Введение к работе
Актуальность работы. Проблема влагообмена, роль свободной и связанной воды в биологических структурах являются ключевыми вопросами, т.к. все прижизненные и посмертные процессы развиваются в биогетерогенных водных системах. Хотя последние десятилетия характеризуются интенсивным и разносторонним изучением роли воды в структурной организации биополимеров, лишь немногочисленные исследования посвящены изучению влияния характера связанной воды на структурную устойчивость белков и физико-химические свойства тканей человека и животных (Михайлов А.Н., 1980; Аксенов СИ., 1990; Есипова Н.Г.,. 1965-1995; Привалов П.Л., 1987; Kuntz J.D., 1971, 1974; Bull Н.В., 1979; Van Hal D.A., 1996; Bert T.L.,1995).
При изучении способности биологических тканей поглощать воду из жидкой и паровой фазы недостаточно уделялось внимание участию в этом процессе отдельных структурных компонентов и белков, количество и структурная конформация которых может меняться при различных заболеваниях, а также в процессе химических и физических воздействий.
Одной из недостаточно разработанных крупных проблем химии биологических систем, является также изучение состояния воды в биологически активных веществах растительного происхождения. До сих пор не существует четких представлений, позволяющих объяснить особые свойства воды в структуре БАВ. Что же касается данных о состоянии воды в различных флавоноидах, об энергии и природе ее связей, то в литературе они практически отсутствуют. Для оценки действия лекарственных веществ и решения некоторых практических вопросов биотехнологии их производства и хранения важна количественная оценка водно-солевого транспорта через клеточные мембраны. Несмотря на большое количество работ по изучению влажностных характеристик БАВ, этот вопрос остается актуальным до сих пор (Попков В.А., 1981-1985г.г.; Сироткина Г.Г., 1996г.; Botha S.A., 1986; Chen Т.,1995; Kerk J., 1995).
Существующие в литературе расхождения в оценках гидратации являются существенным препятствием для создания концепций механизма взаимодействия биологических структур с водой. Причины расхождения в значительной мере связаны с трудностью интерпретации данных, полученных разными методами.
В связи с этим актуальной проблемой является разработка научной основы и создание методологии исследования механизмов гидратации для получения данных о формах и энергии связи воды, поглощаемой из жидкой и паровой фазы биологическими структурами животного и растительного происхождения.
Такие данные необходимы при диагностике заболеваний, в судебной медицине, в трансплантологии, при консервации органов и тканей, в производстве кожи и меха, а также в фармацевтической промышленности
при разработке методик получения лекарственных средств, для научного обоснования регламента сушки, контроле за их качеством, сохранностью и
ДР-
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение влияния воды на биологические структуры различных тканей человека и животных, на клеточные мембраны и БАВ растительного происхождения и углубленное исследование закономерностей гидратации и проницаемости различных биоструктур и их физико-химических характеристик при взаимодействии с водой. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
Разработать научные основы и создать методологию изучения состояния воды и ее влияния на физико-химические свойства биологических структур животного и растительного происхождения.
Изучить закономерности гидратации и экспериментально обосновать наличие нескольких типов воды, связанной различной степенью прочности в тканях человека, животных, клеточных структурах и фитопрепаратах в условиях различной относительной влажности.
Изучить топографические, возрастные, аутолитические особенности состояния воды в коже, ахилловых сухожилиях, хряще, мышце человека, животных и в их структурных компонентах.
Исследовать влияние структурной модификации коллагена и степени дезорганизации углеводно-белковых комплексов на влагообменные процессы в соединительной ткани и ее физико-химические свойства.
Оценить влияние фиксирующих и консервирующих растворов на сорбционные и физико-химические характеристики различных биологических тканей.
Изучить механизм возникновения пергаментации биологических тканей и разработать метод их восстановления.
Исследовать связь между сорбционными свойствами и химической структурой стандартов фитопрепаратов и лекарственных средств и определить влияние воды на их физико-химические свойства.
Научная новизна. Создана научная основа и методология изучения влияния воды на биологические структуры животного и растительного происхождения. Комплекс акваметрических и физико-химических методов исследования позволил дать развернутую объективную оценку состояния воды в различных биоструктурах на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях.
Проведенные исследования позволили впервые дать сравнительную количественную оценку различных форм связанной воды и выявить отличительные закономерности гидратации в разных тканях (кожа, мышцы, хрящ, сухожилия) и их структурных компонентах (дерма, эпидермис, коллаген, эластин, гликозаминогликаны) в норме, онтогенезе, при посмертном аутолизе, структурных нарушениях, связанных с денатурацией коллагена и дезорганизацией белково-полисахаридного
комплекса, при формальдегидной фиксации, обработке консервирующими веществами, в процессе сушки и регидратации.
Полученные в работе данные являются новой информацией для расшифровки механизмов развития патологических изменений органов и тканей человека и животных, связанных со старением организма, с дезорганизацией отдельных структурных компонентов биологических тканей и тканевых биополимеров, а также для обоснования различных медикаментозных обработок в процессе лечения.
Получены принципиально новые данные о взаимосвязи между структурной организацией биологических тканей человека и животных, их влажностными параметрами и физико-химическими свойствами (реология, структурная устойчивость и др.).
Впервые изучены закономерности гидратации биологически активных веществ растительного происхождения, как функции гидротермических параметров окружающей среды. В условиях повышенной относительной влажности окружающей среды в субстанциях выявлено существование фракций свободной воды, радикально влияющей на их свойства.
Научно-практическая значимость. В результате использования акваметрических и физико-химических методов исследования: титрование с реактивом Фишера, сорбционный метод, набухание в жидкой воде, высушивание до постоянного веса и термический анализ (дифференциально-сканирующая калориметрия и термогравиметрия), ядерный магнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, гидротермическая устойчивость, а также биохимические методы исследования, разработаны научные основы и создана методология, позволяющая проводить объективную оценку влагообменных процессов в любых биологических структурах, объектах животного и растительного происхождения и контролировать их сохранность при различных воздействиях.
Результаты исследования по влиянию посмертного аутолиза на изменение характера связывания и содержания воды в различных тканях человека и животных, их биохимического состава и физико-химических свойств имеют важные выводы для теории и практики трансплантации органов и тканей, их консервации и в различных судебно-медицинских исследованиях. Полученные результаты, в частности, позволяют выбрать оптимальный режим влажностных характеристик для длительного сохранения консервированных биологических структур.
Кроме того, выводы работы по изучению влагообменных процессов в тканях, фиксированных формальдегидом, и обработанных консервирующими растворами, могут быть использованы при разработке искусственных трансплантантов мягких тканей с заранее заданными свойствами.
: Определенную практическую значимость для решения проблем длительного сохранения и восстановления внешнего вида мумий и биообъектов, с точки зрения биотехнологических задач в археологии и палеонтологии, имеют результаты исследования механизма, возникновения пергаментации при сушке и разработка специального метода реставрации пергаментированных тканей посредством ее регидратации. Сведения о влиянии воды на свойства кожи, дермы и коллагена могут быть использованы в технологических процессах переработки кожи и меха.
Результаты исследования состояния воды и ее влияния на биологически активные вещества растительного происхождения позволили уточнить характеристики стандартных веществ: гигроскопичность, температурные интервалы удаления различішх типов связанной воды и температуры плавления самих веществ, которые заложены в фармстатью на флавоноид-стандартный образец, в Т.У.-рутин-стандарт, Т.У.-кверцетин-стандартный образец и другую научно-техническую документацию. Результаты исследования использованы при разработке новых методик получения кверцетин-стандарта и флакозид-стандарта. Предложены рекомендации по работе с субстанциями и стандартами, учитывающие наличие и влияние выявленных фракций свободной и связанной воды на их свойства.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 40 работ.
Основные результаты доложены: на Научном совете по проблемам биологической физики АН СССР г.Тбилиси, 1973г.; на XI Всесоюзном симпозиуме по Реологии, г.Суздаль, 1980г.; на Всесоюзном симпозиуме "Механизмы действия ионизирующего излучения на структуру и функцию белков", г.Львов, 1986г., АН СССР; на Всесоюзной научно-технической конференции "Реологии и оптимизация процессов переработки полимеров" г.Ижевск, 1989г.; на VIII Всесоюзной школе по биологии опорно-двигательного аппарата, г.Киев, 1990г.; на 15-ой Международной конференции "Ядерный магнитный резонанс в биологии и медицине", Израиль, 1993г.; на юбилейной научной сессии, посвященной 100-летию со дня рождения Н.А.Преображенского, Москва, 1996г.; на 2-ой международной конференции по химии природных соединений, Турция, г.Эскешихир, 1996г.
Вклад автора. Автору принадлежит основная роль в выборе направления исследования, обобщении и трактовке полученного экспериментального материала. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель участвовал на всех этапах исследования от постановки задачи и эксперимента, до обсуждения и оформления результатов.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 302 страницах, содержит 33 таблицы и 64 рисунка. Работа состоит из введения, литературного обзора (3 главы), экспериментальной части (гл.4),