ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2012, том 48, № 4, с. 454-459
УДК 515:541.14:541:15
РОЛЬ РАННИХ СТАДИЙ АКТИВИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В БИОЛОГИЧЕСКОЙ И КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИРОДНЫХ АНТИОКСИДАНТОВ ФЕНОЛЬНОЙ ПРИРОДЫ1 © 2012 г. А. А. Ревина*, 2, П. М. Зайцев
*Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН,
Москва, Россия
Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. Я.В. Самойлова РФ (ОАО "НИУИФ"), Москва, Россия Поступила в редакцию 30.03.2011 г.
Основным моментом перекисной теории медленного окисления А.Н. Баха является разработка представлений о значении перекисных соединений и ранних стадий активирования молекулярного кислорода в реакциях биологического окисления. Использование современных физико-химических методов: спектрофотометрии, импульсного радиолиза, переменнотоковой полярографии для изучения каталитических и антиоксидантных свойств природных соединений флавоноидов позволило зарегистрировать эти промежуточные продукты реакций окисления, которые являются комплексами с частичным переносом заряда ...тО^-], и объяснить возможность формирования наноструктурных частиц металлов в обратных мицеллах в присутствии кислорода при использовании восстановителя кверцетина Qr.
Ключевые слова: окисление, импульсный радиолиз, полярография, спектрофотометрия, комплексы с переносом заряда, флавоноиды, наночастицы металлов
На современном уровне развития науки и техники мировая общественность высоко оценивает вклад академика Алексея Николаевича Баха в исследования проблем ферментативного катализа, фотосинтеза, биологического окисления. Основным моментом перекисной теории медленного окисления (А.Н. Бах, 1897) является разработка представлений о значении перекисных соединений и ранних стадий активирования молекулярного кислорода в реакциях биологического окисления [1, 2].
Понадобились десятилетия для того, чтобы идеи А.Н. Баха о роли активирования молекул кислорода не только в биологическом окислении, но и в окислительных процессах, инициированных стрессовыми воздействиями (ионизирующее, УФ-, СВЧ-излучение, присутствие тяжелых и радиоактивных элементов и др.) прочно вошли в золотой фонд науки.
Одним из первых исследователей, начавших изучение действия ионизирующего излучения на живые клетки, субклеточные структуры, фер-
1 Публикуется по материалам IX Международного Фрум-кинского симпозиума "Материалы и технологии электрохимии 21 века" (Москва, октябрь 2010).
2 Адрес автора для переписки: Alex_revina@mail.ru (А.А. Ре-вина).
ментные и другие системы, был академик Н.М. Сисакян. Полученные результаты были изложены и обсуждены на I Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии (1955). На этой конференции был представлен доклад "Радиолитическое окисление органических соединений" профессора Н.А. Бах — дочери А.Н. Баха, пионера советской радиационной химии. Эти работы нашли широкий отклик и признание, а в дальнейшем были развиты и продолжаются во многих научных центрах нашей страны и за рубежом.
Общая теория цепных реакций окисления, созданная академиком Н.Н. Семеновым [3], явилась важным этапом в разработке механизма окислительных процессов. Применительно к цепным реакциям окисления в жидкой фазе эта теория нашла глубокое развитие в трудах школы ученых, возглавляемой академиком Н.М. Эмануэлем [4].
Изучение механизма ранних стадий окислительно-восстановительных реакций, протекающих с участием биологически активных соединений (БАС) в различных системах при воздействии ионизирующего излучения, с использованием современных физико-химических методов [5, 6] является актуальной задачей современной радиационной химии и радиобиологии. С целью изучения и теоретического обоснования полифункци-
ональной активности природных антиоксидантов и радиопротекторов на молекулярно-биохимиче-ском уровне был использован метод импульсного радиолиза со спектрофотометрической регистрацией короткоживущих промежуточных реакционных центров в модельных биологических системах. Методом радиационно-химического моделирования исследованы первичные стадии быстропротекающих окислительно-восстановительных реакций в водных, водно-органических растворах в присутствии флавоноидов, каротино-идов, порфиринов и других природных соединений [7—11]. Особое внимание было уделено изучению реакций взаимодействия биологически активных соединений с молекулярным кислородом и его активными формами, которые ответственны за окислительные деструктивные процессы при самых различных стрессовых воздействиях. Полученные результаты позволили выявить влияние структуры и концентрации БАС, присутствия ионов металлов как в составе молекул (например металлокомплексов порфиринов или ферментов), так и в растворах в виде ионов солей металлов на направление суперок-сиддисмутазной активности. Были определены спектральные и кинетические характеристики
супероксид анион-радикалов О -' в буферных растворах и лабильных кислородсодержащих комплексов, таких как супероксо- и пероксоком-плексы в присутствии многих БАС. С другой стороны, при добавлении таких молекул, как лакказа, церулоплазмин [11, 12] происходит снижение концентрации супероксид анион-радикалов, но без образования продукта последующего его превращения — пероксида водорода. Объяснение полученных результатов было сделано на основе тщательного исследования спектров оптического поглощения исходных деаэрированных и аэрированных модельных растворов БАС. Было обнаружено, что в аэрированных растворах флавоноидов характерные полосы оптического поглощения смещаются обратимо в красную область спектра [8]. Образование и стабилизация комплексов с частичным переносом заряда между кислородом, молекулами порфиринов и кароти-ноидов М...О2 также зарегистрированы спектро-фотометрически на основании батохромного смещения полос поглощения в УФ- и видимой области спектра [9, 10].
Следует подчеркнуть, что именно образованием лабильных обратимых оксокомплексов, зарегистрированных при взаимодействии с кислородом многих органических соединений, подтверждается важность первичной стадии активирования молекулы кислорода в перекисной теории медленного окисления А.Н. Баха. Сегодня мы знаем, что биохимические реакции окисления с участием различных активных форм кислорода в присут-
ствии антиоксидантов, ингибиторов, ферментов лежат в основе многих жизненно важных процессов. Поэтому необходимы глубокие фундаментальные исследования структуры первичных комплексов с кислородом, влияния природы хромофорных групп в молекулах БАС на функциональную активность и включение в схемы окислительно-восстановительных реакций первичных оксокомплексов.
Ранее нами [8—12] был использован метод импульсного радиолиза со спектрофотометриче-ской регистрацией короткоживущих частиц, образующихся в водно-органических растворах биологически активных соединений. Особое значение уделялось изучению спектральных характеристик и кинетики гибели супероксид анион-радикалов в модельных водно-органических растворах в присутствии природных антиоксидантов. Идентифицированы и определены спектральные
характеристики О-оксокомплекса [Рг..О2] и су-пероксокомплексов кверцетина [Рг..О2]-* в присутствии ионов металлов.
Целью данного исследования было продолжить изучение комплексообразования с кислородом природных соединений методом переменно-токовой полярографии [13]. Поставлены следующие задачи: на примере флавоноида — кверцетина и его комплексов с кислородом, ранее зарегистрированных спектрофотометрически, найти связь между их антиоксидантной и супероксиддисмутазной активностью. Использовать полученные результаты, подтверждающие образование лабильных оксокомплексов кверцетина, для объяснения механизма формирования наноразмерных частиц металлов в обратных мицеллах за счет реакции восстановления ионов металлов кверцетином, которая не требует удаления молекулярного кислорода [14] в отличие от радиационно-химического синтеза наночастиц [15]. В этом заключается принципиальное отличие двух методов синтеза в обратных мицеллах наноразмерных частиц металлов, стабильных в жидкой фазе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В работе использовали кверцетин, 3,5,7,3',4'-пентагидроксифлавон (Рг) природный антиокси-дант полифенольной природы. Структурная формула кверцетина представлена на рис. 1. Спектр оптического поглощения Рг имеет две характерные полосы: поглощение в коротковолновой области (I) с ^макс = 255—260 нм и второй полосы (II) в длинноволновой области спектра с ^макс = 367— 373 нм. Известно, что обе полосы обусловлены я—я*-электронными переходами в молекуле Рг: полоса I — в кольце А, а полоса II — в кольце В и влиянием кислорода пиррольного кольца. Спектр
ИОч
в
О
ОИ
/з-
ОИ
5у 4| - ОН ОИ О
Рис. 1. Структурная формула кверцетина, 3,5,7,3',4'-пентагидроксифлавона.
оптического поглощения водно-спиртового раствора Рг в фосфатном буфере (25% этилового спирта, 75% фосфатного буфера при рН 7.7) представлен на рис. 2 (спектр 1).
Известно, что полифенольные соединения являются хорошими хелаторами ионов самых различных металлов [15]. В случае Рг, появление новой полосы с ^макс ~ 440 нм в спектре оптического поглощения в присутствии ионов Си2+ отражает формирование комплекса Юг... Си2+ ] в водно-органических растворах.
Результаты изучения промежуточных продуктов, полученных при импульсном радиолизе растворов Рг в присутствии О2, позволили идентифицировать супероксид анион-радикал. Полоса оптического поглощения супероксид анион-радикалов О -' (1), зарегистрированных методом
импульсного радиолиза в водном фосфатном буферном растворе (рН 7.8) через 8 мкс после окончания 40 нс-импульса ускоренных электронов, имеет характерный максимум при длине волны в области ~258 нм. При введении 1 х 10-5 М Рг наблюдается смещение полосы поглощения кислородсодержащего радикала больше, чем на 10 нм, что связано с образованием супероксокомплекса [Рг...О2]-* . Однако, как показано на рис. 3, кинетика гибели этой частицы почти не отличается от кинетики гибели О-В то время как при добавлении в этот раствор ионов меди при конц
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.