Взаимодействие кобаламинов с галогенокислородными соединениями Шпагилев Никита Игоревич

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы. Ежегодно в мире публикуется более 900 статей, посвященных химии и биохимии витамина B₁₂, а также его использованию в питании и медицине, причем число работ с каждым годом растет. Регулярно проводятся специальные конференции, на которых собираются химики, биохимики, медики, нутрициологи, исследующие свойства и применение витамина B₁₂ (кобаламина). Последний такой симпозиум состоялся в 2017 г. в Дании. Специальный микросимпозиум по витамину B₁₂ проводится в рамках Международных конференций по порфиринам и фталоцианинам. Все возрастающий интерес к витамину B₁₂ (кобаламину, Cbl) связан с тем, что этот витамин обладает целым рядом уникальных свойств, выделяющих его среди других витаминов. Хотя синтезировать его способны только прокариоты, необходим он очень многим организмам. В связи с этим природа выработала сложные механизмы поступления и ассимиляции этого микронутриента. В организме человека кобаламинсодержащий фермент метионин синтаза играет важную роль в синтезе метионина в цитозоле. Другой фермент, имеющий в составе коба-ламин – метилмалонил-CoA мутаза - катализирует превращение метилмалонил-CoA в сукцинил-CoA в митохондриях. В указанных реакциях участвуют три формы кобала-мина (Cbl(III), Cbl(II), Cbl(I)), различающиеся степенью окисления центрального иона кобальта. Транспорт и утилизация кобаламина происходят как внутри, так и вне клетки, причем эти процессы проходят в разных «редокс условиях»: внутри клетки они «восстановительные», а в межклеточном пространстве – «окислительные». К биологическим окислителям относятся многие галогенокислородные соединения, важнейшим из которых является гипохлорит – одна из активных форм кислорода. Хотя реакции гипохлорита со многими биомолекулами хорошо изучены, его влияние на свойства кобаламинов, особенно на корриновый лиганд в витамине B₁₂, исследовано недостаточно. Малоизученными остаются и процессы взаимодействия кобаламинов с другими галогенокислородными окислителями.

В связи с вышеизложенным определена цель исследования.

Цель работы – определение кинетических параметров и механизмов процессов взаимодействия кобаламинов (III) и кобаламина (II) с гипохлоритом, хлоритом, диоксидом хлора и периодатом, а также состава продуктов, образующихся при модификации корринового лиганда кобаламинов указанными галогенокислородными соединениями.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать кинетику реакций аквакобаламина и кобаламина (II) с гипохло-ритом, хлоритом, диоксидом хлора и периодатом, а также реакции глутатионилкоба-ламина с гипохлоритом.

2. Исследовать кинетику реакции глутатионилкобаламина с гипохлоритом.

3. Выявить влияние добавок тиоцианата, иодида и бромида на кинетику и механизмы реакций кобаламинов с гипохлоритом.

4. Выявить влияние степени окисления кобальта в кобаламинах на состав продуктов их реакций с галогенокислородными соединениями.

Научная новизна. Впервые определены кинетические параметры реакций ак-вакобаламина с диоксидом хлора и периодатом в водных растворах. Показано, что гипохлорит модифицирует корриновое кольцо кобаламина; определен состав моди-

фицированных продуктов. Впервые изучена кинетика реакции глутатионилкобалами-на с гипохлоритом. Показано, что образование комплекса кобаламина с глутатионом способствует повышению стабильности корринового кольца в окислительных процессах. Установлено, что добавки тиоцианата и иодида стабилизируют корриновые комплексы кобальта, в присутствии же бромида скорость процессов модификации кобаламинов увеличивается.

Теоретическая и практическая ценность. Предложены или уточнены механизмы редокс реакций Cbl(III)/Cbl(II) с гипохлоритом, хлоритом, диоксидом хлора и периодатом. Установлено, что при окислении кобаламина (II) гипохлоритом и хлоритом образуются гидроксилированные модифицированные кобаламины («стабильные желтые корриноиды»), а при окислении аквакобаламина гипохлоритом и гипоброми-том – хлорированные и бромированные продукты, соответственно; реакция же аква-кобаламина с диоксидом хлора сопровождается образованием оксигенированных продуктов, строение которых отличается от строения «стабильных желтых корри-ноидов». Выявлена и объяснена роль тиоцианата как протектора кобаламинов при их окислении гипохлоритом и гипобромитом.

Работа выполнена в соответствии с «Основными направлениями научных исследований Ивановского государственного химико-технологического университета» по теме «Термодинамика, строение растворов и кинетика жидкофазных реакций», а также в соответствии с научной программой гранта Российского научного фонда, соглашение № 14-23-00204.

Методология и методы диссертационного исследования. Методологической основой исследования являются синтез, эксперимент, анализ и сравнение. Для достижения цели работы использовались современные методы исследования – спектрофо-тометрия, в том числе использующая метод остановленной струи (stopped-flow), матрично-активированная лазерная десорбционно-ионизационная-масс-спектрометрия (MALDI-MS), ионометрия, хроматография.

Для обоснования результатов исследований использованы обзорные и оригинальные статьи отечественных и зарубежных авторов в области координационной химии кобаламинов и их аналогов, а также химии галогенокислородных соединений.

Положения, выносимые на защиту:

5. Результаты исследования кинетики реакций аквакобаламина и кобаламина (II) с гипохлоритом, хлоритом, диоксидом хлора и периодатом.

6. Результаты исследования влияния глутатиона, бромида и иодида на процессы модификации кобаламинов.

7. Механизмы реакций аквакобаламина и кобаламина (II) с хлоритом, диоксидом хлора, периодатом, а также гипохлоритом в отсутствие и в присутствии глута-тиона, тиоцианата, бромида и иодида.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается использованием комплекса независимых методов исследования, подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных на современном высокоточном оборудовании и публикациями в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих конференциях: IV Всероссийской конференции по органической химии (Москва, 2015); XVIII конференции молодых ученых-химиков Нижегородской области (Нижний Новгород, 2015); XII Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-12) (Иваново,

2016); XIX Молоджной конференции-школе по органической химии (Репино, Санкт-Петербург, 2016); Всероссийской школе-конференции «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (студенческая научная конференция «Дни науки в ИГХТУ 2017») (Иваново, 2017); 27th International Chugaev Conference on Coordination Chemistry (Nizhny Novgorod, 2017); Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Фундаментальные науки – специалисту нового века» (студенческая научная конференция «Дни науки в ИГХТУ 2018») (Иваново, 2018).

Личный вклад автора. Заключается в изучении и анализе источников литературы, разработке и подборе оптимальных условий проведения эксперимента, проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов. Общее планирование работы, постановка цели и задач исследования и обсуждение результатов проводилось под руководством д.х.н., профессора Макарова С.В.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы полностью отражены в 9 научных работах: 2-х статьях в журналах из Перечня рецензируемых научных изданий и в тезисах 7 докладов, представленных на конференциях различного уровня.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и заключения, а также списка цитируемой литературы (293 ссылки). Общий объем работы составляет 129 страниц, включая 21 схему и 61 рисунок.