CC BY
77
химия
Вестник Омского университета, 2006. № 3. С. 45-47.
© А.Р. Изатулина, O.A. Голованова,*, Ю.О. Пунин, *, УДК 519.634
H.H. Войтенко, В. А. Дроздов, *, 2006
ИЗУЧЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ОДНОВОДНОГО ОКСАЛАТА КАЛЬЦИЯ
А.Р. Изатулина, О.А. Голованова,*, Ю.О. Пунин,**, Н.Н. Войтенко,
В.А. Дроздов,***
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского, кафедра неорганической химии
644077, Омск, пр. Мира, 55а ** Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра кристаллографии 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/91 , ** * Омский региональный ЦКП ИППУ С ОРАН (¡44077, Омск, ул. Нефтезаводская, 54
Получена 12 апреля 2006 г.
Study of crystallization in biological systems is a promising line of research in the field of crystallization from solutions. One of the salts that crystallize in living organisms is calcium oxalate. The contribution of this salt to the formation of pathogenic minerals is fairly large. Apparently, organic compounds are the factors that affect most significantly the processes of mineral formation in a human organism. The inhibiting action amino acids on the growth of calcium oxalate crystals is confirmed. Using dispersion analysis, the grain-size composition of calcium oxalate precipitates change under the action of amino acids is demonstrated.
Среди минералообразований патогенного характера наиболее распространенными являются камни мочевой системы [1-3]. По данным рент-генофазового и химического анализа, большая часть почечных камней жителей Омского региона сложена оксалатами [1]. Оксалаты встречаются в виде уэвеллита СаС^О^ ■ Я20 и уэдцеллита СаС^О^ ■ 2Я20. Уэвеллит является преобладающей фазой. Оксалат кальция найден не только в камнях мочевой системы [2], но и в камнях хрусталика глаза и в других патогенных минера-лообразованиях. В последнее время в медицинской литературе [5] появились публикации о новом заболевании, связанном с обменом оксалата кальция, - хронической обструктивной болезни легких.
Хорошо известно, что нормальная моча обычно сильно пересыщена по оксалатам кальция, но их осаждение в большинстве случаев заторможено [6]. Считается, что основным «виновником» ингибирования кристаллизации оксалата кальция являются органические соединения. Основными претендентами на роль ингибиторов являются аминокислоты [7]. Влияние аминокислот на кристаллизацию и фазовый состав ок-
1 e-mail: [email protected]
салатов кальция изучались многими исследователями [7-9], однако имеющиеся в литературе данные противоречивы. Кроме органических соединений, известно, что ингибирующее действие на кристаллизацию оксалата кальция оказывает магний [10].
Целью данной работы является установление закономерностей кристаллизации одновод-ного оксалата кальция в присутствии добавок (аминокислот и ионов магния) с помощью дисперсионного анализа.
Процесс кристаллизации изучался в растворах чистого одноводного оксалата кальция, а также в присутствии добавок ионов магния и аминокислот: глутаминовой кислоты (НООССН(МН2) СН2СН2СООН), глицина (СН2(МН2)СООН) и пролина (-(С(СООЯ)СЯ2СЯ2СЯ2) - МН) в различных концентрациях. Выбор аминокислот обусловлен тем, что они входят в состав естественной крнсталлообразующей среды [3].
Пересыщение по оксалату кальция создавалось за счет химической реакции, которая реализовалась при смешении исходных растворов легкорастворимых соединений оксалата аммония и хлорида кальция [11]: Са2+ + С^О2^ —>■ СпС.О:
46
А.Р. Изатулина, O.A. Голованова,*, Ю.О. Пунин,*, H.H. Войтенко, В.А. Дроздов,*
Условия экспериментов по кристаллизации оксапата кальция, а именно пересыщение ^ = %L (Со - концентрация ионов кальция и оксапата в пересыщенном растворе, Cs - растворимость оксапата кальция, равная 0,7 • Ю-4 моль/л), значение рН (5,5-6,0) растворов были выбраны исходя из свойств естественной кристаплообра-зующей среды (мочи) [3]. Твердые фазы анализировались с помощью рентгенофазового анализа. Дифракционные картины во всех случаях свидетельствуют о том, что полученные осадки являются одноводным оксапатом кальция.
Дисперсионный анализ синтезированных твердых фаз оксапата кальция был проведен на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц Shimadzu SALD-2101 (Laser Diffraction Рarticle Size Analyzer). Исследования проводились на базе ЦКП ИППУ СО РАН г. Омска. Дисперсионный метод позволяет получать распределение частиц по размерам, которое непосредственно связано с параметрами, определяющими механизмы зарождения и роста кристаллов. Изучение процесса кристаллизации с помощью данного метода можно проводить в эволюции, при постоянной ионной силе и рН [12].
Дисперсионный анализ синтезированных фаз оксапата кальция включал следующие основные этапы: 1) синтез образцов оксапата кальция методом осаждения; 2) дисперсионный анализ полученной твердой фазы на анализаторе Shimadzu SALD-2101.
Система сенсорных элементов позволяет измерять размеры частиц в широком диапазоне от 0,03 до 1000 мкм. С применением программных средства прибора SALD-2101 полученные первичные численные и графические данные в виде распределения световой интенсивности от размера частиц исследуемого образца рассчитываются в структурно-геометрическую информацию. В результате можно получить: дифференциальные кривые объемного распределения частиц по их размерам и среднеобъемные размеры. Для получения достоверных результатов анализ образцов проводили в 4-5-кратной повторности, при этом относительное стандартное отклонение для данных измерений составило Sr = 0, 04 — 0, 05.
В естественной крнсталлообразующей среде, кроме органических соединений, присутствуют и неорганические, например ионы магния. На рис. 1 представлены кривые распределения частиц по размерам для кристаллизации оксапата кальция в присутствии ионов магния.
При кристаллизации в растворе с концентрацией ионов магния См g = Ю-3 моль/л средний размер частиц оксапата кальция уменьшается в 2,5 раза - происходит ингибирование роста оксапата кальция. Увеличение концентрации ионов
Ют
Рис. 1. Распределение оксалата кальция по размерам.
1 — кристаллизация в бидистилляте 40 мин; 2 — в растворе С'мд = 10—3 моль/л
магния ррСмд = Ю-2 моль/л (соответствует физиологической концентрации) приводит к усилению ингибирующего эффекта, и кристаллизация кальция при данном пересыщении (7 = 7) не происходит. Это согласуется с литературными данными об ингибирующем влиянии ионов магния на кристаллизацию оксапата кальция [10].
Для изучения влияния природы и концентрации аминокислот на степень ингибирования роста кристаллов оксапата кальция были получены кривые распределения для всех трех изученных аминокислот.
Рис. 2. Распределение оксалата кальция по размерам: 1 — кристаллизация в би дистилляте 40 мин; 2 — Спро = 8 моль/л; 3 — Стли = 10~8 моль/л; 4 — Сглу = Ю-8 моль/л
Можно отметить (рис. 2), что в растворах аминокислот происходит ингибирование роста кристаллов оксапата кальция.
Изучение факторов, влияющих на кристаллизацию одноводного оксалата кальция
47
Результаты экспериментов по кристаллизации оксалата кальция в момент наступления равновесия (через 40 минут после начала химической реакции) представлены в таблице.
Средние размеры (мкм) кристаллов оксалата кальция при кристаллизации в разных средах
Анализ таблицы показывает, что в присутствии всех аминокислот уменьшается средний размер кристаллов оксалата кальция. Степень ингибирования возрастает с увеличением концентрации аминокислоты и зависит от строения кислоты. Ингибирующее действие аминокислот может быть связано с их адсорбцией на активных центрах образующихся кристаллов, тогда с увеличением концентрации кислоты возрастает доля заблокированных центров кристаллизации.
Известно, что в водных растворах аминокислоты существуют в четырех формах: сопряженная кислота, сопряженное основание, нейтральная молекула и биполярная форма, способные сорбироваться как на положительных, так и отрицательных центрах поверхности кристаллов. Кроме того, дополнительная стабилизация образующихся поверхностных соединений может быть обусловлена способностью аминокислот образовывать полидентатные хелатные комплексы с ионами кальция [13].
Таким образом, по полученным результатам можно сделать выводы:
1. Установлено, что ионы магния оказывают ингибирующий эффект на кристаллизацию одно-водного оксалата кальция.
2. Определено, что в растворах аминокислот: глутаминовой кислоты, пролина и глицина - происходит ингибирование роста кристаллов одноводного оксалата кальция. Средний размер кристаллов уменьшается с увеличением концентрации кислот. По возрастанию ингибирующего эффекта на кристаллизацию одноводного оксалата кальция аминокислоты можно расположить в ряд: пролин < глицин < глутаминовая кислота.
В заключение можно отметить, что присутствие ионов магния и аминокислот ингибирует рост кристаллов оксалата кальция. Так как в моче здорового человека присутствуют данные компоненты, то образование кристаллов оксалата кальция не происходит. А при нарушениях в
функционировании организма, при которых изменяется концентрация аминокислот и содержание магния, образование патогенных агрегатов возможно. Результаты, полученные в данной работе, указывают на актуальность и перспективность исследований кристаллизации патогенных фаз в организме человека на модельных системах с целью выявления механизмов, контролирующих их генезис.
[1] Пальчик А.Г., Столповская В.Н. Минералы внутри нас // Вести. РФФИ. 1998. № 4. С. 61-65.
[2] Кораго А.А. Введение в биоминералогию. СПб.: Недра, 1992. 280 с.
[3] Пятанова. П.А. Физико-химическое исследование почечных камней, формальный генезис: Дис. канд. хим. наук. Омск, 2004. 147 с.
[4] Голованова О.А., Пятанова П.А, Пальчик П.А. Фазовый и элементный состав и распространенность мочевых камней (Новосибирская и Омская области) // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 4. С. 593-597.
[5] Поспехова Г.П., Шайлиева Л. О., Федосеев Г.Б., Петрова. М.А. Хроническая обструктивная болезнь легких с респираторным оксалозом // Врачу общей практики. 2001. № 1. С. 27-29.
[6] Тиктинский О.Л., Александров В.П. Мочекаменная болезнь. Спб.: Медицина, 2000. 384 с.
[7] Strtic D., Markovic A'L, Komunjer L., Furedi-Milhofer H. Precipitation of calcium oxalate from high ionic strength solutions // Journal of Crystal Growth. 1988. V. 88. P. 118-124.
[8] Shouwu G., Michael D., Jeffrey A. // J. Langmuir. 2002. V. 18. P. 4284-4289.
[9] Grases F., March J.G., Bibiloni F., Amat E. The crystallization of calcium oxalate in the presence of aminoacids // Journal of Crystal Growth. 1988. V. 87. P. 299-304.
[10] Сокол Э.В., Пигматулина Е.П., Максимова. П. В. Сферолиты оксалата кальция в почечных камнях: морфология и условия образования // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 11. С. 547-558.
[11] Огнева А.А., Голованова О.А., Ачкасова Е.Ю., Блинов В. И. Влияние температуры, рН среды и неорганических добавок на процесс осаждения оксалата кальция // Минералогические музеи. СПб., 2005. С. 286-288.
[12] Laube N.. Mohr В., Hesse A. Laser - probe -based investigation of the evolution of particle size distributions of calcium oxalate particles formed in artificial urines // J. of Crystal Growth. 2001. P. 367-374.
[13] Fleming D.E., Bronswijk W., Ryall R.L. A comparative study of the adsorption of amino asids on to calsium minerals found in renal calculi // Clinical Science. 2001. V.101. P. 159-168.
Кристаллообразующая среда Концентрация, моль/л 1СГ5 1СГ2
Глутаминовая кислота 3, 88 ± 0, 09 менее 0, 03
Глицин 6,11 ±0,07 3,95 ±0,05
Пролин 5, 30 ± 0, 07 4, 73 ± 0, 04
Бидистиллят 10, 31 ±0,07
