Действие фенольных антиоксидантов при окислении веществ в модельных водно-липидных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Действие фенольных антиоксидантов при окислении веществ в модельных водно-липидных системах

Книга Ольга Петровна

Тихонова Галина Анатольевна

Хижан Елена Исаевна

Николаевский Алим Никитович

г. Донецк

Аннотация

Исследованы закономерности ингибированного фенольными соединениями железоинициированного окисления молекулярным кислородом водных дисперсий линолевой кислоты и фосфатидил-холина. Выявлены факторы, определяющие антиоксидантную активность при гетерофазном окислении.

ингибированный фенольный кислород кислота

Введение

Развитие окислительного стресса в живом организме сопровождается воздействием активных форм кислорода прежде всего на фрагменты ненасыщенных высших жирных кислот, жировая составляющая продуктов питания также наиболее подвержена окислительному старению. Обычно образование и расходование пероксидов хорошо сбалансировано, а окисление протекает на определенном стационарном уровне, который поддерживается как структурной организацией липидов, так и различными регуляторными антиоксидантными системами. При нарушении равновесия процесса пероксидного окисления липидов (ПОЛ) применяют антиоксиданты (АО), восполняющие недостаток эндогенных либо активирующие ферменты антипероксидной защиты [1]. Особенностью природных липидных систем является их гетерогенность, а инициаторами ПОЛ часто выступают ионы металлов переменной валентности [2]. При использовании в гетерогенных водно-органических системах антиоксидантов, эффективных в гомогенных процессах, наблюдается изменение вкладов ключевых реакций ингибирования, кроме скорости взаимодействия с пероксирадикалами субстрата большое значение приобретают другие факторы [3, 4].

Фенольные соединения (ФС) как биологически активные вещества широко распространены в природе (токоферолы, убихинон, стероидные гормоны и др.). Вместе со своиственными для них функциями они действуют как антиоксиданты в биологических системах, тормозят окислительные процессы. В условиях гетерогенности некоторые соединения - эффективные АО в гомогенных системах изменяют свою активность вплоть до проявления прооксидантного действия [5].

Данная работа посвящена исследованию закономерностей антиоксидантного действия ряда неэкранированных природных и пространственно-экранированных синтетических фенолов при окислении молекулярным кислородом в присутствии соли двухвалентного железа систем, моделирующих процессы ПОЛ: водных дисперсий линолевой кислоты (ЛК) и фосфатидилхолина (ФХ).

Экспериментальная часть

Субстраты окисления - линолевую кислоту (ЛК), фосфатидилхолин (ФХ, медицинский препарат «Лецитин» («Фарметикс инк», Канада), полученный экстракцией из сои), фенольные соединения - сиреневую и ванилиновую кислоты («Merck») использовали без дополнительной очистки; гидрохинон очищали сублимацией под вакуумом. Окисление модельных систем проводили в условиях, приближенных к физиологическим: фосфатный буфер рН = 7.4; (0.04М КH2PO4 / K2HPO4; 0.1M NaCl); W(ЛК) = 2 % масс.; W(ФХ) = 1 % масс.; Т = 310 К; [Fe2+] = 5.0•10-3моль/л. Для лучшего диспергирования субстратов окисления и коллоидной стабилизации системы использовали анионное поверхностно-активное вещество - додецилсульфат натрия (ДДС) в концентрации (3.0•10-2моль/л), на порядок превышающей критическую концентрацию мицеллообразования. Изучено влияние исследованных фенолов на распад гидропероксида изопропилбензола (ROOH) в гомогенной водно-изопропанольной и мицеллярной системах, а также окисление ФС молекулярным кислородом. Гидропероксид солюбилизирован в мицеллах с помощью ультразвука, его концентрацию определяли иодометрическим методом.

Окисление осуществляли на газоволюмометрической установке при парциальном давлении кислорода 1 атм.

Результаты и их обсуждение

Данные по кинетике поглощения кислорода при железоинициированном окислении дисперсии ЛК в присутствии различных фенольных соединений приведены на рис. 1. Получено, что при добавлении АО в систему наблюдается снижение скорости окисления, выраженные периоды индукции отсутствуют. Вид кривых при окислении ФХ аналогичный, но эффективность ингибирующего действия соединений отлична от ЛК.

Рис. 1. Кинетические кривые поглощения кислорода при окислении линолевой кислоты в эмульсии без ингибитора (1) и в присутствии ванилиновой кислоты (2); сиреневой кислоты (3); фенозана - 1 (4); гидрохинона (5); фенозана - 28 (6); ионола (7); фенозана - 23 (8). [АО] = 1.0·10-4 моль/л

Изучено влияние концентрации ан-тиоксидантов на процесс, определено, что с увеличением содержания фенольных соединений окисление замедляется.

В качестве примера на рис. 2 приведены данные для фенозана-28. Из кинетических кривых рассчитано относительное снижение объема поглощенного кислорода ((V-Vo)/Vo) через 20 минут от начала окисления.

Построив зависимость этого параметра от содержания в реакционной смеси фенольных соединений, определили С50% - концентрацию АО, в два раза снижающую объем поглощенного кислорода по сравнению с опытом без ингибитора [6]. Для более слабых ингибиторов эта зависимость линейна, для эффективных в области низких концентраций (рис. 3) - нелинейна, величина (V-Vo)/Vo резко изменяется в узком интервале концентраций. Чем меньше С50%, тем выше антиоксидантная активность (АОА) соединения.

Полученные результаты, а также определенные ранее [7] хемилюминесцентным методом константы скорости взаимодействия фенолов с пероксирадикалами этилбензола (ЭТБ) при инициированном азодиизобутиронитрилом окислении этилбензола (k7) представлены в таблице.

Привлечение данных об антирадикальной активности (АРА) соединений в гомогенной неполярной среде при исследовании закономерностей ингибирования гетерофазных процесс-сов окисления очень важно, так как k7 характеризует АРА ингибиторов в масляной фазе дисперсии. Однако, как видно из рис. 1 и таблицы, гидрофильные фенолы при близких значениях k7 в гетерогенных системах менее эффективны по сравнению с гидрофобными. В окислении дисперсий большое значение имеют другие факторы, как, например, межфазное распределение ингибитора.

Водорастворимые АО (сиреневая и ванилиновая кислоты), находящиеся, преимущест-венно, в водной фазе дисперсии, настолько слабы как АО в водно-липидных системах, что в эмульсии ЛК не представилось возможным определить для нихС50%.

Необходимо также отметить (таблица), что при окислении ФХ параметр С50% фенолов практически на порядок меньше по сравнению с эмульсией ЛК, и ряд их активности несколько иной.

Рис. 2. Кинетика поглощения кислорода при окислении 2% дисперсии ЛК (а) и 1% ФХ (б) в фосфатном буфере без ингибитора (1,6) и в присутствии фенозана - 28, АО10-4, моль/л: 2.7-0.2; 3.8-0.5; 4.9-1.0; 5-5.0

Рис. 3. Зависимость относительного снижения объема поглощенного кислорода при окислении 1% ФХ в фосфатном буфере от концентрации фенольных соединений:1 - ионола; 2 - гидрохинона, 3 - фенозана-28

Различия могут быть связаны с природой дисперсий. С коллоидно-химической точки зрения система ЛК-вода - это прямая эмульсия, ЛК образует капли дисперсной фазы и смешанные с ПАВ мицеллы. Оптимальной формой существования ФХ в воде являются липосомы - бислойные мицеллы, наиболее близкий аналог биомембран, характерной особенностью которых является наличие структурного ингибирования. ПАВ при концентрации в системе выше ККМ способствует частичному разупорядочиванию липосом, солюбилизации фосфолипидов с образованием смешанных мицелл. Поскольку окисление протекает в приповерхностных слоях дисперсной фазы [8], более эффективным будет АО, способный лучше адсорбироваться на этой поверхности. При окислении ЛК ингибиторы растворяются в каплях, находятся вдали от поверхности раздела, что и повышает С50%.

Определено, что наиболее эффективен как ингибитор в исследуемом ряду соединений в случае ЛК, как и в гомогенном процессе, фенозан-23. Но он при низких концентрациях не замедляет окисление ФХ, а при более высоких ускоряет процесс.

Такое действие антиоксиданта может быть связано с разветвленным строением его молекул. Фенозан - 23, состоящий из четырех фрагментов ионола, возможно, не способен встраиваться в бислои ФХ и ингибировать его окисление.

Исключением из общей закономерности ингибирующего действия гидрофильных АО является гидрохинон. Несмотря на значительную растворимость в воде, он довольно эффективно тормозит процесс окисления ненасыщенных соединений, особенно в случае ФХ. Это может быть обусловлено его более высокой АРА, а также усилением вклада других процессов, происходящих в водной среде, таких как взаимодействие с гидропероксидами субстрата и с молекулярным кислородом [9].

Для проверки этого изучили влияние фенолов на разложение гидропероксида. Распад гидропероксидов, как известно, протекает гораздо быстрее в полярных растворителях, чем в углеводородах [10], особенно влияет на кинетику автоускоренных процессов.

Окисление ненасыщенных субстратов в присутствии соли двухвалентного железа и является таким процессом, инициирование происходит, в основном, за счет реакции разветвления [2]:

Таблица. Параметра АОА фенольных соединений в различных модельных системах

*- С30%

Взаимодействие фенолов с гидропероксидом изопропилбензола изучили в гомогенной водно-органической и мицеллярной системах. Установлено, что из использованных в работе ФС ускоряет его разложение лишь гидрохинон. Гидропероксид изопропилбензола при 333 К в полярной среде, в том числе, в присутствии мицелл ДДС практически не распадается (рис. 4, кр. 1, 2). Однако при введении в систему гидрохинона его распад происходит с большой скоростью (кр. 3, 4).

Как известно, фенолы в неполярной среде при относительно низких температурах реагируют с кислородом очень медленно [12, 13], однако в воде благодаря образованию фенолят - аниона энергетический барьер в реакции переноса электрона снижается, что способствует окислительным превращениям, особенно заметным в присутствии примесей металлов переменной валентности.

Взаимодействие гидрохинона с гидропероксидами в водной среде является фактором, способным увеличить его АОА при окислении водно-липидных систем, если разложение идет по гетеролитическому механизму.

Рис. 4. Разложение гидропероксида изопропилбензола в 30% водном растворе изопропанола(1, 3) и мицеллярном растворе (фосфатный буфер рН = 7.4; [ДДС] = 0.5 моль/л) (2, 4): 1, 2 - без гидрохинона; 3, 4 - [АО] - 2.010-2 моль/л; Т = 333 К

Гомолитический распад гидро-пероксидов, при котором образуются гидроксильный и алкоксильный радикалы, ускоряет процесс окисления.

Еще одной причиной прооксидантного действия фенолов в водной среде может быть непосредственное их взаимодействие с кислородом воздуха, приводящее не только к непроизводительному расходованию ингибитора, но и к возникновению новых радикалов, активизирующих ПОЛ [11].

Рис. 5. Зависимость скорости окисления гидрохинона молекулярным кислородом в водной среде(1, 2) и максимальной концентрации поглощенного кислорода (3, 4) от содержания в системегидрохинона при варьировании рН: 1, 3 - рН 7.4; 2, 4 - рН 7.9; Т = 323 К

При исследовании законом ерностей окисления фенольних соди-нений молекулярным кислородом в фосфатном буфере при 323 К определено, что заметное поглощение кислорода регистрировали лишь при окислении производных о- и п- по-лифенолов и при рН > 7 [11]. В исследуемом ряду фенолов непосредственно реагировал с молекулярным кислородом лишь гидрохинон.

Скорость его окисления возрастает с ростом концентрации и увеличением рН (рис. 5).

При этом основным продуктом его превращения, как и в ингибированном процессе, является бензохинон, поэтому изучили влияние этого соединения на процесс окисления водно-липидных систем (рис. 6).

Рис. 6. Кинетика поглощения кислорода при окислении 2% дисперсии ЛК (а) и 1% ФХ (б) в фосфатном буфере без ингибитора (1, 6), в присутствии гидрохинона (2, 3, 4, 7, 9) и бензохинона (5, 8), АО10-4, моль/л: 2, 8, 9 - 1.0; 3 - 2.5; 4, 5 - 5.0; 7 - 0.5

Как видно из рис. 6, бензохинон эффективно ингибирует окисление дисперсий линолевой кислоты и лецитина. Поскольку он не обрывает цепи по реакции с пероксильными радикалами субстрата, а лишь с алкильными [10], его антиоксидантная активность при окислении липидов, когда концентрация кислорода достаточно высокая, может быть обусловлена другими факторами, например, взаимодействием с прооксидантом - двухвалентным железом и его перевод в неактивное трехвалентное состояние.

Выводы

При окислении веществ в водных дисперсиях фенолов, антиоксидантная активность, в отличие от гомогенных систем, кроме скорости взаимодействия с пероксильными радикалами субстрата в липидной фазе, определяется рядом факторов, в том числе коллоидно-химических. Большое значение имеет липофильность ингибитора, его распределение между фазами, локализация реагентов и способность антиоксиданта адсорбироваться на межфазной поверхности, а также взаимодействовать с гидропероксидами - промежуточными продуктами окисления субстрата, с молекулярным кислородом и тому подобное.

Литература

1. Бурлакова Е.Б., Храпова Н.Г. Перекисное окисление липидов мембран и природные антиоксиданты. Успехи химии. 1985. Т.54. №9. C.1540-1558.

2. Владимиров Ю.А. Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука. 1972. 252с.

3. K. Schwarz, E.N. Frankel, J.B. German. Partition Behaviour of Antioxidative Phenolic Compounds in Heterophasic Systems. Fett/Lipid. 1996. Vol.98. No.3. P.115-121.

4. von A. Gadow, E. Joubert, C.F. Hansmann. Comparaizon of the Antioxidant Activity of Aspalathin with that of other plant phenols of Rooibos Tea - tocopherol, BHT and BHA. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1997. Vol.45. P.632-638.

5. E.N. Frankel, S.-W. Huang, Aeschbach. Antioxidant Activity of Green Teas in Different Lipid Systems. Journal of American Oil Chemists' Society. 1997. Vol.74. P.1309-1315.

6. Николаевский А.Н., Филиппенко Т.А., Книга О.П., Левкина В.В.Определение антиоксидантной активности веществ при окислении липопротеинов яичного желтка газоволюмометрическим методоме. Биомедицинская химия. 2006. Т.52. №2. С.211-218.

7. Белая Н.И., Овчарова О.Ю., Николаевский А.Н. и др. Влияние строения фенолов на их активность в реакции с пероксирадикалами этилбензола. Теоретическая и экспериментальная химия. 2004. Т.40. №4. С.227-232.

Размещено на Allbest.ru