Исследование радикальных форм каротиноидов в жидкости,
твердой фазе и в организованных средах.

Н.Э. Поляков, Т.В. Лёшина

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Роль каротиноидов в живой природе многообразна, прежде всего, они известны как природные пигменты, цветовому многообразию которых обязаны своей окраской овощи, фрукты, растения, а также некоторые птицы и рыбы. Известно, что каротиноиды играют важную роль в процессах фотосинтеза, выполняют защитные функции, а также проявляют мощную антиоксидантную активность. Какие факторы определяют биологическую активность каротиноидов? Предполагается, что важнейшую роль в химии каротиноидов играют процессы переноса электрона. Для понимания детального механизма действия каротиноидов на молекулярном уровне представляется крайне важным исследование структуры и свойств радикальных форм каротиноидов, включая ион-радикалы и нейтральные радикалы. Исследованию этого вопроса и посвящен предлагаемый цикл работ.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Представленный на конкурс цикл включает пять работ, опубликованных в международных изданиях. Три из них – это оригинальные статьи, и две – обзоры (один из обзоров представляет главу в иностранной монографии). Первый обзор посвящен радикалам и ион-радикалам каротиноидов, методам их генерации и исследованию их свойств и структуры с помощью современных физических методов, включая радиоспектроскопию. Значительную часть исследований в этой области составили собственные работы авторов. Второй обзор посвящен исследованию реакционной способности каротиноидов в организованных средах (комплексы включения и мицеллы) – новой, ранее практически не исследованной области, расширяющей возможности их применения. Дело в том, что широкое практическое применение каротиноидов, в частности в медицине, сильно ограничивается их нерастворимостью в воде, а также нестабильностью в присутствие света, кислорода и ионов металлов. В ряде оригинальных работ мы показали, что все эти проблемы могут быть решены с использованием супрамолекулярных комплексов. В частности, представленные на конкурс работы являются демонстрацией возможностей используемого авторами подхода, а также перспектив практического применения полученных фундаментальных результатов.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Используемый подход обусловлен особенностью строения радикальных форм каротиноидов, а именно, наличием протяженной сопряженной цепочки двойных связей в их структуре, которая характеризуется большим количеством малых по величине констант сверхтонкого взаимодействия. Это делает неинформативным применение стационарного ЭПР, но зато методики импульсного ЭПР и ENDOR, а также квантово-химические расчеты дают хорошие результаты. Оригинальным моментом настоящего исследования, не имеющего аналогов в мировой литературе, является исследование реакционной способности супрамолекулярных комплексов каротиноидов с природными олигосахаридами и полисахаридами. Они были приготовлены с использованием оригинального подхода, разработанного авторами (механохимический синтез). Хорошей иллюстрацией возможностей нашего подхода является усиление фото-каталитической активности наночастиц двуокиси титана в присутствие водорастворимых комплексов каротиноидов.

4. Полученные результаты и их значимость.

Представленные на конкурс работы вносят весомый вклад в понимание химии каротиноидов и во многом восполняют существующий в литературе пробел в плане отсутствия аналитических обзоров в данных областях (радикальная химия каротиноидов и супрамолекулярная химия каротиноидов, работы №1 и №2). Представленные оригинальные работы (работы №3-5) демонстрируют как широкие возможности методов ЭПР в исследовании свойств парамагнитных интермедиатов каротиноидов, так и перспективы применения полученных результатов для создания эффективных антиоксидантов, препаратов для фотодинамической терапии, а также для разработки новых фото-каталитических устройств. В частности, зарегистрированы и охарактеризованы методами ЭПР, ENDOR и квантово-химическими расчетами радикалы и ион-радикалы ряда каротиноидов, образующихся на поверхности наночастиц двуокиси титана и в мезопорах Ti-MCM-41. Обнаружено значительное усиление выхода свободных радикалов как в твердой фазе, так и в растворе при фотолизе TiO2 в присутствие комплексов каротиноидов.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Коллектив авторов цикла находится в числе лидеров в области супрамолекулярной и радикальной химии каротиноидов.
Представленные работы поддержаны грантом РФФИ 08-03-00372 и грантом U.S. Department of Energy, DE-FG02-86ER13465.
Материалы цикла докладывались на следующих конференциях:

  1. Inclusion Complexes of Carotenoids with Glycyrrhizic Acid. A new approach to drug design. International Symposium “Advances in Science for Drug Discovery”, Moscow, 2005.
  2. Supramolecular complexes of glycyrrhizin and biologically active molecules. IVth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, 2006.
  3. Photostability of supramolecular complexes of some drugs and vitamins. International Conference on Molecular/Nano-Photochemistry, Photocatalysis and Solar Energy (Solar‘08). Cairo, Egypt, 2008.
  4. Supramolecular water-soluble complexes of carotenoids. Международная конференция «Органическая нанофотоника», июнь 2009, Санкт-Петербург.
  5. Free radical processes in supramolecular complexes of carotenoids. Joint Russian-Austrian seminar, September 2009, Novosibirsk.
  6. Electron transfer and free radical processes in supramolecular complexes of carotenoids. Международный симпозиум по спиновой химии, август 2009, Канада.
  7. Water soluble carotenoid cojugates with oligo- and polysaccharides. Synergy of drug transport and efficacy. International symposium Nanotech 2010, June 2010, Anahaim, USA.
  8. Механохимический синтез и свойства супрамолекулярных систем, включающих низкомолекулярные органические соединения и углеводсодержащие поли- и олигомеры» Российский семинар с международным участием "Горячие точки химии твердого тела: химия молекулярных кристаллов и разупорядоченных фаз", октябрь 2010, Новосибирск.
И другие.

6. Сторонние соавторы и вклад авторского коллектива.

А.В. Душкин, Е.С. Метелева (ИХТТМ СО РАН); A.L. Focsan, D.A. Dixon, L.D. Kispert, T. A. Konovalova (University of Alabama, USA). Вклад авторского коллектива составляет около 70%.

Список прилагаемых статей.
  1. L.D. Kispert and N.E. Polyakov, Highlight Review: Carotenoid radicals. Cryptochemistry of Natural Colorants,Chem. Lett., 2010, 39, 148-155.
  2. N.E. Polyakov, L.D. Kispert, Water Soluble Supramolecular Complexes of ß-Carotene and Other Carotenoids,In: Beta Carotene: Dietary Sources, Cancer and Cognition. Eds. by L. Haugen and T. Bjornson, Nova Science Publishers, 2009, pp. 191-230 (ISBN: 978-1-61728-145-7).
  3. N.E. Polyakov, T.V. Leshina, E.S. Meteleva, A.V. Dushkin, T.A. Konovalova, and L.D. Kispert, Water Soluble Complexes of Carotenoids with Arabinogalactan,. Journal of Physical Chemistry B, 2009, 113, 275-282.
  4. T.A. Konovalova, S. Li, N.E. Polyakov, A.L. Focsan, D.A. Dixon, L.D. Kispert, Measuring Ti(III)-Carotenoid Radical Interspin Distances in Ti-MCM-41 by Pulsed EPR Relaxation Enhancement Method.,J. Phys. Chem. B, 2009, 113, 8704–8716.
  5. N. E. Polyakov, T. V. Leshina, E. S. Meteleva, A. V. Dushkin, T. A. Konovalova, L. D. Kispert, Enhancement of Photocatalytic Activity of TiO2 Nanoparticles by Water Soluble Complexes of Carotenoids , J. Phys. Chem. B, 2010, DOI: 10.1021/jp908578j