ПРО- И АНТИ-ОКСИДАНТНАЯ АКТИВНОСТЬ ИОНОВ ЦИНКА НА РАЗЛИЧНЫХ ОКСИДАНТНЫХ МОДЕЛЯХ

Введение. На сегодняшний день доказано, что окислительный стресс является причиной многих заболеваний, в том числе и наиболее распространенных - сердечно-сосудистых. Роль металлов в провоци­рующих окислительный стресс реакциях образования свободных радикалов изучена достаточно полно. Так, ионы железа и меди описаны как инициаторы и катализаторы радикальных реакций и медиаторов окислительных повреждений в организме по схеме реакции Фентона:

.

В реакциях такого типа описано участие другие переходные металлы, в частности Co, Ni, Cr. Как показано в работе [1] в водных системах радикал-генерирующая способность - прооксидантная активность - ионов металлов максимальна у ионов меди и уменьшается в ряду (Cu²⁺) > (Co²⁺) > (Ni²⁺) > (Fe²⁺). В данном процессе металлы являются донорами электронов, однако, обладая переменной валентностью, в зависимости от степени смещения окислительно-восстановительного равновесия и состояния среды могут выполнять роль как про-, так и ант-оксидантов.

В реальных биофизико – химических системах ионы металлов (например железо, медь, марганец) часто входят в качестве кофакторов в структуру белковых ферментов, с образованием координационных связей. В результате фермент, например, оксидоредуктаза обладает окислительно - восстановительной двойственностью. Действительно, установлено, что отдельные микроэлементы способны проявлять как про-, так и антиоксидантные свойства. Причем в ряде случаев эффект оказывается дозозависимым, и связан с каталитическими реакциями инициирования, развития и затухания процессов свободнорадикального окисления.

В модельном эксперименте [2] на примере кадмия и свинца выявлено изменение уровня перекисного окисления как от вида тяжелого металла, так и от концентрации ионов данного металла. При этом введение солей металлов в реальные среды, содержащие жиры и белки показало особый вклад последних в проявлении оксидантной активности металла. Таким образом на оксидантную активность металлов оказывает влияние состав среды, ряд компонентов которой может выполнять роль антиоксидантной защиты: низкомолекулярные антиоксиданты (глутатион, цистин, цистеин и др, а так же витамины и провитамины), ферменты (супероксиддисмутазу, каталазу, пероксидазу) и другие специфические катализаторы (пептиды) а также их кофакторы (химические элементы – селен, цинк и др.).

Цинк как антиоксидантный агент входит в активный центр фермента Cu, Zn – супероксиддисмутазы, регулирующего перекисное окисление липидов на стадии инициирования цепей окисления, ингибирует активность фосфолипазы А2, способствуя увеличению уровня другого антиоксиданта - токоферола - в тканях. Кроме того, антиокислительный эффект цинка проявляется через замещение прооксидантных металлов в составе металлоферментов.

При этом согласно литературным данным [5], ионы цинка в определенных концентрациях являются стрессорным фактором для растений. Прежде всего, это связано с денатурацией белков, что приводит к нарушению многих биохимических процессов. Происходит изменение уровня активности антиоксидантных ферментов, участвую­щих в обеспечении регуляторных и защитных функций организма.

Оценке антиоксидантных свойств систем уделяется большое внимание. На данный момент разработаны методики, позволяющие оценить, например, через реакцию Фентона антиоксидантную активность непосредственно металла или его металлокомплесов. Таким образом исследование механизмов его участия в про- и анти-оксидантных процессах является актуальной проблемой.

Целью данной работы является исследование в модельном эксперименте оксидантной активности ионов цинка в зависимости от его содержания в исследуемой системе.

Материалы и методы. В работе использовали растворы цинка сульфата (цинк сернокислый семиводный ХЧ, ООО «Реахим», Санкт‑Петербург, РФ, ГОСТ 4174-77) различной молярной концентра­ции. Готовили исходные растворы по точной навеске и затем серии разведений в диапазоне концентраций 1-10^-9 моль/л. Для приготовления растворов использовалась дистиллированная вода ГОСТ 6709-72. При исследовании автоокисления адреналина использован препарат Адреналин (ампулы 0,1% 1мл № 5 Россия Московский эндокринный завод), представляющий собой раствор для внутримышечного введения.

Исследование проводилось на спектрофотометре СФ-2000: Спектральный диапазон измерения 190-390 нм, диапазон измерения до 3 ед. оптической плотности (ОП). При измерении оптической плотности точность прибора +0,0005 ед. ОП, воспроизводимость 0,0005ед. О.П.

Об антиоксидантной активности цинка сульфата в соответствии с методикой [4] судили по способности растворов различной концентрации ингибировать автоокисление адреналина in vitro. Для этого к натрий-карбонатному буферу с рН 10,65 добавляли раствор адреналина гидрохлорида с массовой долей 0,1%, тщательно и быстро перемешивали, помещали в спектрофотометр СФ-2000 и при длине волны 347 нм (D1) определяли оптическую плотность сразу, и через интервалы в 10 минут в течение 30 минут. При подготовке пробы к буферу добавляли определенную концентрацию раствора сульфата цинка и 0,1% адреналина гидрохлорида, перемешивали и измеряли оптическую плотность, как описано выше (D2). Для учета влияния на оптическую плотность исследуемой соли в качестве контрольной пробы использовали буферированный раствор сульфата цинка. Антиоксидантную активность (АА) исследуемых растворов в процентах ингибирования аутоокисления адреналина вычисляли по формуле [4]:

АА=  , %                                            (1)

Величина АА более 10% свидетельствует о наличии антиокси­дантной активности.

Параллельно исследования проводились на приборе БХЛ-06М. Принцип работы прибора биохемилюминометр БХЛ-06М (НИЦ "Биоавтоматика", г. Нижний Новгород. Руководство по эксплуатации, 1991) основан на регистрации слабых световых потоков, возникающих в биологических средах. Для проведения контрольного опыта в соответствии с «Руководством по эксплуатации» в кювету вносили фосфатный буфер, рабочий раствор желтков, рабочий раствор люминола, раствор сульфата железа, раствор перекиси водорода. Измерение контрольной пробы проводили по 10 раз, измеряя свечения в течение 30 секунд.

При испытании растворов соли цинка в кювету вносили фосфатный буфер и рабочий раствор желтков, затем исследуемые разведения цинка сульфата и остальные растворы в соответствии со стандартной методикой. Измерения и расчеты проводили аналогично контрольной пробе.

Суммарную антиоксидантную активность пробы определяют следующим образом: сначала определяют среднюю величину пробы (А2) в %, приняв величину контрольного опыта (А1) равной 100%. Затем вычисляют суммарную антиоксидантную активность пробы по формуле:

АА(%)=100%- А2(%)                                          (2)

Получение значений менее 100 % говорит о проявлении анти­оксидантной активности.

Результаты и обсуждение. Спектры поглощения адреналина гидрохлорида в натрий-карбонатном буфере с рН 10,65 получены в координатах А(λ). Они имеют характерный интенсивный подъем в области 190-210, вторую полосу в области 280-290 нм и слабо выра­женную полосу 340-360 нм (рис. 1). При аутоокислении поглощение в области до 320 нм остается неизменным, однако более высокие длины волн со временем поглощаются более интенсивно. Эта закономерность и положена в основу методики спектрофотометрического определения оксидантной активности: измерение проводят при длине волны 347 нм.

Рисунок 1. Спектры поглощения адреналина гидрохлорида в натрий-карбонатном буфере с рН 10,65 в нативном (нижняя кривая) и окисленном (верхняя кривая) состоянии

Добавление антиоксиданта тормозит прирост оптической плотности в диапазоне 340-360 нм, процесс имеет временную и концентра­ционную зависимости. При применении соли цинка в концентрациях 10^-3-10^-4 моль/л антиоксидантные свойства развиваются в течение первых 10 минут, а затем активность снижается. Однако при более высоких концентрациях растворов цинка сульфата интенсивность поглощения в изучаемом диапазоне длин волн не тормозится, а наоборот прирастает во времени. Расчет по формуле (1) для растворов цинка сульфата с концентрацией 10^-1-10^-2 моль/л дает отрицательные значения (рис. 2), что говорит о прооксидантных свойствах растворов. Свойства нарастают в течение 20 минут, затем активность снижается.

Рисунок 2. Зависимость антиоксидантной активности от концентрации цинка сульфата полученная методом спектрофотомерии

Биохемилюминометр не позволяет изучить временную зависимость свечения при ведении проб цинка сульфата. Однако общее время измерения до стабилизации результата не превышает 10 минут. Как и в предыдущем эксперименте, антиоксидантная активность имеет четкую концентрационную зависимость (рис. 3). При этом расчетные значения АА (формула 2) для растворов соли цинка в концентрациях 10^-3-10^-4 моль/л ниже 100%, что подтверждает антиоксидантную активность этих разве­дений. Значения активности растворов 10^-1-10^-2 моль/л достигают 200%, что говорит о выраженном про-оксидантном эффекте.

Рисунок 3. Зависимость антиоксидантной активности (AA) от концентрации цинка сульфата полученная биохемилюминесцентным методом

Результаты эксперимента показывают, что растворы цинка сульфата, в зависимости от концентрации способны проявлять как про-, так и антиоксидантные свойства. В эксперименте с адреналином происходит окисление кислородом воздуха и образование хиноидной формы способствует диссоциация соли адреналина в щелочной среде. Присутствие иона цинка в щелочной среде должно стабилизировать фенолят независимо от концентрации соли, проявляя про-оксидантную активность. Однако растворы сульфата цинка с концентрацией 10^-3 - 10^-4 М придают системе антиоксидантные свойства, которые нивели­руются при более высоких разведениях.

Стабилизировать ОН-форму фенола может кислая среда или иная частица с положительным зарядом. Растворы сульфата цинка (10^-1 - 10^-5 М) имеют рН около 5, однако буферная емкость используемой в экспе­рименте системы нивелирует эту кислотность, тем более при малых количествах соли. Гидролиз цинка и формирование цинката в щелочной среде также более реалистично при высоких концентрациях цинка. Результаты исследования позволяют предположить изменчивость ионного окружения в водной среде в зависимости от концентрации исходной соли. Ранее мы обсуждали этот вопрос в работе [3].

Желточная модель исследования оксидантной активности основана на реакции Фентона. Гидроксил-радикал инициирует перекисное окисление липидов, которое регулируется естественными про- и анти-оксидантами желтка. Цинк является комплексообразователем и кофактором большого количества разнообразных по выполняемым биологическим функциям белков. Поэтому появление анти-оксидантных свойств у растворов сульфата цинка 10^-3-10^-4 М можно связать с активацией биогенных антиоксидантов. Высокие концентрации соли вызывают блокировку и, вероятно, деструкцию этих компонентов желтка. Ожидаемо наблюдается про-оксидантный эффект.

По результатам двух методов исследования основанных на различных механизмах окисления субстрата нами обнаружена концентра­ционная и временная зависимости оксидантной активности соли цинка. Растворы с концентрациями 10^-1-10^-2 М обладают выраженным проокси­дантным эффектом. Его величина находится на уровне от –10 до –40% от контроля при определении методом спектрофотометрии и достигает +100 % при определении методом биохемилюминесценции. Антиоксидантная активность наблюдается при концентрациях соли 10 ³-10^-4 моль/л. Ее величина по результатам обоих методов около 25 %. Концентрации соли 10^-5 моль/л и ниже не обладают оксидантной активностью: оба метода показали устойчиво нулевые результаты. Максимальный анти-оксидантный эффект выявлен для раствора 10^-4 М на 10-й минуте эксперимента.

Таким образом, по результатам двух независимых методов иссле­дования основанных на различных механизмах окисления субстрата нами обнаружена дозозависимая замена про- на анти-оксидантную активность у растворов цинка сульфата, что позволяет предвидеть оксидантную активность в различных цинксодержащих системах. Тем более, что выявленные про- и анти-оксидантные уровни концентраций цинка являются оптимальными для ряда биологических систем. К тому же, если дозозависимый эффект активности белковых и других органических структур объясним современными теориями хелатообразо­вания, то различное оскидантное поведение неорганических частиц в зависимости от концентрации требует дополнительного исследования.

Список литературы:

1. Баталова В.Н., Слижов Ю.Г., Чумаков А.А. Параметры количественной оценки радикал-генерирующей (прооксидантной) способности ионов металлов и антирадикальной активности антиоксидантов при использовании вольтамперометрического метода // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. - 2016. - Т. 9.- № 1. - С. 60-67.
2. Будкевич Р.О., Демченков Е.Л., Будкевич Е.В. Закономерности влияния тяжелых металлов на перекисное окисление в липидной модельной системе // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 11-7. – С. 1352-1356.
3. Ларин С.Л., Ямпольский Л.М., Будко Е.В. Потенциометрические критерии перемещения ионов Zn2+ в растворах солей ZnSO4 И Zn(NO₃)₂ // Инновации в науке. - 2014. - № 35. - С. 19-26.
4. Патент № 2144674 (Россия). Способ определения антиоксидантной активности супероксидисмутазы и химических соединений / Т.В. Сирота / 20.01.2000.
5. Солдатова Н.А., Хрянин В.Н. Антиоксидантная система защиты растений cannabis sativa l. При действии соли цинка // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского. -2011.-№ 25. - С. 632-634.