Біохімічні процеси у комплексах колагену шкіри з акрилатами 3d-металів після лазерного впливу Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

УДК: 611.91+611.92 : 572.544+572.545

Бiохiмiчнi процеси у комплексах колагену шюри з акрилатами 3rf-металiв тсля лазерного впливу

Верещака В.В.

Нацюнальна медична академгя тслядипломног освти 1м. П.Л. Шутка, Кшв

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОМПЛЕКСАХ КОЛЛАГЕНА КОЖИ С АКРИЛАТАМИ 3^-МЕТАЛЛОВ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРОМ Верещака В.В.

Исследование состояло в обработке коллагеновых матриц раствором одного из акрилатов 3с(-металлов (массовая часть - 3 %) в течение 30 мин. при последующей сенсибилизации в растворах метиленового голубого (массовая часть - 0,02 %) в течение 30 с и инкубации в растворе триэтаноламина (массовая часть - 3 %) в течение 1 мин. После облучения, приготовленные таким образом матрицы подвергались спектроскопии. Установлено, что в результате обработки коллагеновой матрицы водными растворами акрилатов 3с(-металлов происходит поглощение последних, о чем свидетельствуют как данные ИК-спект-роскопии, так и электронные спектры поглощения.

BIOCHEMICAL PROCESSES IN COMPLEXES OF SKIN COLLAGEN WITH 3d-METALS' ACRYLATES AFTER LASER INFLUENCE Vereshchaka V.V.

Research consisted in processing collagenic matrixes by solution of one of 3d-metals' acrylates (a mass part -3 %) during 30 minutes under the subsequent sensitization in methylene blue solutions (a mass part -0,02 %) during 30 second and the incubation in triethanolamine solution (a mass part - 3 %) within 1 minute. After irradiation, the matrixes prepared in the same way underwent the spectroscopy. It was established that as a result of processing the collagenic matrix by water solutions of 3d-metals' acrylates, the absorption of the last-named took place what verify both the data of infrared spectroscopy and electronic absorption spectra.

В ступ. Дослщження в модельних бюсисте-мах акрила^в 3 А?-метатв як структуруваль-них зшивальних агенпв е перспективним, оскшьки вони дадуть можливють встановити факт утво-рення координацшних сполук мiж юнами 3 d-ме-татв i колагеном [2-4]. Позитивним моментом е те, що вс вони е хромофорами, тобто можуть поглинати лазерне опромшення, що дае можливють наявно визначити особливосп фото-хiмiчних реакцш та порiвняти структуры пере-творення у колагенових системах.

Мета дослщження - вивчення бiохiмiчних проце^в, що в^буваються у колагеновш матрищ тд дiею акрилапв 3d-металiв i лазерного опромшення.

Матер1али i методи. Як структурувальш агенти були використаш акрилати Co (II), Ni (II), Cu (II).

Створення модельних бюсередовищ поля-

гае в обробщ колагенових матриць розчи-ном одного з акрилапв 3d-металiв (масова частка - 3 %) протягом 30 хв. при 40°С i3 наступною сенсибтзащею у розчинах метиленового блакитного (масова частка -0,02 %) протягом 30 с i витримуванням у розчиш трiетаноламiну (масова частка -3 %) впродовж 1 хв. Пюля опромшення при-готоваш таким чином матрищ тддавалися 1Ч-спектроскопп.

Екстракцiя колагену I типу зi шкiри лю-дини виконувалася за методом, запропоно-ваним Strom [7].

1нфрачервош спектри в дiапазонi 4004000 см - 1 зшмали на спектрофотометрах Nexus 470 фiрми Nicolet (США) та PyeUnicam SP3-300 (США) у дiапазонi 200600 см - 1. Електронш спектри знiмалися на спектрофотометрi "Specord M-40" та Pye-Unicam

PU 8800 (США) у дiапазонi 200-830 нм (UV/VIS) вiдносно еталону MgO.

На пiдставi даних електронних спекав поглинання для комплекшв акрилату Ni (II) та Си (II) з колагеном (як макромолекуляр-ним л^андом) i водних розчишв проводили роз-

рахунок параметр1в кристального поля:

D - енерги кристал1чного поля;

q

В - параметра Рака.

Для комплекшв шкелю розрахунок вико-нували за допомогою системи р1внянь [13]:

15 ^ 1

V! = 15Dq +-B

q 2 2

15

V 2 = 15Dq + —B + -2 q 2 2

( - 6Dq ) + 64(Dq ) ]] [ - 6Dq )2 + 64((q )2 ]]

(1)

де V V - хвильовi числа максимумiв смуг поглин^н ня (см-1) видимо! дшянки електронних спектрiв поглинання, яка вiдповiдаe першiй i другiй смузi переходiв d-d комп-лексiв Ni2+. Для комплексiв Си (II) показник D визначаеться зпдно з формулою [13]:

V = 10D

(2)

де V- хвильове число, яке в1дпов1дае максимуму смуги переходу d-d у комплекс!.

Результати. Обговорення. Для визначен-ня характеру ймов1рно! взаемодп акрилапв 3d-металiв з колагеном спочатку були знят 1Ч-спектри самих акрилатiв як структуру-вальних агентiв. Вiднесення частот коливань показано в Таблиц 1.

Таблиця 1 - Вiднесення частот смуг поглинання в 1Ч-спектрах акрилатiв 3d-металiв (таблетки з KBr та CsI )

Тип коливань Хвильове число, см-1

i вщповщний

структурний Акрилати

елемент Со (II) Ni (II) Си (II)

V Ме-О р - СОО- 285;370 495 285; 380 510 220 310-320 410-430 500

5 - СОО- 590 605 595; 620

ю - СОО- 685 690 695

5 = CH as 2 5 = CH 865 870 865

970-995 970-1000 980-990

as V = СН-С 1075 1080 1070

s V С-О 1285 1285 1290

s V - СОО- 1370 1380 1370

s 5 - СОО- 1460 1460 1450

s 5 - СОО- 1610 1610 1590

as V С = С s 1650 1650 1650

Як один з ефективних методiв дослiдження процесiв комплексоутворення, типового для 3d-металiв, була вибрана електронна спектроскопiя поглинання, що дозволило ощнити склад коорди-надшно! сфери, И будову, а також процеси струк-туроутворення. Спочатку вивчали електронш спектри поглинання водних розчинiв акрилапв 3d-металiв, потiм колагенових бiоматриць, наси-чених водними розчинами тих самих акрилапв, а потiм матриць тсля проведення депдратаци.

Порiвняння електронних спекав поглинання водного розчину акрилату кобальту та колагено-во! плiвки, оброблено! тieю ж сiллю, показало, що вони зб^аються i практично щентичш (Рис. 1).

У спектрi спостер^аеться асиметрична сму-

га поглинання з максимумом при

19650 см - 1. Такий характер електронного

спектра вказуе на октаедричне оточення

Со2+, i смуга при 19650 см - 1 може вщносити-

ся до [4Т (Б) ^ 4Т (Р)]-електронного пере-18 . 18 ходу [6]. Розмщення смуги поглинання пдра-

товано! колагеново! матрицi зб^аеться з

розмiщенням смуги комплексу [Со(Н О) ] 2+,

2 6

що вказуе на реалiзацiю в колагеш симетрп, близько! до ОН [6]. Якщо для гщратовано! плiвки максимум поглинання досягае зна-чень при 19650 см-1, то для депдратовано! вш змiщуеться до 19200 см - 1. Це говорить про те, що й у гщратованому та дегщрато-ваному колагеш кобальт оточують швидше за все атоми кисню (для комплексiв Со (II), ям мiстять у внутршнш координацiйнiй сферi атоми азоту, характерна тетраедрич-на будова, яка легко ^ентифшуеться за електронними спектрами поглинання [6]). Зютавлення положення максимумiв смуг поглинання комплексу кобальту до й шсля

q

q

Рисунок 1. Електронш спектри поглинання колагеново! матрищ, оброблено! розчином акрилату Со (II):

1 - пдратована матриця;

2 - водний розчин;

3 - депдратована матриця.

пдратацп показуе, що депдратащя викли-кае ослаблення сили поля л1ганд1в внаслщок зам1щення атом1в кисню молекул води у внутршнш координацшнш сфер1 комплексу ко -бальту на атоми кисню акрилапв { пдроксиль-

них груп амшокислотних залишкiв оксипрол1ну, як найбшьш характерного для колагену компонента [1], за схемою:

де ¥ -ОН - амшокислотний залишок оксипро-

2+

[Со(Н°)6] + 2 с—СН=СН2

—СН + К"°1

О

Н2С=СН_С

Н2°

О

п

Н

I

\ СО.

—я

\

Н Н2°

С—СН—СН

О

лшу в колагеновому макролтандь

Враховуючи високу енергiю пдра-

тацп iонiв 3 d - металiв ( для [ Со(Н О) ] 2+,

2 6

[Ni(H О) ] 2+, [См(Н О) ] 2+ ентальпiя гiдратацiï 2 6 2 6 становить 490, 500, 499 ккал/моль [10]), очевидно спостер^аеться бшьш слабке комп-лексоутворення 3d-металiв з акрилат-юном i ок-сипролiном колагену у водних середовищах, що й тдтверджуе батохромний зсув смуг електрон-

них спекав поглинання.

Порiвняння електронних спекав поглинання водного розчину акрилату Ni (II) i колагеново!' матрищ, структуровано!' цiею сiллю в пдратованому станi, показуе, що вони зб^аються (Рис. 2). У видимш дiлянцi електронних спектрiв поглинання спостерь гаються двi смуги - при 25300 i 13800 см - 1; ос-тання розширена через сшн-орбггальноу взаемо-дiю. Положення смуг та ix iнтенсивнiсть вказуе

-1-1-1-1-1-1-1

24000 20000 16000 12000

Рисунок 2. Електронш спектри поглинання колагеново! матрищ, оброблено! розчином акрилату Ni (II):

1 - пдратована матриця;

2 - водний розчин;

3 - депдратована матриця.

на октаедричний тип ком-плексу шкелю у пдра-тованш колагеновш матрищ [6] i дозволяе вщне-сти виявлеш смуги до електронних переxодiв

3А ^ 3Т (F) (смуга при 13800 см - 1),

2g 1g

3А ^ 3Т (Р) (смуга при 25300 см - 1)

2g 1g

у комплексному xромофорi [NiO ].

6

Аналопчно комплексу Co (II), структура комплексу Ni (II) шсля депдратацп може розглядатися також з включенням у координац-iйну сферу гiдроксильниx груп оксипролiну й ак-рилат-iонiв. Тим бшьше, що в спектрi депдрато-вано!' колагеново!' матрицi, оброблено!' акрилатом

Ni (II) (Рис. 2), спостер^аеться закономiрне змiщення вiдповiдниx смуг поглинання до 13160 i 24700 см - 1 зi збереженням ix низько].' штенсив-ностi, характерно!' для октаедричних xромофорiв. Таке змiщення вказуе на ослаблення поля лiгандiв в утвореному октаедричному макрокомплексi Ni (II). Розрахунок показникiв кристалiчного поля

(D , B), проведений за рiвнянням (1) [12],

q

показав зменшення значень D у депдрато-

q i

ваному макрокомплексi до 782 см - 1 (D Ni(Н О) 2+ = 850 см - 1) i показникiв

q 2 6

Рака (В) - до 959 см - 1 (В Ni(Н О) 2+ =

26

= 1141 см 1). Характер електронного спектру поглинання показуе, що в процес комплексоут-ворення не беруть участь атоми азоту колагену (шакше б виник зсув смуг у УФ ^лянку спектра). До того ж амшогрупи в колагеш знаходять-ся у вигщщ цвiттер-iона [5], що ускладнюе про-цеси комлексоутворення з !х участю.

Виходячи з цього можна передбачити, що комплекс акрилату Ni (II), подiбно до комплексу Со (II) у бюматрищ дегiдратованого колагену, мае симетрда ближнього оточення з такою структурою:

[NiO О //, О

2 2 2

де О 1 - кисень кислотних залишкiв акрилово!

2

кислоти;

О " - кисень гiдроксильних груп оксипро-

2

лшу;

О 7// - кисень двох залишкових молекул

2

води.

Отже процес комплексоутворення вщбу-ваеться у матрищ за схемою:

H2O

i

H2O.^ i 2^''H2O

H2C=CH—C

O

H2O Hx

yO-R

O

O

+ 2 ,c—CH=CH2 + OH

O

H2O

H2O

O

H2O

R-O

H2O H2

^C—CH=CH2 //

O

n

У видимш дiлянцi електронного спектру поглинання водного розчину акрилату Си (II) i пдра-товано! колагеново! маси, оброблено! у тому ж розчиш (Рис. 3), спостерiгаеться одна широка смуга поглинання d-d з максимумом у дшянщ 13260 см - 1, що збiгаеться з положенням смуги

для гексааква-юна [Си(Н О) ] 2+ [6].

2 6

У процес дегщратаци макрокомплексу Си (II) виявляеться також зсув ще! смуги в довгохвиль-ову д^нку (Рис. 3), що вказуе на ослаблення поля лiгандiв. Це ж шдтверджуе розрахунок показникiв кристатчного поля за рiвнянням (2), тому що

D Си(Н О) 2+ = 125,6 см - 1,

q 2 6

а D цього макрокомплексу Си (II) становить

q

1162 см - 1. Як i у разi комплексiв Со (II) та Ni (II), таке ослаблення спричинене замщенням молекул води у внутршнш координацiйнiй сферi на акрилат-iони i групи оксипролiну. У спектрi деп-дратованого ком-плексу Си (II) проявляеться також смуга 25000 см - 1, яка вiдноситься до переносу заряду метал-л^анд [6].

Отже процес комплексоутворення, як i у разi акрилатiв Со (II) та Ni (II), вщбуваеться за схемою:

[Cu(H2O)6] 2++ ^c—CH=CH2 + [ ^01

O /П

O

II

H2C=CH-C

C—CH=CH2

O

Рисунок 3. Фрагменти електронних спекав поглинання колагеново! композицп, оброблено! розчином акрилату Си (II):

1 - депдратована матриця;

2 - водний розчин;

3 - пдратована матриця.

Для незалежного тдтвердження факту утво-рення макрокомплекшв 3а?-метал!в з акрилат-юном { колагеновою матрицею, а також для вив-чення процешв структурування були дослщженш 1Ч-спектри зразюв тсля обробки в розчинах цих солей, а також тсля опромшення композицшних матер!атв лазерним опромшенням.

У 1Ч-спектр1 колагеново! матриц!, оброблено! розчином акрилату кобальту (Рис. 4), поряд з! смугами, характерними для колагену, з'являють-ся смуги, як! характерш для акрилат-!она, що вказуе на процес поглинання акрилату 3а?-мета-лу колагеном:

- в!ялопод!бш коливання групи = СН

2

(865 см - 1);

- позаплощинн! деформац!йн! коливання групи = СН (970-990 см - 1).

Ц! смуги добре проявляються на фон! широких смуг колагену: деформацшш коли-

вання груп ЫН та ОН (500-800 см - 1), широка смуга у д!лянщ 1100 см - 1 вщповщае валентному коливанню зв'язку С—О, а розширена смуга 12801700 см - 1 визначаеться деформацшними коли-ваннями Ы-Н [11]. Пюля лазерного опром!нення в 1Ч-спектр! спостер!гаються зм!ни (Рис. 4, курсив), як! вказують на участь у реакцп як в!н!льних груп акрила^в, так ! ам!но- ! пдроксильних груп колагену, оск!льки значно знижуються за штен-сивн!стю смуги деформацшних коливань зв'язк!в ЫН- та ОН-груп (500-800 см- 1), а також вшшьно!' групи (865-1000 см - 1).

У 1Ч-спектрах колагенових матриць, об-роблених акрилатом Ы (II) (Рис. 5) ! акрила-том Си (II) (Рис. 6), поряд з характерними для колагену широкими 1Ч-смугами з'являють-ся смуги, характерш для вшшьно! групи, яка входить до складу акрилат-юна [9, 10]: - в!яльш коливання групи = СН (для акрилату

Рисунок 4. 1Ч-спектри колагеново! матрищ, оброблено! розчином акрилату Со (II):

— до опромшення;

- - тсля опромшення.

Рисунок 5. 1Ч-спектри колагеново! матрищ, оброблено! розчином акрилату М (II):

-до опромшення;

----шсля опромшення.

№ (II) - у дшянщ 870 см - 1, а для акрилату Си (II) - у дшянщ 865 см - 1);

- позаплощинш деформацшш коливання групи = СН (для акрилату № (II) - у дшянщ 970-1000 см - 1, а для акрилату Си (II) -у дшянщ 990 см - 1).

У результат впливу лазерного опромь нення в 1Ч-спектрах матрищ, спостер^ають-ся зниження iнтенсивностi смуг, яю вщпов> дають деформацiйним коливанням груп ко-лагену №Н та ОН (Рис. 5, 6, курсив), що до-зволяе передбачити участь саме цих груп у процесах структурування. Знижуеться та-кож штенсившсть смуг, ям вiдповiдають наявностi вшшьних груп у макрокомплексах 3 ё- металiв, що може свiдчити про участь цих груп у структуруванш.

Однак через значну товщину реальних колагенових матриць, на основi яких ство-рюються бiополiмернi комплекси, за допомо-

гою 1Ч-спектроскопи та електронних спекав поглинання вдалося встановити лише факт коор-динаци акрилатiв 3а?-метатв з водних розчинiв колагену, а також участь вшшьних груп у процесах структурування. Нез'ясованим залишаеть-ся питання щодо процесу поглинання колагеном акрилапв 3 ё- металiв, а також особливосп участi груп колагену №Н та ОН в утворенш зшивок.

Висновки та перспективи подальших розробок

Встановлено, що у результатi обробки колагеново! матрицi водними розчинами ак-рилатiв Со (II), № (II), Си (II) виникае поглинання останшх, про що свщчать результати як 1Ч-спектроскопп, так i електронно! спектроскопа поглинання.

Перспективи подальших розробок поля-гають у дослщженш комплексоутворення i лазерного структурування макрокомплек^в колагену з акрилатами 3d-металiв.

Рисунок 6. 1Ч-спектри колагеново! матрищ, оброблено! розчином акрилату Си (II):

-до опромшення;

----тсля опромiнення.

Л1ТЕРАТУРА

1. Вейс А. Макромолекулярная химия желатина. - М.: Пищевая промышленность, 1971. -478 с.

2. Верещака В.В. Молекулярш основи патогенезу старечо! в'ялост шюри / Матерiа-ли науково-практично! конференцп «До-сягнення молодих вчених дерматовенеро-лопв» (7-8 грудня 2006 р.). - К., 2006. -С. 27-29.

3. Верещака В.В. Стан вшьнорадикального окиснення шмрного покриву при пору-шеннях мшроциркуляци // Фiзiол. журн. -2001. - Т. 47, № 5. - С. 93-97.

4. Верещака В.В., Харламова О.М. Комплек-соутворення аскорбшово! кислоти з бю-л^андами // Укр. бiохiм. журн. - 2002. -Т. 74, № 3. - С. 120-124.

5. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. -М.: Химия, 1975. - 512 с.

6. Коттон Ф., Уилкиксон Дж. Современная неорганическая химия. - М.: Мир, 1969. -Ч. 3. - 592 с.

7. Микроскопическая техника: Руководство / Под ред. Д.С. Саркисова, Ю.Л. Перова. - М.: Медицина, 1996. - 544 с.

8. Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. - М.: Наука, 1970. - 560 с.

9. Сильверстейн Р., Басслер Г., Моррил Т. Спектрометрическая идентификация органических соединений. - М.: Мир, 1977. - 592 с.

10. Справочник химика: В 6-ти т. / Под ред. Б.П. Никольского. - Л.: Химия, 1971. - Т.3.

- 1006 с.

11. Чиргадзе Ю.Н. Инфракрасные спектры и структура полипептидов и белков. - М.: Наука, 1965. - 135 с.

12. Brown H.R. Flory-Huggins-Rehner theory and the swelling of semicrystalline polymers by organic fluids // Polym. Sci.: Polym. Phys.

- 1978. - Vol. 16, No 10. - P. 1887-1889.

13. Comprehensive inorganic chemistry / Ed. Bailar V.C.- Pergamon Press, 1975.-1388 p.