Биологически активные клатраты амилоидин и амилопектоиодин в поле низкочастотных акустических воздействий

© 2012 г. Г. Н. Фадеев, В. С. Болдырев, В. И. Ермолаева
Представлено академиком РАН В.В. Луниным 20.02.2012 г.
Поступило 06.06.2012 г.

УДК: 541.124:539.19

Исследование является частью общего направления изучения действия акустических полей (от инфразвуковых до ультразвуковых) на модели биологически активных структур. В представленной работе приведены экспериментальные результаты по кинетике образования и разрушения биологически активных комплексов – амилоиодина и амилопектоиодина – в поле низкочастотных акустических колебаний от 5 до 45 Гц. Обнаружено различие в поведении этих соединений в поле акустических колебаний и сопутствующих им факторов. Определено, что значение более важное, чем структурное различие, имеет энергетическое состояние той части клатрата, которая активно откликается на низкочастотное акустическое воздействие.

Обращает внимание следующий факт: отрицательные воздействия низкочастотных колебаний на различные биохимические системы человека (см., например, [1]) укладываются в довольно узкий интервал низких частот. Он, однако, включает колебания как инфразвукового (до 20 Гц), так и часть звукового диапазонов (до частот 35 Гц). В работе [2] нами было высказано мнение, основанное на экспериментальном изучении целого ряда систем: для любого химического процесса в поле низкочастотных акустических воздействий имеется индивидуальная частота, при которой эффект воздействия максимален. Такую частоту, при которой наиболее заметно влияние подаваемых внешних акустических колебаний, мы называем резонансной частотой звукохимических реакций. Для ряда физико-химических систем подобные частоты определены [2].

Однако относительно биологически активных структур не ясно [3], какие их особенности ответственны за изменения, происходящие в них в поле низкочастотных акустических воздействий. Работ в открытой печати, содержащих экспериментальные исследования в этой области, немного. В данной работе в качестве биоактивной модели взята система иод – крахмал, включающая в себя два клатратных соединения: амилоиодин и амилопектоиодин. Выбор объясняется следующими обстоятельствами.

  • Амилоиодин давно (с 1940–1941 гг.) известен как активный медицинский препарат [4].
  • Особенности исследуемой системы позволяют одновременно наблюдать за двумя одинаковыми по составу, но различающимися по структуре соединениями: амилоиодином и амилопектоиодином, образованными иодом соответственно с амилозой и амилопектином.
  • Низкочастотные колебания оказывают на эти соединения, как и на биохимические системы организма человека, отрицательное воздействие комплексы дестабилизируются.
  • Особенности исследуемой системы позволяют рассматривать комплексы как биологически активных структур, чувствительных к действию низкочастотных колебаний.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Картофельный крахмал взят квалификации “для нефелометрии” с содержанием гомополисахаридов: 20 мас. % амилозы, 80 мас. % амилопектина. Растворимость указанных компонентов в воде различна, что позволяет проводить их разделение. Фракционирование крахмала осуществляли по методике Мейера с последующим центрифугированием. Амилоза лучше растворяется в теплой воде, амилопектин – в холодной. При этом зерна крахмала набухают, но их оболочка не разрушается. Для увеличения содержания амилозы в исследуемых образцах, крахмал в соотношении 3 г крахмала на 200 мл воды варили в течение 2 ч при 65°С, перемешивая (магнитная мешалка VEB VLW TYP RH 3) со скоростью 800 мин–1. В результате происходит отделение высокополимерной фракции – амилопектина от низкомолекулярной – амилозы, которая диффундирует из крахмала в виде в водорастворимой формы. Раствор освобождали от основной массы набухших зерен центрифугированием (центрифуга VEB MLW MEDICINTECHNIK TYP T51.1) со скоростью 6000 мин–1. При таком разделении крахмала создавалась фракция с увеличенным содержанием амилозы. Для получения раствора, обогащенного амилопектоиодином, исходный крахмал в соотношении 3:200 перемешивали с водой со скоростью 800 мин–1 при 25°С в течение 4 ч. Полученный раствор центрифугировали 2 ч со скоростью 6000 мин–1. Другие методы фракционирования крахмала, основанные на действии химических агентов (щелочей, кислот, глицерина, бутанола и др.), оказывают деградирующее действие и не приемлемы для фракционирования крахмала.

В экспериментах использовали насыщенный раствор иода, приготовленного добавлением к дистиллированной воде кристаллического иода, очищенного возгонкой. Для исследования влияния присутствия иодистого калия KI на свойства клатратов использовали раствор иода, приготовленного по стандартной методике. Эксперименты проводили на установке [5], работающей по принципу резонатора Гельмгольца. Подаваемые акустические колебания находились в интервале частот 5–45 Гц при фиксированной электрической мощности 5 Вт/см2. Предварительно было изучено действие акустических колебаний на водный раствор самого крахмала. Установлено, что при подаваемой мощности в 5 Вт/см2 лишь при длительном действии – свыше 60 мин – наступает некоторое незначительное увеличение оптической плотности раствора в области частот, находящихся вне интервала резонансных частот амилоиодина и амилопектоиодина.

За поведением клатратов следили по изменению их оптических спектров в видимой области. Иод с амилозой дает клатратный комплекс синефиолетового цвета с максимумом поглощения 620–680 нм. Оптическую плотность раствора определяли с использованием фильтра при λ = 670 нм. Структура амилопектина образует сферолит шарообразной формы и при адсорбции иода возникает комплекс красно-фиолетового цвета с максимумом поглощения при 520–555 нм. Оптическую плотность определяли с фильтром при λ = 540 нм. Для исследования влияния природы крахмала на свойства образуемых им с иодом клатратных соединений изучалась зависимость свойств комплексов от порядка смешения их компонентов при двух следующих вариантах.

Вариант 1. К раствору иода (оптическая плотность исходного раствора иода составляла 0.7) добавляли водный раствор крахмала, прошедший центрифугирование.

Вариант 2. В раствор центрифугированного крахмала, обогащенного в одном случае амилозой, а в другом – амилопектином, постепенно добавляли водный раствор иода.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для исследуемых соединений – амилоиодина и амилопектоиодина – определена экстремальная зависимость изменения оптической плотности их растворов от частоты внешнего воздействия и найдены резонансные частоты равные 20–25 Гц. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о различиях в поведении в поле низкочастотных акустических воздействий клатратов, образованных при разной последовательности смешения (вариант 1 и вариант 2) составляющих их компонентов. Обнаружен эффект, описание которого в известной нам литературе отсутствует: процессы образования и распада амилоиодина и амилопектоиодина зависят от порядка смешения составляющих компонентов. Сложно было предполагать, что порядок смешения при получении комплексов влияет на устойчивость клатратов к внешним акустическим воздействиям.

Крахмал, прибавляемый к раствору иода (вариант 1), образует комплексы, дестабилизация которых подчиняется (рис. 1, 2) кинетическому уравнению 1го порядка во всем исследованном интервале частот от 5 до 45 Гц. Дестабилизация клатратов, образованных прибавлением иода к избытку крахмала (вариант 2), в инфразвуковом диапазоне (5–15 Гц) следует 2му кинетическому порядку (рис. 3), а в звуковой области (начиная с 20 Гц) соответствует кинетической зависимости 1-го порядка (рис. 4).

Известно, что процесс образования иод-крахмальных комплексов является экзотермическим и обратимым: при нагревании окраска исчезает, а при охлаждении – появляется вновь. В отличие от действия температурного фактора под действием акустических колебаний цвет растворов исчезает необратимо, и после прекращения воздействий окраска клатратов не восстанавливается. Однако при некоторых условиях процесс образования комплексов, сопровождающийся возрастанием оптической плотности, продолжается некоторое время и во время действия колебаний.

Определен знак электрокинетического потенциала комплексов, образуемых при разной последовательности смешения компонентов. Оба клатратных комплекса, образуемых при прибавлении крахмала к иоду (вариант 1), имеют положительный электрокинетический потенциал и при наложении внешнего постоянного электрического поля двигаются к аноду. У комплексов, образованных прибавлением иода к раствору фракционированного крахмала (вариант 2), электрокинетический потенциал – отрицательный и во внешнем постоянном электрическом поле мицеллы комплексов движутся к катоду.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ величин констант скоростей (табл. 1, 2) показывает, что в изучаемой микрогетерогенной системе во время действия акустических колебаний имеет место смена режима процесса, сопровождающаяся изменением соотношения констант скоростей. Дестабилизация комплексов, полученных прибавлением крахмала к раствору иода, при частотах 5–10 Гц происходит в диффузионном режиме. Кинетический порядок процесса дестабилизации комплексов при этом соответствует 1-му порядку. Скорости и для образования и для дестабилизации комплексов определяются влиянием амплитуд колебаний, которые имеют значения А = 2–2.2 мм. Процесс дестабилизации во всем исследованном интервале частот от 5 до 45 Гц, подчиняется (рис. 1, 2) кинетическому уравнению 1-го порядка как для амилоиодина, так и для амилопектоиодина. Константы скорости дестабилизации амилоиодина и в инфразвуковом, и в звуковом диапазонах примерно в полтора раза выше (табл. 1) констант скоростей разрушения амилопектоиодина.

Результаты, полученные по второму варианту смешения – при прибавлении водного раствора иода к раствору крахмала – значительно отличаются от результатов по варианту 1. При частотах 5–10 Гц, процесс как и при варианте 1 протекает в диффузионном режиме, при котором определяющим является влияние амплитуды подаваемых колебаний. При этом процесс подчиняется кинетическому уравнению 2-го порядка и для амилоиодина (АЛ) имеет несколько большее значение n(5 – 10 гцАЛ) =2.3 ± 0.2 по сравнению с дестабилизацией амилопектоиодина (АП) n(5 – 10 гцАП) = 1.9 ± 0.2.

При повышении частоты подаваемых колебаний не только наблюдается смена режима с диффузионного на кинетический, но и изменение кинетического порядка процесса. Начиная с 20 Гц, в интервале частот 20–45 Гц кинетический порядок дестабилизации комплексов описывается кинетическим уравнением уже не 2-го, а 1-го порядка.

Знаменательно, что при этом меняется соотношение констант скоростей дестабилизации амилоиодина и амилопектоиодина (табл. 2). При низких частотах дестабилизация амилоиодина происходила неизменно быстрее. Однако при 35 Гц экспериментальные значения констант скорости дестабилизации амилоиодина и амилопектоиодина выравниваются (см. табл. 2), а при 40–45 Гц скорость разрушения амилопектоиодина становится выше. Значение порядка реакции (при общем следовании кинетическому уравнению 1-го порядка) для амилопектоиодина в интервале колебаний от 20 до 45 Гц заметно больше: n(20 – 45 гцАП) = 1.3 ± 0.2; n(20–45 гцАЛ) = 0.8 ± 0.2.

Энергия активации адсорбции иода на амилозе (по данным [6]) составляет ЕактАМ= 44 ± 2 кДж/моль и по своей величине превосходит значение энергии активации адсорбции иода на амилопектине, равной ЕактАП = 29 ± 2 кДж/моль. Казалось бы, более высокой энергии активации адсорбции иода на амилозе должна соответствовать и большая устойчивость к внешним воздействиям. Данные табл. 2 и рис. 1–4 свидетельствуют об обратном. Обесцвечивание амилоиодина в процессе дестабилизации клатратов происходит примерно в полтора–два раза легче, чем в случае амилопектоиодина. Полученные нами значения энергии активации дестабилизации для амилоиодина имеет величину ЕактАЛ = 29–31 ± 2 кДж/моль, а для амилопектоиодина заметно выше ЕактАП = 38–41 ± 2 кДж/моль. Следовательно, определяющим является не энергия адсорбции иода, а его состояние, возникающее в результате адсорбции.

На основании количественного поглощения иода установлено, что одна молекула иода приходится на шесть гликозидных остатков – они составляют шаг спирали длиной 0.75–8.0 нм. Внешний диаметр спирали 1.3 нм. Молекулы иода в спирали амилозы испытывают сильное влияние межмолекулярных сил и полярных групп –ОН. В результатемежатомная связь в молекуле иода с первоначальной длиной 0.267 нм заметно увеличивается и в комплексе иод–амилаза становится равной 0.306 нм. Эта величина едина для всех атомов иода. “Атомизированные” таким образом молекулы иода в зависимости от длины цепочки придают [7] комплексу амилоиодина разный цвет.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о заметных различиях в поведении амилоиодина и амилопектоиодина в поле низкочастотных акустических воздействий. Дестабилизация исследуемых клатратных соединений связана в первую очередь с разрушением более “чувствительного” к низкочастотным воздействиям комплекса амилоиодина.

Можно предположить, что низкочастотные колебания и связанные с ними гидродинамические факторы приводят к описанному выше явлению изменения цвета, разрушая клатратное соединение путем уменьшения длины цепочки комплекса.

Из результатов проведенного исследования можно заключить: важна не сама по себе структура биологически активной системы, а состояние той ее части, которая наиболее активно откликается на акустическое воздействие. Под действием колебаний и связанных с ними гидродинамических факторов, цепочечная структура иода внутри спирали амилозы делает клатратный комплекс амилоиодин более подвижным и более чувствительным к внешним воздействиям.

1. Итак: Исследован кинетический режим отрицательного воздействия низкочастотных акустических колебаний на клатратные комплексы – амилоиодин и амилопектоиодин.

2. Установлено наличие резонансных частот, при которых воздействие внешних акустических полей и сопутствующих им факторов максимально.

3. Определены основные кинетические параметры процесса дестабилизации клатратных комплексов амилоиодин и амилопектоиодин.

4. Экспериментально обнаружено, что клатратные комплексы амилоиодин и амилопектоиодин в результате действия низкочастотных акустических колебаний необратимо дестабилизируются, и их цвет не восстанавливается.

5. Основой повышенной чувствительности амилоиодина к внешним акустическим воздействиям является особенность адсорбированного состояния иода в клатратном комплексе.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Диментберг Ф.М., Фролов К.В. Вибрация в технике и человек. М.: Знание, 1987, 60 с.
  2. Fadeev G.N., Kuznetsov N.N., Beloborodova E.F., Matakova S.A. // Rus. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. № 13. P. 54–58.
  3. Fadeev G., Ermolaeva V. // Proc. Europ. Symp. NonLethal Weapons. Ettlingen, 2003.
  4. Мохнач В.О. Синий иод. СПб.: Наука, 1994. С. 145–157.
  5. Фадеев Г.Н., Ермолаева В.И. // Вопр. оборон. техники. 2004. Сер. 16. № 1/2. С. 28–32.
  6. ANCHEM.RU - Российский химико-аналитический портал.
  7. Рогов И.А., Антипова И.В., Дунченин М.И. Химия пищи. М.: Колос, 2007. С. 517.