СИНТЕЗ И SEM-EDS ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛ-КОМПЛЕКСОВ С ПОЛИПЕПТИДАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ ИЗ КОКОНОВ Bombyx mori

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты исследований полимерных комплексов с ионами металлов, инкорпорированных в полипептиды, полученные из коконов шелкопряда Bombyx mori. Установлено, что такие комплексы демонстрируют значительную способность к координации с ионами Zn, Ca, Fe и Co, что открывает перспективы для создания новых функциональных материалов. Методом сканирующей электронной микроскопии (SEM-EDS) проведен морфологический и элементный анализ образцов, подтверждающий равномерное распределение металлов в полипептидной матрице. Полученные данные свидетельствуют о потенциале таких комплексов в качестве биосовместимых носителей, катализаторов и сорбентов.

ABSTRACT

The article presents the results of studies of polymer complexes with metal ions incorporated into polypeptides obtained from the cocoons of the silkworm Bombyx mori. It was found that such complexes demonstrate significant ability to coordinate with Zn, Ca, Fe, and Co ions, which opens up prospects for the creation of new functional materials. The morphological and elemental analysis of the samples was conducted using scanning electron microscopy (SEM-EDS), confirming the uniform distribution of metals within the polypeptide matrix. The data obtained indicate the potential of such complexes as biocompatible carriers, catalysts, and sorbents.

Ключевые слова: полипептиды, металл-комплексы, инкорпорирование, SEM-EDS, биоматериалы.

Keywords: polypeptides, metal complexes, incorporation, SEM-EDS, biomaterials.

Введение. Всестороннее изучение особенностей реакций образования комплексов полимер-металл, то есть исследование их устойчивости, структуры и состава, раскрытие механизма образования комплексов, а также влияния конформационного состояния макромолекул и природы металлов на процессы формирования комплексов представляют большой теоретический интерес [1]. Кроме того, исследование реакции комплексообразования на модельных системах макромолекула-ион металла в ряде случаев позволяет выяснить специфические особенности металлоэнзимов, которым принадлежит немаловажная роль в живых организмах [2].

Как правило, для инкорпорации металлов в состав полимеров носителей вводят хелатные узлы, что сопряжено с определенными сложностями синтетического характера [3]. Поэтому гораздо проще и удобнее использовать в качестве носителей, например, природные полипептиды. Для большинства металл-полимерных комплексов информация об их структуре и соотно-шениях структура-свойства изучены недостаточно. В этом случае задачи конструирования систем направленной доставки биологически активных систем в организм смыкаются с фундаментальными вопросами связи архи-тектуры/топологии макромолекул сложного строения со свойствами, прояв-ляемыми ими в растворах [4].

Постановка проблемы и метод исследования. В связи с поливалентностью иона-комплексообразователя и полидентантностью макромолекулярного лиганда взаимодействие металлов с макро-молекулой можно рассматривать, с одной стороны, как последовательное связывание клубком макромолекулы ионов металла:

-с другой, - как взаимодействие металла с функциональными группами полимера (образование координационных узлов):

Рисунок 1. На изображении показан процесс инкорпорирования ионов металлов в структуру природных полипептидов

Ионы металлов (М) присоединяются к активным функциональным группам полипептидной цепи (например, –COOH, –NH₂, –OH), что приводит к образованию координационных связей. Последовательное взаимодействие макромолекулы с несколькими ионами металлов приводит к формированию стабильного поликомплекса. Данный механизм объясняет морфологические и элементные особенности, выявленные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM-EDS) в экспериментальной части исследования.

Рисунок 2. Схематическое изображение процесса координации ионов металлов (М) с функциональными группами одной макромолекулы полипептида

На схеме представлено связывание иона металла с несколькими донорными атомами, расположенными вдоль одной полипептидной цепи. Такой тип взаимодействия отражает внутримолекулярную координацию, при которой макромолекула изгибается и обволакивает металл, формируя устойчивый хелатный узел. Эта модель характерна для формирования стабильных комплексных соединений, структура которых подтверждается морфологическим анализом с использованием метода сканирующей электронной микроскопии (SEM-EDS), как показано в экспериментальной части статьи.

Свойства координационных соединений с макромолекулярными лигандами определяются химической природой как лиганда, входящего в макро-молекулу, так и металла, образующего координационный центр, и значительно отличаются от свойств полимеров, не содержащих металл [5].

Результаты исследования и их обсуждение. В работе использовали полипептиды [6] со средней молекулярной массой 70000-75000 кДж полученные методом щелочного гидролиза кокона Bombyx mori 0,250 Н водными растворами NaOH или KOH при температуре 393К в течении 1,2-1,5 часов. Исследованиями in vivo определено, что полученные полипептиды не оказывают отрицательного воздействия на состояние здоровья животных, не вызывает местно-раздражающего действия на кожу и слизистые оболочки глаз, не обладают кумулятивным свойством [7]. Целью исследований являлось возможности применения этих полипептидов для применения в качестве носителей в полимерных лекарственных формах с инкорпорированными следующими металлами: цинк (Zn), кальций (Ca), железо (Fe) и кобальт (Co).

Структурную морфологию и содержание элементов в исследованных образцах определяли с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO MA 10 (Carle Zeiss, Германия), оборудованного микроаналитической системой для энерго-дисперсионного рентгеновского (EDX) микроанализа INCA Energy 300 (Oxford Instruments, Великобритания), позволяющей детектировать все химические элементы, начиная с бора.

На рисунках 1-5 представлены СЭМ-снимки общего элементного состава и энерго-дисперсионный спектры соответственно гидролизованного раствором NaOH полипептида (1), поликомплекса с инкорпорированным кобальтом (2), поликомплекса с инкорпорированным железом (3), поликомплекса с инкорпорированным кальцием (4) и поликомплекса с инкорпорированным цинком (5). Необходимо отметить, что для получения поликомплекса кобальта был использованы полипептиды полученные гидролизом кокона Bombyx mori 0,250 Н водным раствором KOH, а другие образцы были получены на основе полипептидов полученных гидролизом кокона Bombyx mori 0,250 Н водным раствором NaOH.

А   

Б

Рисунок 3. СЭМ-снимок общего элементного состава (A) и энергодисперсионный спектр (Б) полипептидов полученных гидролизом кокона Bombyx mori 0,250 Н водным раствором NaOH

А

  Б

Рисунок 4. СЭМ-снимок общего элементного состава (A) и энерго-дисперсионный спектр (Б) поликомплекса с инкорпорированным кобальтом

А     

Б

Рисунок 5. СЭМ-снимок общего элементного состава (A) и энерго-дисперсионный спектр (Б) поликомплекса с инкорпорированным железом

А         

Б        

Рисунок 6. СЭМ-снимок общего элементного состава (A) и энерго-дисперсионный спектр (Б) поликомплекса с инкорпорированным кальцием

А

Б

Рисунок 7. СЭМ-снимок общего элементного состава (A) и энерго-дисперсионный спектр (Б) поликомплекса с инкорпорированным цинком

Как следует из представленных снимков определяемые элементы равномерно распределены по поверхности образцов. Также сопоставление карт распределения элементов входящих в состав исходных реагентов (С, N, О, S, CI, Na, K, Ca, Co, Fe и Zn) в исследованных образцах позволяет утверждать о наличии Na до 4,84% в первом образце; Co до 3,28% и K до 5,72% во втором образце; Fe до 5,73% в третьем образце; Ca до 5,67% в четвёртом образце и Zn до 2,40% в пятом образце, что указывает на влияния природы ионов металлов на процесс инкорпорирования.

Заключение. В результате проведённых исследований были синтезированы поликомплексы на основе полипептидов, полученных щелочным гидролизом коконов Bombyx mori, с инкорпорированными ионами цинка (Zn), кальция (Ca), железа (Fe) и кобальта (Co). Методом сканирующей электронной микроскопии (SEM-EDS) была подтверждена равномерность распределения ионов металлов в полипептидной матрице и установлены различия в степени инкорпорирования в зависимости от природы металла. Показано, что полученные металл-полимерные комплексы обладают потенциалом для дальнейшего использования в качестве биосовместимых носителей, сорбентов и функциональных материалов. Морфологические характеристики, выявленные с помощью SEM-анализа, подтверждают стабильность полученных структур и их способность к специфической координации ионов металлов. Таким образом, результаты настоящей работы свидетельствуют о высокой перспективности природных полипептидов в качестве матрицы для направленного синтеза металл-комплексов, применимых в биомедицине, экологии и материаловедении.

Список литературы:

1. Воробьева Е., Крутько Н. Полимерные комплексы в водных и солевых средах. – Litres, 2022.
2. Каримов М. М., Саатов З. З. Эффективная и безопасная фармакотерапия при лечении HP-ассоциированных заболеваний желудка и двенадцатиперстной кишки //Медицинский совет. – 2014. – №. 4. – С. 55-59.
3. Данилов Ф. И. и др. Кинетика электроосаждения нанокомпозиционных покрытий Ni–ZrO₂ из метансульфонатных электролитов //Электрохимия. – 2016. – Т. 52. – №. 5. – С. 555-560.
4. Поздеев А. В. и др. Методика получения липосомальных систем доставки лекарственных веществ в организм животных //Ветеринарный врач. – 2021. – №. 3. – С. 33-39.
5. Раков Э. Нанотрубки и фуллерены. – Litres, 2017.
6. Шоназарова Ш. И. и др. Современное состояние добычи вольфрама и повторной регенерации его отходов в узбекистане //Sanoatda raqamli texnologiyalar/Цифровые технологии в промышленности. – 2024. – Т. 2. – №. 1. – С. 61-67.
7. Степанов А. А. Фармако-токсикологическая и терапевтическая оценка препаратов на основе фенилпиразола, бензилбензоата и перипроксифена при арахноэнтомозах плотоядных животных //Москва. – 2014. – С. 005546868.