KOLAGEN-Fotodegradacja

(english version)

Fotodegradacja – degradacja inicjowana promieniowaniem ultrafioletowym (szereg różnych reakcji zachodzących w polimerze łańcuchowo lub równocześnie, z których najważniejszą jest pękanie łańcucha głównego).

Fotostarzenie - inicjowane promieniowaniem słonecznym złożone reakcje degradacji zachodzące w organizmach żywych oraz podczas użytkowania wyrobów biopolimerowych i polimerowych w obecności tlenu, wody i innych czynników występujących w środowisku.

Oddziaływanie promieniowania UV z makrocząsteczkami

Badania wpływu promieniowania UV na związki wielkocząsteczkowe pochodzenia syntetycznego (polimery) jak i pochodzenia naturalnego (biopolimery) związane są z następującymi zagadnieniami:

- oddziaływaniem promieniowania UV z widma słonecznego ze światem roślinnym i zwierzęcym produkującym biopolimery;

- stosowaniem polimerów i biopolimerów do wyrobu wielu materiałów narażonych na działanie promieniowania UV;

- wykorzystaniem promieniowania UV do szybkiej polimeryzacji monomerów na powierzchni biopolimeru;

- modyfikacją powierzchniową polimerów i biopolimerów;

- koniecznością stabilizacji polimerów i biopolimerów w celu przedłużenia czasu ich użytkowania;

- Wykorzystania promieniowania UV do sterylizacji materiałów produkowanych na bazie polimerów i biopolimerów.

Biopolimery od zawsze były narażone na oddziaływanie z promieniowaniem ultrafioletowym pochodzącym z widma słonecznego. Pierwsze dane dotyczące działania promieniowania UV na organizmy żywe pochodzą z roku 1887. Wtedy po raz pierwszy zauważono, że promieniowanie UV zabija bakterie. Od tego momentu znacznie wzrosło zainteresowanie promieniowaniem UV jako czynnikiem szkodliwym, Z czasem powstały odrębne dziedziny nauki zajmujące się oddziaływaniem promieniowania UV z materią ożywioną i nieożywioną: fotobiologia i fotochemia. Promieniowanie UV emitowane przez słońce podzielono na trzy kategorie: UVC (220-290 nm), UVB (290-320 nm), UVA (320-400 nm). Przed promieniowaniem UVC chroni warstwa ozonu zawarta w stratosferze Ziemi. Promieniowanie UVA i UVB penetruje powierzchnię ziemi i oddziaływuje z organizmami żywymi. Przemiany fotochemiczne wywołane w organizmach żywych promieniowaniem o l < 300 nm niosą ze sobą niekorzystne, a nawet chorobotwórcze następstwa. W ostatnich latach na skutek pojawienia się lokalnych dziur ozonowych znacznie wzrosła dawka promieniowania UV docierającego do ziemi. To powoduje, że biopolimery już w czasie powstawania ulegają pewnym modyfikacjom. W organizmach żywych modyfikacje najczęściej zachodzą w obrębie oczu i skóry. Z drugiej strony, promieniowanie UV wykorzystuje się w celu leczenia niektórych schorzeń, do inicjowania procesów polimeryzacji na powierzchni biopolimerów, a także do sterylizacji.

Chociaż wiele reakcji zachodzących podczas napromieniania polimerów i biopolimerów jest dobrze znanych, niektóre z nich mają charakter hipotetyczny, niektóre zaś są zupełnie niezbadane. Zidentyfikowanie produktów pośrednich tych, często niezwykle szybkich, procesów nie zawsze jest możliwe. Badania produktów końcowych sugerują przebieg reakcji kilkoma możliwymi drogami, nierzadko zachodzącymi równocześnie. W przypadku biopolimerów reakcje fotochemiczne zachodzące in vitro i in vivo mogą znacznie się od siebie różnić.

Kolagen jest głównym biopolimerem organizmów żywych. Występuje w skórze, ścięgnach, kościach, rogówce oka, błonach i kapilarach. Ze względu na właściwości biologiczne, nietoksyczność, biozgodność ze wszystkimi organizmami żywymi oraz duże rozpowszechnienie kolagen jest stosowany jako biomateriał w medycynie, przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym.

Najnowsze badania wykazują, że w skład rodziny kolagenów wchodzi aż 20 typów tego białka. Cechą charakterystyczną kolagenu jest fakt, że cząsteczka tego białka jest potrójną helisą, w której podstawowy tryplet aminokwasów utrzymujący tę strukturę to glicyna, prolina i hydroksyprolina (GlyProHyp).

Utworzony z aminokwasów łańcuch polipeptydowy zawiera szereg wiązań, wokół których może się odbywać wewnętrzna rotacja. Konformacja łańcuchów polipeptydowych decyduje o drugorzędowej strukturze kolagenu. Długi łańcuch polipeptydowy tworzy helisę. Struktura trzeciorzędowa powstaje przez połączenie trzech łańcuchów polipeptydowych w potrójną helisę. Powstanie struktury trzeciorzędowej możliwe jest dzięki występowaniu wiązań sieciujących. Wiązania te odgrywają decydującą rolę w kształtowaniu się specyficznej struktury cząsteczki kolagenu. Dzięki wiązaniom sieciującym tworzą się struktury wyższych rzędów. Struktura czwartorzędowa powstaje przez połączenie potrójnych helis w fibryle, a struktura piątego rzędu powstaje przez połączenie fibryl we włókna . W miarę starzenia się organizmu wzrasta liczba wiązań sieciujących (głównie kowalencyjnych), co powoduje, że struktura kolagenu staje się bardziej sztywna, a kolagen z formy rozpuszczalnej przechodzi w formę nierozpuszczalną.

Różnego rodzaju czynniki np. podwyższenie temperatury, zmiana wartości pH czy duża dawka promieniowania mogą doprowadzić do zniszczenia naturalnej struktury kolagenu, np. do jego denaturacji. Polega ona na zmianach drugo- i trzeciorzędowej struktury ich cząsteczki bądź zmianach ich struktury nadcząsteczkowej przebiegających bez rozrywania wiązań peptydowych, czyli z zachowaniem struktury pierwszorzędowej białka. W przypadku kolagenu denaturacja oznacza przejście struktury helikalnej w statystyczny kłębek. Temperatura denaturacji zależy od zawartości wody w kolagenie i od stopnia jego usieciowania.

Kolagen pełni głównie funkcje podporowe w organizmie, jest czynnikiem kontrolującym rozmieszczenie sił wewnętrznych i zewnętrznych działających na ustrój. Materiały kolagenowe znane są z tego, że mogą w swej strukturze wiązać ogromne ilości wody.

Oddziaływanie promieniowania UV z kolagenem zachodzi in vivo w żywych organizmach jak również z materiałami kolagenowymi wykorzystywanymi w różnych gałęziach przemysłu i medycynie. Szczególnie ważna jest stabilność fotochemiczna w przypadku sterylizacji materiałów kolagenowych promieniowaniem UV.

Starzenie się kolagenu in vitro wynika z fotosieciowania i z fotochemicznego utleniania. Rezultatem jest zmiana właściwości mechanicznych i termodynamicznych kolagenu.

Dotychczasowe badania wykazały, że roztwory kolagenu pod wpływem promieniowania UV tracą zdolność do wytwarzania fibryl, a wynikiem procesów fotochemicznych jest zarówno sieciowanie jak i degradacja. Głównymi chromoforami absorbującymi UV w kolagenie są aminokwasy aromatyczne: tyrozyna i fenyloalanina. Typ reakcji fotochemicznych i ich wydajność zależy od obecności innych substancji w tym białku.

Schemat 1. Zmiany konformacyjne i koagulacja kolagenu

a) cząsteczka kolagenu w postaci potrójnej helisy utrzymywanej przez wiązania wodorowe wenątrz- i międzycząsteczkowe,

b) stopniowe jej niszczenie wskutek rozrywania wiązań wodorowych, co prowadzi do skłębiania cząsteczki,

c) tworzenie rodników wskutek odrywania podstawników bocznych,

d) tworzenie rodników wskutek rozrywania wiązań peptydowych.

Promieniowanie UV prowadzi w polimerach do pękania łańcucha głównego i tworzenia makrorodników. W atmosferze powietrza makrorodniki te mogą reagować z tlenem dając makrorodniki tlenkowe i nadtlenkowe prowadzące do reakcji wtórnych. Wynikiem tych reakcji jest mieszanina produktów fotodegradacji i utleniania.

Zastosowanie w ostatnich latach metod chromatograficznych pozwoliło na zbadanie zmian zachodzących pod wpływem UV nie tylko w strukturze drugo- i trzeciorzędowej, ale również w strukturze pierwszorzędowej kolagenu. Analiza składu aminokwasowego kolagenu wskazuje, że pod wpływem promieniowania UV maleje zawartość aminokwasów aromatycznych. Powstają z nich nowe związki, takie jak dityrozyna czy 3,4-dihydroksyfenyloalanina zwana DOPA. Jednak nie o każdej długości fali promieniowanie UV powoduje rozpad aminokwasów aromatycznych. Wykazano, że w kolagenie ze skóry cielęcej UVC (254 nm) powoduje destrukcję aminokwasów aromatycznych, natomiast UVA (366 nm) i promieniowanie słoneczne nie wywołują tej przemiany.

Promieniowanie UVC (220-290 nm) powoduje degradację cząsteczki kolagenu i powstawanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej. Ich identyfikacja jest obiektem ciągłych badań.

Przemiany fotochemiczne w kolagenie są ciągłym obiektem badań i nie stanowią zamkniętego rozdziału w badaniach tego biopolimeru. Doniesienia literaturowe dotyczą różnych typów kolagenu, izolowanych z różnych tkanek i różnych organizmów stąd też wyniki nie zawsze są powtarzalne. Różne typy kolagenu różnią się między sobą swymi specyficznymi właściwościami stąd mogą różnie zachowywać się pod wpływem działania energii cieplnej, czynników chemicznych czy światła.

Uwagi i komentarze: Alina Sionkowska : as@chem.uni.torun.pl