ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2007, том 41, № 5, с. 369-374
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 591-9.05:539.1.047
РАСЩЕПЛЕНИЕ ГЛИКОЗИДНОЙ СВЯЗИ ПРИ РАДИОЛИЗЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МЕТИЛГЛИКОЗИДОВ И ДИСАХАРИДОВ
© 2007 г. О. И. Шадыро, Р. М. Кисель
Белорусский государственный университет Беларусь, 220050, Минск, просп. Независимости, 4 E-mail: shadyro@open.by Поступила в редакцию 28.08.2006 г.
Изучены закономерности образования и определены выходы продуктов радиолиза метилгликози-дов и дисахаридов, образующихся в результате разрыва О-гликозидной связи. Показано, что кислород ингибирует такие процессы. Установленные факты свидетельствуют о важной роли реакции
фрагментации C2 -радикалов в образовании продуктов деструкции углеводов при радиолизе их водных растворов.
Широкая распространенность углеводов и уг-леводсодержащих веществ делает их предметом многочисленных исследований, в том числе и тех, в которых изучается действие ионизирующего излучения на эти соединения. Основным стимулом для изучения радиационной химии углеводов является необходимость получения данных для решения задач, связанных с установлением механизмов повреждающего действия радиации на живые организмы, так как основные радиобиологические мишени (ДНК, гликолипиды, глико-протеины) содержат углеводные фрагменты [1]. Радиационная стерилизация углеводсодержащих продуктов и лекарств широко используется и для ее оптимизации необходимы сведения об устойчивости исходных объектов и путях их радиаци-онно-химических превращений [2], также как и при выборе условий радиационной предобработки целлюлозы и целлюлозосодержащих объектов для последующей их утилизации [3].
К настоящему времени накоплено огромное количество данных по радиолизу различных углеводов и их водных растворов. Большинство из них обобщены в обзорах [1, 6] и монографиях [4, 5]. Несмотря на это, ряд принципиальных вопросов остается не выясненным. Известно, что ди-, олиго-и полисахариды по сравнению с другими биологическими веществами эффективно деструктируют при облучении с образованием более низкомолекулярных продуктов, причем только в случае углеводов этот процесс эффективно ингибируется кислородом [4]. До недавнего времени не было ответа на вопрос, почему это происходит. Результаты, опубликованные в [7], как и данные, приведенные ниже, по влиянию кислорода на образование основных продуктов радиационно-индуцирован-ной деструкции ряда дисахаридов и метилглико-
зидов позволяют выдвинуть аргументированные объяснения этому феномену.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Соединения, использованные в работе (а-метил-D-глюкопирaнозид (I), 3-О-метилглюкоза (II), цел-лобиоза (III), мальтоза (IV), гентиобиоза (V), лактоза (VI)), фирмы "AMrich". Структурные формулы всех указанных соединений приведены на рис. 1.
Растворы готовили растворением точно взвешенного количества соответствующего вещества в бидистиллированной воде.
Дезаэрирование растворов проводилось путем продувания их в ампулах аргоном в течение 1 ч с последующим запаиванием. Насыщение исходных растворов кислородом проводили путем непрерывного пропускания в течение 30 мин кислорода в ампулы, содержащие исходные растворы с последующим их запаиванием.
Растворы исходных веществ облучали на установке ЛМБ-у-1М с источником у-излучения 137Сs (мощностью дозы излучения 0.28 Гр/с). Интервал используемых доз 0-2.5 кГр.
Метанол определяли методом газо-жидкостной хроматографии на газовом хроматографе "Shimad-ш" с использованием капиллярной колонки "Stabil-wax" (длина колонки - 30 м, внутренний диаметр -0.54 мм, толщина пленки - 1 мкм). Условия анализа: газ-носитель - азот, вспомогательный газ - азот, начальная температура 40°С; температурный режим: скорость подъема до температуры 100°С - 8°С/мин, от 100°С до 240°С - 10°С/мин, затем выдерживание при температуре 240°С в течение 10 мин; температура инжектора - 220°С; детектор - пламенно-ионизационный; температура детектора - 240°С; общий поток - 2.5 мл/мин; линейная скорость - 18 см/с.
-OH
-O.
OH
OH
O„
4CH3
OH
OCH3
OH
OH
OH
O
OH OH
OH
а-Метил^-глюкопиранозид (I) 3-О-метилглюкоза (II)
OH
OH
OH
Целлобиоза (III)
OH
OH
OH
OH
OH
HO
OH
Мальтоза (IV)
OH
O
OH
O
O
OH
OH
OH
OH OH
OH
OH
Гентиобиоза(V)
OH
OH
Лактоза (VI)
Рис. 1. Структурные формулы использованных в работе соединений.
Для анализа продуктов радиолиза лактозы облученные растворы предварительно пятикратно концентрировали. Количественное определение осуществляли методом ВЭЖХ на хроматографе "Shimadzu" с использованием колонки EC 250/4 NUCLEOSYL Carbohydrate. Условия анализа: поток 1 мл/мин, подвижная фаза - ацетонитрил : вода в соотношении 86 : 14; петля 20 мкл; рефрактометрический детектор RID.
Количественное определение глюкозы, образующейся при радиолизе водного раствора мальтозы, проводили методом ВЭЖХ на хроматографе "Shimadzu" с использованием колонки EC 250/4 NUCLEOSYL Carbohydrate. Условия анализа: поток 1 мл/мин, подвижная фаза - ацетонитрил : вода в соотношении 80 : 20; петля 20 мкл; рефрактометрический детектор RID.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе радиолиза водных растворов метилгли-козидов и дисахаридов, как и в случае их гидролиза, происходит образование их молекулярных со-
данном случае метанола и мо-
ставляющих [4], носахаров.
Радиационно-химические выходы продуктов радиолиза рассчитывали из зависимостей концентраций веществ от поглощенной дозы, которые в интервале используемых доз имели вид, аналогичный приведенным на рис. 2.
Радиационно-химические выходы продуктов, образующихся за счет расщепления О-гликозид-ной связи в веществах I-VI, приведены в таблице.
Надежно установлено, что процессы расщепления О-гликозидной связи при радиолизе водных растворов углеводов индуцируются OH-радикала-ми [5, 7]. В отличие от гидролитического, радиа-ционно-химический разрыв О-гликозидной связи в гликозидах и дисахаридах не приводит к стехио-метрическому образованию молекулярных компонентов. Так, выход метанола, образующегося при радиолизе веществ I и II был более высоким, чем выход глюкозы, а выход глюкозы при радиолизе лактозы (VI) намного превышал выход галактозы. Сравнение абсолютных значений величин
с(метанола), 10 4 М
2.2 -
1.8 -
1.4 -
1.0 -
0.8 -
/•
0.2
0 0.2
1.0 1.2 1.4
D, кГр
1
4
Рис 2. Влияние поглощенной дозы на накопление СН3ОН при радиолизе 0.1 М водных растворов а-метил-Б-глюко-пиранозида (I) и 3-О-метилглюкозы (II): 1 - дезаэрированный раствор соединения I, 2 - дезаэрированный раствор соединения II; 3 - раствор соединения I, насыщенный кислородом; 4 - раствор соединения II, насыщенный кислородом.
выходов метанола и глюкозы c выходом ОН-ради-калов свидетельствует о том, что эти вещества являются основными продуктами радиолиза, и процессы, приводящие к их образованию, протекают с высокой вероятностью.
Для объяснения особенностей образования указанных выше продуктов расщепления О-гли-козидной связи была предложена схема, в которой важная роль отводится реакциям гидролиза Сгра-дикалов исходных веществ (см. реакцию (2)) [1, 8].
HO
НО
НО
ОН
OH
R
Ш
Н2О
Я
ОН
НО
ОН
О
1
(1)
OH
^,
+ ROH, (2)
' I О-,
Н
ОН
ОН
ОН
НО
О
ОН
ОН
—-
% НО
О
ОН
ОН
О
ОН
О
ОН
НО
ОН, (3)
ОН
Я = СН3, остаток глюкозы.
2
+
Протеканием реакций (1)-(3) объясняют преимущественное образование метанола в случае радиолиза вещества (I) и глюкозы при облучении растворов дисахаридов Ш-У. Однако с учетом протекания только реакций (1)-(3) трудно объяснить ингибирующее влияние кислорода на процесс расщепления О-гликозидной связи, который мы наблюдали в данной работе, а также ранее при изучении радиолиза полисахаридов [7].
Известно, что кислород эффективно взаимодействует с углерод-центрированными радикалами [5]. Однако его реакции с С -радикалами гликозидов и дисахаридов не приводят к уменьшению выходов продуктов разрыва О-гликозидной связи вследствие протекания следующих процессов [5]:
В наших работах [7, 9-14] развивается концепция, согласно которой ведущую роль в процессах деструкции гидроксилсодержащих веществ при их радиолизе играют реакции распада
радикалов исходных соединений, протекающие с разрывом двух ^-связей. Так, разрыв О-глико-зидной связи может обеспечить следующий процесс:
Я = СН3, остаток глюкозы.
При радиолизе водных растворов метилглико-зида (I) реакция (5) приводит к преимущественному образованию метанола. В случае вещества II
СН3ОН будет появляться за счет следующих процессов, также протекающих по предложенному нами механизму:
Процессы (6) и (7), по-видимому, являются единственным путем образования метанола, так как при радиолизе вещества II глюкоза не образовывалась (см. таблицу). При радиолизе лакто-
зы образование глюкозы будет происходить за счет реакций (2) и (5), тогда как галактоза может появиться только в результате фрагментации типа:
пи пн ПН ОН
Реакции (5)-(8), где ключевую роль поскольку в его присутствии идет процесс играют стадии распада С2 -радикалов угле- окисления фрагментирующих интермедиа-водов, эффективно блокируются кислородом, тов:
ОН ОН
Я = СН3, остаток глюкозы.
Как следует из полученных данных, насыщение кислородом растворов в случае вещества II приводило к полному подавлению выхода метанола при радиолизе. Это указывает на то, что об-
разование метанола в данном случае происходит только за счет реакций фрагментации типа (6) и (7), которые в присутствии кислорода не реализуются. При радиолизе водных растворов соедине-
Радиационно-химические выходы (G) образования молекулярных продуктов радиолиза водных растворов ряда гликозидов и дисахаридов в различных условиях (концентрации веществ I-VI равны 0.1 М)
Система Продукт G x 107, моль/Дж
Раствор
дезаэрированный насыщенный O2
I CH3OH 1.72 ± 0.12 0.55 ± 0.06
Глюкоза 0.17 ± 0.03 0.15 ± 0.05
II CH3OH 0.62 ± 0.10 0.06 ± 0.02
Глюкоза ~0 ~0
III » 1.14 ± 0.15 0.42 ± 0.04
IV » 1.10 ± 0.1 0.41 ± 0.05
V » 1.16 ± 0.12 0.44 ± 0.04
VI » 1.06 ± 0.11 0.31 ± 0.01
Галактоза 0.25 ± 0.03 0.13 ± 0.03
ний I, III-VI разрыв О-гликозидной связи с образованием молекулярных компонентов исходных веществ возмо
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.