CC BY
52
10. Кировская, И. А. Поверхностные свойства бинарных алмазоподобных полупроводников / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 421 с.
КИРОВСКАЯ Ираида Алексеевна, доктор химических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физической химии.
МИРОНОВА Елена Валерьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 01.03.2013 г.
© И. А. Кировская, Е. В. Миронова
УДК 548.5:543.2 Л. В. БЕЛЬСКАЯ
И. В МУРОМЦЕВ А. П. СОЛОНЕНКО
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск
ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ В ПРОЦЕССАХ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В ПРОТОТИПЕ РОТОВОЙ ЖИДКОСТИ ЧЕЛОВЕКА
В работе с применением методов РФА, ИК-спектроскопии и оптической микроскопии изучено влияние карбоновых кислот (пировиноградной, лимонной и уксусной) на состав минеральной фазы, кристаллизующейся в прототипе ротовой жидкости здорового взрослого среднестатистического человека. Установлено, что данные органические вещества способны сдерживать патологическую минерализацию в полости рта, предотвращая формирование и рост зубных камней.
Ключевые слова: прототип ротовой жидкости, органические кислоты, зубные камни, кристаллизация.
НИР выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (ГК № 16.740.11.0602).
Введение. Огромную роль в поддержании нормального состояния органов и тканей полости рта человека играет слюна. Она представляет собой водный раствор органических и минеральных веществ. На долю воды приходится 98,0^99,5 %, растворенных соединений — 0,5^2,0 % (из них 1/3 — неорганической природы) [1]. Неорганические компоненты ротовой жидкости представлены макро- и микроэлементами (Н, К, Иа, Са, Мд, Бе, Си, Р, С1, Б, Б и др.). Они могут находиться в слюне как в ионизированной форме в виде простых (Н + , К+, Ыа+, Са2+, С1- и др.) и сложных (Н2Р04-, НР042-, Р043-, Р2О74-, НС03-, Б042- и др.) ионов, так и в составе органических соединений — белки, белковые соли, хелаты и т.д. [2]. Из органических веществ в слюне обнаружены простые (альбумины, глобулины) и сложные (гликопротеиды) белки и небелковые азотсодержащие компоненты — аминокислоты, мочевина и др., а также углеводы и продукты их превращения (пировино-градная, лимонная и уксусная кислоты), витамины, гормоны, липиды [1, 3-6]. Таким образом, слюна является сложной многокомпонентной системой, изменения качественного и количественного состава которой сказываются на устойчивости ее коллоидного состояния [1], влияют на минерализующую функцию, в результате чего возможно развитие ка-
риеса или формирование органоминеральных отложений на поверхности зубов. Предотвращение этих патологических состояний представляется возможным на основании данных о роли компонентов ротовой жидкости в поддержании биологического равновесия процессов минерализации и деминерализации зубной эмали.
Тогда как функции основных макрокомпонентов слюны неорганической и органической природы определены, фактически отсутствуют данные о влиянии органических кислот (микрокомпонентов) на условия в полости рта. Особый интерес, по нашему мнению, вызывают пировиноградная, лимонная и уксусная кислоты, которые являются продуктами неполного расщепления глюкозы.
Определенные сложности связаны с самими исследуемыми объектами и процессами. На сегодняшний день не представляется возможным (как с практической, так и с этической точек зрения) целенаправленное создание требуемых уровней концентраций кислот в слюне человека in vivo и текущий контроль во времени за состоянием зубов и полости рта в задаваемых условиях. Полезным в этом отношении является разработанный нами способ моделирования процесса образования зубного камня [7], в котором для изучения закономерностей кристаллизации
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Состав модельного раствора, ммоль/л
Компонент Среднее значение Компонент Среднее значение
концентрации концентрации
Натрий 13,9 Аммиак 3,60
Калий 26,2 Хлориды 12,7
Магний 0,65 Карбонаты 7,40
Таблица 2
Концентрации органических добавок в модельных растворах, мкмоль/л
№ Добавка Концентрации в модельных растворах
Серия I* Серия II Серия III
1 СбН8О7-Н2О 10 100 200
2 NaC2H3Ö2 10 100 200
3 №СзНзОз 34 170 340
’Значения соответствуют содержаниям соответствующих кислот в слюне среднестатистического здорового взрослого человека [8]
используется синтетическим аналог слюны человека с различными добавками в зависимости от решаемых задач.
Цель исследования — определение роли карбоновых кислот (пировиноградной, лимонной и уксусной) в процессах минералообразования в прототипе ротовой жидкости человека.
Экспериментальная часть. Кристаллизацию изучали in vitro в среде, по электролитному составу приближенной к слюне человека (табл. 1, рН = 6,93± ±0,05). В качестве исходных реагентов использовали соли CaCl2' 2Н2О, (NH4)2HPO4, K2HPO4 3Н2О, MgCl2'6H20, NaHCO3, NaCl марки ч.д.а. и х.ч. и дистиллированную воду. Пересыщение по ионам Са2+ и РО43- в растворе создавали равным пятидесяти относительно биологического (ССа = 4,78 ммоль/л, СрО4 = 23,7 ммоль/л). Концентрации основных исходных реагентов в растворе задавали максимально приближенными к значениям содержаний элементов в ротовой жидкости человека. Итоговый раствор (объемом 250 мл) готовили последовательным смешением солей, причем соединения кальция и фосфора вводили в последнюю очередь.
В отдельных опытах в модельные растворы вводили добавки моногидрата лимонной кислоты (С6Н8О7Н2О, х.ч.), ацетата натрия (NaC2H3O2, ч.) или пирувата натрия (NaC3H3O3, ч.).
Для изучения влияния каждой из кислот на процесс кристаллизации проводили по три серии экспериментов, в которых варьировали концентрацию органического аниона в диапазоне, близком к физиологическим значениям (табл. 2). В каждой серии экспериментов (контрольная и с добавками карбоновых кислот) выполняли по три параллельных эксперимента.
После приготовления раствора с заданными концентрациями компонентов проводили корректировку рН до физиологического значения (6,93±0,05) путем добавления 20 %-ного раствора NaOH или HCl (конц.). Готовые растворы переливали в конические колбы на 250 мл, плотно закрывали и оставляли для кристаллизации при комнатной температуре (t-25 °С). Анализ осадков и надосадочных жидкостей проводили по истечении 30, 60, 90 и 120 суток кристаллизации. В надосадочных жидкостях устанавливали
концентрации ионов кальция и магния методом комплексонометрического титрования с двумя индикаторами ЭХЧТ и мурексид (РД 52.24.403-94). Концентрацию фосфат-ионов оценивали по методике спектрофотометрического определения по молибденовой сини [ ГОСТ 18309-72]. Твердые фазы просушивали при 100 °С, взвешивали на аналитических весах, а затем анализировали методами рентгенофазового анализа (РФА, «ДРОН-3», Буревестник), ИК-спектроскопии («SPECORD 75 IR», Perkin Elmer; таблетки с KBr) и оптической микроскопии (микроскоп «МБР-1», ЛОМО; 120-кратное увеличение).
Результаты и обсуждение. Для установления особенностей фазового состава осадков, полученных через различные промежутки времени из прототипа ротовой жидкости человека с добавками карбоновых кислот, использовали метод РФА. Согласно результатам исследования, природа кристаллизующихся фаз зависит от условий осаждения, а именно от вида органического вещества, дополнительно введенного в систему.
Из сред, содержащих 10 — 200 мкмоль/л ацетата натрия, на всех этапах эксперимента выделялись твердые фазы с высокой степенью аморфности. На это указывает слабая разрешенность пиков на дифрактограммах и присутствие аморфного гало в±области 2 ©»32°. Данные экспериментальные факты могут свидетельствовать об образовании в изучаемых условиях аморфного фосфата кальция [АФК, СахНу(РО4)г' пН2О] в смеси с плохо окристаллизован-ным гидроксилапатитом [ ГА, Са10х(НРО4)х(РО4)6х (ОН)2х]. При этом стоит отметить, что с увеличением времени выдерживания фазы под маточным раствором степень разделения пиков ГА на диф-рактограммах осадков снижается. Рефлексы 31,773, 32,196 и 32,902 (по 2И согласно PDF-2 № 09-0432) сливаются в одну широкую полосу, что указывает на уменьшение кристаллического порядка в осажденной минеральной фазе, рост аморфности. Наиболее четко описанные изменения прослеживаются у образцов, полученных из систем с добавкой 10 мкмоль/л ацетат-ионов.
Схожие закономерности отмечаются и для осадков, синтез которых проводили в средах, содержа-
а б
Рис. 1. Дпфрактограммы осадков из модельных сред с добавкой: а — пирувата натрия в количестве 34 (1), 170 (2), 340 мкмоль/л (3), время кристаллизации 30 дней; б — 10 мкмоль/л лимонной кислоты, полученных через 30 (1), 60 (2), 90 дней (3)
щих пируват- и цитрат-ионы. На рис. 1 приведены дифрактограммы твердых фаз, отделенных от растворов с ЫаС3Н303 и С6Н8О7 ■ Н2О. Расшифровка диф-рактограмм с использованием базы данных по порошковой дифракции 1СОО РОР-2 версии 2006 г. позволила установить, что твердые фазы, полученные в присутствии пируват- и цитрат-ионов, представляют собой смеси ГА и октакальция фосфата [ОКФ, Са8Н2(РО4)6'5Н2О]. Вероятно также присутствие в них аморфной компоненты. По рис. 1а видно, что с увеличением концентрации добавки в среде кристаллизации увеличивается интенсивность полос ОКФ на дифрактограммах, что может качественно свидетельствовать о росте содержания данного фосфата кальция (ФК) в составе образцов. Аналогичная тенденция прослеживается по рис. 1 б для осадков, формирование которых протекало в течение 30 — 90 дней в лимоннокислых растворах.
ИК-спектры порошков, полученных в различных условиях, не содержат значительных отличий. На рис. 2 приведены типичные спектры порошковых образцов, которые были получены через 60 дней из прототипа ротовой жидкости с добавками минимальных исследуемых количеств ацетата натрия, пирувата натрия и лимонной кислоты. ИК-спектры всех кристаллических образцов характеризуются наличием набора полос: 562, 602, 630, 875, 962, 1030, 1090, 1420, 1460, 1640, 2856, 2924 и 3420 см-1.
Максимумы поглощения при 1090, 1030, 962, 602 и 562 см-1 обусловлены колебаниями связей О-Р-О в тетраэдрах РО43- в структуре ГА. Пики с V = 1030 и 1090 см-1 вызваны трижды вырожденными антисимметричными валентными колебаниями связи О-Р-О, п3. Полоса поглощения при 962 см-1 относится к невырожденной симметричной валентной моде, п1.
Рис. 2. ИК-спектры осадков, полученных после 60 дней кристаллизации из прототипа ротовой жидкости с добавкой 1 — ацетата натрия (10 мкмоль/л),
2 — пирувата натрия (34 мкмоль/л),
3 — лимонной кислоты (10 мкмоль/л)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123 ) 2013 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
б
а
в
Рис. 3. Ионные диаграммы пировиноградной (а), уксусной (б), лимонной (в) кислот
Рис. 4. Микрофотографии осадков, полученных после 60 дней кристаллизации из прототипа ротовой жидкости с добавкой пирувата натрия: а — 34, б — 170, в — 340 мкмоль/л. 120-кратное увеличение
Интенсивности с максимумами поглощения при 602 и 562 см-1 обусловлены дважды вырожденными валентными колебаниями О-Р-О, п4 [9]. Пик с п = = 630 см-1, а также интенсивность 1640 см-1 в ближней области спектра соответствуют колебаниям ОН--групп; широкая полоса 3150-3400 см-1 с максимумом при 3420 см-1 в дальней области вызвана поглощением ОН-групп в составе структурно-связанной молекулярной воды [9]. Также на спектрах присутствуют полосы п3 моды колебаний СО32- при 1420 и 1460 см-1 и п2 моды при 875 см-1. Их наличие свидетельствует о частичном замещении групп РО43-карбонат-ионами в структуре гидроксилапатита по Б-типу [10]. Таким образом, данные ИК-спектроско-пии указывают на то, что в условиях эксперимента формируется карбонатзамещенный ГА Б-типа. Пики ОКФ на спектрах образцов не выражены, что может быть связано с близостью частот поглощения функциональных группировок данного ФК и ГА. Так, согласно [11], полосы 561, 600, 667, 856, 964, 1027, 1120, 1193 и 1295 см-1 могут быть отнесены одновременно к колебаниям фрагментов как Са8Н2(РО4)6 • 5Н2О, так и Са10-х(НРО4)х(Р04)6-Х(°Н)2-Х.
Кроме полос поглощения минеральной составляющей осадков на ИК-спектрах всех образцов, осажденных в присутствии ацетат-, пируват- и цитрат-ионов (рис. 2), отмечается присутствие колебаний, характерных для органической компоненты. Так, полосы с минимумами при 2924 и 2856 см-1 соответствуют колебаниям связей С-Н в метиленовых группировках органических анионов. Полосу колебаний при 1640 см-1 следует рассматривать как суммарную, отражающую колебания связей С= О карбоксильных групп и О-Н в гидроксигруппах кислот и ГА. Это указывает на включение органических добавок в состав кристаллизующейся фазы. При этом интен-
сивность полос с частотами 2924 и 2856 см-1 наибольшая для образцов из лимоннокислых растворов (рис. 2, спектр 3). Качественно это может свидетельствовать о включении большего количества органических молекул в состав фазы, осажденной в присутствии С6Н8О7.
Наиболее вероятным механизмом взаимодействия минеральной и органической составляющих представляется адсорбция анионов карбоновых кислот на полярной поверхности формирующихся зерен ФК. Как можно видеть по рис. 3, все исследуемые добавки в условиях эксперимента (рН»6,93) находятся в полностью ионизированной форме. При этом, согласно основности, уксусной и пировиноградной кислотам в растворе соответствуют однозарядные анионы СН3СОО- и СН3С(О)СОО-, а лимонной — трехзарядный С3Н5О(СОО)33-. Последний ввиду большей плотности заряда, вероятно, обладает более высокой адсорбционной способностью. Данный факт в сочетании с большей длинной углеводородного радикала цитрат-иона обуславливает фиксируемое методом ИК-спектроскопии различие в интенсивностях полос поглощения органической составляющей осадков.
Исследование морфологии частиц осадков, полученных из прототипа ротовой жидкости человека в присутствии различных количеств ацетат-, пируват-и цитрат-ионов, показало, что частицы твердых фаз имеют вид механически сложившихся агрегатов различной формы. Существенных отличий в текстуре образцов не отмечено. Для примера на рис. 4 приведены микрофотографии твердых фаз, полученных после 60 дней кристаллизации из модельной среды с добавкой ЫаС3Н303. Установлено, что частицы в составе порошков имеют микрометровые размеры (~100 мкм), тогда как рассчитанные по уравне-
нию Селякова - Шеррера [12] размеры кристаллитов составляют около 10 нм. Данное наблюдение свидетельствует о высокой степени объединения единичных кристаллических частиц ФК и указывает на преобладающее значение стадии агрегации по отношению к этапу роста.
На основании всего изложенного можно заключить, что:
1. Органические кислоты (пировиноградная, лимонная и уксусная) способны влиять на процессы минералообразования в среде, моделирующей неорганический состав ротовой жидкости человека.
2. При повышении концентрации органической добавки в растворе меняется состав кристаллизующейся твердой фазы (в случае пируват- и цитрат-ионов наблюдается кристаллизация смеси нестехиометрического карбонатзамещенного ГА Б-типа и ОКФ, в случае ацетат-ионов — нестехиометрического карбонатзамещенного ГА Б-типа и АФК). По мере роста времени созревания возрастает степень аморфности твердой фазы.
3. Увеличение содержания органических анионов в слюне человека (в пределах изученных концентраций) может сдерживать патологическую минерализацию в полости рта, предотвращая формирование и рост зубных камней.
Библиографический список
1. Забросаева, Л. И. Биохимия слюны / Л. И. Забросаева, Н. Б. Козлов. - Омск, 1992. - 44 с.
2. Леонтьев, В. К. О мицеллярном строении слюны / В. К. Леонтьев, М. В. Галиулина // Стоматология. - 1991. - № 5. -С. 17-20.
3. Денисов, А. Б. Слюна и слюнные железы / А. Б. Денисов. - М. : Изд-во РАМН, 2006. - 370 с.
4. Куцарев, И. П. Справочник для врачей и клинических лаборантов. Показатели жидкостных систем человека в норме / И. П. Куцарев. - Ростов н/Д: Изд-во Феникс, 2003. -С. 59-62.
5. Вавилова, Т. П. Избранные лекции по стоматологической биохимии / Т. П. Вавилова. - М., 1994. - 28 с.
6. Боровский, Е. В. Биология полости рта. / Е. В. Боровский, В. К. Леонтьев — М. : Медицина, 1991. — 271 с.
7. Пат. 2342713 Российская Федерация, МПК G09B23/28 . Способ моделирования процесса образования зубного камня / Бельская Л. В., Голованова О. А., Пушкарева А. В., Казанцева Р. В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т им. Ф. М. Достоевского. — № 2007113160/14 ; заявл. 09.04.07 ; опубл. 27.12.08, Бюл. № 36. — 8 с.
8. Забросаева, Л. И. Биохимия слюны / Л. И. Забросаева, Н. Б. Козлов. - М., 1992. - 44 с.
9. Shi, J. Thermally-induced structural modification of dental enamel apatite: Decomposition and transformation of carbonate groups / J. Shi, A. Klocke, Zhang M., Bismayer U. Eur. J. Mineral. - 2005. - V. 17. - P. 769-775.
10. Вересов, А. Г. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфата кальция / А. Г. Вересов, В. И. Путляев, Ю. Д. Третьяков // Российский химический журнал. - 2004. -Т. 48. № 4. - С. 52-64.
11. Rau, J.V. In Situ Time-Resolved Studies of Octacalcium Phosphate and Dicalcium Phosphate Dihydrate in Simulated Body Fluid: Cooperative Interactions and Nanoapatite Crystal Growth / J. V. Rau, M. Fosca, V. S. Komlev, I. V. Fadeeva, V. R. Albertini,
S. M. Barinov // Crystall growth and design. - 2010. - V. 10. -Р. 3824-3834.
12. Данильченко, С. Н. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминералогии и биоматериаловедения (обзор) / С. Н. Данильченко // Вестник СумДУ. Сер. Физика, математика, механика. - 2007. - № 2. - С. 33-59.
БЕЛЬСКАЯ Людмила Владимировна, кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского (ОмГУ).
Адрес для переписки: [email protected] МУРОМЦЕВ Иван Владимирович, инженер Института проблем переработки углеводородов СО РАН. СОЛОНЕНКО Анна Петровна, инженер-исследователь межвузовского инновационного бизнес-инкубатора ОмГУ.
Статья поступила в редакцию 20.06.2013 г.
© Л. В. Бельская, И. В Муромцев, А. П. Солоненко
Книжная полка
Захаров, А. Г. Научные основы химической технологии углеводов / А. Г. Захаров. - М. : ЛКИ, 2008.- 528 с. - ISBN 978-5-382-00622-2.
Предлагаемая читателю коллективная монография обобщает научные достижения последнего десятилетия в области химии углеводов. Впервые во взаимосвязи рассматриваются особенности структуры, физикохимических и биохимических превращений, а также модификации углеводов по всей иерархической цепочке соединений данной группы, включая моно- и дисахариды, олигосахарилы, полисахариды крахмала, хитин, хитозан и целлюлозу. Рассмотрены некоторые аспекты механохимической модификации углеводов в твердом состоянии и в гелях. Проанализированы современные представления о ферментативной деградации полисахаридов, технологии энзимной переработки природных полимеров, особенностях молекулярной и надмолекулярной организаций биомолекул в твердом виде и в растворах, а также о структуре образованных ими соединений включения с различными низкомолекулярными, макроциклическими и макромолекуляр-ными соединениями. Приводятся варианты практического использования углеводов и их соединений в различных областях современной промышленности. Книга адресована ученым-исследователям, химикам-тех-нологам, специалистам в области химии углеводов, а также аспирантам и студентам вузов соответствующих специальностей.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
