CC BY
29УДК 541Л 5+ 541.515-577.39!
В.Л. Шарпатый
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ.
СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ
(Институт биохимической физики им, Н.М.Эмануэля РАН)
e-mail: vashar@sky.chph.ras.ru
На основе собственных экспериментальных и литературных данных рассмотрены свободнорадикальные механизмы образования продуктов радиолиза полисахаридов -— органических кислот, перспективных для использования в качестве добавок к кормам сельскохозяйственныхг (с/х) животных с целью повышения питательности кормов и решения проблемы утилизации полисахаридсодержащих отходов с/х и промышленного производства радиационной обработкой.
Изучение механизмов радиационной деструкции полисахаридов представляет интерес не только для фундаментальной радиационной химии, но и в прикладном аспекте - при решении таких проблем как утилизация отходов сельскохозяйственного и крах малопаточного производств, консервация пищевых продуктов; в радиобиологии и медицине - управление процессами с целью радиозащиты биосистем и человека и стимулирования разложения биополимеров с углеводными звеньями (ДНК - онкология). Еще один медицинский аспект ..... применение в лечебной практике
радиационно-модифицированных крахмалов и биологически синтезируемых полисахаридов в качестве заменителей плазмы крови. Это восполняет дефицит донорской крови, а биологическая совместимость с человеческим организмом позволяет в экстремальных случаях оказывать своевременную помощь пострадавшим, независимо от их
Во всех этих случаях необходимо знание механизмов радиационной модификации облучаемых объектов, состава молекулярных продуктов радиолиза, среди которых имеются и токсичные мутагены. Только на основе этого возникает возможность управления процессами для достижения желаемого эффекта - увеличения выхода целевых продуктов и предотвращения (снижения) накопления в облучаемых системах побочных продуктов.
Исследования в области радиационной химии полисахаридов, начатые в нашей стране в
1960-х годах, послужили основой для комплексного подхода к решению указанных проблем (1-
Был сделан вывод, что деструкция полисахаридов инициируется превращениями первичных радикалов, появляющихся в результате отрыва ОН и Н от атомов углерода в АГЦ и Н - в гидрокси-лах, и протекает по направлениям модификации макромолекул (появление в них карбоксильных, альдегидных, кето- и дезоксикетогрупп) и образования низкомолекулярных (кислот, альдегидов, кетонов. Сахаров, спиртов, эфиров) и газообразных (Н2, СН4, СО, ОСЬ) продуктов. Представлены обобщающие схемы механизмов многостадийных превращений свободных радикалов вплоть до об-
шования некоторых конечных молекулярных вращаются преимущественно по реакциям моно-
[5,
молекулярного распада
решении, например» проблемы утилизации отхо-
лерода. Это указывает вания конечных
х животных радиационной
полиса
содержащие 2 - 5 атомов уг-то, что стадиям образо-ллрных продуктов должен связей С-С в АГЦ поли-: в облучаемых а присут-
аспекта: снижение молекулярной массы полисахаридов и обогащение кормов питательными до-
основными эффектами являются: образование
ствии 02 крахмалах и
реализуется в результате об-
в
и
разрывов в макромолекулах и низкомолекудяриых
случае разрыв в АГЦ двух
ны и
юнирования организма животного - моно-ды (глюкоза, манноза, галактоза, целло сахароза и мальтоз), moho-, ди- и три кар е кислоты. Наряду с ними зарегистрирова соединения - токсиканты: формальдегид i [15].
действия с Ог алкильных радикалов, связи С-С альдегидных тру пи
сильной VI одной альдегидной группы по схеме (1)
С(<>)ОН - Н(0)С0И......
. И:0 + ю (I)
С-С в АГЦ происходит
«Wrt- 1 •ftttftt i
с В OI
В данном обзоре будет уделено внимание также и в результате превращений оксигениро-юднорадикальным механизмам возникнове- ванных (пероксидных) вторичных (алл и.
-СН(0(>Н>0"
:.(=0) -
ни я разрывов в макромолекулах углеводов и обра- радикалов по схеме (2)
органических кислот -метаболитам организма млекопитающего.
О МЕХАНИЗМАХ ОБРАЗОВАНИЯ ОРГАИМЧГ
*о
-СНО+'О-С-О- ->
Образование карбоновых кислот с не на
продуктов радиолиза дативных
препаратов картофельного и кукурузно! лов (-12% влажность, у-об л учение на МГр, Т ~ 300 К) обнаружены "i
ет на то, что по крайней мере одна из стадии во многостадийных превращениях соответствующих
ратацию радикала по механизму р- элиминирования НзО с образованием алдильного радикала
rt'
ловая кислоты [15,16]; при облучении крахмала с повышенным содержанием амилопекгина - хинная кислота [17]. Все эти кислоты, включая ши-
Таким о! кислот
процессе их
зом, состав и структура орга-
' о том, что в в АГЦ крахмалов воз-
с
и
в
о из со-
и
последующего их термоотжига эти процессы пре-
ческих процессов,
с
организма. Поэтому включение в корма сельскохозяйственных
и
с
кислот в [19,20].
и ли
сельскохозяйственного вал о бы и повышению шению проблемы утилизации таких отходов с по-
Из рассматриваемых механизмов образования карбоновых кислот наиболее «громоздким»
Большинство оГ
этих кислот было зарегист-
ста-в [19],
является химическая реакция нуклеофильиого
группе кетоди-
образования изложен в [21]). В
группе э лектроф и л ь и ость кова: к-связь частично
атомов С и О не
с
кис,
дом
•10 л.моль ) обpz
а
Г'
атом, карбоксил
и а
малах достигает кислот (22], колокол оо-зависимости ее в реакциях с
ь общего начального выхода крахмале включает перегруппировку с разрывом
с штт груше. В
в АГЦ
Проанализируем возможность реализации такого молекула формальдегида по Сб. Последи;
ставяяст
процесса по свободнорадикальному механизму, опираясь на приведенные выше сведения о типич- та-напарника для альдегидной группы
Í АГ4 »Я
'tal L
х полисахаридов реакциях и
полагая, что в молекулах лимонной (и дикарооно кислот) одна из карбоксильных из фрагмента -05-С1 (-СУ I)
В молекуле лимонной кислоть дезоксигруппы (2-ой и 4-ь " Золее вероятным процессом их
пг
Этот г
к
ie
51) и 3
ты.
появления в ходом до 33.5% суммарного выхода мног
Ц
только одного радикала) представляется превра
щенне первичного радикала С2, радикала отрыва винного алкильного радикала С2 вплоть до
а от ¿-у
низму тина р-элиминации
И от 3-го ал л ильный Н из
юдного атома, но HUO, а именно;
меха- зования лимонной кислоты включает 6
оора-
П
едовательность о-ти элементарных актов! и
с
€3 на
>
и i
таутомерии); по СЗ возникает кетогругта (схема продолжается в пределах (3-7)-К) с
рн не-о
/ ч
НС01Г
он
.л.—
НС ~о
\
с- с н н
9й
hHfhni н
нешг
ш
Vtttttttttttt** и и ы Л
С-с но и
превраиление не самого перо кс и да в условиях облучения образца, а предше
41./в.
C5Í251 Это замечание относится и к последую
у .................OOOR*'
У
т
ОН
+ МС0ОН
С^ОИ * СООНСН^^ОуСН^ООН ™----^ С0О№
аеМ сШЫ исМ
I связан с
и включает 5 стадий гь элементарных актов т
Н-С1->Н-С2 (
уч
A»«!"4 <
В
с
АГЦ - (3-7)-10" с, процесс дегидратации радикала гдованием адлильного радикала в
«J'^ i I*
ной связи
-10* с
СЗОЗ (вследствие таутоме
С4-€3% оксигенацмя радикала €5 и образован гидроперокевдной группы по
sirtjlij»
может сопровождаться перегруппировкой связей Н-С1 и Н-С2 (переброс атома Н с С1 на С2 и перескок неснаренного электрона с С2 на С1). Этот в АГЦ о< (8-10)-10 * с.
кильный радикал С1 изомеризуется с разрывом связи С5--05 (раскрывается цикл) за время - (5-
ie
в Л ГЦ, О.....О
наконец» об!
u^t * *f i
fí №
зеи
Здесь и далее ра диаиион но~х иыический выход дан
<iW fe rii
5ход янтарной кислоты
у.Ц,
и
Различия в величинах кислот могут быть о
выхода лимоннои и
от С5, ОН - от
с
образованием радикала
-связи С1-.....05, взаи-
с (ЭДстадии 2
по С4, распад
реакциях типа [З-элиминации воды (энергетике которого с разрывом связей СЗ-С4 и О О (стадия
и 3> и
С2, 4), а затем - г
участвующих в перегруппировке связей Н-С1 и (стадия 5) ведут к конечному продукту -- пировн Н-С2.
этих (3
ноградной кислоте, G ~ 0.01 [15]. Г фрагмент модифицируемого излучением А ГЦ
кислоты перегруппировка химических связей
исходит в ал л ильном радикале и требует меньших энергетических затрат, чем в случае янтарной ки-
* с?
элиминиррования ROH и НгО. В случае лимонной
возникающим разрывом в моди-
АГЦ снимается на-- выделяется НгО, и в А ГЦ принимает плоскую ~ тя количественной
Ч €
оценки относительной значимости каждого из этих факторов необходимы дополнительные ис-
И
i величина выхода лимоннои кислот - 7:1 [19]. 'Посколь альдегида G = 0.15, то при материального баланса по продуктам в соот-со схемой 3 отмечаем равенство выходов альдегида и янтарной кислоты, и от-величина выхода лимонной кислоты должна G-70.15 = 1.05.
яблочной и других кислот - фумаровой. винной и связано с превращениями
первичного гидро ксиалкильного радикала Cl. Последовательности элементарных актов пре-
быть
ванием в итоге указанных кислот Здесь мы только отметим, что \ радикала С1 с оновых кислот (исключая согласно оценке,
с
7)10 с » Механизмы
ноосновных кислот - пировиноградной и глиок
силовои - связаны с превращениями радикалов отрыва атома H от С4 и С2. Для пиро-
44
В
а в
таких радикало
возможно влияние на относительный вы-кислот и второго фактора....... различий в струк- ла С2
альдегида, окисление которого приводит к гидро-ксималоновой кислоте. Альтернативный путь превращения гидроксипероксида С4 - его распад с разрывом связей С4-С5 и О-О (стадия 4') сопровождается образованием уксусной кислоты
<(3-0.03 [15]) и,
производного у-оксокислоты. Последовательность
с образованием глиоксиловои кислоты (схема 5) включает 4 стадии: образование перок-сидного радикала С2, при распаде его с разрывом связей С2-СЗ и О-О появляется алкоксирадикал СЗ и карбоксильная группа по С2. Гидролиз (3-свя-зи С1-05 (стадия 3) и отщепление НО ЯГ (стад и я 4) приводят к глиоксиловой кислоте {С ~ 0.03 [15]). В результате превращения алкоксильного радикала СЗ возникает эритроза (О--0.01, [ 15]).
Согласно оценке, длительность процессов образования пировиноградной и глиоксиловой кислот не превышает 10" с.
Анализ рассмотренных механизмов образования карбоновых кислот в полисахаридах позволяет отметить следующее. 1) Схемы механизмов стереотипны включают в качестве стадий превращения радикалов одни и те же реакции и обязательно стадию образования пероксидных радикалов. Основное отличие в механизмах - это порядок в п ос л е д о в ател ь н остя х таких стадий.
ный, очевидно, меньшей или
в составе полимера. 2) Сопоставление вре-
реакций образования кислот (в - 7 10 ^ с ~ Ю-7 с) и величии их радиан-химического выхода (от сотых долей до показывает, что наличие стадий дегидра-
и
ет время процесса и снижает выход кислот.
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ
ХИННОЙ КИСЛОТЫ
Хинная кислота (ХК) была зарегистрирована среди продуктов радиолиза восковидного (обогащенного амилопектином, 96%) крахмала
[17].Выход ее образования составляет % общего количества карбоновых кислот (и и з комол е ку л я рн ых, включая муравьиную и уксусную, - 89 %, и - 11 % - высокомолекулярных кислот). Величина радиационно-химического вы-т согласно оценке (ери дозе - 0,9 МГр), - 0.02« Относительно малая величина и факт регистрации ее лишь в облученном
.ем 96% амилопектина (а-гликозидные связи 4, а также а-1->6 через каждые -20 мономерных звеньев), указывают на то, что ХК появляется лишь при модификации А ГЦ с двумя типами гликозидных связей - в точках ветвления амилопектина[26], При облучении
, очевидно, из-за малого содержания в них амилопектинаСот I ХК не была зарегистрирована-
Сходство циклических струггур а глюкопираиозы и хинной (цшшогексашетраоксм-карбоновой) кислоты навело на мысль, что при
СМ*"[28),с
том же месте молекулы
по атому С1
химическая связь С6-СI, и кольцо замыкается. С восстановлением алкильного радикала 02, с зовавшегося по реакции присоединения ради Об НОН по двойной связи, в составе молекулы амилопектина (по месту прежней точки ветвления) образуется кольцо циглогексеиа-3,4 (стадии 6
него образца с водой
уч
В
О
яопектина н таутомерии гидроксигруппы до 25 вес, %) ори двойной связи СЗ-С4 в конечном молекула)
ном продукте радиолиза амилопектина появляю1
кепгогруппа по С4
[ 9). Образован«
соединении таког
К£
Т!
из АГЦ в нем происходят следующие «преобразования»: из цикла удаляется атом кислорода, по
"■ч
днческой Б-глюкозы, 0( 3 -дезокс и -4 - ке
глюкоза) ~ 0.19 [30].
с муравьиной кислотой (стадия 10) привод образованию хинной кис
ИТ к ИР
по С4 помещается карбоксильная группа. За- цесс {реакция нуклеофильного присоедине
этап - образование химической связи ния)был проанализирован нами в случае обра в результате чего кольцо."Конструирование юкопиранозного цикла
ее
молекулы ХК из предшественника, 3-кетогдутаровой кислоты, с
схема (3). Подученные с помощью
углеводов, и
что удаление полуацетального кислорода целлюлозы (В-гликозидная связь 1 ->4) вызвано
по изменению
(отрыва ОН) СЗ [27]. Предлагаемая на основе этих данных схема (6) отражает совокупность элементарных актов (механизм) превращений радикала СЗ. На первом этапе этого многостадийного процесса образуются диенильный радикал С1 =С2-СЗ™ С4-05 и молекула воды (из атомов Н от С2, и атома 05, механизм В-элиминацин воды),
появления основных типов радикалов в цел; зе, подвергаемой фотовоздейс г вию[24],
оценить (в первом приближении) времена па-
руемом облучением АГЦ амилопектина. При этс предполагалось, что из-за наличия трех гликозид ных связей в АГЦ (точке ветвления амилопекги на) превращения первичного радикала СЗ проте
ооразом, как и в
В диен ильном радикале целлюлозы атомы С1, С2, СЗ и С4 располагаются в одной плоскости, атом С5 - смещен от плоскости на 0,7 А Г271.
«'г ¿с»
личие гликозидных связей в амилопектине (И-О- вплоть до образования ХК лимитирующую
С4, О-О-ЯЧ в точках ветвления .......связи Сб-О даю,
'), очевидно, как и в АГЦ целлюлозы, делает Радикалы аллильного типа (и
Отсюда, полагаем, и в модифицированном АГЦ амилопектина также возможна перегруппировка химических связей С-Н у атомов С6 и С5 с переходом Н от С6 на С5 и, соответственно, неспарен-ного электрона - с С5 на С6[23]. В результате последующего гидролиза р-связи в радикале С6Н-
¡адикала в целлюлозе за время
1ЫХ С:
г} ?: I
ое-
последующей перегруппировки шмшчс-
С-Н у оценки времени
Со и С5 -
гидролитическое
R"c об;
ментальные данные, В качестве
л,моль с ) и с учетом того, что в уг
•у-4
на ч«
ка выше, чем в случае обычной глнкозидной связи
I-
константу СбНСМГ\ равную
к(г) - 4,2. Отсюда,
можно было оценить и время протекания реакции
А
в предположении, что концентр жовидном крахмале (а? t - 60 мин, Согласно гн реакции присоединений аллиль
•W he* 4
радикала но двойной связи для жидкой *
- 10s ямойь1е \ В нашей
цикла из шести атомов угле-реакции, несомненно, больше, и длительность данного процесса может
временем вращательных коти па полиэтилена л ^
* & М 9,«
циклогексенового кольца в результате первичного радикала СЗ
в
* *
V».
хинном кислоты в
в
кислорода и в *'сухом
чается возможность образования перокендных
, в
% и
Облучение неоводненных нативных препаратов амилопектина {2-е условие облучения) ция их исключает "преждевременное" гидролитическое расщепление гликозндной связи К-Ю-С4, что могло бы препятствовать перегруппировке связей Сб-Н и С5-Н* а, значит, и образованию концевого гидроксиалк'ильного радикала СбНОН (стадия 5).
В заключение укажем на следующий тс-пеоиментальныи жакт: величина относительного
ооя
TBI
в 4U раз меньше» по кислоты. Оба эти ой составляющей
в
ч
ски одинаково многостадийны (/ и 6 стадии) и включают те же основные стадии превращений
и. и
и (3) . Т
х радикалов - СЗ и С2, различие в величинах выхода ки-
факторами: лимонная кислота может образовы-ваться в результате модификации всех без исключения АГЦ в макромолекуле, а ХК - лишь из АГЦ точек ветвления 100/20 - 5), и доминирующий фактор, «8», обусловлен образованием и прекращениями пероксидного радикала по С5 (определяется прежде всего доступом О; к радикалу С5).
ИТЕРАТУРА
1.
7. Т.
7
2,
j ' ..
С
Н и C5~-Ht как видно мз схемы
- со-
Эмануэль IIМ* и яр* И Нот. АН СССР, I $» С* 11
Щщшпын ВЛ* и др. // Тш же, !9б8> Г
412,
Щттптытттм МТ, и др. // Там же, ИМК. Т. 182-
С, 1354
Ко четкое И Ж. и др, Там же, 1968, Т. 183« Ш 2. С. 376. Шшртгый В,А, Первичные механизмы пучешт поражения биологически важных Сптмтроттк&уж ДНК, белка, ДНП, полисахаридов Дне. ., >;ьра хим. наук. М>:11ХФ АН СССР, ¡972.
ванне альдегидной группы С5НО и СН20 прово- 6, Шаротый ШЛ. и др. // Дошк АН СССР. 1%к, Т. 1К1
с
кием
альдегидной группы по
а но Сб. В облучаемых
ад ах G(CH20) - 0.7;
в
то вой (по С6 - метанол), как показано в [20]
9.
Гельднн (ЛИ. Маркович С.В., Шариатмй В.А. // Там же. 1971. Т. 201. № 1.С. 133.
Шариатый В.А.« Султан ходжасва М.Н. if Нт, АН
СССР Сер. хнад 1969 Ш 5. С. 1183.
Шариатый В.А., Гопьдин С.И. U Там же. 1971. Ht 6. С.
1367.
X Гольяни €,11, и др. // До юг АН СССР, 1976, Т. 228, Jfe 2, С 389.
К Ш&ртатый В.А, // Радиобиология. 1983. Т. 23. В. К С.
12. Швш АЛ, « пр. // Изв. АН СССР. Сер. хим. 197?,№ К С.
13. Коротчем&о 1С* А»« Наджафова M »А», Шаргштый В.А* //
И ж вузов. Пишена* технология. Î982, Я* КС, 76,
А»
14. Ш&ргштын В,А, Радиационная химия биополимеров. Мл Энергошдаг 1981, 168 с
15. MucctiielH Л, Evolution toxicologique des produits formes ail cours de ¡Irradiation gamma de Г amidon. Influence sur la craissancc et le tmtzhoihmc bâclerions. These de Doctorat d'Etat es Sciences, Université des Sciences et Techniques de Lille. Qeiobre 1975, 60 p,
16 Квротчetmo ICA*, СлЕшизднрмич С.ГМ Сгаиимирович ДЛ, // Прикж биохгшия и шкробисшогт 1968. Т. 4. 8, 6. С 727,
17. Коротчемко К, А., КШркатый ВАЛ Ит вузов. Пищевая технологии, 1983, К* 2, С, 45.
18. Шарпа пли В* А. // Химическт физика. 1995. Т. 14, Jfe
10. С 113,
19. Корогчемко К, А*, Шаргштый В,А, // Химия высоких энергий. 1993. Т- 27. № 4. С. 50.
20. К&р^тчсшсо К* А«, Приступе Ш&рв&гый в*А* //
Там же, 2004. Т. 38. Jfe 2, С, 10?.
21. Шарпагый В*А* // Там же. 2003. Т. 3?. № 6, С. 417,
22. ИнГЛ Л* И й1 // %т-сЫ$ШЫ. 1981. V. 33, N 7, 235,
23. Приступа АМ^ Шарнатый В.А. // Докл. РАН 1998. Т, 359. М> Г С. 58.
24. Приступа А,И., Шарпагый В>А. // Доки, РАН 2002, Т> 387. №5. С 643.
25. Мшшичук В.К*, Клишшшит Пшежаший С.Я. Мд к рора д и кал ы. Мл Химия. 1980, 264 с.
26- Ш&ргштый В.А* // Химическая и биологическая кинсти-та, Новые гориюнты.Т. I „ Химическая кинетика. Пол ред, Е.Б.Бурлако1юй, С.Д> Вар*}юломеейа, Г.Ё/Заикова, А.ЕД.11илош. Мл Химий., 2005. С. 173,
27, Шарпагый В.А., Ш&ишвш А*А., Пмш'елгш СН. / Хим. фнзикзг 2001. Т. 20.№ 12. С. 19,
28, Петрие» ЕЖ, Шшшро ОЖ / Радиационная химии бифункциональных органических соединений* Минск:
29. Кшч ИМ. н жрЛ Дом, РАН 19%, Т. 349, Jè 1 > С. 60.
30. Dizdaroglu m, ^ al» // Z. НМжГогжЬ» 1977. V. 32b, № P. 213,
3L Von Sonntag С, // Adv. Carbochydr. Chem* ВшсЬега 1980. V. 37, N К P. 7.
32. Денисов £Л\ Константы скорости гемолитических жил-шфшшш роений. Мл Наука,. ¡91Г 712 с.
