ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ПАПАИНА С ЧАСТИЦАМИ ХИТОЗАНА И КАРБОКСИМЕТИЛХИТОЗАНА, ПОЛУЧЕННЫМИ В ПРИСУТСТВИИ И В ОТСУТСТВИЕ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Получены частицы среднемолекулярного и высокомолекулярного хитозана и карбоксиметилхитозана без и с добавлением аскорбиновой кислоты. Разработаны методики получения комплексов этих частиц с растительной протеазой папаином. Установлено, что активность комплексов папаина с частицами карбоксиметилхитозана существенно выше по сравнению с его комплексами с частицами хитозана. При этом комплексы с частицами хитозана и карбоксиметилхитозана, полученными с использованием аскорбиновой кислоты, показали более высокие значения протеолитической активности, чем комплексы с частицами полисахаридов, полученные без ее добавления. С помощью молекулярного докинга установлено, что аминокислотные остатки папаина взаимодействуют как с хитозаном, так и с карбоксиметилхитозаном в основном путем образования водородных связей и ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Кроме того, молекулы аскорбиновой кислоты и обоих типов полисахаридов взаимодействуют с аминокислотными остатками из активного центра папаина – Cys25 и His159, что, вероятно, способствует повышению активности и стабильности фермента в составе комплексов с частицами хитозана и карбоксиметилхитозана, в том числе за счет того, что аскорбиновая кислота предотвращает окисление тиольной группы папаина, ответственной за акт катализа.

Об авторах

М. Г Холявка

Воронежский государственный университет; Севастопольский государственный университет

Email: holyavka@rambler.ru
Воронеж, Россия; Севастополь, Россия

Ю. А Редько

Воронежский государственный университет

Воронеж, Россия

С. С Гончарова

Воронежский государственный университет

Воронеж, Россия

М. С Лавлинская

Воронежский государственный университет

Воронеж, Россия

А. В Сорокин

Воронежский государственный университет

Воронеж, Россия

М. С Кондратьев

Воронежский государственный университет; Институт биофизики клетки Российской академии наук – обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН»

Воронеж, Россия; Пущино, Россия

В. Г Артюхов

Воронежский государственный университет

Воронеж, Россия

Список литературы

  1. Тризна Е. Ю., Байдамшина Д. Р., Холявка М. Г., Шарафутдинов И. С., Хаирутдинова А. Р., Хафизова Ф. А., Закирова Е. Ю., Хафизов Р. Г., Богачев М. И. и Каюмов А. Р. Растворимые и иммобилизованные папаин и трипсин-деструкторы бактериальных биопленок. Гены и клетки, 10 (3), 106 (2015).
  2. Yaakobi T., Cohen-Hadar N., Yaron H., Hirszowicz E., Simantov Y., Bass A., and Freeman A. Wound debridement by continuous streaming of proteolytic enzyme solutions: Effects on experimental wound model in porcine. Wounds, 19, 192–200 (2007).
  3. Weiss J., Gibis M., Schuh V., and Salminen H. Advances in ingredient and processing systems for meat and meat products. Meat Sci., 86 (1), 196 (2010). doi: 10.1016/j.meatsci.2010.05.008
  4. Lopes M. C., Mascarini R. C., da Silva B. M., Flório F. M., and Basting R. T. Effect of a papain-based gel for chemomechanical caries removal on dentin shear bond strength. J. Dent. Child., 74 (2), 93–97 (2007).
  5. Flanagan R. J. and Jones A. L. Fab antibody fragments: some applications in clinical toxicology. Drug safety, 27 (14), 1115–1133 (2004). doi: 10.2165/00002018-200427140-00004
  6. Kaiser O., Aliuos P., Wissel K., Lenarz T., Werner D., Reuter G., Kral A., and Warnecke A. Dissociated neurons and glial cells derived from rat inferior colliculi after digestion with papain. PloS One, 8 (12), e80490 (2013). doi: 10.1371/journal.pone.0080490
  7. Holyavka M. G., Artyukhov V. G., Sazykina S. M., and Nakvasina M. A. Physical, chemical, and kinetic properties of trypsin-based heterogeneous biocatalysts immobilized on ion-exchange fiber matrices. Pharmaceut. Chem. J., 51 (8), 702–706 (2017). doi: 10.1007/s11094-017-1678-0
  8. Olshannikova S. S., Malykhina N. V., Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Yudin N. E., Vyshkvorkina Y. M., Lukin A. N., Holyavka M. G., and Artyukhov V. G. Novel immobilized biocatalysts based on cysteine proteases bound to 2-(4-acetamido-2-sulfanilamide) chitosan and research on their structural features. Polymers, 14 (15), 3223 (2022). doi: 10.3390/polym14153223
  9. Ouyang X., Reihill J. A., Douglas L. E. J., and Martin S. L. Airborne indoor allergen serine proteases and their contribution to sensitisation and activation of innate immunity in allergic airway disease. Eur. Respir. Rev., 33 (172), 230126 (2024). doi: 10.1183/16000617.0126-2023
  10. Tacias-Pascacio V. G., Castañeda-Valbuena D., Tavano O., Abellanas-Perez P., de Andrades D., SantizGómez J. A., Berenguer-Murcia Á., and Fernandez-Lafuente R. A review on the immobilization of bromelain. Int. J. Biol. Macromol., 273, 133089 (2024). doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.133089
  11. Rodrigues R. C., Ortiz C., Berenguer-Murcia Á., Torres R., and Fernández-Lafuente R. Modifying enzyme activity and selectivity by immobilization. Chem. Soc. Rev., 42 (15), 6290–6307 (2013). doi: 10.1039/c2cs35231a
  12. Rodrigues R. C., Berenguer-Murcia Á., Carballares D., Morellon-Sterling R., and Fernandez-Lafuente R. Stabilization of enzymes via immobilization: Multipoint covalent attachment and other stabilization strategies. Biotechnol. Adv., 52, 107821 (2021). doi: 10.1016/j.biotechadv.2021.107821
  13. Pronk S., Lindahl E., and Kasson P. M. Dynamic heterogeneity controls diffusion and viscosity near biological interfaces. Nature Commun., 5 (1), 3034 (2014). doi: 10.1038/ncomms4034
  14. Arsalan A. and Younus H. Enzymes and nanoparticles: Modulation of enzymatic activity via nanoparticles. Int. J. Biol. Macromol., 118, 1833–1847 (2018). doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.07.030
  15. Bilal M., Qamar S. A., Carballares D., BerenguerMurcia Á., and Fernandez-Lafuente R. Proteases immobilized on nanomaterials for biocatalytic, environmental and biomedical applications: Advantages and drawbacks. Biotechnol. Adv., 70, 108304 (2024). doi: 10.1016/j.biotechadv.2023.108304
  16. Gao P., Xia G., Bao Z., Feng C., Cheng X., Kong M., LiuY., and Chen X. Chitosan based nanoparticles as protein carriers for efficient oral antigen delivery. Int. J. Biol. Macromol., 91, 716–723 (2016). doi: 10.1016/j.ijbiomac.2016.06.015
  17. Ngasotter S., Xavier K. А. M., Meitei M. M., Waikhom D., Pathak J., and Singh S. K. Crustacean shell waste derived chitin and chitin nanomaterials for application in agriculture, food, and health – A review. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 6 (10), 100349 (2023). doi: 10.1016/j.carpta.2023.100349
  18. Lin K.-P., Feng G.-J., Pu F.-L., Hou X.-D., and Cao S.-L. Enhancing the thermostability of papain by immobilizing on deep eutectic solvents-treated chitosan with optimal microporous structure and catalytic microenvironment. Front. Bioeng. Biotechnol., 8, 576266 (2020). doi: 10.3389/fbioe.2020.576266
  19. Silva D. F., Rosa H., Carvalho A. F. А., and Oliva-Neto P. Immobilization of papain on chitin and chitosan and recycling of soluble enzyme for deflocculation of Saccharomyces cerevisiae from bioethanol distilleries. Enzyme Res., 2015, 573721 (2015). doi: 10.1155/2015/573721
  20. Zhang Z., Abidi N., and Lucia L. Smart superabsorbent alginate/carboxymethyl chitosan composite hydrogel beads as efficient biosorbents for methylene blue dye removal. J. Mater. Sci. Technol., 159, 81–90 (2023). doi: 10.1016/j.jmst.2023.02.045
  21. Geng Y., Xue H., Zhang Z., Panayi A. C., Knoedler S., Zhou W., Mi B., and Liu G. Recent advances in carboxymethyl chitosan-based materials for biomedical applications. Carbohydrate polymers, 305, 120555 (2023). doi: 10.1016/j.carbpol.2023.120555
  22. Zhang H., Gu Z., Li W., Guo L., Wang L., Guo L., Ma S., Han B., and Chang J. pH-sensitive O-carboxymethyl chitosan/sodium alginate nanohydrogel for enhanced oral delivery of insulin. Int. J. Biol. Macromol., 223, 433–445 (2022). doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.10.274
  23. Tan W., Long T., Wan Y., Li B., Xu Z., Zhao L., Mu C., Ge L., and Li D. Dual-drug loaded polysaccharide-based self-healing hydrogels with multifunctionality for promoting diabetic wound healing. Carbohydrate Polymers, 312, 120824 (2023). doi: 10.1016/j.carbpol.2023.120824
  24. Homaei A. A., Sajedi R. H., Sariri R., Seyfzadeh S., and Stevanato R. Cysteine enhances activity and stability of immobilized papain. Amino Acids, 38 (3), 937–942 (2010). doi: 10.1007/s00726-009-0302-3
  25. Gülçin İ. Antioxidant activity of food constituents: an overview. Arch. Toxicol., 86 (3), 345–391 (2012). doi: 10.1007/s00204-011-0774-2
  26. Klaui H. and Pongracz G. Ascorbic acid and derivatives as antioxidants in oils and fats. In: Vitamin C (ascorbic acid), Ed. by J. N. Counsell and D. H. Hornig (Applied Science Publishers, Englewood NJ, 1981), pp. 139–166.
  27. Ramos A. R., Tapia A. K. G., Pinol C. M. N., Lantican N. B., del Mundo Ma. L. F., Manalo R. D., and Herrera M. U. Effects of reaction temperatures and reactant concentrations on the antimicrobial characteristics of copper precipitates synthesized using L-ascorbic acid as reducing agent. J. Sci.: Adv. Mater. Devices, 4, 66–71 (2019). doi: 10.1016/j.jsamd.2018.12.009
  28. Verma M. L., Kumar S., Das A., Randhawa J. S., and Chamundeeswari M. Enzyme immobilization on chitin and chitosan-based supports for biotechnological applications. Sustainable Agricult. Rev., 35, 147–173 (2019). doi: 10.1007/978-3-030-16538-3_4
  29. Liu Y., Wang K., Zheng H., Ma M., Li S., and Ma L. Papain immobilization on interconnected-porous chitosan macroparticles: Application in controllable hydrolysis of egg white for foamability improvement. Food Hydrocolloids, 139 (2), 108551 (2023). doi: 10.1016/j.foodhyd.2023.108551
  30. Liu Y., Cai Z., Ma M., Sheng L., and Huang X. Effect of eggshell membrane as porogen on the physicochemical structure and protease immobilization of chitosan-based macroparticles. Carbohydrate Polymers, 242, 116387 (2020). doi: 10.1016/j.carbpol.2020.116387
  31. Sorokin A. V., Olshannikova S. S., Lavlinskaya M. S., Holyavka M. G., Faizullin D. A., Zuev Y. F., and Artukhov V. G. Chitosan graft copolymers with n-vinylimidazole as promising matrices for immobilization of bromelain, ficin, and papain. Polymers, 14 (11), 2279 (2022). doi: 10.3390/polym14112279
  32. Holyavka M., Faizullin D., Koroleva V., Olshannikova S., Zakhartchenko N., Zuev Y., Kondratyev M., Zakharova E., and Artyukhov V. Novel biotechnological formulations of cysteine proteases, immobilized on chitosan. Structure, stability and activity. Int. J. Biol. Macromolecules, 180, 161–176 (2021). doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.03.016
  33. Baidamshina D. R., Koroleva V. A., Olshannikova S. S., Trizna E. Yu., Bogachev M. I., Artyukhov V. G., Holyavka M. G., and Kayumov A. R. Biochemical Properties and Anti-Biofilm Activity of Chitosan-Immobilized Papain. Mar. Drug, 19 (4), 197 (2021). doi: 10.3390/md19040197
  34. Lavlinskaya M. S., Sorokin A. V., Mikhaylova A. A., Kuznetsov E. I., Baidamshina D. R., Saranov I. A., Grechkina M. V., Holyavka M. G., Zuev Y. F., Kayumov A. R., and Artyukhov V. G. The low-waste grafting copolymerization modification of chitosan is a promising approach to obtaining materials for food applications. Polymers, 16 (11), 1596 (2024). doi: 10.3390/polym16111596
  35. Сорокин А. В., Ольшанникова С. С., Малыхина Н. В., Сакибаев Ф. А., Холявка М. Г., Лавлинская М. С. и Артюхов В. Г. Ацильномодифицированные водорастворимые производные хитозана – носители для адсорбционной иммобилизации папаина. Биоорган. химия, 48 (3), 340–351 (2022). doi: 10.31857/S013234232202021X
  36. Ольшанникова С. С., Малыхина Н. В., Лавлинская М. С., Сорокин А. В., Холявка М. Г. и Артюхов В. Г. Разработка биокатализатора на основе папаина, стабилизированного в комплексах с хитозаном и его производными: карбоксиметилхитозаном и N-(2-гидрокси)пропил-3-триметиламмоний хитозаном. Биотехнология, 38 (1), 39–46 (2022). doi: 10.56304/S0234275822010057
  37. Гончарова С. С., Редько Ю. А., Лавлинская М. С., Сорокин А. В., Кондратьев М. С., Юдин Н. Е., Путинцева О. В., Наквасина М. А., Холявка М. Г. и Артюхов В. Г. Разработка биокатализатора на основе папаина, иммобилизованного на ацетате хитозана. Вестн. ВГУ. Сер. «Химия. Биология. Фармация», № 1, 82–88 (2023).
  38. da Silva Melo A. E. C., de Sousa F. S. R., dos Santos-Silva A. M., do Nascimento E. G., Fernandes-Pedrosa M. F., de Medeiros C. A. C. X., and da Silva-Junior A. A. Immobilization of papain in chitosan membranes as a potential alternative for skin wounds. Pharmaceutics, 15 (12), 2649 (2023). doi: 10.3390/pharmaceutics15122649
  39. Ol’shannikova S. S., Red’ko Y. A., Lavlinskaya M. S., Sorokin, A. V., Holyavka M. G., and Artyukhov V. G. Preparation of papain complexes with chitosan microparticles and evaluation of their stability using the enzyme activity level. Pharm. Chem. J., 55, 1240–1244 (2022). doi: 10.1007/s11094-022-02564-8
  40. Гончарова С. С., Редько Ю. А., Лавлинская М. С., Сорокин А. В., Холявка М. Г., Кондратьев М. С. и Артюхов В. Г. Биокатализаторы на основе ассоциатов папаина с наночастицами хитозана. Конденсированные среды и межфазные границы, 25 (2), 173–181 (2023). doi: 10.17308/kcmf.2023.25/11098
  41. Chen S.-C., Wu Y.-C., Mi F.-L., Lin Y.-H., Yu L.-C., and Sung H.-W. A novel pH-sensitive hydrogel composed of N, O-carboxymethyl chitosan and alginate cross-linked by genipin for protein drug delivery. J. Control. Release, 96 (2), 285–300 (2004). doi: 10.1016/j.jconrel.2004.02.002
  42. Королева В. А., Холявка М. Г., Ольшаникова С. С. и Артюхов В. Г. Разработка методики получения комплексов фицина с наночастицами хитозана с высоким уровнем протеолитической активности. Биофармацевтич. журн., 10 (4), 36–40 (2018).
  43. Sabirova A. R., Rudakova N. L., Balaban N. P., Ilyinskaya O. N., Demidyuk I. V., Kostrov S. V., Rudenskaya G. N., and Sharipova M. R. A novel secreted metzincin metalloproteinase from Bacillus intermedius. FEBS Lett., 584 (21), 4419–4425 (2010). doi: 10.1016/j.febslet.2010.09.049
  44. Laskowski R. A. and Swindells M. B. LigPlot+: multiple ligand-protein interaction diagrams for drug discovery. J. Chem. Inf. Model., 51 (10), 2778–2786 (2011). doi: 10.1021/ci200227u
  45. Salentin S., Schreiber S., Haupt V. J., Adasme M. F., and Schroeder M. PLIP: fully automated protein-ligand interaction profiler. Nucl. Acids Res., 43 (W1), W443–W447 (2015). doi: 10.1093/nar/gkv315
  46. Sikorski D., Gzyra-Jagieła K., and Draczyński Z. The kinetics of chitosan degradation in organic acid solutions. Marine Drugs, 19 (5), 236 (2021). doi: 10.3390/md19050236
  47. Nguyen T. T. B., Hein S., Ng C.-H., and Stevens W. F. Molecular stability of chitosan in acid solutions stored at various conditions. J. Appl. Polymer Sci., 107 (4), 2588–2593 (2007). doi: 10.1002/app.27376
  48. Poshina D. N., Raik S. V., Poshin A. N. and Skorik Y. A. Accessibility of chitin and chitosan in enzymatic hydrolysis: A review. Polymer Degradation and Stability, 156, 269–278 (2018). doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2018.09.005
  49. Матиев О. В. и Белов А. А. Иммобилизация папаина на хитозан. Успехи в химии и химической технологии, 35 (12), 117–119 (2021).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».