Sensor systems for medical application based on hemoproteins and nanocomposite materials

Abstract

1 Учреждение Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича РАМН, 119121, Москва, ул. Погодинская, д. 10; факс: 8 (499) Достижения в нанобиотехнологии в последние годы позволили сделать большой прогресс в разработке сенсорных систем на основе нанокомпозитных материалов. В обзоре рассмотрены собственные и литературные данные по наносенсорным системам на основе функционально-значимых для медицины гемопротеинов. Особое внимание уделено электрохимическим нанобиосенсорам и принципам функционирования сенсорных систем медицинского назначения на их основе.Ключевые слова: гемопротеины, электрохимические биосенсоры, нанокомпозитные материалы, каталаза, пероксидаза, цитохром Р450, гемоглобин, миоглобин.ВВЕДЕНИЕ. Одной из задач инженерной (технической) нанотехнологии является сопряжение наноразмерных биообъектов с измерительными аналитическими устройствами. Получение гибридных бионеорганических нанокомпозитных материалов служит "мостом" для такого сопряжения.Функциональная значимость в организме гемопротеинов высока. Участвуя в различных процессах метаболизма живых существ, гемопротеины играют важную роль в поддержании жизни на земле. Гемоглобин и миоглобин осуществляют транспорт молекул кислорода. Цитохром с переносит электроны в митохондриальной дыхательной цепи. Цитохром с оксидаза катализирует реакцию терминального окисления в дыхательной цепи с участием молекулярного кислорода; пероксидаза -окисление органических субстратов пероксидом водорода, а каталаза -разложение самой перекиси. Цитохромы Р450 участвуют в гидроксилировании органических молекул. Синтез оксида азота из L-аргинина катализирует NO-синтаза (рисунок). С химической точки зрения едва ли не всё это многообразие функций основано на окислительно-восстановительных свойствах железа гема [1]. Редокс-активность каталитического центра гемопротеинов и широкий круг катализируемых ими реакций делают гемопротеины перспективными в создании электрохимических биосенсоров. Конструирование платформ для иммобилизации ферментов и детектирования сигнала вовлекает передовые нанотехнологии и наноматериалы, включая нановолокна [2], углеродные нанотрубки [3][4][5] , модификацию поверхности датчиков наночастицами золота [6][7][8][9], пленками полимеров [10][11][12][13][14][15], различными полимерными мембранами [16][17][18][19][20] и т.д. 55 * -адресат для переписки

Preparation of Electrochemical Biosensor Systems for the Analysis of Biological Objects: a Reasonable Choice of Modifications of the Working Surface of Electrodes for Performing Research in the "Smart Electrode" Mode

“…2) было создано соответствующее микроокружение фермента с помощью природных липидов или липидоподобных синтетических соединений, таких как ДДАБ. ДДАБ и ранее применялся в наших работах [18][19][20][21][22] для иммобилизации гемопротеинов или антител на рабочем графитовом электроде в качестве биосовместимой мембраны для удержания и фиксации белков. ДДАБ используют также и для синтеза наночастиц золота в качестве стабилизирующего агента по отношению к коллоидным растворам золота [23,24].…”

Evaluation of the Structure-Activity Relationship of Hemoproteins through Physicochemical Studies: Hemoglobins as a Prototype of Biosensor

“…Indeed, these applications require the elaboration of novel materials, which includes, in several cases, an especial role to the hemoproteins, considering its chemical properties. Shumyantseva and coworkers, for example, reported significant advancements in biosensor development based on nanocomposite materials, with hemoproteins as fundamental components [6]. The previous knowledge of the principal chemical agent of the system will favor the interpretation of the first results and the resolution of the eventual initial limitations.…”

“…Iron as metallic center, mainly when its more stable oxidation states are considered, 2+ and 3+, tends to occur, in terms of coordination chemistry, in hexacoordinated and octahedral complexes, since its electronic configurations are the well-known d 6 and d 5 electronic distributions, respectively. Considering that iron is an element of the first series of transition metals (first period of the transition metals in the periodic table), its electronic configuration can be observed in the high-and low-spin states, since the 3d orbital is relatively small, precluding a more intense d orbital splitting, when in contact with weak-field ligand, such as Fand Cl -.…”