Глава 5. Микроэлементы на «маршрутах активного долголетия»

5.1. Введение

В составе живых организмов обнаружено свыше 60 химических элементов, роль в жизнедеятельности и содержание которых неодинаковы. Шесть из них — С, N, H, O, P, S — образуют основу живой материи. Еще десять элементов крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимерных соединений — это так называемые металлы жизни (биометаллы): Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Cr, многие функции которых пока еще окончательно не установлены. Эти микроэлементы представляют собой уникальную группу неорганических соединений, участвующих в поддержании внутриклеточного гомеостаза, которые могут значительно влиять на протекание биологических процессов клеточного деления, апоптоза, иммуногенеза, регуляции окислительно-восстановительных превращений.

В последние 10–15 лет интерес к изучению роли микроэлементов в биологии и медицине неуклонно возрастает (рис. 5.1), а последняя пятилетка характеризуется бурным ростом научных исследований в области эстетической медицины в разделе инъекционной косметологии (Хабаров и др., 2021). Связано это с тем фактом, что микроэлементы, особенно поливалентные металлы, образуют устойчивые координационные соединения с белками и полисахаридами, например с гиалуроновой кислотой (Хабаров, Иванов, 2020). Подобные белковые и полисахаридные комплексы с ионами металлов участвуют в жизненно важных процессах и поэтому вызывают повышенный интерес. Потенциальными донорными центрами в полисахаридных макромолекулах являются кислородсодержащие карбонильные и гидроксильные группы. Но поскольку углеводы, например гиалуроновая кислота, в основном находятся преимущественно в циклической форме, то определяющая роль в координационном взаимодействии отводится гидроксильным и аминогруппам. Известно (Хабаров, Иванов, 2020), что ионы поливалентных металлов могут образовывать физически сшитые структуры гиалуронансодержащих гелей за счет ионных взаимодействий между кислотными (карбоксильными) группами полисахарида и солями поливалентных металлов (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Количество научных статей (по оси ординат) о роли магния, кальция, железа в организме (Workinger et al., 2018)

Рис. 5.2. Пример ионного взаимодействия гиалуроновой кислоты с трехвалентным железом

С другой стороны, гиалуроновая кислота может образовывать хелатные комплексы с двухвалентными катионами, в которых в среднем два дисахаридных звена цепи связывают один ион Me²⁺. Многие важные вопросы, касающиеся связывания ионов поливалентных металлов в живых клетках, во многом до сих пор остаются не до конца понятными. Например, какая доля ионов данного металла, присутствующего и в клетке, и в межклеточном матриксе, находится в свободном виде, а какая связана с органическими биомолекулами. Одним из основных факторов, определяющих сродство органических биомолекул к ионам металлов, является способность последних образовывать координационные соединения — так называемые хелатные комплексы. Для появления хелатного комплекса ион переходного металла предоставляет свои d-орбитали для образования координационных связей за счет акцептирования электронов атомов азота, кислорода или серы, входящих в состав биоорганических лигандов (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Структура связывания двухвалентного катиона Ме²⁺ с двумя дисахаридными звеньями гиалуроновой кислоты. Ион металла взаимодействует с шестью атомами кислорода, которые относятся к двум N-ацетильным группам и двум карбоксильным группам противоположных участков полисахаридной цепи гиалуронана

Константы образования хелатных комплексов зависят от заряда, радиуса, степени гидратации иона металла и формы электронных орбиталей, участвующих в образовании координационных связей. Многозарядные ионы образуют более прочные комплексы, чем однозарядные, обладающие меньшей плотностью заряда. Надо признать тот факт, что многозарядный атом кремния может образовывать соединения хелатного типа с кислород- и азотсодержащими органическими соединениями, в которых атом кремния координирован с пятью или шестью окружающими его полярными атомами. Вся структура целиком может быть заряжена как отрицательно, так и положительно или даже может быть нейтральной в зависимости от того, какая органическая молекула вовлекается в образование координационной хелатной связи. Подобные шестикоординированные соединения кремния (рис. 5.4) встречаются относительно редко из-за пространственных ограничений в расположении и ориентации координированных атомов.

Рис. 5.4. Строение полученных в работе (Николин и др., 2011) соединений установлено на основании спектральных методов (ИК, ЯМР ¹Н, ¹³С, ²⁹Si), элементного и рентгеноструктурного анализа

Хелаты были выделены в самостоятельный класс координационных соединений благодаря их уникальным физико-химическим и биологическим свойствам, обусловленным наличием хелатного цикла. В медицине такие комплексы с микроэлементами (Zn, Mg, Cu, Mn и т.п.) нашли широкое применение вследствие высокой усвояемости и биодоступности хелатов по сравнению со свободными ионами металлов. Важно отметить, что образование хелатных комплексов может приводить к некоторым конформационным изменениям в структуре макромолекулярных биосоединений, и как следствие — влиять на их биологическую активность.