Физико-химические закономерности поверхностных явлений и процессов в моделях биосистем при их взаимодействии с противоаллергическими препаратами хромоновой группы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Модельные структуры клеточных мембран.

1.1.1. Самоорганизующиеся структуры лецитина как модель клеточных мембран.

1.1.2. Монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт, моделирующие фрагменты гидрофильных частей биосистем в мембранах.

1.2. Основные группы соединений, функционирующих в мембране.

1.3. Хемиосмотическое сопряжение как основная функция плазматической мембраны.

1.4. Некоторые особенности нарушения механизма действия дыхательной цепи.

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1. Формирование моделей биосистем.

2.1.1. Модифицированная поверхность полипиромеллитимида как модель ионного канала мембраны митохондрий.

2.1.2. Модель биомембраны на основе пальмитиновой кислоты.

2.1.3. Лецитин как модель липофильной части биомембраны.

2.2. Измерение краевых углов смачивания.

2.2.1. Определение краевых углов смачивания капли жидкости.

2.2.2. Определение краевого угла смачивания погружным дву-жидкостным методом.

2.2.3. Определение краевого угла смачивания воздушного пузырька.

2.3. Спектрофотометрическое определение одно- и двухвалентной меди.

2.3.1. Определение концентрации одно- и двухвалентной меди в растворе и на поверхности в процессе адсорбции лекарственного препарата.

2.3.2. Определение концентрации одно- и двухвалентной меди в продуктах реакций недокромила натрия с валериановой кислотой и соединениями меди.

2.4. Спектрофотометрические измерения.

2.4.1. ИК-спектрофотометрические исследования.

2.4.2. УФ-спектрофотометрические исследования.

2.5. Получение продуктов реакции валериановой кислоты с недокро-милом натрия в присутствии соединений меди.

2.5.1. Реакция валериановой кислоты с недокромилом натрия.

2.5.2. Реакция валериановой кислоты с недокромилом натрия в присутствии соединений меди.

2.6. Очистка реактивов и растворителей.

2.6.1. Очистка недокромила натрия.

2.6.2. Очистка растворителей.

Глава 3. Результаты работы и их обсуждение.

3.1. Модель липидного слоя плазматической мембраны.

3.2. Моделирование ионоселективных каналов биомембраны на основе монослоя пальмитиновой кислоты.

3.2.1. Изучение межмолекулярного взаимодействия монослоя пальмитиновой кислоты с лекарственными соединениями как компонентами субфазы. Влияние природы иона металла на параметры сжимаемости.

3.2.2. Изучение химической природы ленгмюровских пленок комплекса "пальмитиновая кислота - соли металлов - лекарственные соединения", перенесенных на твердую подложку.

3.3. Реакции лекарственных соединений хромоновой группы с поверхностными группами модифицированного полипиромеллитимида, моделирующие действие трансмиттерного ионного белкового канала в биологической среде.

3.3.1. Адсорбция лекарственных соединений из водных растворов на модифицированную поверхность ППИ.

3.3.2. Изучение реакций переноса протона в различных моделях биосистем.

3.3.3. Изучение окислительно-восстановительных свойств соединений хромоновой группы. Содействие хемиосмотическому сопряжению.

Выводы.

Актуальность проблемы

Совершенство объектов и процессов живой природы издавна привлекает внимание естествоиспытателей, возбуждая стремление использовать принципы и закономерности, лежащие в основе функционирования биологических систем, для разработки различных моделей биосистем. Центральной темой остается идея воплощения в модельных системах биоподражательной w и л концепции, позволяющей имитировать определенные свойства как биологического объекта, так и реагента, воздействующего на него. Taie, проблема прогнозирования взаимодействия лекарственного препарата с биологическим субстратом в реальных условиях является одной из важнейших в фармакологии, биологии и смежных областях медицинской промышленности.

Единой теории строения и функционирования биологических мембран нет, что объясняется сложностью и разнообразием структур и функций мембран. Общепринято моделировать такие сложные системы комбинациями простых структурных единиц - "элементарных" мембран, характеризующихся элементарными функциональными свойствами. Рекомбинантные мембраны (термин, введенный в 1978 году П.Митчеллом) имеют ценные функциональные возможности и позволяют моделировать такие биологические функции, как дифференцирование функций организма, избирательную проницаемость, приводящую к разделению вещества, преобразованию энергии, активному переносу веществ, а также к ориентационной локализации молекул, что обуславливает поверхностные реакции, хранение и передачу информации.

Химические реакции на поверхности мембран осуществляются по механизму поверхностных реакций, отличающихся от обычных реакций в трехмерной фазе. Ведущая роль в этих процессах принадлежит поверхностным явлениям - снижению поверхностного и межфазного натяжения, адсорбции, смачиванию, образованию поверхностных и межфазных пленок и Др.

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение физико-химических закономерностей поверхностных явлений и процессов в моделях биосистем при их взаимодействии с лекарственными препаратами хромоновой группы: хромогликатом натрия и недокромилом натрия.

Эти лекарственные препараты используются при лечении бронхиальной астмы и других аллергических заболеваний. Основной терапевтический эффект от действия этих лекарств заключается в репарации структур дыхательных путей, облегчений функций дыхания, улучшении энергетических процессов в клетке.

Схема трансформации энергии в дыхательной цепи митохондрий предполагает передачу пары электронов и протонов компонентами цикла Кребса, сопровождающуюся возникновением трансмембранного потенциала. Любое торможение этого процесса или его ингибирование приводит к нарушению функций дыхания.

В связи с этим в работе большое внимание также уделено изучению возможности протекания сопряженных процессов транспорта электрона и протона при воздействии препаратов хромоновой группы на поверхности моделей биосистем, а также влиянию различных факторов на этот процесс.

Научная новизна

Впервые с использованием разнообразных моделей биосистем (липофильной плазматической мембраны, полярных ионоселективных каналов, трансмембранных белков, включающих ион двухвалентного металла как функциональную часть ферментной или коферментной системы) установлен механизм действия лекарственных соединений хромоновой группы.

Показана перспективность использования диаграмм сжимаемости к = ^э), техники Ленгмюра-Блоджетт по переносу монослойных мембран на твердую подложку как способа установления совместимости и проницаемости компонентов среды под действием ионов щелочноземельных (Са2+, М§2+) и переходных (Си24, ¿п2\ Ре2+) металлов.

Методами УФ-, ИК-спектроскопии, прямыми титриметрическими анализами, рН-метрией и различными методиками смачивания впервые показан сопряженный транспорт протона и электронов по ионоселективным трансмембранным каналам при совместном действии препаратов на основе хро-могликата и недокромила натрия с окислителем. Установлена доминирующая роль ионов меди как в деполяризации мембраны биосистемы, так и в процессах, функционально аналогичных хемиосмотическому сопряжению.

Практическая значимость

Полученные результаты по методам изучения лекарственных препаратов на различных моделях биосистем могут быть использованы в широкой фармакологической практике для прогнозирования механизма действия и терапевтического эффекта. Рекомендации по использованию сочетанной терау I I пии препаратами хромоновой группы и микроэлементами , К в ионной форме были использованы в детской больнице №27.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и библиографии. Общий объем составляет 126 страниц машинописного текста ( в том числе 17 таблиц, 40 рисунков, список цитируемой литературы из 90 наименований).

Выводы

1 .Установлен механизм действия хромогликата (Na-Crg) и недокромила (Na-N-Cr) натрия на моделях фрагментов плазматической мембраны. Показано, что основная функция лекарственных препаратов - это содействие сопряженному переносу протона и электрона и регуляция величины трансмембранного потенциала, обеспечивающая нормализацию энергетических процессов в ЭТЦ.

2. Разработана оценка проницаемости лекарств через липофильную часть мембраны на основании расчетов ysp гидратированного слоя мультиламмелярных везикул по данным смачиваемости: ysp=10±0.5 мДж/м2 при максимально допустимой величине 1 -3 мДж/м2

3. Методами анализа диаграмм сжимаемости монослоев пальмитиновой кислоты (C15H31COOII) и их переноса на твердую подложку по методу Ленгмюра-Блоджетт-Шеффера впервые выявлена роль влияния ионов металлов (Ме2+) на межмолекулярные взаимодействия полярной части мембраны с лекарствами и определены критерии внедрения Ме , "перестройки" и текучести мембран, в качестве которых выступают: изменение площади, занимаемой полярной частью комплекса мембраны - S0, и полярной составляющей ysp. Показано, что "внедрению" ионов Са2+, Mg2+ ("жестких" кислот Льюиса) соответствует уменьшение S0 с 0.205 нм до 0.180 и 0.170 им2, соответственно; уменьшение yspca с 28 до 22 мДж/м2 и ysPMg с 20 до 17 мДж/м2. Установлено, что при взаимодействии ионов Cu2H, Zn2+ ("мягких" кислот Льюиса) наблюдается увеличение S0 с 0.205 нм2 до 0.215 нм2 и увеличение yspcu с 11 до 15 мДж/м2 и yspzn с 21 до 27 мДж/м2.

4. Методами ИК-, УФ-спектроскопии и по параметрам сжимаемости

Г\ I мембран на основе С15Н31СООН в присутствии ионов Ме и лекарств доказано образование сложных комплексов как на поверхности субфазы, так и на твердой подложке.

5. Показано, что включение металла в полимер, моделирующий фрагмент трансмембранного белка (Н-ПАК, Са-ПАК, Mg-IIAK, Cu-ПАК, Zn-ПАК, Fe-ПАК), приводит к значительному увеличению полярности ysp : после адсорбции Na-N-Cr на поверхность ПАК, содержащих ионы металлов, ysp увеличивается почти вдвое - с 11 мДж/м2 до 21 мДж/м2.

6. Установлено, что адсорбция лекарств как на фрагменте модели трансмембранного белка - ПАРС, так и на монослойной мембране С15Н31СООН, приводит к возникновению градиента рН и, соответственно, к появлению трансмембранной разности потенциалов (от 14 до 29 мВ). Исключение составляет адсорбция Na-N-Cr в прсутствии Си2+, что характеризует сильное деполяризующее действие препарата.

7. На примере реакций взаимодействия соединений меди (И),, пероксида (окислителя), карбоксильно-содержащего ингредиента (ПАК, валериановая и пальмитиновая кислоты) показан сопряженный процесс переноса протона и электрона. Na-Crg на поверхности Cu-ПАК обеспечивает протекание этого процесса, имеющего близкую аналогию с хемиосмотическим сопряжением, с минимальной деструкцией соединения. В отличие от этого, редокс-процесс Na-N-Cr протекает с более сильными изменениями - вплоть до раскрытия у-пиридонового цикла.

Выражаю глубокую благодарность за неоценимую помощь в подготовке диссертационной работы моему научному руководителю и учителю доктору химических наук, профессору

НИНЕ БОРИСОВНЕ МЕЛЬНИКОВОЙ.

1.Накагаки М. Физическая химия мембран. Пер. с японск.- М.:Мир.- 1991.-255с.

2. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Уотсон Д. и др. Молекулярная биология клетки, т.1. Пер. с англ.- М.:Мир.-1994.-517с.

3. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. М.:Наука. -1981.

4. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Липидный бислой биологических мембран. М.:Наука. -1982.

5. Danielli I.F., Davson Н.А. // J.Celi Comp.Physiol.-1935.-v.5.- р.495.

6. Singer S.I., Nicolson G.L. // Sci.-1972.-v.175.-p.720.

7. Щипунов Ю.А. Самоорганизующиеся структуры лецитина // Успехи химии,- 1997.-t.66, №4.- с.328-352.

8. Small D.M. Handbook of Lipid Research. Physical Chemistry of Lipid: from Al-kanes to Phospholipids // Plenum, New York. 1986 .-v.4.

9. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. Санкт-Петербург: Химия, 1992.

10. Lasic D.D. // Biochem.J.-1988.- v. 256.- p.l.

11. Lasic D.D. // J.Theoret. Biol.-1987.-v.l.-p.35.

12. Lasic D.D. The Formation of multilamellar and unilamellar vesicles on solid surface //J.Colloid Interface Sci.-1988.- v.124.- p.428.

13. Lasic D.D., Belie A., Valentincic T. // J.Am.Chem.Soc.-1988.-v.l 10.- p.970.

14. Ebara Y., Ebato H., Ariga K., Okahata Y. Interactions of calcium ions with phospholipid membranes. Studies on я-А izoterms and electrochemical and quartz-crystal microbalanse measurements // Langmuir.- 1994.- v. 10.- p.2267-2271.

15. Shnek D.R., Pack D.W., Sasaki D.Y., Arnold F.N. Specific protein attachment to artificial membranes via coordination to lipid-bound coupper (II) //Langmuir. -1994,- v.lO.- p.2382-2388.

16. Адамсон Д. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.-586с.

17. Ebeltoft Y., Sjqblom J., Saeten J.O., Olofsson G. Fatty acid/base interactions in model systems. A Langmuir film, surface tension, and calorimetric study // Lang-muir.- 1994.- v. 10.- p.2262-2266.

18. Berg J., Claesson P. //Thin Solid Films. 1998.- v.178.- p.261.

19. Арсланов B.B. Полимерные монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт. Полиреакции в организованных молекулярных ансамблях: структурные превращения и свойства // Успехи химии.- 1991т.60, №6.- с.1154-1187.

20. Арсланов В.В. Полимерные монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт. Влияние химической структуры полимера и внешних условий на формирование и свойства организованных планарных ансамблей // Успехи химии.-1994.-t.63, №1.- с.3-39.

21. Chapman D. //Langmuir.- 1993.-v.9.-p.39.

22. Raudall Lee Т., Carey R.I., Biebuyck H.A., Whitesides G.M. The wetting of monolayer films exposing ionizable acids and bases // Langmuir.- 1994 .-v. 10.-p.741-749.

23. Whitesides G.M., Biebuyck H.A., Folkers J.P., Prime K.L. // J. Adhesion Sci. Technol.-1991.-v.5.-p.57 -69.

24. Creighton Т.Е. Proteins: Structures and Molecular Properties 2nd ed.- W.H. Freeman .-New York.-1993.

25. Ohgi К., Horiuchi H., Watanabe H. J. //Biochem.- 1993,- v.l 13.- p.219-224.

26. Bain C.D., Whitesides G.M. //Langmuir.-1989.-v.5.-p. 1370-1378.

27. Bryant M.A., Grooks R.M. //Langmuir.-1993.-v.9.-p.385-387.

28. Smith P.S., White H.S. // Langmuir.-1993.-v.9.-p.l-3.

29. Kumehara H„ Kasuga Т., Watanabe Т., Miyata S. // Thin Solid Films.- 1989.-v.l78.-p.l82.

30. Elbert R., Laschewsky A., Ringsdorf H. // J.Am.Chem.Soc.-1985.-v.l07.-p.4134.

31. Laschewsky A., Ringsdorf H., Schneider J. // Angew.Makromol.Chem.-1986.-v.l45.-p.l.

32. Biddle M.B., Lando J.B., Ringsdorf H., Schmidt G., Schneider J. // Colloid Polym. Sci.-1988.-v.266.-p.806.

33. Ringsdorf H, Schmidt G., Schneider J. // Thin Solid Films.- 1987.- v. 152.-p.207.

34. Ringsdorf H., Schlarb В., Schneider J. //Polym.Prepr.- 1986.-v.27.-p.127.

35. Kurihara K., Kunitake Т., Higashi N„ Niwa M. // Thin Solid Films.- 1992.-v.210.-p.681.

36. Puggeli M., Gabrielli G. // Colloid Polym.Sci.-1985.-v.263.- p.885.

37. Gabrielli G., Maddii A. // J.Colloid Interface Sci.- 1978.-v.64.- p. 19.

38. Gabrielli G., Baglioni P., Fabbrini A. //Colloid Surf- 1981.- v.3.-p.l74.

39. Ter-Minassian-Saraga L., Abitboul S.J. //. J.Colloid Interface Sci.- 1974.- v.48.-p.32.

40. Измайлова В.Н.,Ямпольская Г.П., Сумм Б Д. Поверхностные явления в белковых ситемах. М.: Химия.- 1988.

41. Ямпольская Г.П., Нусс П.В., Разникова Г.Ц.,Измайлова В.Н. Успехи коллоидной химии. Д.: Химия.- 1991.- 292с.

42. Birdi K.S. Lipids and Biopolymers in Monolayers at Liquid Interfaces. -Plinum.- 1989.-New York.

43. Singer S.J., Nicolson G.L. // Science.- 1972.- v.l75.-p.720.

44. Erokhin V., Fcigin L.A. I I Prog.Colloid Polym. Sei. 1968.- v.305.- p.363.

45. Sobotka H., Demeny M., Arnaki M. // J.Colloid Interface Sei.- 1959,- v.14.-p.281.

46. Isemura T.,Hamaguchi К // Bull. Chem. Soc. Jpn.- 1952,- v.25.-p.40.

47. Malcolm B.R. // Proc. R. Soc. London. A.Math. Phys Sci.-1968.- v. 305.-363.

48. Malcolm B.R. //Prog. Surf. Membr. Sei.- 1973.- v.l.- p.183.

49. Baglioni P., Dei L., Ferroni E. Gabrielli G. // J. Colloid Surf- 1991,- v.60.-p.399.

50. Yamashita Т., Shibata A., Yamashita S. // Bull. Chem. Soc. Jpn.- 1978.- v.51.-p.27-51.

51. Gabrielli G., Baglioni P., Ferroni E. // J.Colloid Interface Sci.-1981.- v.81.-p.139.

52. Gabrielli G., Baglioni P. //J.Colloid Interface Sci.-1981.- v.83.- p.221.

53. Albert A., Carboda J. // Colloid Polym. Sei. 1984.- v.262.- p.811.

54. Kimura F., Uematsu S., Sakurai H., Akahori Y., Nakagaki M. // J.Colloid Interface Sci.-1988.- V.124.- p.290.

55. Baglioni P., Dei L., Ferroni E. Gabrielli G. // J. Colloid Interface Sci.-1986.-v.109.- p.109.59.0вчинников IO.A. Биоорганическая химия.-М.: Просвещение.-1987.- 815c.

56. Ксенжек O.C., Петрова С.А. Электрохимические свойства обратимых ре-докс-систем.-М.: Химия.-1986.

57. Мельникова Н.Б., Кочнева Е.Г., Кузьмин A.B., Карташов В.Р. Свойства поверхности полипиромеллитимида, модифицированного для химической металлизации // Ж. прикл. химии.- 1991.- №7.- с.1512-1518.

58. Carre A., Schultz J. Polymer-Aluminium adhesion. The surface energy of aluminium in relation to its surfase treatment // J.Adhesion.-l 983.-v.15.-p.151-162.

59. Rukenstein E. Environmentally indeed restructuring of polymer surfaces and its influence on their wetting characteric in an angles environment // J. Colloid and Interface Sci.-1985.-v.l07.-№2.-p.488-502.

60. Гершунс A.Jl., Верезубова А.А., Толстых Ж.А. Фотоколоримстрическое определение меди с помощью 2,2-бицинхониновой кислоты // Изв. ВУЗов. Химия и хим. технология.-1961.-т.4, №1 .-с.25-27.

61. Вайсбергер А., Проскауэр Е. Органические растворители. Физические свойства и методы очистки. М.: Химия.-1958. -518с.

62. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М.:Химия.-1976.-541с.

63. Кейл Б. Лабораторная техника органической химии // Под ред. Бергельсона Л. Д.- М.:Мир.-1966.- 643с.

64. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. М.: Химия, 1974.- 408с.

65. Франки 3. Химия отравляющих веществ, т.1 // Пер. с нем. М.: Химия.-1973.-440C.

66. Общая органическая химия // Под ред.Бартона Д. и Оллиса У.Д. Т.9.-Кислородсодержащие, серусодержащие и другие гетероциклы.// Под ред. Сэмма П.Г.- Пер. с англ. под ред. Кочеткова Н.К. - М.: Химия.- 1985.- 800с.

67. Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. М.: Мир.- 1996.-464с.

68. Livingston R. // in Rodd s Chemistry of Carbon Compounds.- v.lVE, ed. S. Coffey.-Elsevier.- Amsterdam.- 1977.- p.l.

69. Staunton J. // in Comprehensive Organic Chemistry.-1979.- v.4.- ed. Sammes P.G.- Pergamon.- Oxford.-p.659.

70. Cairns H., Cox D, Gould K.J., Iugal A.H., Suschitzky J.L. // J.Med. Chem.-1985.- v.28.- p.1832.

71. Гетероциклические соединения, т.П. // Под ред. Эльдерфильда Р. Пер. Луценко И.Ф., Кочетковой Н.К., Толстой Т.П. и др. под ред. Юрьева Ю.К.-М.: Иностранная литература.- 1954.- Глава VIII Хромоны, флавоны, изо-флавоны.

72. Неницеску К.Д. Органическая химия,т.2. // Пер. с рум. Бырлыдяну Л.-Под ред. ак. Кабачника М.И. -М.: И.Л.-1963.-1047с.

73. Nakagaki М., Yamamoto М. // Bull. Chem. Soc.-Japan.-1977.-v.50.-№4.-р.873-878.

74. Walde P., Giuliani A.M., Boicelli C.A., Luisi P.L. // Chem. Phys. Lipids.-1977.-v.53.-p.265.

75. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия.-1989.-448с.

76. Басало Ф., Пирсон Р. Механизмы неорганических реакций. Изучение комплексов металлов в растворе. Пер. с англ.: М: Мир.- 1971.-27с.

77. Мищенко К.П., Полторацкий Г.М. Вопросы термодинамики и строения водных и неводных растворов электролитов. Л.: Химия.- 1986.-351с.

78. Подчайкова В.Н., Симонова Л.Н. Медь.- М.: Наука.-1990.-279с.

79. Cevc G. // Biochim. et biophis. acta.- 1990.- v. 1031 .-№3.-p.311-382.

80. Melaughlin S. Curr. //Top. Membr. Transp.- 1977.- v.9.- p.71-155.

81. Kaelble D.H. Rotating Spherical Interlayer (RSI) Measurement of Elastomers // J.Adhesion.- 1970.- v.2.-p.50-56.

82. Spen H.C., Kaelble D.H. Dispersion- Polar Surface Tension Propeties of Organic Solids // Phisical Chem. of Adhesion. Chap.5, Wiley Interscience.- 1974.-№4.

83. Owens D.K., Wendt R.C.// J. Appl. Polim. Sci.- 1969.- v.13.- p.1741-1750.

84. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. М.: Химия.- 1974.-336с.

85. Кольтгоф И.М., Белчер Р., Стенгер В.А., Матсуяма Дж. Объемный анализ, т.З. М.: Госхимиздат.- 1961.-840с.1. РОССИЙСКАЯ1. ГОСУДАРСТВЕН^•-ïSfiilOTE'Aff1. MQ/- ¿-О/