CC BY
42
Химия
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 6 (1), с. 101-105)
101
УДК 577.1:544.4:543.4
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ В ПРИСУТСТВИИ КОМПЛЕКСОВ МЕДИ
© 2009 г. В.В. Крайник 1 В.Н. Ушкалова 2, В.Г. Катанаева 2
1 Сургутский госуниверситет ХМАО-Югры 2 Тюменский госуниверситет
Поступила в редакцию 27.05.2009
Приведены результаты спектроскопического исследования процессов окисления молекулярным кислородом водно-липидного субстрата в присутствии комплексов меди с а-аланином. Установлен конкурентный характер образования и распада гидропероксидов. Предполагается участие комплексов в реакциях зарождения цепей и распада гидропероксидов.
Ключевые слова: спектроскопия, перекисное окисление, комплексы меди с а-аланином.
Введение
В последние годы, в связи с тем, что доказан свободно-радикальный механизм развития многих патологий, большое внимание уделяется процессам перекисного окисления липидов (ПОЛ) биомембран [1-3].
Наиболее изучено каталитическое влияние соединений железа на процессы ПОЛ [4-5], между тем во многих окислительных системах клетки обнаружены катионы меди. Кинетическим методом нами была исследована каталитическая активность солей ряда ^-элементов на окисление пробы, состоящей из этилолеата и воды (1:3 по объему) в присутствии в качестве эмульгатора цетилтриметиламмония бромида (ЦТМАБ). Каталитическая активность исследованных солей падает в ряду: Си2+ > Бе2+ > Бе3+ > > Со2+ > №2+ [6-7].
Медь в организме, как правило, присутствует в виде координационных соединений (КС) с белками, аминокислотами и другими биомолекулами [8]. Несмотря на важное значение указанных соединений, ряд аспектов их биологического действия, в том числе и влияние на ПОЛ, остается до конца невыясненным.
Цель настоящей работы - спектроскопическое исследование влияния комплексов меди с а-аминокислотами (АК) на процессы перекисного окисления липидного субстрата. Ранее [7] в специальном эксперименте нами было установлено каталитическое влияние на процессы окисления липидного субстрата КС меди(11) с а-аланином в соотношении 1:2. Данная работа является продолжением серии работ, посвященных изучению ПОЛ в водно-эмульсионной среде.
Экспериментальная часть
Методика получения и очистки реагентов описана ранее [7].
Комплексообразование в системе медь(11) -а-аланин изучали спектрофотометрическими методами Бьерума и сдвига равновесия [9-10], предварительно подобрав оптимальное значение ^Н. С этой целью снимали спектры поглощения смеси растворов хлорида меди(11) и а-аланина в соотношении 1:2 при рН 4-12 и строили зависимость Атах=ДрН). По графику определяли интервал оптимальных значений рН, который соответствует практически постоянным значениям оптической плотности растворов [11].
Окисление молекулярным кислородом пробы, состоящей из этилолеата, ЦТМАБ, КС меди(11) с а-аланином и воды осуществляли в термостатированной ячейке при 25, 37, 60°С (±0.2 °С) и оптимальном перемешивании [12]. Конечная концентрация в растворе: этилолеат - 0.7, эмульгатор - (1-3)-10-3, медь - (2-3)-10-2, а-аланин -(4-5)'10-2 моль/л.
Во времени отбирали по 100 мкл пробы, экстрагировали 10-кратным избытком гексана и расслаивали добавлением 1.5 мл воды. Органический слой отделяли, разбавляли в 200 раз до концентрации этилолеата в пробе 1.2-10"4 моль/л, сушили безводным сульфатом натрия и записывали спектры в области поглощения этилолеата и продуктов окисления в диапазоне 200-300 нм. Водную фазу переносили в кювету и записывали спектры в области поглощения соединений меди в диапазоне 400-900 нм.
Для изучения действия катализатора в органической фазе исходную пробу объемом 4 мл центрифугировали в течение 10 минут при
3000 об/мин, отбирали 0.35 мл органической фазы, добавляли 1 мл гексана, сушили и записывали спектры в области 400-900 нм.
Спектры поглощения записывали на спектрофотометре СФ-2000, ^Н измеряли иономером И-130.2М, откалиброванным как описано в работе [7].
Растворы готовили по точной навеске на бидистилляте.
Результаты и их обсуждение
В спектрах поглощения растворов хлорида меди(11) в присутствии а-аланина при ^Н 4.5 присутствует полоса поглощения с максимумом при 730 нм. С увеличением ^Н от 4.5 до 7.5 происходит увеличение интенсивности, а максимум полосы закономерно смещается гипсо-хромно, что, очевидно, связано с процессами ступенчатого комплексообразования в исследуемой системе. При рН от 7.5 до 10 наблюдается постоянная интенсивность и положение максимума при 620 нм, что соответствует оптимальным условиям комплексообразования. Дальнейшие исследования проводились при ^Н 9. Исходя из литературных и экспериментальных данных, при этом значении рН преобладают комплексы состава 1:2 с 1§Р 10.5 [10, 13].
В УФ-спектрах пробы, окисленной при 37±0.2°С, наблюдается полоса с максимумом в области 202-204 нм, в области 220-230 нм она выходит на плато и затем снижается в области 250 нм (рис. 1). В течение первого часа окисле-
ния оптическая плотность при 202-204 и 220230 нм меняется экстремально, достигая максимального значения через 15 мин после начала эксперимента. В течение следующего часа окисления оптическая плотность постепенно снижается.
Для более полной оценки процесса окисления аналогичный эксперимент был проведен при 24 и 60±0.2°С. Экстремальный характер изменения оптической плотности наблюдается и при данных температурах окисления. Максимальное значение оптической плотности появляется через 60 и 5 мин после начала эксперимента при 24 и 60±0.2°С соответственно.
В спектрах водной фазы отмечается полоса с максимумом в области 620 нм, соответствующая поглощению КС меди(11) с а-аланином (рис. 2). Через 5 мин после начала эксперимента оптическая плотность снижается в 2 раза, в течение последующих 2 часов окисления оптическая плотность меняется незначительно.
В спектрах органической фазы в видимой области (рис. 3) присутствует полоса с максимумом в области 670 нм, вероятно относящаяся к аналогичным комплексам меди(1). Данное предположение подтверждается литературными источниками. Из [14-15] известно, что КС ме-ди(1) в зависимости от лигандов в органических растворителях поглощают в области 400670 нм.
Интенсивность данной полосы в течение 30 мин окисления увеличивается, а затем сохраняется на определенном уровне в течение всего эксперимента (рис. 3).
Рис. 1. Изменения в УФ-спектрах поглощения растворов этилолеата: 1 - 0, 2 - 5, 3 - 10, 4 - 15, 5 - 20, 6 - 30, 7 - 60, 8 - 90, 9 - 120 мин окисления при 37°С, А - оптическая плотность
Как известно, изолированные -С=С- связи характеризуются интенсивным поглощением (в ~ 10000) вблизи 190 нм. Введение ауксохромов, в том числе гидропероксидных групп, батохромно смещает эту полосу на 10-40 нм. Таким образом, в результате исследования спектров органической фазы в процессе окисления установлено, что полоса 202-204 нм принадлежит а-ненасыщенным гидропероксидам. В условиях эксперимента гидропероксиды быстро разлагаются, и наблюдается экстремальное изменение оптической плотности (рис. 1). Подтверждени-
ем этого факта является увеличение оптической плотности в области 202-204 нм с увеличением температуры до 60±0.2°С. С течением времени процессы распада преобладают над процессами образования гидропероксидов, о чем свидетельствует незначительное снижение оптической плотности по сравнению с начальными этапами окисления.
Также известно, что карбонильные группы имеют слабую полосу при 260-290 нм (в ~ 50). Карбонильные группы, сопряженные с алкено-вой группой, имеют интенсивное поглощение
Рис. 2. Изменения в спектрах поглощения водной фазы: 1 - 0, 2 - 5, 3 -10, 4 - 20, 5 - 30, 6 - 60, 7 - 90, 8 - 120 мин окисления при 37°С
А
Рис. 3. Изменения в спектрах поглощения органической фазы: 1 - 0, 2 - 10, 3 - 30, 4 - 60, 5 - 90, 6 - 120 мин окисления при 60°С
при 215-230 нм. Например, кротоновый альдегид поглощает при 217 нм с є ~ 15650, а метилвинил-кетон - при 219 с є = 3600. Вторая полоса n ^ п * переходов для этих соединений, расположенная в области 320-325 нм, очень слабая, с є ~ 20 [15]. Таким образом, по результатам спектроскопического исследования можно предположить, что гидропероксиды разлагаются с образованием ненасыщенных карбонильных соединений, поглощающих в области 217-230 нм (рис. 1).
Результаты исследования пробы в видимой области позволяют сделать вывод о том, что в процессе окисления катализатор (КС меди(ІІ) с а-аланином) не разрушается. В пользу этого предположения свидетельствует постоянное положение максимума полосы комплекса в процессе окисления и отсутствие в спектрах полосы с максимумом при 800 нм, характерной для несвязанной меди(ІІ). Катализатор расходуется до определенной концентрации, о чем свидетельствует снижение оптической плотности в водной фазе (рис. 2, кривые 1-2), затем устанавливается равновесная концентрация катализатора (рис. 2, кривые 2-8). Каталитическим действием обладает, вероятно, безводный комплекс меди(І), образующийся в органической фазе, концентрация которого также достигает равновесного значения в процессе окисления (рис. 3, кривые 3-6).
Из литературы известен механизм окисления молекулярным кислородом эфиров олеиновой и линолевой кислот [16-17]. Окисление протекает по радикально-цепному механизму с образованием первичных радикалов и первичных гидропероксидов. Олеаты образуют четыре изомерных радикала и четыре соответствующих гидропероксида по схеме:
Спектроскопически эти изомеры не различимы.
Исходя из литературных [2-4, 17] и полученных экспериментальных данных, предполагается следующая схема механизма влияния комплексов на процесс окисления.
Увеличение концентрации гидропероксидов возможно объяснить участием КС меди в реакциях зарождения (1) и (2):
RH + Cu
2+
RH + Cu1+L 4
1+
Т Ь 4 + И+ , (1)
м + О2 ^ Си2+Ь4 + ОН- + ЯО*. (2) Далее следуют реакции продолжения цепей (3)-(4):
я * + о 2 ^ яо2 , (3)
Я02 + ЯИ ^ ЯООИ + Я *. (4)
Уменьшение концентрации гидропероксидов, более интенсивное с увеличением температуры, объясняется, возможно, участием катализатора в стадии распада гидропероксидов, не обеспечивающей разветвления цепей (5)-(6):
(5)
ROOH + Cu2+L4 ^ RO2 + Cu
1+
L 4 + H +,
ЯООН + Си1+Ь4 ^ ЯО* + СиЬ4 + ОН-. (6) В соответствии с предполагаемой схемой все приведенные реакции идут конкурентно, что позволяет установление равновесия комплексов Си1+ и Си2+.
Выводы
Установлено участие КС меди с а-аланином в процессе окисления водно-липидного субстрата. Обнаружено установление равновесных
+О2
СН3 - (СН2)7 - СН = СН - (СН2)7 - СООЯ-----------►
CH3 - (CH2)7 - CH = CH - CH - (CH2)6 - COOR + CH3 - (CH2)6 - CH - CH = CH - (CH2)7 - COOR + CH3 - (CH2)6 - CH = CH - CH - (CH2)7 - COOR
CH3 - (CH2)7 - CH - CH = CH - (CH2)6 - COOR
+
+O2
+RH
CH3 - (CH2)7 - CH = CH - C H - (CH2)6 - COOR +
ООН
CH3 - (CH2)6 - CH - CH = CH - (CH2)7 - COOR + OOH
CH3 - (CH2)6 - CH = CH - CH - (CH2)7 - COOR +
ООН
CH3 - (CH2)7 - CH - CH = CH - (CH2)6 - COOR + OOH
концентраций комплексов Cu2+ и Cu1+. Установлен конкурентный характер образования и распада гидропероксидов. Предполагается участие комплексов меди в реакциях зарождения цепей и распада гидропероксидов.
Список литературы
1. Касаткина О.Т., Карташева З.С., Писаренко Л.М. Влияние поверхностно-активных веществ на жидкофазное окисление углеводородов и липидов // Журн. общей химии. 2008. Т. 78. № 8. С. 1298-1309.
2. Huang D., Ou B., Prior R.L. The chemistry behind antioxidant capacity assays // J. Agric. Food chem. 2005. V. 53. P. 1841-1856.
3. Roginsky V.A., Lassi E.A. Review of methods to determine chain-breaking activity in food // Food ^em. 2005. V. 92 (2). P. 235-254.
4. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972. 249 с.
5. Roginsky V.A., Barsukova T.K., Stegmann H.B. Iron bound to ferritin catalyzes ascorbate oxidation: effects of chelating agents // Biochimica et Biophysica Acta. 1997. V. 1335. P. 33-39.
6. Журавлева Л.А., Ушкалова В.Н., Крайник В.В. Разработка метода тестирования средств анти-оксидантотерапии // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. Тамбов: ТГТУ, 2006. № 2(4). С. 144-154.
7. Крайник В.В., Журавлева Л.А., Ушкалова В.Н. Моделирование процессов окисления липидов биомембран // Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 5. С. 31-38.
8. Удрис Г.А., Нейланд Я.А. Биологическая роль меди. Рига: Зинатне, 1990. 189 с.
9. Шлефер Г.Л. Комплексообразование в растворах. Л.: Химия, 1964. 381 с.
10. Инцеди Я. Применение комплексов в аналитической химии. М.: Мир, 1979. 376 с.
11. Булатов М. И., Калинкин И. П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. 5-е изд., перераб. Л.: Химия, 1986. 432 с.
12. Ушкалова В.Н., Иоанидис Н.В., Кадочникова Г. Д. и др. Контроль перекисного окисления липидов. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1993. 181 с.
13. Яцимирский К.Б., Крисс Е.Е., Гвяздов-ская В.Л. Константы устойчивости комплексов металлов с биолигандами. Справочник. Киев: Наукова Думка, 1979. 228 с.
14. Марченко З.Н. Фотометрическое определение элементов: Пер. с польск. М.: Мир, 1971. 501 с.
15. Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Л.: Химия, 1967. Т. 4. 920 с.
16. Fatemi S.H., Hammond E.G. Analysis of oleate, linoleate and linolenate hydroperoxides on oxidized ester mixtures // Lipids. 1980. V. 15. № 5. P. 379-385.
17. Эмануэль Н.М. Химическая и биологическая кинетика // Успехи химии. 1981. Т. 50. № 10. С. 17211809.
SPECTROSCOPIC STUDY OF OXIDATION PROCESSES IN THE PRESENCE OF COPPER COMPLEXES
V.V. Krainik, V.N. Ushkalova, V.G Katanaeva
The spectroscopic study results have been given of molecular oxidation of a water-lipid substrate in the presence of copper complexes with a-alanine. The competitive character of hydroperoxide formation and decay has been determined. The complexes are assumed to participate in reactions of hydroperoxide chain formation and decay.
Keywords: spectroscopy, peroxidation, copper complexes with a-alanine.
