CC BY
62
УДК 541.64
ВЛИЯНИЕ ПАВ НА МОРФОЛОГИЮ КОМПЛЕКСОВ МЕДИ И КЕРАТИНА, ПОЛУЧЕННЫХ ДЕСТРУКЦИЕЙ ПЕРА СОСТАВАМИ НА
ОСНОВЕ СУЛЬФИТА НАТРИЯ © 2014 Е.Н. Розанова1, И.Б. Кометиани2,
А.А. Еськова3, О.Н. Лопухина4, Е.С. Соболева5
1 канд. хим. наук, доц. каф. химии
e-mail: rozanova. lena2012@yandex.ru
2 канд. биол. наук, доц. каф. химии
e-mail: ilona. kometiani@gmail. com
3,4 5 студенты по направлению «Химическая технология», каф. химии Курский государственный университет
Для получения растворимой формы перьевого кератина были опробованы составы, деструктирующие перо, на основе сульфита натрия в присутствии Cu2+ и некоторых ПАВ. Морфологию полученных комплексов изучали на электронном микроскопе «Quanta 650 FEG».
Ключевые слова: перьевой кератин, сульфит натрия, ПАВ, комплексы меди и кератина.
Перьевой кератин по общепринятой классификации относят к простым белковым веществам из группы склеропротеинов или структурных белков; с точки зрения симметрии строения молекул кератин является фибриллярным белком. В обычных условиях кератин устойчив к действию большинства растворителей ввиду особенностей внутри- и надмолекулярной структуры. Поэтому извлечение белка из пера является не совсем простой задачей [Геллер Б.Э., Геллер А.А., Чиртулов 1996].
Известные методы по переработке кератинсодержащего сырья основаны на разрыве связей, образующих четвертичную, третичную, вторичную и первичную структуры. В последнем случае деструкция кератина идет до аминокислот.
Как показывает анализ доступной научно-технической информации, в основном используют комбинацию физических и химических воздействий на кератинсодержащее сырье для извлечения белка. Чтобы получить растворимый белок из нерастворимого пера, необходимо подобрать условия и реагенты, которые позволили бы разрушить четвертичную, третичную, вторичную структуры. В числе факторов, которые изменяют четвертичную структуру перьевого кератина, - изменение рН, повышение температуры, действие детергентов и т.д. К разрушению вторичной и третичной структуры без разрыва пептидных связей (денатурации) могут привести: нагревание растворов белка выше 60°С, изменение рН (<3-4, >10), ультразвук, органические растворители, соли тяжелых металлов; детергенты и т. д. И как результат - изменяются кристаллическая структура, растворимость и др.
Известен промышленный способ обработки кератина по реакции с сульфитами и гидросульфитами:
ill |
HC-CH,-S-S-CH,-CH+NaHSO ~ HC-CH,-SH+NaO,S-S-CH,-CH.
I * * I 3 I ' 3 * I
Значение скорости данной реакции достигает максимума в кислой среде (рН=4,6). В присутствии некоторых окислителей все цистеиновые группы полимерного
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
субстрата превращаются в S-сульфоцистеиновые, например, в присутствии Cu2+
I 2+ ,
I Си I .
hc-ch,-s* + so; =~ hc-ch,-s - so, + си+
I ■ I ■
[Геллер Б.Э., Геллер А. А., Чиртулов 1996].
Также в аналитической химии белка образование комплекса белка с медью используется как качественная реакция на белок, в которой пептиды образуют внутрикомплексное соединение с ионами Cu [Шапиро 1976].
В живых организмах медь в составе комплексов с белками выполняет важные биологические функции: как предполагается, это стабилизация стенок некоторых кровеносных сосудов и оболочки спинного мозга, процессы выработки пигментов волос, кожи, глаз и in vivo гемоглобина. Известны в основном три типа медьсодержащих центров в составе комплексов: 1) «голубая» медь, 2) «неголубая» медь, 3) центры с двумя смежными атомами меди. В результате многочисленных исследований различными авторами были получены несколько моделей комплексов белков с медью, каждая из которых была подтверждена данными электронной микроскопии [Дюга, Пенни 1983].
Роль ПАВ в процессах получения комплексов белка с медью может быть объяснена с помощью известных теоретических представлений о взаимодействии ПАВ с белком, который относится к амфотерным ПАВ (присутствуют гидрофильные и гидрофобные части), поэтому белок может связывать низкомолекулярные ПАВ (ионные и неионные). Установлена также возможность образования комплексов белок+ПАВ, в которых заряженная часть ПАВ связывается с противоположно заряженными группами на поверхности белка за счёт электростатического притяжения. Для неионных ПАВ центрами связывания могут быть гидрофобные участки на поверхности белка. На основании ряда экспериментальных данных были предложены следующие структурные модели комплексов белок+ПАВ при высоких концентрациях последнего: а) вытянутый эллипсовидный агрегат ПАВ с белком внутри мицеллы; б) мицеллоподобные кластеры, хаотично распределённые вдоль полипептидной цепи в модели «ожерелье и бусины»; в) гибкая, покрытая белковой спиралью цилиндрическая мицелла [Холмберг, Йенссон, Кронберг, Линдман 2007].
В качестве базового метода для получения растворимого перьевого кератина нами был выбран процесс, представленный в патенте [Patent US 7148327 B2. 2006], который включает в себя два этапа: первый этап - применение окислительного сульфитолиза; второй этап - использование мягких условий с целью извлечения растворимого белка.
Процесс проводился в одну стадию, с определенной последовательностью операций. Состав для обработки пера содержал сульфит натрия, медноаммиачный комплекс в среде серной кислоты, без ПАВ и в их присутствии. В качестве детергентов использовались анионные и неионные ПАВ, так как именно они обладают достаточно высокими поверхностно-активными свойствами. Анионные ПАВ: Glydol №1003, Сульфонол АВС, Texapon №70; из неионных были изучены Plantacar, ОС-20 [Розанова, Кометиани, Еськова, Лопухина, Соболева 2014].
Очищенное и измельченное кератинсодержащее сырье подвергалось обработке реагентами и физическим воздействиям (температура, интенсивность перемешивания, обработка ультразвуком) в разной последовательности.
Полученные образцы растворимого кератина пера были исследованы на предмет морфологии структуры с помощью электронной микроскопии. Результаты приведены на рисунках 1-6.
Как видно из рисунка 1, комплекс кератина с медью образует дендритные структуры, что согласуется с известными теоретическими представлениями о структурах комплексов белка с медью. Анализ других снимков позволяет утверждать,
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 3
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Еськова А. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С.
Влияние ПАВ на морфологию комплексов меди и кератина, полученных
деструкцией пера составами на основе сульфита натрия что применение неионных ПАВ изменяет морфологию, но признаки дендритной структуры и упорядоченности сохраняются (рис. 2 и 3). Использование анионных ПАВ нарушает дендритную структуру с образованием хаотичных агломератов (рис. 4, 5, 6).
Рис. 1. Морфология растворимого комплекса перьевого кератина с медью в отсутствие ПАВ
Рис. 2. Морфология комплексов меди с кератином, полученных в присутствии неионного ПАВ Plantacar
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рис. 3. Морфология комплекса меди с кератином, полученного в присутствии неионного ПАВ ОС-20
Рис. 4. Морфология комплекса кератина с медью, полученного в пристутствии анионного ПАВ Glydol №1003
Рис. 5. Морфология комплексов кератина с медью присутствии анионного ПАВ Сульфонол АВС
Рис. 6. Морфология комплексов меди с кератином в присутствии анионного ПАВ Texapon №70
Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 3
Розанова Е. Н., Кометиани И. Б., Еськова А. А., Лопухина О. Н., Соболева Е. С.
Влияние ПАВ на морфологию комплексов меди и кератина, полученных
деструкцией пера составами на основе сульфита натрия Таким образом, анионные ПАВ, нарушая упорядоченность структуры комплекса кератина с медью, позволяют получить частицы с меньшими размерами, что подтверждают электронные снимки. Как следствие - более высокий выход белка при использовании таких ПАВ. В выбранных условиях эксперимента наибольшее извлечение белка (80-87 %) было достигнуто при использовании анионных ПАВ (Сульфонол АВС, Texapon №70). При использовании неионных ПАВ степень извлечения белка составила 68-74 %. Без применения ПАВ белка было получено порядка 40 %. Полученный растворимый кератин в дальнейшем был использован при получении модифицированных виниловыми мономерами полимер-белковых материалов.
Библиографический список
Геллер Б.Э., Геллер А. А., Чиртулов В. Г. Практическое руководство
по физикохимии волокнообразующих полимеров. М.: Химия, 1996. 432 с.
Шапиро Д.К. Практикум по биологической химии. Мн.: Высшая школа, 1976,
288 с.
Дюга Г., Пенни К. Химические подходы к механизму действия ферментов: пер. с англ. М.: Мир, 1983. 512 с.
Холмберг К, Йенссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах: пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 528 c.
Patent US 7148327 B2. Production of soluble keratin derivaties. Robert James Kelly, Gillian Helen Worth, Alisa Dawn Roddick-Lanzilotta. Keratec Limited. 12.12. 2006.
Розанова Е.Н., Кометиани И.Б. Еськова А.А. Лопухина О.Н., Соболева Е.С. Получение растворимой формы белка перьевого кератина с помощью сульфита натрия в присутствии Cu2+ и различных ПАВ // 21 century: fundamental science and technology IV. Proceedings of the Conference. Moscow, 16-17.06.2014: (материалы IV междунар. науч.-практической конф. «21 век: фундаментальная наука и технологии»). М.: Науч-издат. центр «Академический», 2014.
