактерий. Из оценки изменения свободных энергий при проникновении хитозана в мембрану получены условия реализации двух механизмов бактерицидной активности хитозана.
БО1: 10.7868/80507547513020025
ВВЕДЕНИЕ
Среди различных биологических свойств биополимера хитозана особого внимания заслуживает его высокая бактерицидная активность. Она делает перспективным его применение в медицине. Вместе с тем исследования показали [1—3], что бактерицидная активность хитозана зависит от степени деацетилирования, рН среды, ММ и концентрации хитозана в растворе, от типа бактерий (грамотрицательная или грамположитель-ная) и т.д.
С большой степенью общности из совокупности всех экспериментальных данных по бактерицидным свойствам хитозана можно выделить следующие концептуальные факты.
1. Увеличение числа аминных групп (степени деацетилирования) в хитозане, т.е. положительного заряда хитозана в растворах при рН < 6, приводит к усилению антимикробной активности хитозана [3].
2. При определенных концентрациях хитозана его антимикробная активность немонотонно зависит от ММ хитозана как для грамположитель-ных бактерий, так и грамотрицательных [2, 3]. Хитозан проявляет бактерицидную активность при малых и больших ММ, причем ее значение больше для коротких цепей.
3. Бактерицидная активность хитозана увеличивается при повышении концентрации хитозана
[3]. Активность хитозана против грамотрица-тельных бактерий больше, чем против грамполо-жительных [1, 2].
Е-шаП: azimov_jt@mail.ru (Азимов Жуманазар Тургунович).
В этой связи актуальна задача разработки биофизической модели бактерицидной активности хитозана, учитывающей его молекулярное строение и охватывающей основные концептуальные экспериментальные факты.
Хитозан может проходить через мембрану бактерии по двум различным каналам: через липид-ную оболочку и водные поры (т.е. ионные каналы) мембраны. Можно предположить, что при малых ММ молекула хитозана, проникая из внешней среды в липидную оболочку и водные поры мембраны, блокирует ионные каналы и приводит к нарушению ионного обмена через мембрану или проходит в цитоплазму клетки, где взаимодействует с ДНК и инактивирует процесс ее деления (см. работу [2]). При больших ММ адсорбция молекулы хитозана на поверхности мембраны сильная, она блокирует водные поры мембраны, важные для функционирования клетки, причем с увеличением концентрации хитозана растет количество блокированных хитозаном пор. В промежуточных случаях, когда хитозан имеет среднюю ММ, оба механизма оказываются не эффективными, т.е. адсорбция хитозана слабая, и молекулы хитозана не проникают в липид-ную оболочку и водные поры мембраны. В настоящей работе обсуждается только случай малых ММ хитозана, соответствующий высокой бактерицидной активности.
ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ
Рассмотрим сначала условия реализации прохождения хитозана через липидную оболочку мембраны на основе изменения свободной энергии. При этом будут использованы следующие
допущения. Во-первых, хитозан имеет вытянутую конформацию как в воде, так и в мембране. Известно, что хитозан является жесткоцепным полимером. Его персистентная длина лежит в диапазоне 15—25 нм [1]. Следовательно, при степенях полимеризации до 500—600 конформацию хитозана можно считать вытянутой. Во-вторых, в данной модели рассматривается длина цепи хитозана, сопоставимая с толщиной стенки клетки и мембраны (до 70 мономерных звеньев в цепи). В-третьих, в модели предполагается, что отрицательные заряды в ионных порах мембраны находятся на одинаковом расстоянии друг от друга и выстроены вдоль стенки канала. Это допущение используется для облегчения аналитических расчетов и является стандартным нулевым приближением в физике неупорядоченных сред. Кроме того, известно, что хитозан растворяется при кислых рН, ниже рН 6. Так как в экспериментах [1— 3] использовали именно растворы хитозана, мы полагали, что при таких рН все аминные группы протонированы, т.е. положительно заряжены.
Переход иона из раствора в липидную оболочку мембраны можно рассматривать как перенос иона из среды с одной диэлектрической проницаемостью в среду с другой диэлектрической проницаемостью, энергию которой можно оценить по формуле Борна [4, 5]
К», = -
г =
=
т2Ьс
т2Ьс
2пеп
2п8п
- Г
1п-
1п
N
-1/3
(2)
■ТБШ
X
М]
4П£п£тЯч
(3)
Здесь т — линейная плотность зарядов на макромолекуле хитозана с длиной ХсЬ, N — концентрация клеток, — абсолютное значение отрицательного заряда клеточной стенки, Б — конфор-мационная энтропия хитозана [7], гт — верхний предел интегрирования при расчете энергии Бор-на хитозана в липидной среде (можно предположить, что он равен расстоянию от хитозана в мембране до ближайшего ионного канала), Щ — расстояние между г -м единичным положительным зарядом хитозана и -м отрицательным зарядом клеточной стенки; суммирование идет следующим образом: индекс г пробегает все номера ионов хитозана, индекс нумерует все ионы стенки поры в мембране. Предполагая, что мономерное звено макромолекулы хитозана в хорошем растворителе заряжено однократно, для линейной плотности зарядов можно записать формулу
1 Ь
(4)
е//
1 -1), (1)
8бппЩ \ 6!
где Щ — размер сферической полости в поляризующейся среде с диэлектрической проницаемостью е . Далее учтем роль конформационной энтропии цепи и кулоновского взаимодействия между положительно заряженным хитозаном и отрицательными зарядами липидной оболочки. Используя идею Борна о поляризации среды, подсчитаем энергию поляризации ЖрЫ заряженной нитью хитозана с линейной плотностью заряда т. Пределы интегрирования в формуле Борна для водной диэлектрической среды, окружающей клетку, выберем от размера поперечного сечения цепи г0 до середины расстояния между клетками,
зависящего от концентрации клеток как ^-1/3 (ограничение верхнего предела интегрирования сделано так, как это впервые осуществили V. ^е15-5корГ и Е. Canwell [6]).
С учетом сказанного выше можно записать выражения для свободной энергии одной заряженной макромолекулы (т.е. химический потенциал) в воде и внутри мембраны соответственно
где — расстояние между зарядами хитозана, зависящее от степени деацетилирования. При степени деацетилирования 100% оно равно размеру мономерного звена й0. Принимая, что полимер имеет вытянутую конформацию как в воде, так и в мембране, можно определить разницу свободных энергий при переходе полимера из водной среды в мембрану как
АГ = ¥т - Д,, =
2 е ЬсИ
2пеп 4г
±1п Гт - ±1п ^
1/3"
еЬ
'сИ
X Ы
(5)
Найдем величину суммы X (1 /Щ), где I — центральный заряд на хитозане. Заменим сумму X (1 /Щ) интегралом (рис. 1).
Тогда имеем следующее решение:
Ьт/2ат
X Щ ~~ I
й(])
Ьт / ат
-Ьт/2О й(])
Г , .2 — + ]
{От
I
2 2 .2 Г + От]
_ 2 ^ /ЬтОт
(6)
Здесь Ьт — толщина мембраны, ат — расстояние между ближайшими зарядами вдоль мембраны. Предполагая, что все отрицательные заряды в мембране имеют одинаковый заряд 1т, окончательно для энергии кулоновского взаимодей-
е
ствия цепи хитозана с зарядами мембраны имеем формулу
Ec = -eqn
L
'ch
2mnzmdeffa„
l_ln Lm^n < g
(7)
При А ¥ < 0 хитозан самопроизвольно проникает в мембрану. Таким образом, условия самопроизвольной реализации этого эффекта записывается в виде
in^ --Lin'
- m r0 - w r0
<
qn
_ in Lmam
(8)
eff
2 г
e L„,
2m()deff
AF = Fc - F =
in rc - i-r
— in ^
(9)
+ •
eqmL
'ch
.inbnBnm < 0.
2ns0s mdeffam r
Здесь rc — верхний предел интегрирования при расчете энергии Борна хитозана внутри клетки, rD — радиус экранировки поля заряженного хитозана ионами клетки, который обратно пропорционален концентрации ионов [7]. Только при выполнении двух условий (8) и (9) хитозан может проникнуть в клетку и связаться с ДНК, т.е. проявить бактерицидную активность, тогда как вы-
q— JTTll__j__
L
ch
Как следует из выражения (8), прохождение хитозана через липидную оболочку не зависит от длины цепи хитозана, но зависит от степени деа-цетилирования df При больших степенях деацетилирования, т.е. при малых dep хитозану труднее попасть в липидную оболочку мембраны. Кроме того, при больших зарядах qm и большом их количестве в мембране (при малом am ) хитозан может самопроизвольно проникнуть в липидную оболочку мембраны. Так как грамотрицательные бактерии имеют большее количество отрицательных зарядов на поверхности мембраны, чем грам-положительные, сорбция полимера в липидную оболочку для них сильнее, чем для грамположи-тельных бактерий.
При прохождении хитозана дальше внутрь клетки он может образовать комплекс с отрицательно заряженной ДНК и тем самым ингибиро-вать процесс деления клетки. Условие прохождения хитозана из липидной оболочки мембраны во внутреннюю водную среду клетки можно получить из разницы свободных энергий этих состояний (Fm и FWC ). Присутствие ионов внутри клетки в водной диэлектрической среде приводит к экранировке электрического поля вокруг заряженного хитозана и, следовательно, к уменьшению энергии Борна. Экранировку ионами можно учесть на основе теории Дебая—Хюккеля [7], и тогда рассматриваемое условие выглядит следующим образом:
Рис. 1. Модель заряженной цепочки хитозана в заряженном канале мембраны.
полнение только условия (8) приводит к застреванию хитозана в мембране. Для выполнения условия (9) необходимо, чтобы радиус экранировки был большим: это и реализуется при небольшой концентрации ионов.
Условие самопроизвольного проникновения хитозана из окружающей среды в ионный канал можно найти
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.