БИОАКТИВНОСТЬ НАНОЧАСТИЦ УГЛЕРОДА И РОЛЬ ВОДЫ В ЕЕ ПРОЯВЛЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

2024

Приглашенный доклад

БИОАКТИВНОСТЬ НАНОЧАСТИЦ УГЛЕРОДА И РОЛЬ

ВОДЫ В ЕЕ ПРОЯВЛЕНИИ

Рожкова Н.Н., Рожков С.П.

Кар НЦ РАН, 185910 г. Петрозаводск, ул. Пушкинская 11, e-mail: [email protected]

Для наночастиц шунгитового углерода (ШУ) установлен ряд механизмов биологической активности, как неспецифических, так и обусловленных взаимодействием с биологическими мишенями с участием воды. В одном случае это способность ШУ в водной среде адсорбировать и переносить низкомолекулярные лиганды (жирные кислоты, гормоны, метаболиты и т.п.), что в присутствии белков-переносчиков способствует обмену между ними и ШУ посредством образования белковой короны. Это приводит как к регуляции насыщения белка лигандами, так и формированию дополнительной функциональной активности вследствие обмена белков короны с измененной кон-формацией с пулом белка в основной конформации. Окислительно-восстановительная активность ШУ обусловлена способностью его гидратной оболочки накапливать активные формы кислорода даже без активной генерации последних. В присутствии тиол-содержащих белков эта способность проявляется в их анти/прооксидантном действии. Мембранотропная активность ШУ влияет на морфологические свойства мембран и их проницаемость, как показано на примере белков актин-спектринового комплекса эритроцитов повышением их термоустойчивости и усилением клеточной агрегации. Физиологически наиболее значимым явлением представляется фазообразующая активность ШУ, сопряженная с образованием фракций из различных конформеров белка, формирующих метаста-бильные динамические белковые кластеры как прообраз безмембранных органелл, функциональная значимость которых получает многочисленные экспериментальные подтверждения.

При исследовании механизма молекулярной и коллоидной растворимости молекул сывороточного альбумина (СА) в водной среде в широком диапазоне концентраций белка и влияния на этот процесс присутствия ШУ методами спектроскопии комбинационного рассеяния (КРС) и динамического светорассеяния (ДРС) была установлена определяющая роль системы водородных связей воды в возникновении надмолекулярной организации в дисперсиях вода+СА; вода+ШУ; вода+СА+ШУ. Это было интерпретировано стремлением сетки водородных связей воды вытолкнуть макромолекулы и наночастицы к местам ее нарушения с заполнением дефектов сетки и созданием областей повышенной концентрации молекул и частиц. Поскольку спектры КРС в области частот 3200 - 3600 см-1 обусловлены валентными колебаниями ОН-групп воды в сетке водородных связей, уменьшение соотношения интенсивностей двух пиков при 3450/3250 см-1 соотносится с увеличением числа донорно-ак-цепторных связей и их стабилизацией [1]. Это происходит в диапазоне концентраций белка 0,1-0,3 мг/мл. В этом случае регистрируются кластеры белка диаметром около 100 нм, размер которых не меняется с ростом концентрации белка. Противоположно направленное «разрыхление» водородных связей (увеличение соотношения интенсивностей) при дальнейшем увеличении концентрации белка сопровождается появлением растущих кластеров другого типа размерами в несколько сотен нм. Вероятно, это обусловлено тем, что увеличение концентрации белковых молекул приводит к появлению новых, более крупных дефектов и формированию в них более крупных кластеров. При этом дисперсия остается седиментационно стабильной, несмотря на широкое распределение кластеров по размерам. В дисперсии ШУ с ростом концентрации до 0.1 мг/мл наблюдается только стабилизация системы связей с появлением кластеров радиусом ~60 нм, после чего дисперсия теряет стабильность. Видимо, электронная структура ШУ такова, что не способна генерировать новые дефекты в системе водородных связей. В присутствии в белковой дисперсии ШУ коллоидная стабильность дисперсии обеспечивается главным образом ассоциацией СА и ШУ c образованием белковой короны вокруг наночастиц. При этом изменения в сетке водородных связей воды происходят плавно, без резких перепадов. Можно предположить, что водная система управляет процессами инкорпорации и растворения либо путем изменения конформации макромолекул и адаптации их существующим дефектам структуры воды, либо путем возникновения белковой короны или кластерной организации во вновь создаваемых дефектах.

Работа выполняется в рамках бюджетных тем FWME-0222-2019-0065 и. FMEN-2022- 0006. Литература:

[1] S. Rozhkov, A. Goryunov, N. Rozhkova. Molecular Serum Albumin Unmask Nanobio Properties of Molecular Graphenes in Shungite Carbon Nanoparticles. Int. J. Mol. Sci. 2024. 25(5). 2465