Гиалуроновая кислота: формула, состав, свойства, влияние на организм и применение

Гиалуроновая кислота представляет собой продукт животного происхождения, который широко используется в медицине и косметологии. Свойства этого вещества еще не до конца изучены, а его воздействие на организм человека является перспективным для создания лекарственных препаратов нового поколения. Данное соединение активно участвует в процессах эмбриогенеза, деления клеток, их дифференциации и перемещения в процессе иммунного ответа.

История открытия и терминология

Гиалуроновая кислота по формуле относится к гликозаминогликанам, молекулы которых состоят из повторяющихся звеньев, не содержащих сульфатных групп. Впервые это высокомолекулярное соединение было выделено из стекловидного тела крупного рогатого скота. Сначала ученые предполагали, что вещество характерно только для млекопитающих. Однако в 1937 г. это было опровергнуто – его получили из жидкой среды, в которой культивировали гемолитический стрептококк. В 1954 г. в британском общенаучном журнале «Nature» была впервые опубликована структурная формула гиалуроновой кислоты.

Общеупотребительное название вещества связано с историей его открытия (англ. «hyaloid» – стекловидный, «uronic acid» – уроновая кислота). В международной химической терминологии существует также название «гиалуронан», которое объединяет кислоту и ее соли. Химическая формула гиалуроновой кислоты имеет вид: C₂₈H₄₄N₂O₂₃.

В настоящее время спектр ее применения очень широк: медицина, косметология, фармация. Гиалуроновая кислота используется в качестве основного и вспомогательного вещества. Свойства соединения, открытые в последние годы, имеют большие перспективы для использования в будущем, поэтому спрос на данный биополимер постоянно растет.

Строение

Формула гиалуроновой кислоты представляет собой типичный анионный полисахарид. Молекулы соединены в длинные линейные цепочки. У родственных веществ – глюкозоаминогликанов - имеется большое количество сульфатированных групп. Этим объясняется образование разнообразных изомеров – соединений, отличающихся по пространственному расположению атомов. Различаются и их химические свойства. Гиалуроновая кислота, в отличие от глюкозоаминогликанов, всегда химически идентична. Ее свойства не зависят от методов получения и вида исходных материалов.

В состав гиалуроновой кислоты входят D-глюкуроновая кислота и N-ацетил-D-гликозамин, которые соединены между собой бета-гликозидной связью и формируют ее дисахаридные звенья (глюкопиранозные кольца, имеющие молекулярную массу около 450 Да). Их количество в молекулах данного соединения может достигать 25 000. Благодаря этому кислота имеет высокую молекулярную массу (5 000-20 000 000 Да).

Структурная формула дисахаридного фрагмента гиалуроновой кислоты показана на рисунке ниже.

В составе кислоты имеются гидрофобные и гидрофильные участки, благодаря чему это высокомолекулярное соединение в пространстве имеет вид закрученной ленты. Совокупность нескольких цепей образуют клубок рыхлого строения. Способность связывать и удерживать до 1000 молекул воды является еще одной особенностью формулы гиалуроновой кислоты. Биохимия этого вещества обусловлена в первую очередь его высокой гигроскопичностью, обеспечивающей насыщение тканей водой и поддержание внутреннего объема.

Химические свойства

Гиалуроновая кислота обладает следующими характерными химическими свойствами:

• формирование большого количества водородных связей;
• создание кислой реакции среды в водных растворах из-за наличия депротонированной карбоксильной группы;
• образование растворимых солей с щелочными металлами;
• формирование в водном растворе прочной гелевой структуры (псевдогеля), содержащей значительное количество влаги (белковые комплексы при этом часто выпадают в осадок);
• создание нерастворимых комплексов с тяжелыми металлами и красителями.

Внешне водные растворы вещества напоминают по консистенции яичный белок. Структурная формула гиалуроновой кислоты позволяет принимать ей несколько форм, в зависимости от ионного окружения среды:

• левая одинарная спираль;
• многонитевые плоские структуры;
• двойная спираль;
• сверхспирализованные структуры с плотной молекулярной сеткой.

Последняя форма является третичной и способна поглощать большой объем воды, электролитов, высокомолекулярных белков.

Отличия гиалуроновой кислоты различного происхождения

Как уже указывалось выше, структура данного вещества имеет большое сходство вне зависимости от источника его получения. Различием между кислотами бактериального и животного происхождения является степень их полимеризации. Формула гиалуроновой кислоты, полученной из животных источников, обладает большей длиной по сравнению с бактериальной формой (4 000-6 000 и 10 000-15 000 мономеров соответственно).

Растворимость в воде у этих веществ одинакова и зависит в основном от наличия гидроксильных и солевых групп в дисахаридных остатках. Так как химическая структура кислоты по своей сути сходна у всех живых особей, это сводит к минимуму риск негативных иммунологических реакций и отторжения при ее введении в организм человека и животных.

Роль в природе

Основное местонахождение гиалуроновой кислоты – состав межклеточного (или внеклеточного) матрикса тканей млекопитающих. Как показывают научные исследования, она имеется также в капсулах некоторых бактерий – стрептококков, стафилококков и других паразитарных микроорганизмов. Синтез соединения происходит и в организме беспозвоночных животных (простейшие, членистоногие, иглокожие, черви).

Ученые предполагают, что способность к выработке гиалуроновой кислоты в бактериях сформировалась эволюционно, для повышения их вирулентных свойств в организме хозяина. Благодаря ее наличию микроорганизмы могут легко проникать через кожу и колонизировать ее. Такие бактерии-паразиты способны нейтрализовать иммунный ответ хозяина и провоцируют развитие более активного воспалительного процесса, чем другие штаммы микробов.

Гиалуроновая кислота продуцируется белками, которые встроены в клеточную оболочку или мембраны внутриклеточных органелл. Наибольшая концентрация вещества в теле человека отмечается в жидкости, заполняющей полости суставов, в пуповине, стекловидном теле глаза и коже.

Обмен веществ

Синтез гиалуроновой кислоты проходит в виде ферментативных реакций в 3 этапа:

1. Глюкозо-6-фосфат – глюкозо-1-фосфат (фосфорилированная глюкоза) – УДФ-глюкоза – глюкуроновая кислота.
2. Аминосахар – глюкозамин-6-фосфат – N-ацетилглюкозамин-1-фосфат– УДФ-N-ацетилглюкозамин-1-фосфат.
3. Гликозидтрансферазная реакция с участием фермента гиалуронатсинтетазы.

В сутки в организме человека вырабатывается и распадается примерно 5 г этого вещества. Общее количество кислоты составляет порядка семи тысячных процента по массе. У позвоночных животных синтез кислоты происходит под влиянием 3 типов белков-ферментов (гиалуронат-синтетаз). Они представляют собой металлопротеины, состоящие из катионов металлов и глюкозидфосфатов. Гиалуронат-синтетазы являются единственными ферментами, катализирующими выработку кислоты.

Процесс разрушения молекул C₂₈H₄₄N₂O₂₃ происходит под действием гиалуронатлитических ферментов. В организме человека их насчитывается не менее семи, а некоторые из них подавляют процессы опухолеобразования. Продуктами распада гиалуроновой кислоты являются олиго- и полисахариды, которые стимулируют образование новых кровеносных сосудов.

Функции в организме человека

Коллаген и гиалуроновая кислота в составе кожи человека являются самыми ценными веществами, от которых зависит упругость и гладкость дермы. C₂₈H₄₄N₂O₂₃ выполняет следующие функции:

• сохранение воды, что обеспечивает эластичность кожного покрова и его тургор;
• создание необходимой степени вязкости межклеточной жидкости;
• участие в размножении основных и иммунокомпетентных клеток эпидермиса;
• поддержание роста и восстановления поврежденных участков кожи;
• укрепление волокон коллагена;
• усиление местного иммунитета;
• защита от влияния свободных радикалов, химических и биологических агентов.

Наибольшая концентрация данного вещества наблюдается в коже эмбриона. При старении большая часть кислоты связывается белками, из-за чего падает уровень гидратации кожного покрова. Особенно сильно снижается способность к саморегулированию обмена у людей старше 50 лет.

Определены также следующие свойства гиалуроновой кислоты в составе синовиальной жидкости:

• формирование гомогенной структуры для удержания специфического компонента хрящевой ткани – хондроитина сульфата;
• укрепление коллагенового каркаса хряща;
• обеспечение смазки подвижных частей суставов, уменьшение их износа.

Биологическая роль молекул кислоты отличается в зависимости их молекулярной массы. Так, соединения, в составе которых содержится до 1500 мономеров оказывают противовоспалительный эффект и принимают активное участие в построении коллагеновой сети. Полимеры с цепочкой до 2000 мономеров играют роль в поддержании гидробаланса, а высокомолекулярные соединения обладают наиболее яркими антиоксидантными свойствами.

Гиалуроновая кислота также участвует в формировании и развитии эмбриона, в управлении клеточной подвижностью – миграции клеток из одного места в другое, в некоторых взаимодействиях с поверхностными рецепторами клеток.

Получение

Различают 2 основные группы способов получения вещества:

• Физико-химические (извлечение из тканей млекопитающих, позвоночных животных и птиц). Так как в животном сырье кислота часто содержится в комплексе с белками и другими полисахаридами, то требуется тщательная очистка полученного продукта, что влияет на себестоимость конечного препарата. Для получения кислоты в промышленных масштабах применяют пуповину новорожденных детей и гребни домашних кур. Существуют и другие способы экстракции – из глаз крупного рогатого скота, жидкости, заполняющей полости суставов и суставных сумок; плазмы крови, хрящей, свиной кожи.
• Микробные методы, на основе бактерий, культивируемых в питательной среде. Основными продуцентами являются бактерии Pasteurellamultocida и Streptococcus. Эти методы впервые были опробованы в 1953 г. Они являются более экономичными, а также не зависят от сезонных поставок сырья.

В первом случае биологические материалы разрушают методами измельчения и гомогенизации, а затем извлекают кислоту в смеси с пептидами посредством воздействия органическими растворителями. Полученную массу обрабатывают ферментами или удаляют белки путем денатурации с помощью хлороформа или смеси этанола с амиловым спиртом. После этого производится концентрирование вещества на активированном угле. Окончательную очистку делают методами ионообменной хроматографии или осаждением хлоридом цетилпиридиния.

Использование в медицине

Гиалуроновая кислота применяется при следующих патологиях:

• офтальмология – катаракта; использование в качестве хирургической среды во время операций;
• ортопедия – остеоартрит, защита суставногохряща от разрушения, а также для стимуляции его восстановления (эндопротезы синовиальной жидкости);
• хирургия – увеличение объема мягких тканей, операции с обширным иссечением хрящевой ткани;
• фармацевтика – изготовление лекарств на базе полимерной структуры соединения (таблетки, капсулы, кремы, гели, мази);
• пищевая промышленность – спортивное питание;
• гинекология – противоспаечные средства;
• дерматология – лечение ожогов, посттромботических трофических нарушений кожи.

Согласно прогнозам ученых, это вещество может стать основой для новой группы препаратов для лечения онкологических заболеваний.

Перспективными являются также другие свойства кислоты:

• антимикробный, противовирусный эффект (соединение активно в отношении вируса герпеса и других);
• улучшение микроциркуляции крови;
• противовоспалительный эффект;
• пролонгированное действие (постепенное растворение в тканях человека).

Витамины

Гиалуроновая кислота в составе витаминов применяется в виде очищенного гиалуроната натрия, являющегося ее аналогом. Основное назначение вещества – сохранение молодости кожи, ее увлажнение, заживление ран. Для улучшения усвоения в состав витаминных комплексов вводят аскорбиновую кислоту.

Ведутся также исследования по разработке лекарственных препаратов и БАД с противовоспалительным и иммуномодулирующим действием, которые можно будет применять во многих отраслях человеческой деятельности.

Косметология

В косметологии это соединение используется для коррекции возрастных изменений. Благодаря тому, что структура кислоты сходна для всех живых организмов, она является подходящей для применения в качестве дермального филлера (инъекций), особенно вокруг глаз. Для того чтобы вещество дольше сохранялось в эпидермисе, производят его модификацию с помощью молекул-сшивок (кросслинкеров). «Сшитые» филлеры отличаются друг от друга по вязкости геля, концентрации кислоты, продолжительности рассасывания в коже.

Инъекции вводятся внутри- или подкожно в виде 1-3% водного раствора. Это способствует повышению эластичности и упругости тканей, заметному разглаживанию морщин.

C₂₈H₄₄N₂O₂₃ добавляют также в состав наружной косметики – гелей, пенок, кремов и других базовых средств. Гиалуроновая кислота в составе обозначается как hyaluronic acid (а гиалуронат натрия – sodium hyaluronate). Данный вид косметической продукции имеет те же свойства, что и филлеры – предотвращает образование морщин, угрей, способствует насыщению кожи влагой.