Процессы кристаллизации в модельных растворах биологических жидкостей человека

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.4.25-30 УДК 548.5. 546.02

ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В МОДЕЛЬНЫХ РАСТВОРАХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

О. А. Голованова

ФГБОУ ВО «Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского»

Аннотация

На основе экспериментального моделирования установлены особенности кристаллизации оксалатов кальция в присутствии аминокислот. Исследовано влияние аминокислот разного строения на формирование твердой фазы оксалата кальция в прототипе физиологического раствора. Определены кинетические параметры кристаллизации: период индукции, константа скорости и закономерности роста кристаллитов. Ключевые слова:

кристаллизация, оксалаты кальция, моделирование, аминокислоты, нуклеация, рост, адсорбция.

CRYSTALLIZATION PROCESSES IN MODEL SOLUTIONS OF HUMAN BIOLOGICAL FLUIDS

Olga A. Golovanova

Omsk Dostoevsky State University

Abstract

The paper researches a range of problems related to the peculiarities of calcium oxalate crystallization in the presence of amino acids on the bases of experimental data. The regularities of phase formation in the system Ca2+ — C2O42- — H2O-amino acid in a widely variable interval of component concentrations and pH are theoretically researched. The kinetic parameters of crystallization are determined (induction period, rate constant, order of crystals' growth), and the influence of amino acids on the kinetics of crystallization of calcium oxalate is established.

Keywords:

crystallization, calcium oxalate, modeling, аmino acids, nucleation, growth, adsorption.

^^^^^^ Введение

На сегодняшний день проблема образования патогенных органоминеральных агрегатов (ОМА) в организме человека сохраняет свою актуальность во всем мире в связи с неуклонным ростом числа заболеваемости, который ежегодно составляет 0,5-5,5 % [1-5]. ж Мочекаменная болезнь (уролитиаз), приводящая к образованию ОМА

в органах мочеполовой системы, является одним из распространенных урологических заболеваний и встречается не менее чем у 3 % населения. Мочекаменная болезнь выявляется в любом возрасте, однако у 70 % пациентов она диагностируется в наиболее трудоспособном возрасте — от 30 до 50 лет, преимущественно у мужчин [1, 2, 5-11], при этом рост заболеваемости связан как с повышением влияния ряда неблагоприятных факторов окружающей среды на организм человека, так и с особенностями современной жизни (гиподинамия, рацион питания и др.) [6, 10-12].

Известно, что наиболее распространенными среди мочевых камней являются оксалатные, сложенные минералами уэвеллитом CaC2O4H2O и уэдделлитом CaC2O42H2O, с преобладанием CaC2O4H2O [1-4, 8, 9, 13-16]. Многие исследователи отмечают, что специфичность органической компоненты контролирует в значительной степени процесс фазообразования в организме человека [1, 2, 8, 13-21 и др.]. На данный момент накоплен объем сведений о влиянии состава раствора на фазовый состав осадков и кинетику кристаллизации оксалатов кальция [22-30]. Новые данные

по изучению кристаллизации оксалата кальция из растворов в присутствии аминокислот необходимы как с точки зрения фундаментальной перспективы понимания процессов биоминерализации, так и с медицинской точки зрения — для предупреждения образования патогенных ОМА в организме человека.

Целью данной работы является изучение кинетических закономерностей образования оксалатов кальция и установление роли ряда аминокислот на процессы фазообразования.

Материал и методика исследований

Изучение процесса кристаллизации оксалата кальция в неравновестных условиях для установления кинетических закономерностей проводилось при температуре 37 °С и трех основных значениях пересыщений растворов у = C0/CS = 5; 7 и 10. Выбор основных значений у обоснован наличием таких пересыщений в биологических средах, а именно в моче здорового взрослого среднестатистического человека [1, 7].

Пересыщение по оксалату кальция создавалось за счет химической реакции, которая реализовывалась при смешении исходных растворов легкорастворимых соединений стехиометрического состава — хлорида кальция и оксалата аммония: Са2+ + С2042" ^ СаС204.

Для каждой серии экспериментов были приготовлены растворы, содержащие катионы и анионы, при совместном присутствии которых в данных условиях не образуются малорастворимые соединения. Затем растворы смешивались в эквивалентных объемах.

Для определения параметров нуклеации использовался метод, основанный на измерении периодов индукции (тинд). Для исследования роста кристаллов применяли кондуктометрический метод измерения концентрации растворов в ходе их кристаллизации [25]. По данным кондуктометрического анализа определялась степень полноты протекания процесса кристаллизации а в зависимости от времени, алгоритм расчетов представлен работе [30].

Нуклеация и кинетика кристаллизации исследовались как в растворах оксалата кальция без органических компонентов, так и с добавками аминокислот в концентрации 0,004 моль/л, соответствующей их нахождению в физиологическом растворе [7].

Результаты и обсуждение

На первом этапе было изучено влияние пересыщения на значения периодов индукции моногидрата оксалата кальция в отсутствие посторонних добавок. Была получена линейная

композицией двух экспоненциальных зависимостей с разными показателями экспоненты. Определение поверхностной энергии о, входящей в константу B, для двух участков кинетической кривой дает значения 15,3 и 36,0 мДж/м2, что отвечает гетеро- и гомогенному зарождению соответственно.

Влияние органических добавок аминокислот на период индукции одноводного оксалата кальция оказалось весьма разнообразным и зависящим от типа кислоты. Полученные данные представлены на диаграмме (рис. 1), иллюстрирующей значения периодов индукции моногидрата оксалата кальция в присутствии исследованных аминокислот.

Из рис. 1 видно, что аминокислоты могут как ингибировать процесс кристаллизации одноводного оксалата кальция (ОЬ-глутаминовая кислота, глицин, Ь-лизин), так и промотировать его (ОЬ-валин). Предполагается, что ингибирующее действие аминокислот связано с их адсорбцией на активных центрах поверхности образующихся кристаллов. Адсорбция осуществляется за счет взаимодействия между положительно заряженной поверхностью кристаллов оксалата кальция и аминокислотой, которая находится в наиболее вероятной в данных

зависимость

Эта нестандартная зависимость, как было показано, является

условиях конформации. В этом случае

можно предположить, что с ростом

ингибирующего действия будет расти

содержание аминокислоты в почечных

камнях. И действительно, для основных

аминокислот, по крайней мере, это

справедливо [16, 24, 2?].

Сравнительный анализ действия

изученных нами аминокислот на период

индукции показывает, что этот эффект,

вероятно, связан с их основными

характеристиками, определяющими их

адсорбцию на поверхности кристаллов

оксалата кальция, — со строением

(в частности, с числом карбоксильных

групп) и с протолитическими свойствами,

Lys — L-лизин; Gly — глицин; Glu — глутаминовая кислота определяющими состояние и формы

Fig. 1. Effect of amino acids on the calcium oxa¡ate нахождения аминокислот в растворе при

nucleation kinetics:

^ ~ , . , . . л,, _.т различных значениях pH. Таким образом,

CaOx — calcium oxalate without additives; Val — DL-valine;

Lys — L-lysine; Gly — glycine; Glu — glutamic acid пр°тивоположн°е действие сх°жих

по строению и свойствам аминокислот

на зарождение оксалата кальция можно объяснить тем, что и ингибирование, и промотирование

нуклеации реализуется за счет одного механизма — прочного связывания аминокислоты с ионами

кальция на поверхности зародыша (ингибирование) или в растворе (промотирование).

Далее были получены кинетические характеристики процесса кристаллизации оксалата

кальция. Анализ полученных кинетических кривых (рис. 2, а и б) показал, что степень превращения а

монотонно увеличивается со временем, при этом процесс постепенно замедляется, вплоть

до полного торможения кристаллизации.

Val  CaOx  Lys -Gly -Glu -

0 50 100 150 200

Период индукции т, с Рис. 1. Влияние аминокислот на кинетику нуклеации оксалата кальция:

CaOx — оксалат кальция без добавки; Val — DL-валин;

^ 0,20 -

es 0,15

. .................

• .»

• ♦ . ♦♦

♦

0 1000 2000 3000 4000

Время т, с

S

S 0,30

&

§3 0,20 &

и

............

♦ ♦

1000 2000 3000

Время т, с

4000

0,40

0,35

0,30

S 0,25 -

0,10

0,10

0,05

0,00

0,00

0

б

а

Рис. 2. Кинетические кривые кристаллизации оксалата кальция: а — без добавок аминокислот при разных пересыщениях

Fig. 2. Kinetic curves of calcium oxalate crystallization: a — without addition of amino acids at different supersaturations

По полученным кинетическим кривым были построены зависимости вида

^ (ёауМт)- 2/3а = / (^(С - С )), на которых можно выделить несколько линейных участков

с разными наклонами (рис. 3). Участок А соответствует увеличению общего числа частиц за счет образования зародышей кристаллизации, участок В — росту образовавшихся частиц без увеличения их общего количества, участок C отвечает вторичным процессам: уменьшению общего числа образующихся частиц за счет растворения мелких и роста более крупных кристаллов, а также агрегации частиц [25]. Для выявления кинетических закономерностей наибольший интерес представляет участок B, поэтому именно он используется для расчета основных кинетических характеристик кристаллизации оксалата кальция. Пересечение этого отрезка с осью ординат дает константу скорости реакции осаждения, а наклон отрезка определяет порядок реакции.

-3,70 -3,75 -3,80 -3,85 -3,90 -3,55 -3,60 -3,65 -3,70 -3,75

lg

а б

Рис. 3. Определение кинетических параметров кристаллизации оксалата кальция

Fig. 3. Determination of the kinetic parameters of calcium oxalate crystallization

Определенные в результате обработки экспериментальных данных константы lg k' и n приведены в таблице.

Кинетические характеристики процесса кристаллизации оксалата кальция в присутствии аминокислот Kinetic characteristics of the process of calcium oxalate crystallization in the presence of amino acids

Добавка Additive Период индукции, Тинд, с Induction period, Tmd, s Y = 5 Y = 7 Y = 10

n lg k n lg k n lg k

CaOx 45 7,9 26,5 10,1 33,1 12,0 38,6

Glu 186 5,4 16,3 7,5 23,9 9,1 28,6

Gly 68 7,1 23,5 10,0 32,8 9,9 31,0

Lys 52 5,3 16,9 7,5 23,6 9,3 28,4

Val 35 8,0 27,0 10,2 34,1 11,6 36,9

Прежде всего, следует отметить большие значения порядка нуклеации п при кристаллизации оксалата кальция. По-видимому, это является следствием приближения степенной зависимостью экспоненциального закона, описывающего кинетику роста кристаллов по механизму двумерного

зарождения. Для использовавшихся высоких пересыщений такой механизм роста вполне реален. Видно, что с увеличением исходного пересыщения скорость кристаллизации возрастает. Это можно объяснить увеличением как общего числа центров кристаллизации, так и средней скорости роста кристаллов.

Присутствие в растворе аминокислот оказывает, как и в случае зародышеобразования, различное действие на процесс кристаллизации оксалата кальция. Ингибирующим эффектом обладают глутаминовая кислота, лизин и глицин, выраженным промотирующим действием обладает валин. Ингибирующее действие аминокислот наиболее естественно объясняется их адсорбцией на растущих кристаллах одноводного оксалата кальция. Анализируя строение аминокислот и их состояние в растворе, можно сделать выводы, что торможение роста кристаллов уэвеллита усиливается с увеличением длины углеводородного радикала, ростом числа карбоксильных групп в аминокислоте и нахождением в растворе при физиологических значениях pH в виде заряженных ионов. С другой стороны, аминокислоты могут служить новыми центрами нуклеации одноводного оксалата кальция, увеличивающими число кристаллов, так как способны связывать ионы кальция [30]. Кроме того, адсорбируясь на поверхности кристаллов, аминокислоты могут стимулировать двумерное зарождение, увеличивая таким образом скорость роста кристаллов [29]. Эти эффекты объясняют промотирующее действие аминокислот на кристаллизацию одноводного оксалата кальция.

Выводы

1. Исследование процессов нуклеации оксалата кальция в модельных растворах без примесей и с добавками аминокислот показало:

а) в растворах без добавок примесей наблюдается переход от гетеро- к гомогенному зарождению при увеличении пересыщения более у = 12;

б) аминокислоты оказывают на нуклеацию моногидрата оксалата кальция как ингибирующее, так и промотирующее действие.

2. Изучение кинетики кристаллизации одноводного оксалата кальция в присутствии добавок аминокислот показало следующее:

а) рост кристаллов уэвеллита происходит по механизму двумерного зарождения;

б) аминокислоты оказывают на кристаллизацию одноводного оксалата кальция как ингибирующее, так и промотирующее действие;

в) влияние аминокислот на рост кристаллов уэвеллита совпадает с их действием на времена индукции зародышеобразования одноводного оксалата кальция;

г) оба эффекта находят объяснение в адсорбции аминокислот на кристаллах уэвеллита (ингибирование — за счет блокировки точек роста, промотирование — за счет создания на поверхности кристаллов центров двумерного зарождения).

ЛИТЕРАТУРА

1. Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск, 2007. 395 с. 2. Зузук Ф. В. Минералогия уролитов: моногр: в 3 т. Т. 1: Распространение мочекаменной болезни среди населения мира (на укр. яз.) / Волынский гос. ун-т. Луцк: Вежа, 2002. 408 с. 3. Russian J. General Chemistry / O. A. Golovanova, O. V. Frank-Kamenetskaya, Y. O. Punin. 2011. Vol. 81, №. 6. P. 1392-1406. 4. Brit. J. Urol. Int. / H. Al Zahrani [et al.]. 2000. Vol. 85, Nо. 6. P. 616-620. 5. Arch. Esp. Urol. / Arias Funez F. [et al.]. 2000. Vol. 53, №. 4. P. 343-347. 6. Ученые записки Орловского гос. ун-та: науч. тр. НИЦ педагогики и психологии / Т. А. Ларина, Т. А. Кузнецова, Л. Ю. Королева. Орел, 2006. Т. 7. С. 135-138. 7. Тиктинский О. Л., Александров В. П. Мочекаменная болезнь. СПб.: Питер, 2000. 384 с. 8. Известия Томского политехнического университета / О. А. Севостьянова, А. К. Полиенко. 2004. Т. 307, № 2. С. 62-64. 9. Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека: дис. ... д. г.-м. н. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. 10. Urol. Clin. North. Am. / D. G. Assimos, R. P. Holmes 2000. Vol. 27, №. 2. P. 255-268. 11. Urology / G. G. Bailly, R. W. Norman, C. Thompson. 2000. Vol. 56, №. 1. P. 40-44. 12. J. Urol. / M. Bak [et al.]. 2000. Vol. 164. P. 856-863. 13. Химия в интересах устойчивого развития / Э. В. Сокол, Е. Н. Нигматуллина, Н. В. Максимова. 2003. № 11. С. 547-558. 14. Химия и жизнь / Л. Н. Рашкович, Е. В. Петрова. 2006. № 1. С. 158-168. 15. ДАН / О. А. Голованова, П. А. Пятанова, Е. В. Россеева. 2004. Т. 395, № 5. С. 1-3. 16. Вестник СПбГУ / О. А. Голованова, Е. В. Россеева, О. В. Франк-Каменецкая. 2006. Сер. 4. Вып. 2. С. 123-127. 17. Вестник Омского университета / А. Р. Изатулина [и др.]. 2006. № 3. С. 45-47. 18. Биоминералогия / Д. Ю. Власов [и др.]. Луцк, 2008. С. 26-29. 19. J. Chem. Inf. Comput. Sci. /

D. Batinic [et al.]. 2000. Vol. 40, No. 3. P. 607-610. 20. Urology / S. A. Brown [et al.]. 2000. Vol. 56, No. 3. P. 364-368. 21. Farmaco / M. Carini[et al.]. 2000. Vol. 55, No. 8. P. 526-534. 22. Kidney Int. / R. P. Holmes, H. O. Goodman, D. G. Assimos. 2001. Vol. 59, No. 1. P. 270-276. 23. Urol Int. / T. Ozgurtas [et al.]. 2004. Vol. 72 (3). P. 233-236. 24. OnLine J. Biological Sciences / Shad Muhammad Aslam [et al.]. 2001. Vol. 1, No.11. P. 1063-1065. 25. Кристаллография / О. А. Голованова [и др.]. 2006. Т. 51, № 2. С. 376-382. 26. Calcif. Tissue Int. / S. R. Khan [et al.]. 2000. Vol. 66, No. 2. P. 90-96. 27. J. Am. Diet. Assoc / L. K. Massey, S. A. Kynast Gales. 2001. Vol. 101, No. 3. P. 326-331. 28. J. Urol. / S. Maslamani, P. A. Glenton, S. R. Khan. 2000. Vol. 164. P. 230-236. 29. Химия в интересах устoйчивoгo развития / О. А. Голованова [и др.]. 2011. № 19. С. 501-508. 30. Химия в интересах устoйчивoгo развития / О. А. Голованова [и др.] // 2013. Т. 21, № 4. С. 401-409.

Сведения об авторе

Голованова Ольга Александровна — доктор геолого-минералогических наук, профессор химического факультета (кафедра неорганической химии) Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского E-mail: golovanoa2000@mail.ru

Author Affiliation

Olga A. Golovanova — Dr. Sci. (Geology & Mineralogy), Professor of Chemical Faculty (Department of Inorganic Chemistry) Omsk Dostoevsky State University E-mail: golovanoa2000@mail.ru

Библиографическое описание статьи

Голованова, О. А. Процессы кристаллизации в модельных растворах биологических жидкостей человека / О. А. Голованова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 4 (10). — С. 25-30.

Reference

Golovanova Olga A. Crystallization Processes in Model Solutions of Human Biological Fluids. Herald of the Kola Science Center of RAS, 2018, vol. 4 (10), pp. 25-30 (In Russ.).