ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОКСАЛАТА КАЛЬЦИЯ В

Реклама
ХИМИЯ
Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 2. С. 112–117.
УДК 544.774.4.548.5
О.А. Голованова, В.В. Корольков, Ю.О. Пунин, А.С. Высоцкий
ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОКСАЛАТА
КАЛЬЦИЯ В ПРИСУТСТВИИ ВАЛИНА И ЛИЗИНА*
На основе экспериментального материала рассмотрен комплекс проблем, связанных
с особенностями кристаллизации оксалата кальция в присутствии аминокислот.
Изучено действие двух аминокислот, противоположным образом влияющих на кристаллизацию, – промотора DL-валина и ингибитора L-лизина. Исследовано влияние
концентрации добавок данных аминокислот на рост кристаллов. Определены кинетические параметры кристаллизации. Показано, что с увеличением концентрации
лизина константа скорости роста уменьшается, а с увеличением концентрации валина – увеличивается.
Ключевые слова: моногидрат оксалата кальция, рост, адсорбция, аминокислоты,
ингибирование, кристаллизация, валин, лизин.
Введение
На сегодняшний день все более ощутимой и реальной угрозой для человека становится проблема камнеобразования. Согласно официальной статистике, каждый десятый человек на планете может пострадать от таких
заболеваний [1–5]. В качестве факторов, способствующих образованию
камней, некоторые исследователи выделяют наследственность, образ жизни человека, в особенности рацион питания, негативную экологическую
обстановку в крупных городах и др. Однако причины и механизмы образования в организме камней различного состава остаются не до конца изученными. Получается, что камнеобразование – это проблема глобального
масштаба, к которой нельзя относиться без должного внимания.
Известно, что патогенные органоминеральные агрегаты (ОМА) имеют
сложный и неоднородный состав [3–6]. Наиболее распространенными минералами патогенных ОМА являются оксалаты кальция – уевеллит
CaC2O4 · H2O и уедделлит CaC2O4 · 2H2O [4–8]. Эти соединения – наиболее
частые компоненты камней мочеполовой системы [2–7]. Кроме того, оксалаты кальция могут входить в состав зубных и желчных камней, камней
слюнных желез. Они также обнаружены в минеральных отложениях в
легких, сосудах, селезенке, в предстательной и поджелудочной железах, в
мышцах и суставах [8].
Установлено, что образование ОМА любых составов, и в частности
оксалатных агрегатов, протекает в неравновесных условиях; за их образование отвечают кинетические факторы, что доказано термодинамическими расчетами и модельными экспериментами [4]. В существенной
степени патогенное фазообразование определяется органическими компонентами физиологических жидкостей [9]. Особенно важная роль здесь
принадлежит аминокислотам, содержание которых достигает 70 % от органического вещества почечных камней [10–15].
К настоящему времени опубликовано значительное количество работ
по кристаллизации уевеллита и уеделлита в сложных по составу физиологических растворах, в том числе и в присутствии аминокислот [16–22].
Несмотря на это имеющиеся данные о влиянии аминокислот на нуклеацию и рост кристаллов оксалатов кальция весьма противоречивы и их
явно недостаточно для понимания закономерностей камнеобразования в
организме человека. Очевидна необходимость дальнейшего изучения это*
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (№ 12-03-98011-р_сибирь_а).
© О.А. Голованова, В.В. Корольков, Ю.О. Пунин, А.С. Высоцкий, 2013
Особенности кристаллизации оксалата кальция в присутствии валина и лизина
го вопроса как с медицинской точки зрения
для предупреждения образования оксалатных биоминералов в организме человека,
так и в плане разработки фундаментальной
проблемы биоминерализации.
Ранее нами были проведены исследования фазообразования и кристаллизации в
растворах оксалата кальция, содержащих
как неорганические, так и органические
добавки [18; 21–24]. В частности, в работах
[23; 24] изучалось воздействие широкого
набора аминокислот, входящих в состав почечных камней, на процесс нуклеации и
роста кристаллов уевеллита. Установлено,
что присутствие аминокислот оказывает
различное действие на процессы роста кристаллов оксалата кальция. Так, наиболее
сильным ингибирующим эффектом обладают глутаминовая кислота, лизин, аргинин и
глицин. Ярко выраженным промотирующим
действием обладают пролин, валин, серин и
аспарагин. Остальные аминокислоты влияют на кинетику кристаллизации одноводного оксалата кальция незначительно.
Целью данной работы является сравнительное исследование кинетики роста кристаллов уевеллита в присутствии аминокислот, оказывающих противоположное влияние на кристаллизацию – валина (промотор)
и лизина (ингибитор) [24].
Лизин и валин являются незаменимыми
аминокислотами для организма человека,
они входят в состав практически любых
белков. Валин необходим для метаболизма в
мышцах, восстановления поврежденных
тканей и для поддержания нормального обмена азота в организме, он оказывает стимулирующее действие и может быть использован мышцами в качестве источника энергии. Физиологическая роль лизина – участие
в процессах роста, восстановления тканей,
производстве антител, гормонов, ферментов, альбуминов.
Различное действие валина и лизина на
кристаллизацию уевеллита, очевидно, связано с различным химическим строением и
свойствами этих аминокислот (табл. 1). Валин проявляет амфотерные свойства, тогда
как лизин обладает ярко выраженными основными свойствами, что обусловлено наличием в молекуле еще одной NH2-группы.
Анализ значений констант ионизации и изоэлектрической точки показывает, что лизин
при значениях pH, термодинамически оптимальных для образования одноводного
оксалата кальция (pH = 5,0–7,0) [4], находится в растворе в виде положительно заряженного иона, а валин – в виде нейтральных
молекул (цвиттер-ионов). Как следствие,
данные аминокислоты должны по-разному
адсорбироваться на кристаллах моногидрата оксалата кальция.
113
Таблица 1
Аминокислоты, используемые
в качестве примесей, и их характеристики [25]
DL-Валин
L-Лизин
NH2
Аминокислота
OH
H2 N
O
H
OH
H2N
O
Изоэлектрическая
точка pI
5,96
9,74
pKa
2,27
9,52
2,15
9,16
10,67
Экспериментальная часть
Процесс кристаллизации оксалата кальция изучался при температуре 37 °C и пересыщении растворов γ = C0 Cs = 7 (С0 – концентрация оксалата кальция в пересыщенном растворе; Сs – растворимость оксалата
кальция, равная 0,5·10-4 моль/л). Выбор
данного значения пересыщения обоснован
наличием такового в биологических средах,
а именно в моче здорового взрослого среднестатистического человека [2].
Пересыщение по оксалату кальция создавалось за счёт химической реакции
Ca 2 + + C 2O4 2 − → CaC 2O4 , которая реализовывалась при смешении исходных растворов
стехиометрического состава легкорастворимых соединений – хлорида кальция и оксалата аммония. В качестве растворителя использовалась бидистиллированная вода. Для
приготовления исходных растворов использовались соли квалификации ч.д.а. Ввиду
того что хлорид кальция в процессе хранения способен гидратироваться, перед экспериментом проводилась стандартизация
его раствора, которая осуществлялась комплексонометрическим титрованием трилоном [26].
Исходные растворы смешивались в эквивалентных объемах. Готовый раствор
сливали в коническую колбу и перемешивали в течение 5–10 секунд. Кристаллизация
проводилась in vitro с добавками аминокислот – DL-валина и L-лизина – в концентрации 0,002, 0,004 и 0,008 моль/л, что соответствует их содержанию в физиологическом растворе. Примеси аминокислот вводились в раствор хлорида кальция перед
смешением исходных растворов.
Кинетику кристаллизации изучали по
изменению концентрации раствора в ходе
осаждения оксалата кальция. Концентрация
определялась кондуктометрическим методом, путем измерения удельной электропроводности раствора в ячейке Кольрауша и
автоматического умножения результатов на
постоянную ячейки. Использовался кондуктометр Анион-4154, диапазон измеряемых
величин удельной электропроводности (УЭ)
раствора – от 0,001 до 100 мСм/см. Преде-
О.А. Голованова, В.В. Корольков, Ю.О. Пунин, А.С. Высоцкий
114
лы допускаемых значений основной погрешности при измерении удельной электропроводности растворов – ±2,0 % (но не менее
0 мкСм/см), погрешность автоматической
температурной компенсации при измерении
УЭ – не более ±2,5 %. Постоянная датчика
K – (1/см) 1 ± 0,2. Эксперименты проводили
в диапазоне концентраций с линейной зависимостью УЭ от концентрации (рис. 1).
700
(4)
где k′ включает в себя все константы (Vmax,
β, N и k) и постоянно для данных начальных
условий. При логарифмировании получим:
⎛ dα ⎞ 2
lg ⎜
⎟ − lg α = lg k ′ + n lg(Cτ − Cs ).
⎝ dτ ⎠ 3
(5)
Построение зависимости в координатах
lg ( dα dτ ) − 2 3lgα = f ( lg(Cτ − Cs )) должно дать
прямую линию, причем отрезок, отсекаемый
прямой на оси ординат, является lg k′, а
тангенс угла наклона этой прямой соответствует порядку скорости роста n.
600
500
УЭ, мкСм/см
⎛ dα ⎞ −2 3
= k ′(Cτ − Cs )n ,
⎜
⎟ ⋅α
⎝ dτ ⎠
400
300
y = 164079x
200
R 2 = 0 ,9976
100
0
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
С, моль/л
Рис. 1. Зависимость УЭ растворов
от исходной концентрации оксалата кальция
Расчет кинетических параметров процесса кристаллизации проводился по алгоритму, подробно описанному в работах [21;
24]. По кондуктометрическим данным вычисляли степень полноты протекания процесса кристаллизации в зависимости от
времени:
α=
C0 − Cτ
,
C0 − Cs
(1)
где C0 – начальная концентрация оксалата
кальция в пересыщенном растворе; Cτ –
концентрация оксалата кальция в момент
времени τ; Cs – растворимость оксалата
кальция.
Для определения кинетических параметров роста кристаллов оксалата кальция
по зависимости α = f (τ ) рассчитывали скорость осаждения как функцию текущего
абсолютного пересыщения
(Cτ − Cs ) по
формуле (2):
dα
= kA ⋅ (Cτ − Cs )n ,
dτ
(2)
где A – суммарная площадь поверхности
осадка, k – константа скорости реакции, n –
порядок реакции. Оценка общей площади
поверхности для постоянной формы частиц
дается выражением:
A = β ⋅ Nτ1 3 ⋅ Vτ2 3 ,
(3)
где β – фактор формы, Nτ – общее число частиц, Vτ – объем осадка к моменту времени τ.
Учитывая, что α = Vτ Vmax , а Vmax – максимальный объем осадка при полном сбросе
пересыщения, то после преобразований получим формулу для расчета кинетических
характеристик процесса кристаллизации
оксалата кальция (считая постоянным количество частиц Nτ = N = const):
Результаты и их обсуждение
Примеры
полученных
кинетических
кривых приведены на рис. 2, 3. На рис. 2
хорошо видно различие в кинетических
эффектах, вызываемых исследуемыми аминокислотами: валин является промотором, а
лизин – ингибитором кристаллизации уевеллита. Рис. 3 показывает, что в обоих случаях
эффект усиливается с возрастанием концентрации примеси в растворе.
Из рисунков видно – степень превращения монотонно увеличивается со временем,
причем процесс постепенно замедляется, что
вызвано сбросом пересыщения и, соответственно, уменьшением движущей силы в ходе
кристаллизации. Необычным является прекращение процесса кристаллизации уже при
небольших значениях α, соответствующих
весьма высоким пересыщениям. При этом
остаточное пересыщение растет с увеличением начального пересыщения, что сразу отвергает связь этого явления с механизмом
2d-зарождения. Не может оно быть связано и
с агрегацией кристаллов, поскольку за время
эксперимента размер кристаллов увеличивается не более чем в 3 раза [21] и в такой же
пропорции падает суммарная площадь поверхности кристаллов. Причины высоких
остаточных пересыщений не ясны и требуют
отдельного изучения.
α
0,3
0,2
0,1
0,0
0
1000
2000
3000
4000
τ,c
Рис. 2. Кинетические кривые кристаллизации оксалата
кальция в присутствии аминокислот (C = 0,004 моль/л):
z – без добавок; ▲ – L-лизин; ¡ – DL-валин
Особенности кристаллизации оксалата кальция в присутствии валина и лизина
α
α
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0
1000
2000
3000
4000
τ, с
115
0,0
0
1000
2000
3000
а
б
Рис. 3. Влияние концентрации аминокислот на кинетические кривые кристаллизации оксалата кальция
(¡ – 0,002; z – 0,004; „ – 0,008 моль/л):
4000
τ, с
а) DL-валин; б) L-лизин
-1
⎛ dα ⎞ 2
lg ⎜
⎟ − 3 lg α
⎝ dτ ⎠
0
⎛ dα ⎞ 2
lg ⎜
⎟ − 3 lg α
⎝ dτ ⎠
-2
A
A
-2
B
-3
B
C
C
-4
-4
-5
-6
-6
-7
-3,70
-3,75
-3,80
lg (Cτ − Cs )
-3,85
-3,90
-3,55
-3,60
-3,65
lg (Cτ − Cs )
-3,70
-3,75
а
б
Рис. 4. Определение кинетических параметров кристаллизации оксалата кальция
в присутствии аминокислот (C = 0,008 моль/л):
а) DL-валин; б) L-лизин
Полученные кинетические данные были
обработаны с помощью описанного выше алгоритма. Зависимости, построенные в координатах
lg ( dα dτ ) − 2 3lg α = f ( lg(Cτ − Cs ) ) ,
представлены кривыми, на которых можно
выделить несколько линейных участков с
разными наклонами (рис. 4). Участок A соответствует увеличению общего числа частиц за счет образования зародышей кристаллизации, участок B – 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 [21]. Для изучения
закономерностей роста кристаллов интерес
представляет участок B, поэтому в дальнейшем именно он используется для расчета
основных кинетических характеристик кристаллизации оксалата кальция.
Определенные в результате обработки
экспериментальных данных константы lg k′
и n приведены в табл. 2.
Таблица 2
Влияние концентрации аминокислот
на кинетические характеристики кристаллизации
оксалата кальция
Концентрация,
моль/л
C = 0,002
C = 0,004
C = 0,008
DL-Валин
n
lg k′
9,5
31,3
10,2
34,1
10,4
34,5
n
8,1
7,5
7,4
L-Лизин
lg k′
25,3
23,6
23,0
Высокие значения показателя n мы связываем с ростом кристаллов по механизму
двумерного зарождения [24]. Величина константы скорости отражает влияние примесей аминокислот на кристаллизацию уэвелита. Данные табл. 2 показывают, что с увеличением концентрации L-лизина константа
скорости уменьшается. Аминокислота, адсорбируясь на растущей грани кристалла,
препятствует ее росту, при этом увеличение
концентрации добавки аминокислоты приводит к блокировке большего количества
активных центров, что способствует дальнейшему замедлению роста кристалла. Од-
116
О.А. Голованова, В.В. Корольков, Ю.О. Пунин, А.С. Высоцкий
нако при концентрации более 0,004 моль/л
уменьшение менее значительное, чем в
диапазоне концентраций от 0,002 до
0,004 моль/л. По нашему мнению, в данном
диапазоне концентраций происходит полное
покрытие аминокислотой поверхности растущего кристалла, и дальнейшее повышение
концентрации примеси не приводит к существенному снижению константы скорости кристаллизации. Такое поведение соответствует адсорбции по изотерме Лэнгмюра.
Значительное ингибирующее влияние
лизина и высокую адсорбционную способность можно объяснить химическим строением аминокислоты на основе правила
Дюкло – Траубе. Так, согласно данному правилу коллоидные ПАВ проявляют высокую
адсорбционную активность, которая зависит главным образом от длины углеводородного радикала. Увеличение его длины на одну группу –CH2– приводит к возрастанию
поверхностной активности приблизительно
в два раза [27].
При добавлении DL-валина наблюдается
иная картина: с увеличением концентрации
аминокислоты константа скорости возрастает (но тоже с замедлением). Промотирующий эффект валина и его усиление с увеличением концентрации примеси можно объяснить созданием на поверхности кристаллов адсорбирующейся аминокислотой добавочных центров двумерного зарождения,
что подробно рассмотрено нами в [24].
Оба эффекта – и промотирование кристаллизации валином, и ингибирование лизином – существенно ослабляются при больших пересыщениях γ > 15. Это вполне совместимо с адсорбционным механизмом
действия аминокислот. С одной стороны,
увеличение пересыщения всегда снижает
примесное торможение роста кристаллов. С
другой стороны, возрастание интенсивности
двумерного зарождения при больших пересыщениях естественно снижает вклад добавочных адсорбционных центров зарождения.
В результате проведенного исследования кинетики кристаллизации одноводного
оксалата кальция в присутствии добавок
DL-валина и L-лизина в концентрациях,
близких к физиологическим, получены следующие результаты:
– DL-валин оказывает промотирующее
действие на кинетику кристаллизации
уевеллита; с увеличением концентрации
DL-валина константа скорости роста увеличивается;
– эффект промотирования может быть
объяснен увеличением на поверхности растущего кристалла центров двумерного зарождения;
– L-лизин ингибирует кристаллизацию уевеллита; с увеличением концентрации L-лизина константа скорости уменьшается;
– наибольшее
влияние
аминокислот
проявляется в диапазоне концентраций от
0,002 до 0,004 моль/л, при дальнейшем увеличении концентраций оба эффекта ослабляются; это может быть связано с адсорбцией аминокислоты по изотерме Лэнгмюра и
полным покрытием поверхности растущего
кристалла при больших концентрациях
примесей;
– воздействие исследованных аминокислот на кинетику кристаллизации уевеллита существенно уменьшается при больших
пересыщениях.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ларина Т. А., Кузнецова Т. А., Королева Л. Ю.
Факторы риска мочекаменной болезни у детей
Орловской области // Ученые записки Орловского государственного университета. Научные
труды научно-исследовательского центра педагогики и психологии. Т. 7. Орел, 2006.
С. 135–138.
[2] Тиктинский О. Л., Александров В. П. Мочекаменная болезнь. СПб. : Питер, 2000. 384 с.
[3] Кораго А. А. Введение в биоминералогию. М. :
Недра, 1992. 280 с.
[4] Голованова О. А. Патогенные минералы в организме человека. Омск, 2007. 395 с.
[5] Севостьянова О. А., Полиенко А. К. Минеральный состав уролитов // Известия Томского
политехнического университета. 2004. Т. 307.
№ 2. С. 62–64.
[6] Козловский Ю. Г. О минералогической классификации мочевых камней // Урология и нефрология. 1973. № 2. С. 24–26.
[7] Пальчик Н. А., Мороз Т. Н., Максимова Н. В.,
Дарьин А. В. Минеральный и микроэлементный состав мочевых камней // Неорганическая
химия. 2006. Т. 51. № 7. С. 1177–1184.
[8] Поспехова Г. П., Шайлиева Л. О., Федосеева Г. Б., Петрова М. А. Хроническая обструктивная болезнь лёгких с респираторным оксалозом // Врачу общей практики. 2001. № 1.
С. 174–190.
[9] Изатулина А. Р., Голованова О. А., Пунин
Ю. О., Войтенко Н. Н., Дроздов В. А. Изучение
факторов, влияющих на кристаллизацию одноводного оксалата кальция // Вестн. Ом. унта. 2006. № 3. С. 45–47.
[10] Рашкович Л. Н., Петрова Е. В. Кристаллизация оксалата кальция // Химия и жизнь. 2006.
№ 1. С. 158–168.
[11] Grases F., March J.G., Bibiloni F., Amat E. The
crystallization of calcium oxalate in the presence
of aminoacids // Cryst. Growth. 1988. V. 87.
P. 299–304.
[12] Голованова О. А., Борбат В. Ф. Почечные
камни. М. : Медицинская книга, 2005. 172 с.
[13] Walter-Levy L., Laniepce J. Sur la termolise des
hydratesde oxalate de calcium // Cryst. Growth.
1994. V. 54. № 3. P. 165–179.
[14] Cокол Э. В., Нигматуллина Е. Н., Максимова Н. В. Сферолиты оксалата кальция в почечных камнях: морфология и условия образования // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. № 11. С. 547–558.
[15] Зузук Ф. В. Мiнералогiя уролiтiв : автореф. дис.
… д-ра геол. наук. Л., 2005. 52 с.
[16] Каткова В. И., Симаков А. Ф. Роль аминокислот в генезисе биоминеральных образований //
Особенности кристаллизации оксалата кальция в присутствии валина и лизина
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
Сыктывкарский минералогический сборник.
1998. № 27. С. 58–66.
Голованова О. А., Пятанова П. А., Россеева Е. В. Анализ закономерностей распределения белковой составляющей мочевых камней
// Доклады Академии наук. 2004. Т. 395. № 5.
С. 1–3.
Голованова О. А., Россеева Е. В., Франк-Каменецкая О. В. Аминокислотный состав камней
мочевой системы человека // Вестник СПбГУ.
2006. Сер. 4. Вып. 2. С. 123–127.
Ozgurtas T., Yakut G., Gulec M., Serdar M., Kutluay T. Role of urinary zinc and copper on calcium
oxalate stone formation // Urol Int. 2004. V. 72(3).
P. 233–236.
Shad Muhammad Aslam, Ansari Tariq Mahmood,
Afzal Uzma, Kauser Samina, Rafique Muhammad
and Khan Misbahul Islam. Major constituents, free
amino acids and metal levels in renal calculi from
Multan Region // OnLine Journal of Biological Sciences. 2001. V. 1. № 11. P. 1063–1065.
Голованова О. А., Ачкасова Е. Ю., Пунин Ю. О.,
Желяев Е. В. Основные закономерности кристаллизации оксалата кальция в присутствии
аминокислот // Кристаллография. 2006. Т. 51.
№ 2. С. 376–382.
117
[22] Голованова О. А., Пунин Ю. О., Изатулина А. Р.
Кристаллизация оксалата кальция в присутствии органических и неорганических добавок //
Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация : тезисы
докладов IV Международной научной конференции. Иваново, 2006. С. 48.
[23] Голованова О. А., Пунин Ю. О., Высоцкий А. С.,
Ханнанов В. Р. Влияние неорганических и органических примесей на нуклеацию одноводного оксалата кальция // Химия в интересах
устойчивого развития. 2011. № 19. С. 501–508.
[24] Голованова О. А., Корольков В. В., Пунин Ю. О.,
Высоцкий А. С. Влияние аминокислот на кинетику кристаллизации одноводного оксалата
кальция // Химия в интересах устойчивого развития. 2013 (в печати).
[25] David R. Lide, ed. CRC Handbook of Chemistry
and Physics. CRC Press, 2010.
[26] Васильев В. П. Аналитическая химия. Гравиметрический и титриметрический методы анализа. М. : Высш. шк., 1989. Ч. 1. 320 с.
[27] Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. М. : Химия, 1982. С. 98–106.
Скачать