научная статья по теме СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ РАДИАЦИОННОЙ ДЕСТРУКЦИИ ХИТОЗАНА И ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОЛУЧЕВОЙ ЗАЩИТЫ Биология

Текст научной статьи на тему «СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ РАДИАЦИОННОЙ ДЕСТРУКЦИИ ХИТОЗАНА И ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОЛУЧЕВОЙ ЗАЩИТЫ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 717-726

РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

УДК [57+61]:539.1.04:[541.15+541.515+577.391]

СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ РАДИАЦИОННОЙ ДЕСТРУКЦИИ ХИТОЗАНА И ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОТИВОЛУЧЕВОЙ ЗАЩИТЫ

© 2007 г. О. А. Пилипчатина, В. А. Шарпатый*

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва

Анализ литературных данных по радиолитическим свойствам хитозана и соединений, моделирующих его отдельные фрагменты, позволил сделать вывод, что основной процесс радиационной деструкции хитозана вызван образованием и превращениями свободных радикалов. Предложены

обобщающие схемы механизмов превращений первичных радикалов С2 , С1 и С3 (отрыва NH2 и атомов Н) вплоть до образования некоторых конечных продуктов радиолиза хитозана. Обсуждаются проблемы радиозащиты ДНК и мембраны в клетке.

Хитозан, механизм радиолиза, свободные радикалы, акцепторы радикалов, радиозащита ДНК и мембран в клетке.

Хитозан - высокополимер глюкозамина с молекулярной массой от 10 до 70 кДа обладает свойствами эффективного радиопротектора: его внутривенное введение мышам из расчета 20 мг/кг за 15-30 мин до облучения в дозе 8 Гр (минимально абсолютно летальная) повышает выживаемость животных до 73% [1]. Изготовляется из хитина -природного аналога целлюлозы, состоящего из остатков ^ацетил-Р^-глюкозамина, - дезацети-лированием ферментативно или обработкой концентрированной щелочью [2]. Применение хитозана в качестве радиопротектора по сравнению с другими предпочтительнее из-за биосовместимости и биоразрушаемости до глюкозамина (или ^ацетилглюкозамина в неполностью дезацити-лированных препаратов) [3] - метаболита организма животного и человека.

О СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОМ МЕХАНИЗМЕ РАДИОЛИЗА ХИТОЗАНА

Несмотря на более чем 40-летнюю историю радиобиологических исследований по хитозану [1] и имеющиеся данные о его радиолитических свойствах, обобщенные в [4, 5], полной картины о механизме радиозащитного действия этого полимера, как и о механизме его радиационной деструкции, все еще нет. Литературные данные последних лет, включая исследования по радиолитическим свойствам полисахаридов и низкомолекулярных соединений, моделирующих фрагменты хитозана и хитина, позволяют представить основные направ-

*Адресат для корреспонденции: 119991 Москва, ул. Косыгина, 4, ИБХФ РАН; тел.: (495) 939-71-14; факс: (007) (495) 137-41-01; е-таП: vashar@sky.chph.ras.ru.

ления их радиационной деструкции по свободно-радикальным механизмам последовательностью элементарных актов превращений первичных макрорадикалов вплоть до образования некоторых молекулярных продуктов.

В настоящем обзоре проанализированы результаты исследований свободнорадикальных превращений (инициируемых радиацией) соединений-предшественников хитозана и соединений, моделирующих отдельные фрагменты его как полимера. Рассмотрена также возможность реализации свободнорадикального механизма на первичных, физико-химических стадиях противолучевого действия хитозана. Так, первичные стадии лучевого поражения, например ДНК в клетке, сводятся к образованию разрывов в сахаро-фосфатных цепях и модификациям оснований. Радиопротекторами (РП) реализуются два механизма радиозащиты: конутренции с ДНК за радикалы-продукты радиолиза воды и подавление превращений макрарадикалов ингибиторами свободнорадикальных реакций. При прогнозировании ожидаемого терапевтического эффека применения РП желательна оценка этих двух механизмов. От каких радикалов - окислительных или восстановительных - необходимо защищать ДНК? Какими ингибиторами можно подавить превращения образовавшихся макрорадикалов и к каким последствиям это приведет? Применение РП не означает создание в клетке концентраций, на порядки превышающих концентрацию ДНК. Достаточно, чтобы РП и предполагаемое место повреждения ДНК находились непосредственно вблизи друг друга, что может быть достигнуто прикреплением РП к полимеру.

Радиолиз глюкозамина (ГА). Характерным признаком радиолитических свойств ГА в водных растворах, отличающим его от радиолиза нейтральных углеводов, является взаимодействие с гидрати-рованным электроном, ке + га = 4.2 х 108 л моль1 с-1. Участие электрона демонстрируется результатами ЭПР-измерений выхода атомов Н в облучаемых при 77 К фосфорнокислых стеклообразных растворах ГА разной концентрации. Снижение выхода Н с ростом концентрации ГА отражает протекание конкурирующих процессов:

е + Н2 РО- = Н + НРО=, (1)

е + глюкозамин —► продукты. (2)

Радикалы глюкозамина. Под действием радикалов ОН и Н на молекулу ГА, как и в случае воздействия на нейтральные углеводы, возможен отрыв атомов Н от всех шести атомов углерода. В составе молекул хитозана и хитина остатки глюкозамина присутствуют в циклической форме, которая характерна как для солянокислого ГА (ГА.НС1), так как для ^ацетилзамещенного глюкозамина ^-Ас-ГА).

При низкотемпературном облучении ГА.НС1 с преобладающим выходом образуются радикалы, спектр ЭПР которых - дублет с а ~ 2.6 мТл, обусловленный взаимодействием неспаренного электрона с протоном на С2. При нагревании образца примерно до 170 К в спектре возникает новая широкая (~8 мТл) линия с пятью эквидистантными (~2 мТл) компонентами, соотношение ин-тенсивностей которых близко к биномиальному (квинтет). Изменение интенсивности компонент дублета и квинтета, отражающих концентрации радикалов Яд и Якв, следует антибатной зависимости, причем суммарная концентрация радикалов в промежуточной температурной области существования обоих типов радикалов в пределах погрешности измерений сохраняется постоянной. Отсюда вывод о превращении радикалов Rд —► Rкв по реакции изомеризации Rд с разрывом связи С5-О5: атом С5 - единственное место в радикале, где не-спаренный электрон может взаимодействовать с четырьмя эквивалентными протонами.

СТС спектра облученного ^Ас-ГА отличается от СТС спектров ГА-основания и ГА.НС1, что обусловлено появлением заместителя в ^положении и образованием в нем радикалов. Особенность превращения радикалов в ^Ас-ГА при термоотжиге - образование радикалов аллильного типа (-С(=О)-СН-). Параметры спектра этого радикала (дублет с расщеплением ~2 мТл, g = 2.007) обусловлены делокализацией неспаренного электрона по фрагменту карбонильной группы. Образование радикалов аллильного типа, как и при облучении нейтральных углеводов, связано с превращением первичных гидроксиалкильных радикалов по реакции ^-элиминирования Н20.

Радиолиз ацетамида, моделирующего фрагмент ^заместителя в хитине. В облучаемом при 77 К ацетамиде (Н^-СО-СН3) образуется анион-радикал (электрон атакует связь >С = О; дублет 1 : 1, а ~ 2.9 мТл, g = 2.003). Под действием у-излу-чения он разлагается с образованием ацильного радикала (АН = 0.4 мТл, g = 2.0009) [6].

Итак, из ЭПР-измерений на низкомолекулярных моделях хитозана и хитина следует, что превращения возникших в ангидроглюкозном ^замещенном цикле радикалов могут приводить к разрывам в полимерной цепи за счет разрушения мономерных звеньев. Участие электрона сводится к реакциям с аминогруппами и ^заместителями.

Радиолиз гепарина. Гепарин - сульфатирован-ный полимер глюкозамина и уроновых кислот, соединенных а- и Р-гликозидными связями, является полианионом (хитозан - поликатион); носителями заряда в нем являются сульфо- и карбоксильные группы. Препараты гепарина с 20-100 мономерными единицами применяются в медицине в качестве антикоагулянта крови. Сульфогруп-пами фрагмента - пентасахарида с определенной последовательностью остатков ^-ацетил-а^-глюкозамин-6-сульфат; Р^-глюкуроновая кислота; а^-глюкозамин ^сульфат-3,6-дисульфат; а^-идуроновая кислота-2-сульфат; а^-глюкоза-мин ^сульфат-6-сульфат) гепарин контактирует с положительно заряженными остатками Лиз и Арг в антитромбине III, а Арг последнего - со вторым белком плазмы крови (коагуляционный фактор Ха). Создается трехкомпонентный комплекс, в составе которого пентасахарид ингиби-рует процесс образования фибрина из фибриногена, т.е. препятствует свертыванию крови [7].

Под воздействием ионизирующих излучений гепарин в водных растворах и в сухом виде теряет антикоагуляционные свойства [8, 9]. В облучаемых растворах гепарина разрушаются гексауро-новые и глюкозаминовые звенья, снижается содержание азота, сульфогрупп (десульфатация), уменьшается молекулярная масса (деполимеризация), возрастает количество восстанавливающих (карбо-) групп и кислотность раствора [8].

Деструкция гепарина в растворах, образование в нем карбоксильных и восстанавливающих групп происходит под влиянием радикалов ОН (кон + гепарин = 4.7 х 108 л/моль-1 с-1); реакционная способность по отношению к егидр на порядок величины меньше [10]; егидр участвует в процессе деполимеризации, но это, по мнению авторов [10], не сопровождается потерей сульфогрупп в полимере.

В водных растворах гепарина (8-30%), облученных при 77 К, зарегистрированы радикалы, образующиеся из гепарина и из воды - ОН и ест [11]. В 30%-ном растворе гепарина G (ест) ~ 0.1. Эта величина существенно меньше наблюдаемой в тех же условиях облучения для 30%-ного раствора D-глюкозы (0.9).Отсюда заключаем, что по

крайней мере 90% электронов при 77 К вступает в реакции с ^заместителями, содержащими гете-роатомы и двойные связи, подобно тому, как это происходит при низкотемпературном облучении аминосахаров, пептидов и белков [6]. С учетом данных [8] заключаем, что процессы десульфата-ции и снижения содержания в гепарине азота инициируются в основном электронами.

Спектры ЭПР растворов гепарина при 77 К -результат наложения в основном дублета (1 : 1) и триплета (1 : 2 : 1), центрированных в районе g = = 2.003 [10]. Как и в случае углеводов [6, 12], дублет - от радикала С1 (расщепление на р-протоне). Триплет (расщепление на двух Р-протонах) может принадлежать радикалам отрыва Н от С2, С3 и С4. Аналогичные спектры (дублет + триплет) наблюдались и при облучении твердого гепарина [9, 13]. Константы СТ взаимодействия неспа-ренного электрона с протонами: 2.05 и 2.95 мТл [13]. При нагревании образца до Т = 323 К эти радикалы исчезают и регистрируются ион-радикалы

803 (спектр их - одиночная линия со слаб

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»