Гіалуронова кислота являє собою продукт тваринного походження, який широко використовується в медицині і косметології. Властивості цієї речовини ще не до кінця вивчені, а його вплив на організм людини є перспективним для створення лікарських препаратів нового покоління. Дане з’єднання активно бере участь в процесах ембріогенезу, ділення клітин, їх диференціації та переміщення в процесі імунної відповіді.
Історія відкриття та термінологія
Гіалуронова кислота за формулою відноситься до гликозаминогликанам, молекули яких складаються з повторюваних ланок, що не містять сульфатних груп. Вперше це високомолекулярна сполука було виділено з склоподібного тіла великої рогатої худоби. Спочатку вчені припускали, що речовина характерно тільки для ссавців. Проте в 1937 р. це було спростовано – його отримали з рідкої середовища, в якій культивували гемолітичний стрептокок. У 1954 р. у британському загальнонауковому журналі «Nature» була вперше опублікована структурна формула гіалуронової кислоти.
Загальновживане назва речовини пов’язано з історією його відкриття (англ. «hyaloid» – скловидний, «uronic acid» – уроновая кислота). У міжнародній хімічній термінології існує також назва «гіалуронан», яке об’єднує кислоту і її солі. Хімічна формула гіалуронової кислоти має вигляд: C₂₈H₄₄N₂O₂₃.
В даний час спектр його застосування дуже широкий: медицина, косметологія, фармація. Гіалуронова кислота використовується в якості основного і допоміжного речовини. Властивості з’єднання, відкриті в останні роки, мають великі перспективи для використання в майбутньому, тому попит на даний біополімер постійно зростає.
Будова
Формула гіалуронової кислоти являє собою типовий аніонний полісахарид. Молекули з’єднані в довгі лінійні ланцюжки. У споріднених речовин – глюкозоаминогликанов – є велика кількість сульфатованих груп. Цим пояснюється утворення різноманітних ізомерів – з’єднань, що відрізняються по просторовому розташуванню атомів. Розрізняються і їх хімічні властивості. Гіалуронова кислота, на відміну від глюкозоаминогликанов, завжди хімічно ідентична. Її властивості не залежать від методів отримання та виду вихідних матеріалів.
До складу гіалуронової кислоти входять D-глюкуронова кислота і N-ацетил-D-гликозамин, які з’єднані між собою бета-глікозидного зв’язком і формують її дисахаридные ланки (глюкопіранозні кільця, що мають молекулярну масу близько 450). Їх кількість в молекулах даного з’єднання може досягати 25 000. Завдяки цьому кислота має високу молекулярну масу (5 000-20 000 000 Так).
Структурна формула дисахаридного фрагмента гіалуронової кислоти показана на малюнку нижче.
У складі кислоти є гідрофобні і гідрофільні ділянки, завдяки чому це високомолекулярна сполука в просторі має вигляд закрученої стрічки. Сукупність декількох ланцюгів утворюють клубок пухкого будови. Здатність зв’язувати та утримувати до 1000 молекул води є ще однією особливістю формули гіалуронової кислоти. Біохімія цієї речовини обумовлена в першу чергу його високою гігроскопічністю, забезпечує насичення тканин водою і підтримання внутрішнього об’єму.
Хімічні властивості
Гіалуронова кислота володіє наступними характерними хімічними властивостями:
- формування великої кількості водневих зв’язків;
- створення кислої реакції середовища у водних розчинах з-за наявності депротонованої карбоксильної групи;
- утворення розчинних солей з лужними металами;
- формування у водному розчині міцної гелевої структури (псевдогеля), що містить значну кількість вологи (білкові комплекси при цьому часто випадають в осад);
- створення нерозчинних комплексів з важкими металами і барвниками.
Зовні водні розчини речовини нагадують за консистенцією яєчний білок. Структурна формула гіалуронової кислоти дозволяє їй приймати кілька форм, в залежності від іонного оточення середовища:
- ліва одинарна спіраль;
- многонитевые плоскі структури;
- подвійна спіраль;
- сверхспирализованные структури з щільною молекулярної сіткою.
Остання форма є третинної і здатна поглинати великий обсяг води, електролітів, високомолекулярних білків.
Відмінності гіалуронової кислоти різного походження
Як вже зазначалося вище, структура даної речовини має велику схожість незалежно від джерела його отримання. Відмінністю між кислотами бактеріального і тваринного походження є ступінь їх полімеризації. Формула гіалуронової кислоти, одержаної з джерел тварин, має більшу довжину в порівнянні з бактеріальною формою (4 000-6 000 і 10 000-15 000 мономерів відповідно).
Розчинність у воді у цих речовин однакова і залежить в основному від наявності гідроксильних і сольових груп в дисахаридных залишках. Так як хімічна структура кислоти за своєю суттю подібна у всіх живих особин, це зводить до мінімуму ризик негативних імунологічних реакцій і відторгнення при її введенні в організм людини і тварин.
Роль у природі
Основне місцезнаходження гіалуронової кислоти – склад міжклітинної (або позаклітинного) матриксу тканин ссавців. Як показують наукові дослідження, вона є також в капсулах деяких бактерій – стрептококів, стафілококів та інших паразитарних мікроорганізмів. Синтез з’єднання відбувається і в організмі безхребетних тварин (найпростіші, членистоногі, голкошкірі, черви).
Вчені припускають, що здатність до вироблення гіалуронової кислоти в бактеріях сформувалася еволюційно, для підвищення їх вірулентних властивостей в організмі господаря. Завдяки її наявності мікроорганізми можуть легко проникати через шкіру і колонізувати її. Такі бактерії-паразити здатні нейтралізувати імунну відповідь господаря і провокують розвиток більш активного запального процесу, ніж інші штами мікробів.
Гіалуронова кислота продукується білками, які вбудовані в клітинну оболонку або мембрани внутрішньоклітинних органел. Найбільша концентрація речовини в тілі людини відзначається в рідині, що заповнює порожнини суглобів, у пуповині, склоподібному тілі ока і шкірі.
Обмін речовин
Синтез гіалуронової кислоти проходить у вигляді ферментативних реакцій в 3 етапи:
- Глюкозо-6-фосфат – глюкозо-1-фосфат (фосфорилированная глюкоза) – УДФ-глюкоза – глюкуронова кислота.
- Аміноцукор – глюкозамін-6-фосфат – N-ацетілглюкозамін-1-фосфат– УДФ-N-ацетілглюкозамін-1-фосфат.
- Гликозидтрансферазная реакція з участю ферменту гиалуронатсинтетазы.
За добу в організмі людини виробляється і розпадається приблизно 5 г цієї речовини. Загальна кількість кислоти становить близько семи тисячних відсотка за масою. У хребетних тварин синтез кислоти відбувається під впливом 3 типів білків-ферментів (гіалуронат-синтетаз). Вони являють собою металлопротеины, що складаються з катіонів металів і глюкозидфосфатов. Гіалуронат-синтетази є єдиними ферментами, катализирующими вироблення кислоти.
Процес руйнування молекул C₂₈H₄₄N₂O₂₃ відбувається під дією гиалуронатлитических ферментів. В організмі людини їх налічується не менше семи, а деякі з них пригнічують процеси опухолеобразования. Продуктами розпаду гіалуронової кислоти є оліго – і полісахариди, які стимулюють утворення нових кровоносних судин.
Функції в організмі людини
Колаген і гіалуронова кислота в складі шкіри людини є найбільш цінними речовинами, від яких залежить пружність і гладкість дерми. C₂₈H₄₄N₂O₂₃ виконує наступні функції:
- збереження води, що забезпечує еластичність шкірного покриву і його тургор;
- створення необхідної ступеня в’язкості міжклітинної рідини;
- участь у розмноженні основних і імунокомпетентних клітин епідермісу;
- підтримання росту і відновлення пошкоджених ділянок шкіри;
- зміцнення волокон колагену;
- посилення місцевого імунітету;
- захист від впливу вільних радикалів, хімічних і біологічних агентів.
Найбільша концентрація цієї речовини спостерігається у шкірі ембріона. При старінні велика частина кислоти зв’язується білками, з-за чого падає рівень гідратації шкірного покриву. Особливо сильно знижується здатність до саморегулювання обміну у людей старше 50 років.
Визначені також наступні властивості гіалуронової кислоти у складі синовіальної рідини:
- формування гомогенної структури для утримання специфічного компоненти хрящової тканини – хондроїтину сульфату;
- зміцнення колагенового каркаса хряща;
- забезпечення змащення рухомих частин суглобів, зменшення їх зносу.
Біологічна роль молекул кислоти відрізняється залежно їх молекулярної маси. Так, сполуки, у складі яких міститься до 1500 мономерів надають протизапальний ефект і беруть активну участь в побудові колагенової мережі. Полімери з ланцюжком до 2000 мономерів відіграють роль у підтримці гідробалансу, а високомолекулярні сполуки володіють найбільш яскравими антиоксидантними властивостями.
Гіалуронова кислота також бере участь у формуванні і розвитку ембріона, в управлінні клітинної рухливістю – міграції клітин з одного місця в інше, в деяких взаємодії з поверхневими рецепторами клітин.
Отримання
Розрізняють 2 основні групи способів отримання речовини:
- Фізико-хімічні (витяг з тканин ссавців, хребетних тварин і птахів). Так як у тваринному сировину кислота часто міститься у комплексі з білками і іншими полісахаридами, то потрібно ретельне очищення отриманого продукту, що впливає на собівартість кінцевого препарату. Для отримання кислоти в промислових масштабах застосовують пуповину новонароджених дітей і гребені домашніх курей. Існують і інші способи екстракції – з очей великої рогатої худоби, рідини, що заповнює порожнини суглобів і суглобових сумок; плазми крові, хрящів, свинячої шкіри.
- Мікробні методи, на основі бактерій, культивованих в живильному середовищі. Основними продуцентами є бактерії Pasteurellamultocida і Streptococcus. Ці методи вперше були випробувані в 1953 р. Вони є більш економічними, а також не залежать від сезонних поставок сировини.
У першому випадку біологічні матеріали руйнують методами подрібнення і гомогенізації, а потім витягають кислоту в суміші з пептидами допомогою впливу органічними розчинниками. Отриману масу обробляють ферментами або видаляють білки шляхом денатурації з допомогою хлороформу або суміші етанолу з аміловим спиртом. Після цього проводиться концентрування речовини на активованому вугіллі. Остаточну очищення роблять методами іонообмінної хроматографії або осадженням хлоридом цетилпіридиній.
Використання в медицині
Гіалуронова кислота застосовується при таких патологіях:
- офтальмологія – катаракта; використання в якості хірургічної середовища під час операцій;
- ортопедія – остеоартрит, захист суставногохряща від руйнування, а також для стимуляції його відновлення (ендопротези синовіальної рідини);
- хірургія – збільшення об’єму м’яких тканин, операції з широким висіченням хрящової тканини;
- фармацевтика – виготовлення ліків на базі полімерної структури сполуки (таблетки, капсули, креми, гелі, мазі);
- харчова промисловість – спортивне харчування;
- гінекологія – противоспаечные кошти;
- дерматологія – лікування опіків, посттромботических трофічних порушень шкіри.
Згідно з прогнозами вчених, ця речовина може стати основою для нової групи препаратів для лікування онкологічних захворювань.
Перспективними є також інші властивості кислоти:
- антимікробний, противірусний ефект (з’єднання активно відносно вірусу герпесу та інших);
- поліпшення мікроциркуляції крові;
- протизапальний ефект;
- пролонговану дію (поступове розчинення в тканинах людини).
Вітаміни
Гіалуронова кислота в складі вітамінів застосовується у вигляді очищеного гіалуронату натрію, який є її аналогом. Основне призначення речовини – збереження молодості шкіри, її зволоження, загоєння ран. Для поліпшення засвоєння до складу вітамінних комплексів вводять аскорбінову кислоту.
Також ведуться дослідження по розробці лікарських препаратів і БАД з протизапальною та імуномодулюючою дією, які можна буде застосовувати в багатьох галузях людської діяльності.
Косметологія
У косметології це з’єднання використовується для корекції вікових змін. Завдяки тому, що структура кислоти схожа для всіх живих організмів, вона є придатною для застосування в якості дермального філера (ін’єкцій), особливо навколо очей. Для того щоб речовина довше зберігалося в епідермісі, виробляють його модифікацію з допомогою молекул-зшивок (кросслінкерів). «Зшиті» філлери відрізняються один від одного по в’язкості гелю, концентрації кислоти, тривалості розсмоктування в шкірі.
Ін’єкції вводяться всередині – або підшкірно у вигляді 1-3% водного розчину. Це сприяє підвищенню еластичності і пружності тканин, помітного розгладженню зморшок.
C₂₈H₄₄N₂O₂₃ додають також до складу зовнішньої косметики – гелів, пінок, кремів та інших основних засобів. Гіалуронова кислота в складі позначається як hyaluronic acid (а гіалуронат натрію sodium hyaluronate). Даний вид косметичної продукції має ті ж властивості, що і філери – запобігає утворенню зморшок, вугрів, сприяє насиченню шкіри вологою.
