Реологические свойства растворов КОЛЛАГЕНА Раджабов О.И

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ КОЛЛАГЕНА
Раджабов О.И., Гулямов Т.Г., Атаджанов А.Ю.
Институт биоорганической химии им. А.С.Садыкова АН РУз, г. Ташкент, Узбекистан,
ximik_07@mail.ru
Коллаген - фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани
животных и обеспечивающий ее прочность. Коллаген – наиболее распространенный
белок животного мира; у млекопитающих во взрослом организме на его долю
приходится почти 30% от всей массы белков. Молекула коллагена имеет
стержневидную структуру и состоит из трех так называемых α– цепей, формирующих
правозакрученную тройную спираль. Один виток спирали α– цепи содержит три
аминокислотных остатка. Три α– цепи в свою очередь объединяются в структуру,
слегка закрученную в правую спираль [1]. Уникальная особенность коллагена –
многократно повторяющаяся последовательность в α– цепях триплетов аминокислот
глицин-х-y (x, y- остаток любой аминокислоты, кроме глицина), создающая
конформационную основу для спирализации α– цепей. Триплетная последовательность
составляет около 90% всей α– цепи и расположена в её центральной части. Концевые
участки представлены не спирализованными (не содержащими остаток глицина через
каждые 2 аминокислоты) последовательностями [2].
Стабилизация
молекулы
коллагена
осуществляется
благодаря
электростатическим и гидрофобным взаимодействием, а также водородными и
ковалентными поперечными связями между α– цепями [1].
Коллаген зрелых волокон не растворяется в воде и органических растворителях.
Для его растворения используют растворы щелочи (до 10%), органических и
минеральных кислот [3], например, 6% раствор уксусной кислоты. Нейтральная
коллагеновая масса, получаемая после щелочно-солевой обработки дермы крупного
рогатого скота (КРС) и 2% раствор коллагена в уксусной кислоте, являются основными
субстанциями коллагена для изготовления препаратов и изделий медицинского
назначения. При нагревании в воде происходит резкое сокращение волокон коллагена
(сваривание коллагена), при длительном нагревании - денатурация коллагена и
превращение его в желатин.
Нами исследованы реологические свойства коллагена, полученного методом
щелочно–солевого гидролиза из местного кожсырья шкур КРС.
Физико-химические свойства растворов, полученных опытных образцов
коллагена по сравнению с известными данными для проколлагена могут служить
критерием глубины изменений молекул коллагена в процессе выделения его из
кожсырья и растворения.
Для определения вязкости были приготовлены 0,01; 0,02; 0,025; 0,03; 0,0375;
0,05%-ные растворы коллагена в 6%-ной уксусной кислоте. Результаты экспериментов
приводятся на рис. 1.
На рис.1 приведена кривая зависимости вязкости разбавленных растворов
коллагена в 6%-ной уксусной кислоте. Вязкость определена при 20оС с помощью
капиллярного вискозиметра. Для расчета характеристической вязкости проводили
измерение нескольких концентрации растворов, и полученные данные графически
экстраполировали на нулевую концентрацию. По нашим расчетам значение [η]о
равняется 15,15.
рис.1. Зависимость вязкости растворов коллагена от концентрации
Долю молекул, сохраняющих трехспиральную конформацию, можно определить
по отношению к величинам характеристической вязкости, определяющим полностью
трехспиральную или денатурированную форму коллагена. Минимальное значение [η]о,
характеризующее
трехспиральную
конформацию
монодисперсных
молекул
тропоколлагена, равняется 10-11, для денатурированной формы (желатин)-0,1.
Высокая вязкость разбавленных растворов - характернейшая особенность
коллагена. При исследовании гидродинамических свойств растворов коллагена в 0,25М
уксусной кислоте было установлено, что характеристическая вязкость [η]о их имеет
очень большие значения, порядка 17,0 и незначительно изменяется с повышением рН
раствора от 8,7 до 12,3. Высокое значение [η]о при различных рН, близкое к значениям
для кислоторастворимого коллагена, свидетельствует о наличии в исследуемых
растворах жестких частиц, подобных макромолекулам нативного коллагена.
Исследование гидродинамических свойств разбавленных растворов коллагена в
1М уксусной кислоте (рис.1) показало, что образцы коллагена характеризуются
достаточно большими величинами характеристической вязкости [η]=15,15 дл/г, что
свидетельствует о наличии в исследуемом растворе жесткоцепных макромолекул,
подобных макромолекулам нативного коллагена. Величина [η]о =15,15, полученная на
основе данных изучения вязкости разбавленных растворов, полученных нами образцов
коллагена в 6%-ной уксусной кислоте, соответствует литературным данным и
указывает на существование в растворе трехспиральных форм коллагена.
Следовательно, при выбранных нами параметрах стадии технологического процесса
можно получить из кожсырья КРС коллаген с сохраненной нативной структурой.
На рис. 2 приводятся кривые течения 2%-ных растворов коллагена в 6%-ной
уксусной кислоте при различных температурах. Исследованы реологические свойства 1
и 2%-ных водных растворов коллагена в диапазоне температур 15-25С; получена
информация о строении и об изменении структуры концентрированных систем под
действием внешних сил.
Показано, что концентрированные водные растворы коллагена характеризуются
аномальным неньютоновским вязким течением, свойственным псевдопластикам.
Оценены значения величин кажущейся энергии активации вязкого течения каж,
являющейся мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия макромолекул в
растворах, косвенной характеристикой прочности структуры полимерных текучих
систем. Определены величины «вязкостных объемов» V* или среднестатистических
размеров кинетических единиц, являющейся качественной характеристикой
подвижности структурных элементов и их размеров.
lg η (мПа/с )
Кривые течения 2% - ных уксусных растворов коллагена
при различных температурах
5,6
5,4
5,2
5
4,8
4,6
4,4
4,2
4
3,8
3,6
3,4
3,2
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
25C
15C
20C
30C
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1
1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3
3,2 3,4 3,6
lg τ (Па)
рис. 2. Кривые течения 2%-ных растворов коллагена в 6%-ной уксусной кислоте при
различных температурах
Установлено, что с увеличением концентрации коллагеновых растворов их
вязкостные свойства, величины эффективных вязкостей, критические напряжения
сдвига, величины каж, а также величины V* заметно повышаются.
Так с увеличением концентрации от 1 до 2 % параметры каж повышаются от
94,76 кдж/моль до 205,8 кдж/моль, а величины V* при 15С и напряжении сдвига
100Па возрастают от 2,75•10-21м3 до 6,07•10-21м3, что объясняется повышением
интенсивности межмолекулярных взаимодействий между α-цепями спирали
макромолекул коллагена при увеличении концентрации растворов. При увеличении
напряжений сдвига происходит постепенное механическое разрушение структурных
надмолекулярных ассоциатов тем больше, чем выше величины напряжений сдвига. Так
при более 100 Па разрушение приводит к соответствующему уменьшению размеров
ассоциатов V* вплоть до нановеличин (100нм). Дальнейшее увеличение температуры
исследуемых систем от 25С до 30С приводит к конформационному изменению
структуры спиралей коллагена, сопровождающемуся переходом «спираль-клубок»,
вследствие чего надмолекулярная структура растворов коллагена также изменяется,
вязкостные и структурные параметры резко падают.
Как видно из данных рисунка 2, при температурах 15-25оС наблюдается
незначительное изменение вязкости, следовательно, и в структуре растворов. При
нагревании растворов коллагена до 30оС и выше наблюдается резкое необратимое
снижение вязкости, изменение в структуре молекуле коллагена, т. е. происходит
денатурация.
На основе полученных данных следует вывод о том, что при выбранных нами
параметрах стадии технологического процесса можно получить из кожсырья КРС
коллаген с сохраненной нативной структурой, а так же растворы коллагена необходимо
хранить при температурах 15-20оС. При температуре раствора выше 23оС с течением
времени происходит самосборка коллагена.
Литература
1. Мазуров В.И. «Биохимия коллагеновых белков» М.: Медицина, 1974г.
2. Ленинджер А. «Основа биохимии», перевод с англ. Т 1. М.:Мир, 1985г.
3. Кованов В.В., Сычеников И.А. «Коллагенопластика в медицине» М.:
Медицина, 1978г.