ssmuБюллетень сибирской медициныBulletin of Siberian Medicine1682-03631819-3684Siberian State Medical University, the Ministry of Healthcare of the Russian Federation10.20538/1682-0363-2017-1-36-49ssmu-772Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL PAPERSСпектральные параметры и биологическая активность высокомолекулярных соединений гуминовой природыSpectral parameters and biological activity of macromolecular compounds of humic etiologyЗыковаМ. В.ZykovaM. V.

канд. фарм. наук, доцент кафедры химии,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

PhD, Associate Professor, Department of Chemistry,

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050

gmv2@rambler.ruТрофимоваЕ. С.TrofimovaE. S.

канд. мед. наук, ст. научный сотрудник отдела иммунофармакологии, 

634028, г. Томск, пр. Ленина, 3

PhD, Senior Researcher, Department of Immunopharmacology, GRIPRM, TNIMC, RAN,

3, Lenina Str., Tomsk, 634028

КривощековС. В.KrivoshchekovS. V.

мл. научный сотрудник ЦНИЛ,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2;

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Junior Researcher, Central Research Laboratory, 2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050;

Postgraduate Student, Department of Technology of Organic Substances and Polymer materials, 30, Lenina Str., Tomsk, 634050

ЛигачёваА. А.LigachevaA. A.

научный сотрудник отдела иммунофармакологии,

634028, г. Томск, пр. Ленина, 3

 

PhD, Researcher, Department of Immunopharmacology, 

3, Lenina Str., Tomsk, 634028

ДанилецМ. Г.DaniletsM. G.

д-р биол. наук, гл. научный сотрудник отдела экспериментальных биологических моделей,

634028, г. Томск, пр. Ленина, 3

DBSc, Senior Researcher, Department of Experimental Biological Models of Immunopharmacology,

3, Lenina Str., Tomsk, 634028

ЛогвиноваЛ. А.LogvinovaL. A.

аспирант кафедры фармацевтического анализа,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

Postgraduate Student, Department of Pharmaceutical Analysis,

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050

ЖолобоваГ. А.ZholobovaG. A.

канд. хим. наук, доцент кафедры химии,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

PhD, Associate Professor, Department of Chemistry,

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050

ПрищеповаО. Ф.PrishchepovaO. F.

ст. преподаватель кафедры химии,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

Senior Lecturer, Department of Chemistry,

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050

ЮсубовМ. С.YusubovM. S.

гл. научный сотрудник ЦНИЛ, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30;

д-р хим. наук, профессор, зав. кафедрой технологии органических веществ и полимерных материалов, 634050, г. Томск, Московский тракт, 2

DChS, Professor, Principal Researcher of the Central Research Laboratory, SSMU, 

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050;

30, Lenina Str., Tomsk, 634050

БелоусовМ. В.BelousovM. V.

д-р фарм. наук, зав. кафедрой фармацевтического анализа,

634050, г. Томск, Московский тракт, 2

DPhs, Head of the Department of Pharmaceutical Analysis,

2, Moskow Trakt, Tomsk, 634050

Сибирский государственный медицинский университет (СибГМУ)РоссияSiberian State Medical University (SSMU)Russian FederationНаучно-исследовательский институт фармакологии и регенеративной медицины имени Е.Д. Гольдберга (НИИФиРМ им. Е.Д. Гольдберга), Томский национальный исследовательский медицинский центр (ТНИМЦ) Российской академии наук (РАН)РоссияGoldberg Research Institute of Pharmacology and Regenerative Medicine (GRIPRM), Tomsk National Research Medical Center (TNRMC), Russian Academy of Sciences (RAS)Russian FederationСибирский государственный медицинский университет (СибГМУ); Национальный исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ)РоссияSiberian State Medical University (SSMU); National Research Tomsk Polytechnic University (NR TPU)Russian Federation2017200420171613649Copyright © Зыкова М.В., Трофимова Е.С., Кривощеков С.В., Лигачёва А.А., Данилец М.Г., Логвинова Л.А., Жолобова Г.А., Прищепова О.Ф., Юсубов М.С., Белоусов М.В., 20172017Зыкова М.В., Трофимова Е.С., Кривощеков С.В., Лигачёва А.А., Данилец М.Г., Логвинова Л.А., Жолобова Г.А., Прищепова О.Ф., Юсубов М.С., Белоусов М.В.Zykova M.V., Trofimova E.S., Krivoshchekov S.V., Ligacheva A.A., Danilets M.G., Logvinova L.A., Zholobova G.A., Prishchepova O.F., Yusubov M.S., Belousov M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.ssmu.ru/jour/article/view/772

Цель работы – оценка возможности использования молекулярной спектроскопии (ИК-спектроскопии) как простого и информативного метода, позволяющего получить информацию о молекулярных соотношениях в структуре макромолекул ГК, а также сравнительный анализ их иммунотропной активности по способности влияния на продукцию оксида азота перитонеальными макрофагами мышей in vitro.

Материал и методы

Материал и методы. В работе использовали 18 различных ГК, полученных из девяти репрезентативных видов торфа из крупных торфяных месторождений Томской области. Гуминовые кислоты получали двумя способами – щелочной и пирофосфатной экстракцией. Молекулярные параметры структуры исследовали методом ИК-спектроскопии в таблетках с KBr. Биологическую активность ГК оценивали в культуре перитонеальных макрофагов, полученных из интактных мышей. В эксперименте использовали 100 мышей линии С57ВL/6J обоего пола в возрасте 8–12 нед.

Результаты

Результаты. Приведены кривые светопоглощения 18 различных ГК, установлены особенности и дана количественная оценка содержания различных структурных фрагментов на основании относительных интенсивностей полос поглощения. Исследована NO-стимулирующая активность ГК при культивировании с макрофагами мышей во взаимосвязи с молекулярными параметрами их структуры.

Заключение

Заключение. Показано, что ГК верховых видов торфа характеризуются более высоким содержанием карбонильных, карбоксильных и сложноэфирных групп, а низинных – ароматического углерода, фенольных и спиртовых гидроксилов, простых эфирных и углеводных фрагментов. При этом ГК верховых видов торфа индуцируют активацию клеток путем усиления продукции NO, которая снижается при экстракции щелочью. Гуминовые кислоты низинных торфов независимо от способа выделения включают примесь липополисахарида (ЛПС). Некоторые ГК, полученные пирофосфатом натрия, обладают более высокой иммунотропной активностью, вызывая специфическую, независимую от примеси эндотоксина стимуляцию антигенпрезентирующих клеток. 

Materials and methods

Materials and methods. 18 native humic acids (HAs) were received from nine representative types of peat of the Tomsk region. Two extraction methods were used: sodium hydroxide and sodium pyrophosphate. Molecular structure parameters were investigated by IR-spectroscopy. The assessement of qualitative and quantitative features of the IR-spectra of 18 different humic acids was made. When HAs with mouse macrophages were cultured their ability to influence the NO-stimulation was determined. Thus, the biological activity of HAs and its dependence on the parameters of the molecular structure were studied.

Results

Results. The results of infrared spectroscopy showed that the HAs of upland types of peat contain more carbonyl, carboxyl, and ester groups, and HAs of lowland types of peat contain more aromatic carbon, phenolic and alcoholic hydroxyl, ether and carbohydrate fragments. The results of biological activity showed that HAs from upland types of peat induce the formation of nitrogen oxide, wherein the cell activation decreases with HAs obtained by alkali. All types of HAs from lowland types of peat contain an admixture of endotoxin. Some HAs obtained by sodium pyrophosphate have higher immunotropic activity; the HAs can cause antigen-specific stimulation of cells. The activity of HAs does not depend on endotoxin admixture. The results of molecular spectroscopy showed that the most biologically active HAs have higher aromaticity and higher concentration of oxygen-containing functional groups. This result can be used as a marker factor in the standardization of HAs. 

гуминовые кислотыторфмолекулярная спектроскопиямакрофагиоксид азотаhumic acidspeatmolecular spectroscopymacrophagesnitric oxideReferencesОрлов Д.С. Гуминовые вещества в биосфере // Саровский образовательный журнал. 1997; 2: 56–63.Orlov D.S. Guminovye veshchestva v biosfere [Humic substances in the biosphere] // Sorovskiy obrazovatel’nyy zhurnal - Sarov educational journal. 1997; 2: 56–63 (in Russian).Schepetkin I.A.[et al.] Characterization and Biological Activities of Humic Substances from Mumie // Journal of agricultural and food chemistry. 2003; 5: 5245–5254.Schepetkin I.A.[et al.] Characterization and Biological Activities of Humic Substances from Mumie // Journal of agricultural and food chemistry. 2003; 5: 5245–5254.Senesi N., Miano T.M. Humic Substances in the Global Environment and Implications for Human Health. Amsterdam, the Netherlands: Elsevier, 1994; 927.Senesi N., Miano T.M. Humic Substances in the Global Environment and Implications for Human Health. Amsterdam, the Netherlands: Elsevier, 1994; 927.Валуев Л.И., Валуева Т.А., Валуев И.Л., Платэ Н.А. Полимерные системы для контролируемого выделения биологически активных соединений // Успехи биологической химии. 2003; 43: 307-328.Valuev L.I., Valueva T.A., Valuev I.L., Plate N.A. Polimernye sistemy dlya kontroliruemogo vydeleniya biologicheski aktivnykh soedineniy [The polymeric controlled release systems for bioactive compounds] // Uspekhi Biologicheskoi Khimii - Special issue. Biological chemistry reviews. 2003; 43: 307–328 (in Russian).Бузлама А.В., Чернов Ю.Н. Анализ фармакологических свойств, механизмов действия и перспектив применения гуминовых веществ в медицине // Экспериментальная и клиническая фармакология. 2010; 73(9): 43–48.Buzlama A.V., Chernov U.N. Analiz farmakologicheskikh svoystv, mekhanizmov deystviya i perspektiv primeneniya guminovykh veshchestv v meditsine [Humic substances: Pharmacological properties, mechanisms of action, and prospects for use in medicine] // Eksperimental’naya i klinicheskaya farmakologiya – Experimental and Clinical Pharmacology. 2010; 73 (9): 43–48 (in Russian).Chen J.С., LeBoeuf E.J., Choia S., Gua B. Spectroscopic Characterization of Structural and Functional Properties of Natural Organic Matter Fractions // Chemosphere. 2002; 48: 59–68.Chen J.С., LeBoeuf E.J., Choia S., Gua B. Spectroscopic Characterization of Structural and Functional Properties of Natural Organic Matter Fractions // Chemosphere. 2002; 48: 59–68.Mengchang H.E., Yehong SHI, Chunye LIN Characterization of humic acids extracted from the sediments of the various rivers and lakes in China // Journal of Environmental Sciences. 2008; 20: 1294–1299.Mengchang H.E., Yehong SHI, Chunye LIN Characterization of humic acids extracted from the sediments of the various rivers and lakes in China // Journal of Environmental Sciences. 2008; 20: 1294–1299.Stevenson F.J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. New York: Wiley&Sons, 1994: 496.Stevenson F.J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. New York: Wiley&Sons, 1994: 496.Караванова И.В. Оптические свойства почв. М.: Наука, 2003: 185.Karavanova I.V. Opticheskie svoystva pochvy [The optical properties of the soil]. М.: Nauka, 2003: 185 (in Russian).Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Инфракрасные спектры и строение органических соединений. М.: Мир, 2001: 656.Kuptsov A.Kh., Zhizhin G.N. Infrakrasnye spektry i stroenie organicheskikh soedineniy [Infrared spectra and structure of organic compounds]. М.: Mir, 2001: 656 (in Russian).Орлов Д.С., Осипова Н.Н. Инфракрасные спектры почв и почвенных компонентов. М.: МГУ, 1988: 89.Orlov D.S., Osipova N.N. Infrakrasnye spektry pochv i pochvennykh komponentov [Infrared spectra of soils and soil components ]. М.: MGU, 1988: 89 (in Russian).Sharma Y.R. Elementary Organic Spectroscopy / New Delhi: S. Chand&Company Ltd, 1999; 65.Sharma Y.R. Elementary Organic Spectroscopy / New Delhi: S. Chand&Company Ltd, 1999; 65.Zaccone C., Miano T.M., Shotyk W. Qualitative comparison between raw peat and related humic acids in an ombrotrophic bog profile // Organic Geochemistry. 2007; 38: 151-160. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2006.06.023.Zaccone C., Miano T.M., Shotyk W. Qualitative comparison between raw peat and related humic acids in an ombrotrophic bog profile // Organic Geochemistry. 2007; 38: 151-160. DOI: 10.1016/j.orggeochem.2006.06.023.Лиштван И.И. [и др.] Спектральные исследования фракций гуминовых кислот // Химия твердого топлива. 2006; 4: 3-11.Lishtvan I.I. [et al.] Spektral’nye issledovaniya fraktsiy guminovykh kislot [Spectral investigation of fractions of humic acid] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2006; 4: 3–11 (in Russian).Лиштван И.И. [и др.] Трансформация систем полисопряжения гуминовых кислот в процессе метаморфизма каустобиолитов // Химия твердого топлива. 2012; 3: 14.Lishtvan I.I. [et al.] Transformatsiya sistem polisopryazheniya guminovykh kislot v protsesse metamorfizma kaustobiolitov [Transformation of the polyconjugation systems of humic acids in the course of the metamorphism of caustobioliths] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2012; 3: 14–19 (in Russian).Патраков Ю.Ф., Счастливцев Е.Л., Мандаров Г.А. Изучение буроугольных гуминовых и фульвокислот методом ИК-спектроскопии // Химия твердого топлива. 2010; 5: 9–14.Patrakov Y.F., Schastlivtsev E.L., Mandrov G.A.Izuchenie burougol’nykh guminovykh i ful’vokislot metodom IK-spektroskopii [Characterization of brown coal humic and fulvic acids by ir spectroscopy] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2010; 5: 9–14 (in Russian).Stenberg B. [et al.] Visible and near infrared spectroscopy in soil science // Advances in Agronomy. 2010; 107: 163-215. DOI:org/10.1016/S0065-2113(10)07005-7.Stenberg B. [et al.] Visible and near infrared spectroscopy in soil science // Advances in Agronomy. 2010; 107: 163-215. DOI: org/10.1016/S0065-2113(10)07005-7.Belska N.V. [et al.] Water-soluble polysaccharide obtained from Acorus calamus L. classically activates macrophages and stimulates Th1 response // International Immunopharmacology. 2010; 10 (8): 933–942. DOI:10.1016/j.intimp.2010.05.005.Belska N.V., Guriev A.M., Danilets M.G. et al. Water-soluble polysaccharide obtained from Acorus calamus L. classically activates macrophages and stimulates Th1 response // International Immunopharmacology. 2010; 10 (8): 933–942. DOI: 10.1016/j.intimp.2010.05.005.Марыганова В.В., Бамбалов Н.Н., Парамон С.В. Воздействие вида экстрагента на структуру извлекаемых из торфа гуминовых кислот // Химия твердого топлива. 2003; 1: 3–10.Maryganova V.V., Bambalov N.N., Parmon S.V. Vozdeystvie vida ekstragenta na strukturu izvlekaemykh iz torfa guminovykh kislot [The effect of the extractant type on the structure of humic acids extracted from peat ] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2003; 1: 3–10 (in Russian).Kiprop A.K. [et al.] Synthesis of Humic and Fulvic Acids and their Characterization using Optical Spectroscopy (ATR-FTIR and UV-Visible) // International Journal of Applied Science and Technology. 2013; 3 (8): 28–35.Kiprop A.K. [et al.] Synthesis of Humic and Fulvic Acids and their Characterization using Optical Spectroscopy (ATR-FTIR and UV-Visible) // International Journal of Applied Science and Technology. 2013; 3 (8): 28–35.Shin H.S., Monsallier J.M., Choppin G. R. Spectroscopic and chemical characterizations of molecular size fractionated humic acid // Talanta. 1999; 50: 641–647.Shin H.S., Monsallier J.M., Choppin G. R. Spectroscopic and chemical characterizations of molecular size fractionated humic acid // Talanta. 1999; 50: 641–647.Наумова Г.Н., Стригуцкий В.П., Жмакова Н.А., Овчинникова Т.Ф. Связь молекулярной структуры гуминовых кислот и их биологической активности // Химия твердого топлива. 2001; 2: 3–3.Naumova G.V., Striguckij V.P., Zhmakova N.A., Ovchinnikova T.F. Svyaz’ molekulyarnoy struktury guminovykh kislot i ikh biologicheskoy aktivnosti [The relation between the molecular structure of humic acids and their biological activity] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2001; 2: 3–13 (in Russian).Ненаходов Д.В. [и др.] Определение состава препаратов гуминовых кислот различной чистоты методами спектроскопии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009; 9(5): 665–670.Nenakhov D.V. [et al.] Opredelenie sostava preparatov guminovykh kislot razlichnoy chistoty metodami spektroskopii [Determination of the composition of preparations of humic acids of different purity spectroscopy methods] // Sorbtsionnye i khromatograficheskie protsessy – Sorption and chromatography processes. 2009; 9(5): 665–670 (in Russian).Новикова Л.Н. [и др.] Состав гуминовых веществ окисленного бурого угля Монголии // Химия твердого топлива. 2010; 2: 14–24.Novicova L.N. [et al.] Sostav guminovykh veshchestv okislennogo burogo uglya Mongolii [Composition of humic substances in oxidized brown coal from mongolia] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2010; 2: 14–24 (in Russian).Сивакова Л.Г., Лесникова Н.П., Ким Н.М., Ротова Г.М. Физико-химические свойства гуминовых веществ торфа и бурого угля // Химия твердого топлива. 2011; 1: 3–8.Sivakova L.G., Lesnikova N.P., Kim N.M., Rotova G.M. Fiziko-khimicheskie svoystva guminovykh veshchestv torfa i burogo uglya [Physicochemical properties of the humic substances of peat and brown coal] // Khimiya tverdogo topliva – Solid Fuel Chemistry. 2011; 1: 3–8 (in Russian).Юдина Н.В. Тихова В.И. Структурные особенности гуминовых кислот торфов, выделенных разными способами // Химия растительного сырья. 2003; 1: 93–96.Yudina N.V., Tikhova V.I. Strukturnye osobennosti guminovykh kislot torfov, vydelennykh raznymi sposobami [Structural features of peat humic acids isolated in many ways ] // Khimija Rastitel’nogo Syr’ja - Khimija Rastitel’nogo Syr’ja. 2003; 1: 93–96 (in Russian).Ellerbrock R.H, Höhn A., Gerke H.H. Characterization of soil organic matter from a sandy soil in relation to management practice using FT-IR spectroscopy // Plant and Soil. 1999; 213: 55–61.Ellerbrock R.H, Höhn A., Gerke H.H. Characterization of soil organic matter from a sandy soil in relation to management practice using FT-IR spectroscopy // Plant and Soil. 1999; 213: 55–61.Gondar D. [et al.] Characterization and acid-base properties of fulvic and humic acids isolated from two horizons of on ombrotrophic peat bog // Geoderma. 2005; 126(3–4): 367–374.Gondar D. [et al.] Characterization and acid-base properties of fulvic and humic acids isolated from two horizons of on ombrotrophic peat bog // Geoderma. 2005; 126(3–4): 367–374.Klavins M., Sire J. Variations of humic acids properties within peat profiles // Peat and Mires. 2009; 4: 175–197.Klavins M., Sire J. Variations of humic acids properties within peat profiles // Peat and Mires. 2009; 4: 175–197.Li L. [et al.] Characterization of humic acids by ultrafiltration // Organic Geochemistry. 2004; 35: 1025–1037.Li L. [et al.] Characterization of humic acids by ultrafiltration // Organic Geochemistry. 2004; 35: 1025–1037.Fernandes А. [et al.] Elemental and spectral properties of peat and soil samples and their respective humic substances // Journal of Molecular Structure. 2010; 971 (1): 33–38. DOI: 10.1016/j.molstruc.2010.02.069Fernandes А. [et al.] Elemental and spectral properties of peat and soil samples and their respective humic substances // Journal of Molecular Structure. 2010; 971 (1): 33–38. DOI: 10.1016/j.molstruc.2010.02.069Трофимова Е.С. [и др.] Влияние гуминовых кислот торфа различного генеза на продукцию оксида азота in vitro (скрининговое исследование) // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2016: 5: 629–636.Trofimova E.S. [et al.] Vliyanie guminovykh kislot torfa razlichnogo geneza na produktsiyu oksida azota in vitro (skriningovoe issledovanie) [Influence of peat humic acids of various origins in the production of nitric oxide in vitro (screening test)] // Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny – Bulletin of experimental biology and medicine. 2016: 5: 629–636 (in Russian).Schepetkin I.A., Quinn M.T Botanical polysaccharides: macrophage immunomodulation and therapeutic potential // International Immunopharmacol. 2006; 6 (3): 317–333.Schepetkin I.A., Quinn M.T Botanical polysaccharides: macrophage immunomodulation and therapeutic potential // International Immunopharmacol. 2006; 6 (3): 317–333.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.