Коллаген — фотодеградация

Коллаген - фотодеградация

Фотодеградация — разложение, инициированное ультрафиолетовым излучением (серия различных реакций, протекающих в полимере в цепочке или одновременно, наиболее важной из которых является нарушение основного цепь).

Фотостарение

Фотостарение — сложные реакции разложения, инициированные солнечным излучением, происходящие в живых организмах и при использовании биополимерных и полимерных продуктов в присутствии кислорода, воды и других факторов окружающей среды.

Взаимодействие УФ-излучения с макромолекулами

Коллаген - фотодеградация

Исследования влияния УФ-излучения на высокомолекулярные соединения синтетического происхождения (полимеры) и природного происхождения (биополимеры) связаны со следующими вопросами:

  • взаимодействие УФ-излучения солнечного спектра с растительным и животным миром, производящим биополимеры;
  • использование полимеров и биополимеров для производства многих материалов, подверженных УФ-излучению;
  • использование УФ-излучения для быстрой полимеризации мономеров на поверхности биополимера;
  • модификация поверхности полимеров и биополимеров;
  • необходимость стабилизации полимеров и биополимеров с целью продления их срока службы;
  • использование УФ-излучения для стерилизации материалов, изготовленных на основе полимеров и биополимеров.

Немного истории

Биополимеры всегда подвергались воздействию ультрафиолетового излучения солнечного спектра. Первые данные о воздействии УФ-излучения на живые организмы относятся к 1887 году. Именно тогда было впервые замечено, что УФ-излучение убивает бактерии. С тех пор интерес к УФ-излучению как к вредному фактору значительно возрос. Со временем возникли отдельные области науки, посвященные взаимодействию УФ-излучения с живой и неживой материей: фотобиология и фотохимия. Ультрафиолетовое излучение, излучаемое солнцем, было разделено на три категории: UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), UVA (320-400 нм). Озоновый слой, содержащийся в стратосфере Земли, защищает от ультрафиолетового излучения. Излучение UVA и UVB проникает через поверхность земли и взаимодействует с живыми организмами. Фотохимические изменения, вызванные в живых организмах излучением ol <300 нм, имеют негативные и даже патогенные последствия. В последние годы из-за появления локальных озоновых дыр доза УФ-излучения, достигающего земли, значительно увеличилась.

Хотя многие реакции, происходящие при облучении полимеров и биополимеров, хорошо известны, некоторые из них являются гипотетическими, а некоторые полностью не исследованы. Не всегда возможно идентифицировать промежуточные продукты этих, зачастую чрезвычайно быстрых, процессов. Исследования конечных продуктов позволяют предположить, что реакция протекает по нескольким возможным путям, часто одновременно. В случае биополимеров фотохимические реакции in vitro и in vivo могут значительно различаться.

Коллаген

Коллаген — основной биополимер живых организмов. Он обнаружен в коже, сухожилиях, костях, роговице глаза, мембранах и капиллярах. Благодаря своим биологическим свойствам, нетоксичности, биосовместимости со всеми живыми организмами и широкому распространению коллаген используется в качестве биоматериала в медицине, фармацевтической и косметической промышленности.

Последние исследования показывают, что семейство коллагена включает до 20 типов этого белка. Характерной особенностью коллагена является то, что молекула этого белка представляет собой тройную спираль, в которой основным триплетом аминокислот, поддерживающих эту структуру, являются глицин, пролин и гидроксипролин.

Полипептидная цепь

Полипептидная цепь, состоящая из аминокислот, содержит ряд связей, вокруг которых может происходить внутреннее вращение. Конформация полипептидных цепей определяет вторичную структуру коллагена. Длинная полипептидная цепь образует спираль. Третичная структура образована объединением трех полипептидных цепей в тройную спираль. Образование третичной структуры возможно благодаря наличию сшивающих связей. Эти связи играют решающую роль в формировании конкретной структуры молекулы коллагена. Структуры более высокого порядка образуются за счет сшивки. Четвертичная структура образуется путем объединения тройных спиралей в фибриллы, а структура пятого порядка образуется путем объединения фибрилл в волокна. По мере старения организма количество перекрестных связей (в основном ковалентных) увеличивается, что приводит к тому, что структура коллагена становится более жесткой, а коллаген из растворимой формы становится нерастворимой.

Факторы, приводящие к разрушению коллагена

Различные типы факторов, такие как повышение температуры, изменение значения pH или большая доза облучения, могут привести к разрушению естественной структуры коллагена, например, к его денатурации. Он заключается в изменении вторичной и третичной структуры их молекул или изменении их надмолекулярной структуры без разрыва пептидных связей, то есть поддержание первичной структуры белка. В случае коллагена денатурация означает переход спиральной структуры в беспорядочный клубок. Температура денатурации зависит от содержания воды в коллагене и степени его сшивки.

Коллаген в основном поддерживает организм, это фактор, контролирующий распределение внутренних и внешних сил, действующих на тело. Известно, что коллагеновые материалы связывают в своей структуре огромное количество воды.

Взаимодействие УФ-излучения с коллагеном

Коллаген - фотодеградация

Взаимодействие УФ-излучения с коллагеном происходит in vivo в живых организмах, а также с коллагеновыми материалами, используемыми в различных отраслях промышленности и медицине. Фотохимическая стабильность особенно важна при стерилизации коллагеновых материалов УФ-излучением.

Предыдущие исследования показали, что растворы коллагена теряют способность производить фибриллы под воздействием УФ-излучения, и в результате фотохимических процессов происходит как поперечное сшивание, так и деградация. Основными хромофорами, поглощающими УФ-излучение, в коллагене являются ароматические аминокислоты тирозин и фенилаланин. Тип фотохимических реакций и их эффективность зависит от наличия в этом белке других веществ.

В полимерах УФ-излучение вызывает разрыв основной цепи и образование макрорадикалов. В атмосфере воздуха эти макрорадикалы могут реагировать с кислородом с образованием оксидных и пероксидных макрорадикалов, что приводит к вторичным реакциям. Результатом этих реакций является смесь продуктов фотодеградации и окисления.

Использование хроматографических методов в последние годы позволило изучить изменения, происходящие под действием УФ не только во вторичной и третичной структуре, но и в первичной структуре коллагена. Анализ аминокислотного состава коллагена показывает, что содержание ароматических аминокислот снижается под действием УФ-излучения. Они производят новые соединения, такие как дитирозин или 3,4-дигидроксифенилаланин, называемые ДОФА. Однако не на всех длинах волн УФ-излучение расщепляет ароматические аминокислоты. Было показано, что коллаген в коже теленка UVC (254 нм) разрушает ароматические аминокислоты, тогда как UVA (366 нм) и солнечное излучение не вызывают эту трансформацию.

УФС-излучение (220-290 нм) разрушает молекулу коллагена и производит продукты с более низкой молекулярной массой. Их идентификация — предмет постоянных исследований.

Фотохимические превращения в коллагене являются постоянным объектом исследований и не являются закрытой главой в исследованиях этого биополимера. В литературных источниках описываются различные типы коллагена, выделенные из различных тканей и различных организмов, поэтому результаты не всегда воспроизводимы. Различные типы коллагена различаются по своим специфическим свойствам, поэтому они могут по-разному вести себя под влиянием тепловой энергии, химических факторов или света.

Томатный Дайджест
Добавить комментарий