ИЗУЧЕНИЕ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МЕЛАНИНОВ В КОМПЛЕКСАХ БИОПОЛИМЕРОВ С ПОМОЩЬЮ СВЧ-ИЗМЕРЕНИЙ

June 23, 2012 by admin Комментировать »

Азарко И. И., Карпович И. А., Кукулянская Т. А., Лукин В. Н., Оджаев В. Б., Зуева О. Ю* Белорусский государственный университет, пр. Ф. Скорины, 4, Минск 220050, Беларусь тел.: +375-17-2095109, e-mail: azarko@bsu.by *Центр “Биоинженерия” РАН, Москва, Россия

Аннотация Представлены результаты поведения спиновой системы меланиновых пигментов и хитинмеланиновых комплексов при изменении мощности СВЧизлучения. Рассмотрена возможность удаления меланиновой компоненты из меланин-хитиновых комплексов. Анализируется эффективность СВЧ-диагностики свободнорадикальной системы полимеров. Показана перспективность дальнейшего исследования антиоксидантного действия меланинов, хитин-меланиновых комплексов, и выявления их функциональных особенностей.

I.  Введение

В настоящее время в качестве профилактических и лекарственных средств, а также пищевых и биологически активных добавок широко применяются различные биологически активные природные полимеры полисахариды и конденсированные фенолы. Среди них особое место занимают хитин (полимер ацетилглюкозамина) и его деацетилдированное производное хитозан. Одним из эффективных природных источников получения хитина являются отходы пчеловодства, однако, при этом конечный продукт представляет собой комплексную субстанцию с меланином гетерополимерами фенольной природы. Спектры биологических и фармакологических активностей меланиновых пигментов и хитин-хитозана во многом совпадают, в частности, способность сорбировать тяжелые металлы, холестерин, антибиотики и ксенобиотики. Однако, меланины, благодаря своему устойчивому свободнорадикальному состоянию обладают рядом индивидуальных особенностей фотопротекторным, антиоксидантным, генопротекторным, антимутагенным и антиканцерогенным действием. Вероятно, что фармакологическое действие комплексной меланин-хитиновой субстанции будет определяться свойствами этих различных по структуре полимеров. Поэтому представляется актуальным исследование свободнорадикального состояния меланиновых пигментов в комплексах с хитином, для проведения которого наиболее эффетивно применение методов СВЧ-диагностики.

II.   Методика эксперимента

Для исследования были взяты меланиновые пигменты различной степени биологической активности, подробно описанные в [1], а также хитин-меланиновые комплексы, выделенные из подмора пчел путем щелочной экстракции (10% NaOH) при 100°С и 50°С, а также путем водной экстракции при кипячении (время экстракции 2 часа). Их антиокислительное действие было исследовано в модельной системе индуцированного перекисного окисления липидов.

Исследования методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) проводились на стационарном спектрометре в Х-диапазоне (9.3 ГГц). Отжиг образцов осуществлялся непосредственно в резонаторе СВЧ в интервале температур 20-250°С. Была проведена термогравиометрия (0-900°С, скорость нагрева 5°С в минуту) и дифференциальная сканирующая колориметрия в диапазоне 0-550°С, в которой определялось количество тепла, поглощенного или выделенного в результате химических и физических изменений в полимере. Анализ элементного состава позволил получить информацию о различиях полимеров меланина и хитин-меланиновых комплексов, в зависимости от способа их получения.

III.   Результаты и обсуждение

Исследование термических свойств и, в частности, механизмов их термической деструкции помогают более точно установить молекулярную структуру полимеров, например последовательность расположения мономеров, боковых групп цепи и поперечных связей между цепями [2]. Органические полимеры характеризуются относительно небольшой термической устойчивостью и подвергаются термической деструкции при 250-500°С (в зависимости от их природы). Термодеструкция может приводить к образованию низкомолекулярных продуктов или к появлению поперечных связей между макромолекулами.

Анализ данных термического разложения исследованных образцов показал, что деструкция меланиновых пигментов, независимо от способа выделения, происходит в две стадии. Наибольшая потеря массы происходит при температуре 310-350°С, наибольшее изменение свободной энергии системы наблюдается также в этом температурном интервале. Хитинмеланиновые комплексы характеризовались более сложным характером термического разложения. Потеря массы проходила как минимум в три стадии. Наиболее высокая скорость этих процессов наблюдалась при 280-310°С и при 450-520°С. Максимальное изменение свободной энергии происходило при температуре 510-530°С, а также при 320-340°С.

Меланиновые пигменты, независимо от своего происхождения и структурных особенностей, характеризуются стабильным парамагнитным поглощением близким по своим качественным характеристикам к поглощению свободного электрона [3]. Это является показателем присутствия в меланинах структур с неспаренными свободными электронами. В исследованных нами образцах было зарегистрировано несколько ЭПР-сигналов. Наряду с наиболее интенсивным центральным идентификационным сигналом ЭПР бензосемихинонной природы с д-фактором 2,003-2,004, шириной линии АН = 4-6 Гс и концентрацией парамагнитных центров (ПМЦ) 1017-1018спин/г, были зарегистрированы дополнительные широкие сигналы ЭПР с низкой интенсивностью и д-фактором 2,04. Наиболее выражен данный сигнал был в образцах хитин-меланиновых комплексов.

По кривым насыщения сигналов ЭПР образцов меланинов, снятых при комнатной температуре измерения и при температуре 240 °С были оценены времена спин-решеточной релаксации и обменного взаимодействия ПЦ. Кинетика спада амплитуды сигнала при повышенной мощности свидетельствовала

о   неоднородном характере уширения сигнала ЭПР меланиновых пигментов, что также свидетельствует

о   присутствии в полимерах различных свободнорадикальных структур.

При отжиге меланиновых пигментов качественные парамагнитные характеристики не претерпевали значительных изменений. Величина g-фактора и форма линии не изменялись. Интенсивность сигналов увеличивалась по логарифмическому закону вплоть до 240 °С. Отжиг образцов при Т отж > 250 °С приводил к разрушению меланиновой структуры с образованием чисто углеродных полисопряженных включений, о чем свидетельствовало уменьшение величины g-фактора до 2,0027. Изотермический отжиг при температуре 250 °С в течение 1300 минут вызывал увеличение интенсивности сигнала при сохранении ширины линии так, что концентрация парамагнитных центров с g = 2,0036 возросла примерно на два порядка.

Для меланиновых пигментов содержание азота, полученное из анализа элементного состава, свидетельствует о включении в полимер азотсодержащих гетероциклических структур. В хитин-меланиновых комплексах наличие азота, в первую очередь, определяется содержанием хитина аминополисахарида. Обнаруженное значительное уменьшение процентного содержания азота при получении полимерных комплексов в более жестких условиях, связывается нами с более полным удалением меланинов.

Устойчивое свободнорадикальное состояние меланиновых пигментов, с наличием феноксильных или семихинонных радикалов, обеспечивает им высокую реакционную способность и антиоксидантную активность. Все компоненты этой системы способны оказывать более или менее значительный химический и, следовательно, и биохимический эффект.

IV.   Заключение

Выли изучены некоторые физико-химические характеристики меланиновых пигментов и хитинмеланиновых комплексов и их антиоксидантное действие в системе индуцированного перекисного окисления липидов. Преобладающей структурной единицей является радикал бензо-семихинонной природы. Характер термического разложения меланинов и их комплексов с хитином свидетельствует о различных температурных оптимумах потери массы полимерами. Наиболее полное удаление меланиновой компоненты из меланин-хитиновых комплексов происходит при гидролизе в 10% NaOH при 100°С. Меланины, полученные в данных условиях, отличаются наибольшей антиоксидантной эффективностью, а хитинмеланиновые наименьшей. Представляется актуальным дальнейшее исследование антиоксидантного действия меланинов, хитин-меланиновых комплексов, а также хитозана и выявление функциональных особенностей этих полимеров.

V.   Список литературы

[1 ] Азарко И. И., Карпович И. А. Кукулянская и др. —

В кн.: 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — Севастополь: Вебер,

2001,            с. 95-96. ISBN 966-7968-00-6,

IEEE Cat. Number 01 ЕХ487.

[1]    Оджаев В. Б., Козлов И. П., Попок В. Н.,

Свиридов Д. В. Ионная имплантация полимеров. Минск: Изд-во БГУ, 1998. 197 с.

[2]    Кукулянская Т. А., Курченко Н. В., Курченко В. П., Бабицкая В. Г. II Прикладная биохимия и микробиология. 2002. Т.38, № 1. С. 68-72.

SHF STUDY OF FREE RADICAL STATE OF MELANIN IN BIOPOLYMERS

Azarko I. I., Karpovich I. A., Kukulyanskaya T. A., Lukin V. N., Odzhaev V. B., Zuyeva O. U.* Belarussian State University 4 Prospekt F. Skoriny, Minsk, Belarus, 220050 *’Bioengineering’ Center, Russian Academy of Sciences,

Moscow, Russia e-mail: azarko@bsu.by

Abstract The results of investigating the behaviour of melanin pigment system and chitin-melanin complexes under the SHF influence are presented. The possibility of removing the melanin component from the chitin-melanin complexes was studied. The analysis of the efficiency of SHF diagnostics for free radical polymer systems is given. The feasibility of further studying antioxygenic action of melanin and chitin-melanin complexes is shown.

I.  Introduction

Nowadays numerous bioactive natural polymers, such as polysaccharides and condensed phenols, are widely used as preventives, medication, food and bioactive additives. Of particular value in this list of polymers are chitin and chitosan. One of the most efficient natural sources of chitin is the apicultural waste, although the end-product is a mixture of chitin and melanins. These polymers display different properties due to varieties in structure. It is therefore important to study the free radical state of melanin pigments in the chitin-melanin complexes. The SHF method represents the most efficient technique for this purpose.

II.  Experiment

Melanin pigments of different bioactivity, as well as chitinmelanin complexes were selected for the investigation. Their antioxygenic action was examined within the model system of lipid peroxidation. EPR measurements were carried out using the Varian E112 X-band spectrometer over the 20-250°C temperature range. Concentration of paramagnetic centres and gvalues were calculated using the basic standards. The samples annealing was carried out directly in the SHF-resonator. The elemental analysis provided the information about the differences between the polymers in melanin and chitin-melanin complexes depending on their production process.

III.  Results and Discussion

The presence of several EPR signals (unlike a single one typical for pure melanins examined earlier) was observed in the studied polymers. Measurements of EPR parameters depending on modulation frequencies of magnetic fields and the power of SHF signals allowed for the information about spin-spin and spin-lattice times of relaxation to be obtained for melanins of different origin.

IV.  Conclusion

The chitin-melanin complexes under review possess the lowest antioxygenic efficiency, while the melanins the highest one. Studies of the antioxygenic properties of melanins, chitinmelanin complexes and chitosan should continue in order to reveal the functional peculiarities of these polymers.

Аннотация Для волновода поперечного сечения axb получена аналитическая зависимость волнового сопротивления Zg волны Н10 от аргументов Ь/a и а/Л. Для заданного значения а/Х функцию Zg(b/a) можно аппроксимировать функцией A(b/a)ZcVi(b/a), где постоянная А принимает значения от 0,5 до 2 в рабочем диапазоне волновода (0,55<о//1<1), Zdo характеристическое сопротивление волны Нт. Измеренные значения волнового сопротивления отличаются от расчетных не более чем на «5%.

I.  Введение

Прямоугольные волноводы с волной Н10 конечной длины широко применяются в антеннах и устройствах СВЧ. Для анализа волноводов конечной длины теорию бесконечных волноводов дополняют методами теории длинных линий. Одним из основных понятий теории длинных линий является понятие эквивалентного сопротивления линии (волнового сопротивления). На этом понятии базируются современная теория и практические методы согласования линии с нагрузкой и генератором.

Для двухпроводной линии, эквивалентной прямоугольному волноводу сечением axb на длине волны а<Л<2а, в монографии [1] получена следующая формула волнового сопротивления

гдехарактеристическое сопротивление

волны

и объясняется появление коэффициентов А=ж/8 и А=2. Затем указано, что коэффициент А зависит от исходных значений напряжения и тока в эквивалентной двухпроводной линии, которые выбираются произвольно. Для фиксированной длины волны /I значение А безразлично, так как при анализе стыка двух волноводов с разным b/а необходимо только знать отношений волновых сопротивлений соединяемых волноводов.

По данным разных авторов коэффициент А равен (см. библиографию к статье Г21)

Разнообразие в определении волнового сопротивления свидетельствует как об актуальности задачи нахождения этого параметра, так и о неопределенности понятия волнового сопротивления прямоугольного волновода. Целью данной работы является расчет волнового сопротивления на основе полученного в работе [3] решения для коэф-фициента отражения волны Я10 от открытого конца прямоугольного волновода и сопоставление расчет-ных результатов с экспериментальными [2], [4].

II.  Основная часть

Коэффициент rrf зависит от входного сопротивления Zcl открытого конца прямоугольного волновода с компенсирующей диафрагмой как

Коэффициент i?io отражения по току волны Н10 от открытого конца прямоугольного волновода сечением axb определен из строгого решения для плоских волноводов в виде [3]

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты