Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія
Подождите немного. Документ загружается.
Моделювання дії каталази хелатними комплексами міді
(ІІ):
СuL
n+
+ H
2
О
2
→ CuL*H
2
О
2
→CuL +1/2 О
2
+H
2
О (Lліганд).
Активність комплексів: І >> ІІ > ІІІ ~ 0.
При координації лігандів з металами, які мають окисні або
відновні властивості, окисновідновні властивості самих лігандів
можуть змінюватися. Наприклад, якщо метал є окислювачем, то
координації його з лігандом сприяє окисленню ліганду. Сам
факт координації, при якій відбувається зміщення електронної
щільності ліганду в бік льюісової кислоти (металу), сприяє
збільшенню окислювальної здатності комплексних часточок.
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
390
Практичний інтерес мають системи, в яких ліганд скоорди
нований з іоном металу, що легко відновлюється. Відновлення
металу в таких системах супроводжується перетворенням лі
ганду у високореакційноздатний вільний радикал. Прикладом
реакцій такого типу є каталіз іонами Сu
2+
автоокислення аскор
бату. Окислення аскорбату, яке каталізується іонами металів та
іонами хелатованих металів, відрізняється. У присутності хела
тоутворюючих лігандів механізм дії міді (ІІ) інший. В цьому ви
падку швидкість реакції не залежить від концентрації кисню, а
відновлення останнього відбувається не до пероксиду водню, а
до води. Тобто введення ліганду суттєво змінює перебіг реакції.
В присутності деяких лігандів каталітична активність іону мета
лу збільшується, що, можливо, пов’язане зі збільшенням його
окисновідновного потенціалу. Але необхідно враховувати, що
утворені комплекси можуть бути прооксидантами і порушувати
окисновідновний гомеостаз в організмі.
З урахуванням вищезгаданих відомостей про роль, стан і
форми надходження біометалів у живих організмах у НДІ еко
логії і біотехнології БДАУ проводяться багаторічні досліджен
ня щодо створення металовмісних препаратів для потреб вете
ринарної медицини і тваринництва.
Один з напрямів досліджень — створення ефективних пре
паратів для профілактики і лікування анемії молодняка сільсь
когосподарських тварин. Високий рівень смертності поросят
раннього віку залишається однією з актуальних проблем суча
сного свинарства.
Важлива роль при переході організму від пренатального до
постнатального розвитку, що характеризується зміною кисне
вого режиму і виникненням стану гіпероксії, належить системі
антиоксидантного захисту (АОЗ) клітин, які регулюють рівень
активних метаболітів кисню: супероксидного аніонрадикалу, гі
дроксильного радикалу, пероксиду водню, синглетного кисню
та ін. За фізіологічних умов у організмі постійно підтримується
динамічна рівновага між прооксидантними і антиоксидантними
системами. Надмірне підсилення вільнорадикального окислен
ня субстратів на фоні пригнічення систем антиоксидантного за
хисту призводить до розвитку оксидативного стресу, який є од
ним з універсальних механізмів виникнення та розвитку
Розділ18.Біотехнолоіїодержаннябіолоічноативнихпродтівнаоснові...
391
багатьох патологічних процесів. У новонароджених поросят по
силення інтенсивності перекисного окислення ліпідів (ПОЛ)
під впливом активних метаболітів кисню супроводжується за
гостренням анемічного стану. Для попередження анемії порося
там 3–4денного віку внутрішньом’язово вводять препарати за
ліза (залізодекстран, фероглюкін75, суїферон, суїферовіт
тощо). Однак це переважно однокомпонентні препарати ім
портного виробництва, які містять тільки залізо, а в препаратах,
у яких містяться Cu, Co тощо, ці мікроелементи знаходяться в
неорганічній формі, яка менш ефективна, ніж комплексні, хе
латні сполуки мікроелементів.
В НДІ екології і біотехнології БДАУ розроблені технології
і одержані препарати, як однокомпонентні — «Ферокол» (ана
лог імпортних «Залізодекстран», «Урсоферан»), так і поліком
понентні: «Куфер», який містить залізо і мідь, «Біомет» з цими
ж елементами і кобальтом, «Полімет» (Fe, Cu, Со, Zn ), «Полі
мет–Селен» (Fe, Cu, Со, Zn + Se), «Вітамет» (Fe, Cu, Со, Zn +
комплекс вітамінів).
Адекватне забезпечення новонароджених поросят біодо
ступним, нетоксичним залізом є основним чинником у профі
лактиці залізодефіцитної анемії. Для нормалізації рівня гемо
глобіну та відновлення запасів заліза в організмі потрібне
введення необхідної кількості цього елемента в нетоксичній
формі, яка легко засвоюється. Щоб правильно оцінити ефектив
ність, безпечність та допустимість застосування залізовмісних
препаратів слід ураховувати особливості метаболізму цього біо
елемента в організмі тварин.
Залізо є обов’язковим і незамінним компонентом білків та
ферментних систем організму, сприяє підтримці необхідного
рівня системного і клітинного метаболізму, окисновідновного
гомеостазу в організмі в цілому. Водночас вільне, нехелатоване
залізо каталізує окисновідновні реакції, сприяє утворенню ви
сокотоксичних вільних радикалів, які спричиняють пероксидне
пошкодження ліпопротеїдних клітинних мембран, порушення
їхньої функції та загибель клітин.
Іони заліза відіграють важливу роль у взаємоперетвореннях
в організмі активних метаболітів кисню і насамперед найбільш
реакційноздатного гідроксильного радикалу
•
ОH. При взаємо
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
392
дії Fе з пероксидом водню продуктом реакції є
•
ОH (реакція
Фентона):
Fе
2+
+ H
2
О
2
→ Fе
3+
+ HО
−
+
•
OH.
Гідроксильні радикали утворюються також у реакції взає
модії пероксиду водню з супероксиданіонрадикалом (О
•
2
), яку
каталізують іони Fе
2+
(реакція ГабераВейса):
H
2
O
2
+ О
•
2
HО
–
+
•
OH +
1
O
2
.
Таким чином, залізо — необхідний елемент для живих клі
тин і водночас є потужним прооксидантом. Різноманітність
ефектів заліза скоординована, що сприяє утворенню спеціалізо
ваних молекул для зв’язування заліза, його транспортування та
депонування в розчинних, нетоксичних для організму формах
(трансферин, феритин). Одночасно сформувалась і регуляція
гомеостазу заліза, яка дозволяє підтримувати основні життєво
важливі клітинні функції та уникнути можливих пошкоджень.
Отже, при конструюванні залізовмісних препаратів для про
філактики і лікування анемій слід ураховувати як зазначені об
ставини, так і сучасні вимоги до ін’єкційних препаратів такого
напряму, які повинні відповідати наступним критеріям: форма
заліза має бути такою, яка може ефективно використовуватися
організмом тварин для біосинтезу гемоглобіну при одноразово
му його застосуванні, сумісною з біорідинами та тканинами тіла,
нетоксичною на всіх етапах транспортування в організмі тварин,
з відповідною в’язкістю, у фізіологічних умовах не мати проок
сидантної дії та бути стабільною при тривалому зберіганні.
Препарати, створені в НДІ екології та біотехнології БДАУ
задовольняють усі вимоги. В основу конструювання нетоксич
ної форми заліза нами було покладено будову молекули білка
феритину, який бере участь у депонуванні в організмі заліза. У
нещодавних дослідженнях японських вчених феритин намага
лися використовувати з наступною метою. Як відомо, у деяких
регіонах світу в продуктах харчування є дефіцит заліза в легко
засвоюваній організмом формі. Ця проблема надто актуальна
для країн ПівденноСхідної Азії, де головний продукт харчу
вання — рис. Для створення сортів рису, здатного до підвищено
го накопичення заліза, проведена трансгенна операція. Із сої ви
Розділ18.Біотехнолоіїодержаннябіолоічноативнихпродтівнаоснові...
393
ділено ген феритину з підвищеною активністю, який було вбу
довано в геном рису. Встановлено, що в зерні трансформованих
рослин накопичення феритину втричі більше, ніж у зерні ро
слин вихідних ліній. Інший, оригінальний біотеxнологічний
підхід, в якому за основу взято будову феритину, використаний
у вітчизняних дослідженнях. З тканин піддослідних тварин бу
ло виділено цей залізодепонуючий білок, вивчені у його складі
форми заліза та властивості останнього. В модельних експери
ментах проведені та визначені умови формування кластерних
сполук заліза, які характерні для нативної структури феритину.
На основі цих результатів розроблена технологія одержан
ня залізовмісних препаратів. В отриманих препаратах залізо
знаходиться у формі захищеного вуглеводною оболонкою ядра,
що містить активну речовину у вигляді кристалітів (великих
кластерів) гідроксиду заліза, подібних до тих, що знаходяться у
складі природного залізодепонуючого білка феритину, і за фі
зіологічних умов не мають прооксидантної дії. Крім заліза, до
складу препаратів уведено біометали (мідь, кобальт, цинк, cе
лен), присутність яких необхідна для процесів гемопоезу, і які є
простетичними групами антиоксидантних ферментів (церуло
плазміну, CuZnсупероксиддисмутази, глутатіонпероксидази).
Метали існують у вигляді хелатів з амінокислотами, що пі
двищує доступність металів у процесі їх метаболізму в організ
мі. Одним з основних факторів, що визначають спорідненість
органічних молекул до іонів металів, є хелатний ефект. Під цим
терміном розуміють чітко виражену здатність органічної моле
кули зв’язувати іони металів за наявності в ній двох або більшої
кількості груп, здатних до хелатування.
Хелатоутворення часто змінює хімічні і фізичні властивості
вихідних реагентів і відіграє значну роль у біології. Ефект хела
тоутворення має місце при створенні таких важливих металов
місних молекул, як порфірини, хлорофіл, кальцієзв’язувальні
білки тощо. Функціональна активність металівбіотиків у орга
нізмі, їх участь у процесах метаболізму пов’язані зі здатністю
біометалів утворювати хелатні комплекси.
Комплекси металбіоліганд мають високу біологічну актив
ність, завдяки чому досягається їх висока засвоюваність, а за ра
хунок поступового розриву хелатних зв’язків – пролонгованість
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
394
дії. Після розщеплення комплексу як метали, так і біоліганди
(амінокислоти та ін.) ефективно використовуються організмом у
процесах метаболізму. Проведені дослідження вказують на прин
ципову можливість використання металокомплексних каталіза
торів для регулювання важливих електронтранспортних проце
сів клітини (для регулювання редокспроцесів клітини).
Використання металохелатних препаратів дозволяє значно змен
шувати дози мікроелементів у раціонах, ефективно вирішити еко
логічні та економічні проблеми сільськогосподарского виробниц
тва. Широкому використанню залізодекстранових препаратів в
комплексі з металохелатними сполуками перешкоджають техно
логічні труднощі одержання таких комплексних препаратів.
В НДІ екології і біотехнології БДАУ протягом останніх ро
ків розробляються технології одержання полікомпонентних
препаратів, які містять біоелементи (залізо, мідь, кобальт) в
комплексі з біолігандами. Вибір цих мікроелементів у створе
них препаратах пояснюється їх важливою роллю в процесах ге
мопоеза, обмінних і окисновідновних процесах організму.
Залізо є компонентом важливих залізовмісних білків, у то
му числі ферментів, у складі яких знаходиться в гемовій і неге
мовій формах. Основна маса заліза у вигляді гему включена в
гемоглобін. Залізо входить до складу цитохрома Р450, цито
хромів дихального ланцюга мітохондрій, важливих антиокси
дантних ферментів (каталази). Залізо необхідне не тільки для
забезпечення організму киснем, а й функціонування дихально
го ланцюга, синтезу молекул АТФ, процесів метаболізму і де
токсикації різних сполук, синтезу ДНК. Найбільш виражена
форма прояву дефіциту заліза – залізодефіцитна анемія.
Мідь відіграє важливу роль у процесах біосинтезу гему і ге
моглобіну. Тому дефіцит міді, як і заліза, призводить до вини
кнення анемії. Мідь – структурний елемент ферменту дихаль
ного ланцюга мітохондрій — цитохромоксидази, яка бере участь
у процесах генерації енергії у клітинах. Важливу роль відіграє
мідь в антиоксидантному захисті організму, вона поряд з цин
ком входить до складу тканевого антиоксидантного ферменту —
супероксиддисмутази (СОД) й основного антиоксидантного
білка плазми крові – церулоплазміну (ЦП). Цинк входить до
структури активного центру багатьох металоферментів. Він
Розділ18.Біотехнолоіїодержаннябіолоічноативнихпродтівнаоснові...
395
необхідний для функціонування ДНК і РНКполімераз–фер
ментів, які беруть участь у процесах передачі генетичної інфор
мації і біосинтезу білків, ферменту ключової реакції біосинтезу
гему, який входить до складу гемоглобіну; цитохромів дихаль
ного ланцюга мітохондрій, цитохрому Р450, каталази, інших
важливих ферментів.
Цинк є обов’язковим компонентом одного з основних анти
оксидантних ферментів (Zn, Cu) — супероксиддисмутази, бере
участь в індукції біосинтезу важливих захисних білків клітини –
металотіонеінів, тому цей елемент належить до антиоксидантів
репаративної дії. Цинк відіграє надзвичайно важливу роль у
процесах реалізації гормональних функцій в організмі, впливає
на продукцію і функціонування інсуліну. Цинк необхідний для
функціонування тимусу і забезпечення нормального стану
імунної системи організму, він є компонентом ретинолтранс
портного білка, поряд з вітамінами А і С перешкоджає імунос
упресії, стимулює синтез антитіл. Цинк відіграє важливу роль у
протеїновому, вуглеводному і ліпідному обмінах. Характерною
ознакою нестачі цинку у молодняка свиней є зроговіння шкіри,
прояви паракератозу, зниження продуктивності, у хрячків зат
римується розвиток сім’яників.
Кобальт — необхідний компонент вітаміну В
12
. Важливе
значення має здатність вітаміну В
12
регулювати процеси крово
творення, що пов’язано з його участю в синтезі пуринових і пі
римідинових основ нуклеїнових кислот, накопиченням в ери
троцитах сірковмісних сполук. Роль вітаміну В
12
в процесах
метаболізму визначається його участю (у складі кобаламінових
ферментів) в білковому, ліпідному і вуглеводному обмінах. Се
лен є кофактором ферменту йодотироніндейодинази, входить
до складу такого важливого ферменту антиоксидантного захи
сту клітин, як глутатіонпероксидаза.
Селен у створених препаратах знаходиться в комплексі з
амінокислотами, оскільки ця форма менш токсична, ніж неорга
нічні форми селену.
Залізо – важливий елемент для всіх організмів, але надли
шок його призводить до негативних наслідків. Значна кількість
заліза в тканинах знаходиться у вигляді гемових білків, а до не
гемового заліза належать деякі залізосірчані білки, а також біл
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
396
ки, здатні депонувати залізо (феритин, гемосидерин), трансфе
рин та незначна кількість низькомолекулярних комплексів за
ліза з окремими лігандами: цитратом, деякими амінокислотами,
фосфатними сполуками та ін. Ці комплекси є причиною ура
ження тканин продуктами вільнорадикального окислення ліпі
дів, білків та інших речовин.
Результати багатьох досліджень вказують на те, що однією
з перших реакцій організму на будьяку стресову ситуацію
(включаючи оксидативний стрес), є збільшення інтенсивності
процесів перекисного окислення ліпідів у мембранних структу
рах клітини. Основну роль у регуляції антиоксидантних захи
сних систем клітини, які нейтралізують негативний вплив як
токсикантів, так і метаболітів, утворених під їх впливом, віді
грають ферментні системи метаболізму і детоксикації різних
класів сполук. Знешкодження цих речовин є багатоступеневим
процесом, у якому беруть участь спряжені ферменти системи:
супероксиддисмутаза (СОД), глутатіонпероксидаза (ГП), ката
лаза і система глутатіону. Тому введення до складу препарату
мікроелементів, здатних індукувати синтез ферментів антиок
сидантного захисту, викликає певний практичний інтерес.
Є відомості, що введення тваринам залізодекстранових пре
паратів спричиняє виникнення оксидативного стресу, тобто
призводить до активації перекисного окислення ліпідів (ПОЛ).
Слід зазначити, що швидке відновлення нестачі антирадикаль
них речовин в організмі лімітується процесами їх транспорту.
Тому більш ефективним може бути використанння синтезова
них комплексів, які, з одного боку можуть індукувати синтез
ферментів антиоксидантного захисту, з іншого — ці низькомо
лекулярні сполуки, для яких в організмі не існує специ
фічних транспортних механізмів, можуть самі бути інгібіторами
перекисного окислення ліпідів (ПОЛ).
Таким чином, з урахуванням ролі вищезгаданих металівбіо
тиків в окисновідновних процесах і процесах гемопоеза, в лабо
раторіях НДІ було одержано стійкі і стабільні комплексні препа
рати для профілактики та лікування анемій, які містять ці
біометали в оптимальних співвідношеннях. На препарати скла
дена відповідна Нормативнотехнічна документація та настано
ви із застосування, затверджені Державним департаментом вете
Розділ18.Біотехнолоіїодержаннябіолоічноативнихпродтівнаоснові...
397
ринарної медицини МАП України. На препарати, технологію їх
отримання та компонентний склад одержані патенти України.
Препарати пройшли успішну апробацію в господарствах
України різних форм власності та за кордоном (Республіка Че
хія). Для перевірки ефективності застосування створених пре
паратів протягом останніх років проводяться виробничі досліди
в умовах повнораціонної годівлі та високої технології утриман
ня тварин у Чеській Республиці. У 2002 році в навчальнодос
лідному господарстві Чеського аграрного університету міста
Прага, Червений уєзд, район Прагазахід на поросятах віком від
народження до 45 днів перевіряли ефективність створених пре
паратів. Було сформовано 3 групи поросят по 30 голів за прин
ципом аналогів. Препарати вводили поросятам 4денного віку.
Зважування проводили на 4й, 15й, 30й і 45й дні життя. Ре
зультати вивчення ефективності застосування антианемічних
препаратів наведені в таблицях 18.1, 18.2.
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
398
Таблиця 18.2.
Збереженість поголів’я
Таблиця 18.1.
Порівняльна характеристика ефективності застосування
препаратів для профілактики анемій у новонароджених поросят
1досліднарпа“Феррібіон”РеспбліаЧехія
Днідослід#
4-й
15-й
30-й
45-й
Живамаса,&
1,91±0,043
3,92±0,11
8,29±0,15
2
12,37±0,39
2досліднарпа“Полімет”Ураїна
Днідослід#
4-й
15-й
30-й
45-й
Живамаса,&
1,98±0,063
4,14±0,095
8,68±0,14
13,08±0,29
3досліднарпа“Полімет-В
12
”Ураїна
Днідослід#
4-й
15-й
30-й
45-й
Живамаса,&
1,93±0,051
4,16±0,107
9,73±0,23
14,03±0,42
Грпа
Кільістьоліврпі
Збереженість,%
1дослідна
30
86,7
2дослідна
30
90,0
3дослідна
30
93,3
Отримані результати досліджень свідчать, що такі препара
ти, як: залізовмісний (Феррібіон), залізомідьцинккобальтовміс
ний (Полімет) та комплексний (ПоліметВ
12
) є ефективними
засобами профілактики аліментарних анемій поросятсисунів.
Встановлено, що препарати Полімет і ПоліметВ
12
за ефективні
стю дії не поступаються препарату Феррібіон (виробник – Рес
публіка Чехія), а за технологоекономічними показниками ма
ють переваги при профілактиці та лікуванні анемії у поросят.
Таким чином, практика багаторічних досліджень НДІ еко
логії і біотехнології дозволила з’ясувати основні закономірності
процесів комплексоутворення, залежність між структурою лі
гандів та їх комплексоутворюючою здатністю, що дозволило в
подальшому конструювати складні біокомплекси із заданими
характеристиками.
В результаті модельних, лабораторних, наукововиробничих
досліджень встановлені механізми цілеспрямованого регулю
вання дії сконструйованих комплексів у необхідному напрямі,
що дозволило створити ефективні профілактичнолікувальні за
соби широкого спектра дії.
Контрольні питання
1. Які ферменти каталізують окисновідновні реакції?
2. Чому неможлива пряма неферментна реакція оксигену з ор
ганічними сполуками?
3. Як подолати спінову заборону для реакцій триплетного ок
сигену?
4. Чому ферменти, що відновлюють О
2
, є металопротеїдами?
5. Яку роль відіграють метали активного центру оксигеназ?
6. Для яких металів характерна прооксидантна дія?
7. Де у клітинах можливе утворення активних форм оксигену?
8. Які ферментні антиоксидантні системи функціонують в ор
ганізмі?
9. Яку реакцію каталізує супероксиддисмутаза?
Розділ18.Біотехнолоіїодержаннябіолоічноативнихпродтівнаоснові...
399