Исследование антиоксидантных свойств аскорбатов металлов и смесей на их основе методом катодной вольтамперометрии

УДК 543.552

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИОКСИДАНТНЫХ СВОЙСТВ АСКОРБАТОВ МЕТАЛЛОВ И СМЕСЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ МЕТОДОМ КАТОДНОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ

А.Н. Вторушина, Е.Д. Никонова

Томский политехнический университет E-mail: anl@tpu.ru

В статье освещены актуальные вопросы поиска новых препаратов, обладающих антиоксидантной активностью, и эффективности действия на организм человека многокомпонентных систем. Целью данной работы является определение антиоксидантной активности аскорбатов металлов (Ca, Mg, Li, Co, Fe), используемых в практической медицине, а также смесей на их основе в комплексе с широко известными антиоксидантами. В работе рассмотрено влияние аскорбатов металлов на процесс электровосстановления кислорода. Из представленных аскорбатов наибольшую активность по отношению к процессу катодного восстановления кислорода показали аскорбаты магния и лития. Также были рассмотрены смеси исследуемых аскорбатов с известными антиоксидантами (глюкоза, дигидрокверцетин) при разных концентрациях компонентов. Показано, что многокомпонентные смеси проявляют меньшую активность по сравнению с индивидуальными препаратами. Рекомендовано создание лекарственных препаратов на основе аскорба-тов Mg и Li с числом компонентов не более трех.

Ключевые слова:

Электровосстановление кислорода, антиоксиданты, аскорбаты металлов, вольтамперометрия.

Введение

В настоящее время в клинической практике психотропных заболеваний широко используются препараты кальция, лития, железа, магния, такие как хлорид кальция, карбонат лития, хлорид лития и др. [1]. Кальций и магний играют важную роль в различных физиологических процессах организма. Установлено, что ионы кальция необходимы для осуществления процесса передачи нервных импульсов и активности некоторых ферментов [2]. Магний играет ведущую роль в энергетическом, пластическом и электролитном обмене, выступает в качестве регулятора клеточного роста, необходим на всех этапах синтеза белковых молекул. В частности, от наличия достаточного количества магния в организме зависят нормальное функционирование рибосом и связывание с ними информационной РНК - ключевого механизма биосинтеза белка. Кроме того, магний принимает участие в обмене фосфора, синтезе АТФ, регуляции гликолиза, построении костной ткани и т. д. [3, 4]. Железо является неотъемлемой составляющей многих процессов жизнедеятельности. В клетках организма оно расходуется на синтез гемосо-держащих ферментов и ферритина - основного белка, содержащего запасы железа. Железо имеет первостепенное значение при синтезе гемоглобина, а также для увеличения продукции эритроцитов. Литий активно влияет на протекающие в мозге нейрохимические процессы, что лежит в основе его терапевтической активности при психических заболеваниях. Установлено, что препараты лития обладают способностью купировать острое маниакальное возбуждение и предупреждать аффективные приступы. Однако известно, что эти препараты оказывают побочное токсическое действие на организм [4].

В связи с этим создание новых форм препаратов на основе солей данных металлов, а также изучение их биоактивности, в том числе и антиоксидантных свойств, представляется ак-

Вторушина Анна Николаевна, канд. хим. наук, доцент кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: anl@tpu.ru Область научных интересов: анализ объектов окружающей среды, электрохимия. Никонова Елена Демьяновна, студент кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института нераз-рушающего контроля ТПУ. E-mail: anl@tpu.ru Область научных интересов: анализ объектов окружающей среды.

туальным. Целью данной работы было исследование влияния комплексов магния, лития, кобальта, железа, кальция, содержащего в качестве биоактивного лиганда аскорбиновую кислоту, на электрохимическое поведение кислорода в водной среде в условиях линейной полубесконечной диффузии.

Методы и материалы

В работе использовали простой в аппаратурном оформлении, экспрессный и высокочувствительный метод вольтамперометрии (ВА).

Исследования проводили на компьютеризированном вольтамперометрическом анализаторе ТА-2 производства ООО НПП «Томьаналит» (г. Томск) с трехэлектродной ячейкой. В качестве индикаторного электрода использовался ртутно-пленочный электрод (РПЭ), вспомогательным и электродом сравнения служил хлоридсеребряный электрод (ХСЭ).

Использовался постоянно-токовый режим катодной ВА, скорость развертки потенциала (Ж) составляла 40 мВ/с, рабочий диапазон потенциалов от 0 до -1 В. Раствор перемешивали с помощью вибрации электродов.

В качестве модельной реакции использован процесс электровосстановления кислорода. Регистрировали первую волну катодного восстановления кислорода, растворенного в фоновом электролите, в указанной области потенциалов. Делали добавки приготовленного раствора испытуемого соединения, каждый раз снимая вольтамперограммы первой волны катодного восстановления кислорода.

Концентрацию кислорода в растворах электролитов контролировали при помощи по-тенциометрического кислородного датчика № 5972 производства центра вычислительных систем автоматики и измерений «МЕРА-ЭЛЬВРО» с автоматической компенсацией температуры в диапазоне 0-40 °С

В работе были использованы реактивы марки «о.с.ч.». Взвешивание навески вещества проводили на лабораторных аналитических весах ВЛ-210 фирмы «Госметр» с погрешностью взвешивания ±0,0002 г.

Экспериментальная часть

Перечень методов определения антиоксидантной активности (АОА) достаточно широк: хемилюминесцентный метод, хроматография газовой фазы, электрохимический, флуориметри-ческий и другие методы [5-8]. В данной работе для определения АОА аскорбатов металлов использовался метод катодной вольтамперометрии (ВА) [9].

В основе метода лежит процесс ЭВ О2, протекающий по механизму, аналогичному восстановлению кислорода в клетках и тканях организма (1-3). При этом на электроде генерируются активные формы кислорода: супероксид анион кислорода 02 и гидропероксид И0'2.

к

О2 + е" <-> О2

О2' " + Н+ <-> ГО2'

НО2 + Н+ + е" <-» Н2О2

Антиоксидантная активность определялась по относительному уменьшению тока ЭВ О2 в присутствии исследуемых компонентов в растворах.

В данной работе рассмотрено влияние комплексов магния, лития, кальция, кобальта, железа, содержащих в качестве биоактивного лиганда аскорбиновую кислоту (рис. 1 ), на электрохимическое поведение кислорода в водной среде в условиях линейной полубесконечной диффузии. Проведена сравнительная оценка активности нового комплекса магния с синтезированными ранее комплексами металлов и аскорбиновой кислоты.

Влияние исследуемых веществ на электрохимическое поведение кислорода рассмотрено в фоновом электролите - фосфатном буфере с рН 6,86 (0,025М KH2PO4 и 0,025М Na2HPO4).

Рис. 1. Структрные формулы исследуемых веществ: аскорбиновая кислота

Для исследования АОА препаратов регистрировались вольтамперограммы тока первой волны ЭВ О2 в отсутствии и в присутствии исследуемых аскорбатов. Проведенные исследования показали уменьшение предельного тока ЭВ О2 в присутствии всех рассматриваемых аскорбатов, за исключением аскорбата железа.

I, мкА

14

12

10

_L

_L

_L

_L

E, B

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

Рис. 2. Вольтамперограмма тока ЭВ О2 на РПЭ в фосфатном буфере

Линии (3) на рис. 2 характеризуют уменьшение тока кислорода в зависимости от времени протекания реакции между активными кислородными формами и аскорбатом магния в растворе. Аналогичные зависимости были получены для всех исследуемых аскорбатов.

По результатам полученных вольтамперограмм строились зависимости относительного уменьшения тока ЭВ О2 от времени протекания процесса в присутствии исследуемого препарата.

Антиоксидантная активность исследуемых препаратов оценивалась по кинетическому критерию антиоксидантной активности К (мкмоль/лмин), который отражает эффективность взаимодействия образца с активными кислородными формами [10]:

I CO к = (1 - -i- ) • —,

кинет. V j s у

1o *

где Ii - ток ЭВ О2 в присутствии АО в растворе, мкА; 1о - ток ЭВ О2 в отсутствии АО в растворе, мкА; CO - исходная концентрация кислорода в растворе, мкмоль/л; t - время реакции взаимодействия антиоксиданта с активными кислородными формами, мин.

2

3

8

6

4

2

Обсуждение результатов

Уменьшение тока первой волны ЭВ О2 связано с взаимодействием исследуемых аскор-батов металлов с продуктами восстановления кислорода. Наиболее активно по отношению к процессу ЭВ О2 ведет себя аскорбат М§, тогда как аскорбат Бе совершенно нейтрален и не проявляет антиоксидантных свойств.

Таблица 1. Антиоксидантная активность образцов (с = 10-4 г/мл) по отношению к процессу ЭВ О2 (р = 0,95, п = 5)_

Название К, мкмоль/л мин

ЛБС Mg 2,125 +0,053

ЛБС Ы 1,714 +0,024

Лбс Са 1,550 +0,042

Лбс Со 0,879 +0,027

ЛБС Бе -

Аскорбиновая к-та 1,165 +0,053

Глюкоза 0,169 +0,037

Дигидрокверцетин 0,650 +0,040

Большинство комплексов металлов и аскорбиновой кислоты проявили большую активность, чем сама аскорбиновая кислота, считающаяся несомненным антиоксидантом и синерге-тиком в процессах прерывания цепных радикальных реакций.

Поскольку АОА зависит как от времени взаимодействия АО с активными кислородными формами, так и от концентрации АО, было рассмотрено влияние концентрации Л8С Mg на процесс ЭВ О2 (рис. 3). Показано, что при увеличении концентрации Л8С Mg в растворе относительное изменение предельного тока ЭВ О2 возрастает, т. е. исследуемое вещество в большей степени реагирует с кислородными радикалами.

!/!0, мкА

Рис. 3. Зависимость относительного изменения тока ЭВ О2 от времени протекания процесса в присутствии 2 • 10-4 (1), 1 • 10-4 (2), 1 • 10-5 г/мл (3) Л8С Mg в растворе

Таблица 2. Антиоксидантная активность образцов по отношению к процессу ЭВ О2 в зависимости от концентрации

Концентрация Л8С Mg, г/мл К, мкмоль/л мин Время хранения ЛБС Mg

2 • 10-4 5,374 +0,082 свежеприготовленный

2 • 10-4 2,711 +0,023 через 2 месяца

1 • 10-4 2,125 +0,053 свежеприготовленный

1 • 10-5 0,251 +0,004 свежеприготовленный

Как видно из представленных данных, при увеличении срока хранения Asc Mg он становится менее активен по отношению к процессу ЭВ О2.

Для установления наличия эффекта синергии была определена активность смесей известных антиоксидантов и рассматриваемых аскорбатов. Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3. Антиоксидантная активность образцов по отношению к процессу ЭВ О2 в зависимости от концентрации

Смесь антиоксидантов К, мкмоль/л мин Смесь антиоксидантов К, мкмоль/л мин

Asc Mg, дигидрокверцетин (1:1) 2,727 +0,131 Asc Li, глюкоза (1:1) 0,338 +0,094

Asc Mg, дигидрокверцетин (1:3) 1,111 +0,128 Asc Li, глюкоза, дигидрокверцетин (1:1:1) 0,453 +0,023

Asc Mg, глюкоза (1:1) 0,383 +0,019 Asc Li, глюкоза, дигидрокверцетин (1:2:1) 0,642 +0,068

Исходя из полученных данных, можно сказать, что многокомпонентные смеси менее активны по отношению к процессу катодного восстановления О2, чем смеси, содержащие два компонента. Следует отметить, что в случае двухкомпонентных смесей наблюдается эффект синергии, т. е. усиление активного действия каждого компонента в присутствии другого. Аналогичного поведения компонентов смесей на основе аскорбатов Mg и Li с большим числом составляющих не наблюдалось. В смесях с числом компонентов, превышающих 3, суммарная активность по отношению к процессу ЭВ О2 уменьшалась в арифметической прогрессии. Возможно, это объясняется сферическими затруднениями органических остатков, мешающих катодному восстановлению О2 на РПЭ. Таким образом, для более эффективного воздействия необходимо создание лекарственных препаратов на основе аскорбатов Mg и Li с числом компонентов не более трех.

Также проводились исследования токсичности композиций на основе аскорбатов Mg и Li на 25 мышах линии BALB/с при внутрибрюшном введении водного раствора препарата в широком спектре доз (от 100 до 1000 мг/кг веса). Наблюдения велись в течение 30 суток. При этом не обнаружено побочного токсического действия и гибели животных. Возможно, уменьшение токсического действия металлов связано с их связыванием с аскорбиновой кислотой и созданием смесей с такими широко известными антиоксидантами, как дигидрокверцетин, глюкоза и др.

Заключение

Проведенные исследования антиоксидантных свойств аскорбатов металлов показали значительную активность Asc Mg и Asc Li. Показано, что при увеличении концентрации Asc Mg его активность по отношению к процессу ЭВ О2 возрастает. Также было отмечено, что в смесях Asc Mg с дигидрокверцетином с количеством компонентов не более двух наблюдается эффект синергизма. На основании полученных данных можно рекомендовать создание фармакологических препаратов на основе аскорбатов магния, лития в смесях с небольшим количеством компонентов для более активного воздействия на организм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Машковский М.Д. Лекарственные средства: в 2 т. - 14-е изд. - Т. 1. - М.: Медицина, 2000. -540 с.

2. Rasmussen L., Husted S.E., Johnsen S.P. Severe intoxication after an intentional overdose of am-lodipine // Acta Anaesthesiologica Scandinavica - 2003. - V. 47. - № 8. - P. 1038-1040.

3. Чекман И.С., Горчакова Н.А., Николай С.Л. Магний в медицине. - Кишинев, 1992. - 101 с.

4. Ebel H., Gunther T. Magnesium metabolism: a review // J. Clin. Chem. & Clin. Biochem. - 1998. - V. 18. - P. 257-270.

5. Денисов Е.Т. Циклические механизмы обрыва цепей в реакциях окисления органических соединений // Успехи химии. - 1996. - Т. 65. - № 6. - С. 547-563.

6. Moyer R.A., Hummer K.E., Finn C.E., Frei B., Wrolstad R.E. Anthocyanins, phenolics, and antioxidant capacity in diverse small fruits: vaccinium, rubus, and ribes // Journal Agricultural and Food Chemistry. - 2002. - V. 50. - № 3. - Р. 519-525.

7. Campanella L., Bonanni A., Bellantoni D. et al. Comparison of fluorimetric, voltammetric and biosensor methods for the determination of total antioxidant capacity of drug products containing acetylsalicylic acid // J. Pharm. Biomed. Anal. - 2004. - V. 36. - № 1. - P. 91-99.

8. Blasco A.J., Rogerio M.C., Gonzalez M.C. et al. «Electrochemical Index» as a screening method to determine «total polyphenolics» in foods: A proposal // Anal. Chim. Acta. - 2005. - V. 539. -P.237-244.

9. Вторушина А.Н., Короткова Е.И., Катаев С.Г. Физико-химические закономерности процесса электровосстановления кислорода в присутствии природных антиоксидантов // Аналитика и контроль. - 2013. - Т. 17. - № 4. - C. 423-428.

10. Вторушина А.Н. Метод вольтамперометрии в определении антиоксидантних свойств некоторых биологически активных соединений: дис. ... канд. хим. наук. - Томск, 2008. -200 с.

Поступила 29.01.2015 г.