"МИС-РТ" - 2001. Сборник №24-1-6.

Благотворная роль
активных форм кислорода

Воейков В. Л. ( sb24-1.zip)

 

  1. Парадоксы кислородного дыхания
  2. Особые свойства молекулы кислорода и продуктов его превращения
  3. Целенаправленная продукция АФК живыми клетками
  4. Биорегуляторная роль АФК
  5. Свободно-радикальные реакции - источники импульсов света
  6. Осцилляторные режимы реакций с участием АФК
  7. Вместо заключения

Осцилляторные режимы реакций с участием АФК

Возможность самоорганизации в окислительно-восстановительных модельных реакциях, выражающаяся в появлении осцилляций окислительно-восстановительного потенциала или окраски была давно показана на примере реакций Белоусова-Жаботинского. Известно развитие колебательного режима при катализе пероксидазой окисления кислородом NADH [36]. Однако до последнего времени роль электронно-возбужденных состояний в возникновении этих осцилляций во внимание не принималась. Известно, что в водных растворах карбонильных соединений (например, глюкозы, рибозы, метилглиоксаля) и аминокислот происходит восстановление кислорода, появляются свободные радикалы, и их реакции сопровождаются излучением фотонов. Недавно нами было показано, что в таких системах в близких к физиологическим условиях возникает колебательный режим излучения, что свидетельствует о самоорганизации процесса во времени и пространстве [37, 38]. Существенно, что такие процессы, известные как реакция Мейяра, непрерывно протекают в клетках и неклеточном пространстве [39]. На рисунке 3 показано, что эти колебания не затухают длительное время и могут иметь сложную форму, т.е. представляют собой ярко выраженные нелинейные колебания.

Рисунок 3. Кинетика развития хемилюминесценции в различных реакционных системах: (1) глюкоза-глицин (60 мМ, 60 мМ; 20 мл; рН 11,0) и (2) метилглиоксаль-глицин (10 мМ, 30 мМ; 20 мл; рН 10,6).

Рисунок 4. Влияние аскорбиновой кислоты на хемилюминесценцию в системе глюкоза-глицин (60 мМ, 60 мМ; 10 мл; рН 11,0): (1) - контроль; (2) 1,0 мкМ аскорбата; (3) 10 мкМ аскорбата; (4) 100 мкМ аскорбата; (5) 1000 мкМ аскорбата.

Интересно влияние на характер этих колебаний классических антиоксидантов, например, аскорбата (рисунок 4). Обнаружилось, что в условиях, когда выраженные колебания излучения в системе не возникают, аскорбат в ничтожной концентрации (1 мкМ) способствует их появлению и вплоть до концентрации 100 мкМ резко усиливает общую интенсивность излучения и амплитуду колебаний. Т.е. он ведет себя как типичный прооксидант. Только в концентрации 1 мМ аскорбат выступает в роли антиоксиданта, существенно удлинняя лаг-фазу процесса. Но когда он частично расходуется, интенсивность излучения возрастает до максимальных величин. Такие явления характерны для цепных процессов с вырожденными разветвлениями

Колебательные процессы с участием АФК протекают и на уровне целых клеток и тканей. Так, в индивидуальных гранулоцитах, где АФК генерируются NADPH-оксидазами, вся совокупность этих ферментов "включается" строго на 20 сек, а в следующие 20 сек клетка выполняет другие функции. Интересно, что в клетках из септической крови эта ритмичность существенно нарушена [40]. Мы обнаружили, что колебательные режимы излучения фотонов характерны не только для отдельных клеток, но и для суспензий нейтрофилов (рисунок 5А) и даже для цельной неразведенной крови, к которой добавлен люцигенин -- индикатор генерации в ней супероксидного радикала (рисунок 5В). Существенно, что наблюдаемые колебания носят сложный, многоуровневый характер. Периоды колебаний лежат в диапазоне от десятков минут до их долей (врезка на рис. 5А).


A

B

Рисунок 5. А - Осцилляции люминол-зависимого излучения в суспензии нейтрофилов (105 клеток в 0,1 мл) после инициации зимозаном дыхательного взрыва. В - осцилляции излучения в цельной крови человека (0, 2 мл) в присутствии люцигенина.

Значение колебательного характера как регуляторных, так и исполнительных биохимических и физиологических процессов только начинает осознаваться. Совсем недавно было доказано, что внутриклеточная сигнализация, осуществляемая одним из самых важных биорегуляторов - кальцием, обусловлена не просто изменением его концентрации в цитоплазме. Информация заключена в частоте осцилляций его внутриклеточной концентрации [41]. Эти открытия требуют пересмотра представлений о механизмах биологической регуляции. Если до сих пор при изучении реакции клетки на биорегулятор принимали во внимание лишь его дозу (амплитуда сигнала), то становится ясным, что основная информация заключена в колебательном характере изменения параметров, в амплитудных, частотных и фазовых модуляциях колебательных процессов.

Из множества биорегуляторных субстанций АФК являются наиболее подходящими кандидатами на роль триггеров колебательных процессов, потому что они находятся в постоянном движении, точнее - они непрерывно порождаются и погибают, но при их гибели рождаются электронно-возбужденные состояния - импульсы электромагнитной энергии. Мы предполагаем, что механизмы биологического действия АФК определяются структурой процессов, в которых они участвуют. Под "структурой процессов" мы понимаем частотно-амплитудные характеристики и степень фазовой согласованности процессов генерации и релаксации ЭВС, сопровождающих реакции взаимодействия АФК друг с другом или с синглетными молекулами. Порождаемые электромагнитные импульсы могут активировать специфические молекулярные акцепторы, и структура процессов генерации ЭВС определяет ритмы биохимических, а на более высоком уровне и физиологических процессов. Именно этим, вероятно, и объясняется специфичность действия АФК - этих крайне неспецифичных с химической точки зрения агентов. В зависимости от частоты их рождения и гибели структура процессов генерации ЭВС должна меняться, а, значит, и будет меняться и спектр акцепторов этой энергии, поскольку разные акцепторы - низкомолекулярные биорегуляторы, белки, нуклеиновые кислоты могут воспринимать лишь резонансные частоты.

Существенную роль во всех этих процессах играет водная среда, в которой они протекают, поскольку благодаря своим уникальным физико-химическим и динамическим свойствам вода, по видимому, играет не только организующую роль, но и сама принимает участие в продукции и устранении АФК [42].

Наше предположение позволяет с единых позиций объяснить множество разрозненных явлений. Так, роль антиоксидантов видится много богаче, чем в рамках традиционных представлений. Конечно, они предотвращают неспецифические химические реакции повреждения биомакромолекул при избыточной продукции АФК. Но их главная функция - организация и обеспечение разнообразия структур процессов с участием АФК. Чем больше инструментов в таком "оркестре", тем богаче его звучание. Возможно, именно поэтому таким успехом пользуется травотерапия, витаминная терапия и прочие формы натуропатии - ведь эти "пищевые добавки" содержат разнообразные антиоксиданты и коферменты - генераторы и акцепторы энергии ЭВС. Совместно они обеспечивают полноценный и гармоничный набор ритмов жизни.

Становится понятным, зачем для нормальной жизнедеятельности необходимо потребление хотя бы в ничтожных количествах АФК с воздухом, водой и пищей, несмотря на активную генерацию АФК в организме. Дело в том, что полноценные процессы с участием АФК рано или поздно затухают, поскольку при их протекании постепенно накапливаются их ингибиторы - ловушки свободных радикалов. Аналогию здесь можно увидеть с костром, который затухает даже при наличии топлива, если продукты неполного сгорания начинают отбирать все больше энергии пламени. Поступающие в организм АФК выступают в роли "искр", которые вновь разжигают "пламя" - генерацию АФК уже самим организмом, что позволяет дожечь и продукты неполного сгорания. Особенно много таких продуктов накапливается в больном организме, и поэтому столь эффективна озонотерапия и перекисно-водородная терапия.

Ритмы, возникающие при обмене в организме АФК, в той или иной степени зависят и от внешних ритмоводителей. К последним относятся, в частности, колебания внешних электромагнитных и магнитных полей, поскольку реакции с участием АФК - это, по существу, реакции переноса неспаренных электронов, протекающие в активной среде. Такого рода процессы, как следует из современных представлений физики нелинейных автоколебательных систем, весьма чувствительны к очень слабым по интенсивности, но резонансным воздействиям [43]. В частности, процессы с участием АФК могут быть первичными акцепторами резких изменений напряженности геомагнитного поля Земли, так называемых геомагнитных бурь. В той или иной степени они могут реагировать на низкоинтенсивные, но упорядоченные поля современных электронных приборов, в частности, компьютеров и сотовых телефонов. Если ритмика процессов с участием АФК ослаблена и обеднена, подобные внешние воздействия при определенных их характеристиках повышают вероятность разобщения и хаотизации зависящих от генерации электронно-возбужденных состояний биохимических и физиологических процессов.