ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Денатурация белков, коагуляция крови

Когда белки определенного типа адсорбируются на поверх­ности стекла или кремнеземе, они денатурируют, но затем, ко­гда снова десорбируются, оказывается, что их структура под­верглась необратимым изменениям. Полагают, что реакция бел­ков с кремнеземом, который вводится в брюшину подопытных животных, обусловливается подобной денатурацией. Рюттнер и Ислер [256] отметили, что глобулины особенно сильно адсорби­руются на поверхности кремнезема, и после десорбции обнару­живается их денатурация. Шил, Флелшер и Клемперер [257] на основании изучения взаимодействия кремнезема с белками пришли к заключению, что возникающий при этом токсический эффект является следствием денатурации белков.

Следовало бы ожидать, что меньшие по размеру частицы и, таким образом, образцы кремнезема с большей удельной поверх­ностью будут давать больший эффект денатурации. Однако Лундгрен и Свенссон [258] обнаружили, что при заданном ко­личестве кремнезема такой эффект увеличивался с увеличением размера частиц, когда сравнивались частицы с диаметрами 10, 14 и 60 нм. Кроме того, оказалось, что токсичность пересыщен­ного раствора монокремневой кислоты повышалась по мере полимеризации кремнезема [259], Таким образом, ниже опре­деленного низкого значения молекулярной массы или опреде­ленного размера частиц поликремневая кислота вообще не вы­зывает денатурацию белка, тогда как с увеличением размера частиц выше этого предельного значения денатурация возра­стает. Однако выше указанного предела заметно снижается величина удельной поверхности кремнезема, что вызывает по­нижение его активности. Следовательно, когда частицы разме­ром более 10 нм сравниваются в отношении их токсичности при инъекции внутривенно кремнезема, следует иметь в виду, что токсичность может уменьшаться с возрастанием размеров частиц просто из-за понижения их удельной поверхности [260].

Было найдено, что гемолиз красных кровяных телец (эритро­цитов) не происходил в присутствии монокремневой кислоты, но начинался, как только кремнезем в процессе полимеризации формировался в сравнительно большие по размеру частицы. Так, уже через 20 мин при рН 7,4 0,2 %-ный раствор мономер­ного кремнезема полимеризовался настолько, что начинал про­являть активность [261]. При исходной концентрации моно­мера 0,125 % гемолиз начинался только через 5 ч. Харли и Марголис [262] установили, что гемолиз не происходил в при­сутствии частиц кремнезема размером 4 или 3 нм, но наблю­дался для частиц размером 5 нм и в дальнейшем с возраста­нием размеров частиц (5,5; 6 и 30 нм) эффективность про­цесса повышалась.

Как объясняет Марголис [263], действие кремнезема обус­ловливается адсорбцией и денатурацией глобулярного белка—• фактора Хагемана. Было обнаружено, что степень денатурации возрастала с увеличением размеров частиц коллоидного кремне­зема, который добавлялся в систему. Предложенный механизм заключался в том, что на достаточно больших по размеру ча­стицах или же на плоских поверхностях кремнезема при фор­мировании монослоев молекула белка растягивается под дей­ствием адсорбционных сил. Но в том случае, когда размер ча­стиц кремнезема очень мал, молекулярные сегменты белка, не раскрываясь, присоединяются сразу к различным кремнеземным частицам. Для пояснения рассматриваемых эффектов приве­ден рис. 7.6, аналогичный рисунку в работе Марголиса. В том случае, когда молекула белка адсорбируется на большей по размеру частице кремнезема или на образованном из малень - ших частиц большом агрегате, цепь молекулы белка растяги­вается, при этом некоторое число внутренних водородных свя­зей, удерживавших молекулу белка в какой-либо специфической конформации, оказываются разорванными. На одиночных ча­стицах небольшого размера подобного растяжения молекулы не происходит [264—266].

Активность процесса денатурации в расчете на 1 г кремне­зема достигает максимума при кремнеземных частицах диамет­ром 20—30 нм. Однако такая активность, рассчитанная на еди­ницу площади поверхности кремнезема, быстро возрастает по

Мере того, как диаметр частиц увеличивается от 3 до 10 нм, а затем возрастает более медленно с увеличением размеров ча­стиц вплоть до 100 нм. В случае силикагеля компактный агре-

(б) (д)

Гат, состоящий из небольших кремнеземных частиц диаметром 3 нм, очевидно, обеспечивает формирование достаточно разви­той поверхности для активной денатурации белка. Однако в си­ликагеле, состоящем из частиц диаметром 30 нм, уже каждая отдельная частица действует в качестве активного участка де­натурации. В любом случае активность, отнесенная к 1 г Si02, кажется низкой из-за того, что только наружная поверхность гранулы силикагеля участвует в таком процессе. Интересно от­метить, что когда на эритроциты действовали кремнеземными частицами размером 3 нм, то они, очевидно, покрывались не­большими частицами в такой степени, что молекулы белка уже не испытывали денатурацию при последующем воздействии кремнеземных частиц большего размера.

Мицеллы, состоящие из свободных жирных кислот и по­добно кремнезему проявляющие слабокислотный характер, спо­
собны также, согласно данным Марголиса [267], вызывать в токе крови денатурацию в соответствии с фактором Хагемана и свертывание крови.

В зависимости от испытуемого животного материала должны существовать некоторые основные различия либо в энергиях адсорбции кремнезема на эритроцитах, либо в проявляемых механических воздействиях. Ариенцо и Бресчано [268] сооб­щили, что количество данного типа Si02, необходимого, чтобы вызывать гемолиз 106 клеток, составляло (в микрограммах) 0,104 для крысы, 0,173 для человека, 0,33 для кролика, 0,63 для курицы, 1,17 для быка, 4,8 для лошади и до 80,0 для лягушки с промежуточными в указанном интервале значениями для дру­гих животных.

Наблюдения Холта и Вента [269] наводят на мысль о том, что кремнеземные частицы размером меньше 5 нм и, следова­тельно, безвредные могут стать токсичными в биологической си­стеме за счет какого-либо типа полимеризации, стимулируемой внутри данной системы. Авторы наблюдали, что полимеризация кремнеземных частиц может иметь место, когда монослой белка (инсулина), находящийся на поверхности жидкости — очень разбавленного золя кремневой кислоты,— поглощает кремнезем из раствора, и при последующем сжатии пленки частицы крем­незема тесно сближаются. Такая полимеризация протекает наи­более быстро в области рН 5,4—6,1, т. е. как раз при тех зна­чениях рН, когда идет наиболее быстро процесс гелеобразова­ния кремнеземных золей. Это означает, что, хотя поликремневая кислота, состоящая из частиц размером меньше 5 нм, мо­жет быть безвредной в биологической системе, частицы тем не менее способны объединиться вместе в большие агрегаты бла­годаря отмеченному выше механизму, особенно в том случае, когда биологические мембраны могут сжиматься. Образовав­шиеся большие агрегаты могут затем становиться активными по отношению к денатурации белка.

Когда эритроциты, помещенные в суспендированную среду — коллоидный кремнезем (с частицами диаметром 14 нм),— цент­рифугировали, состоящая из клеток поверхность сморщивалась с образованием зернистой структуры, которая, вне всякого сом­нения, появлялась благодаря деформации, возникшей при ад­сорбции коллоидных частиц [270]. Браун [271] наблюдал, что липиды поверхности эритроцитов адсорбировались кремнезе­мом. Депассе и Варлус [272] предположили, что сильное свя­зывание частиц кремнезема с поверхностью эритроцитов обус­ловливается присутствием в мембране четвертичных аммоние­вых ионов.

Не все белки, адсорбированные кремнеземом, испытывают денатурацию. Так по крайней мере угл°булины, которые ад­сорбировались на измельченном в порошок кварце, сохраняли свои антигенные специфические свойства. На основании подоб­ных фактов авторы работы [273] пришли к заключению, что иммунологические реакции, имеющие отношение к возникнове­нию силикоза, могли и не быть следствием образования анти­тел, действующих против белковых молекул сыворотки, изме­нившихся под воздействием частиц кварца. Однако другие типы белков, безусловно, испытывают денатурацию и могут ока­заться причиной силикоза.