Энергия синглетного кислорода

19.04.2019, 14:55

Динамика роста научной литературы, посвященной активным формам кислорода (АФК), свободным радикалам, окислительным процессам их участием, говорит о стремительно растущем к ним интересе биологов и медиков. В большинстве публикаций по проблемам, связанным с активными формами кислорода, подчеркивается их деструктивное действие на мембраны, нуклеиновые кислоты и белки.

В то же время вне поля зрения большинства исследователей остается громадный массив данных, свидетельствующих об абсолютной необходимости АФК для процессов жизнедеятельности. Так, при пониженном содержании в атмосфере супероксидных радикалов животные и человек заболевают, а при длительном их отсутствии гибнут. На производство АФК в норме идет 10-15%, а в особых обстоятельствах – до 30% потребляемого организмом кислорода. Становится ясным, что определенный “фон” АФК необходим для реализации действия на клетки биорегуляторных молекул, а сами АФК могут имитировать действие многих из них. Все более широкое применение находит “окситерапия” – лечение широкого спектра заболеваний путем искусственной аэроионизации воздуха, обработкой крови такими чрезвычайно активными формами кислорода, как озон, перекись водорода и синглетный кислород.

Что из себя представляет синглетный кислород?

Молекулярный кислород в основном состоянии представляет собой триплет (имеет два неспаренных электрона с параллельными спинами). Большинство жеорганических молекул синглетны, их электроны обладают антипараллельными спинами. Вследствие различий в направлении спинов электронов взаимодействие органических молекул с молекулой кислорода протекает достаточно медленно. Однако в клетке существует вероятность образования некоторых форм молекулярного кислорода, которые обладают необычайно высокой “агрессивностью” и способны повреждать практически все компоненты клетки, включая белки, ферменты, ДНК и мембранные структуры. Образование таких форм АК, которые представляют собой свободнорадикальные частицы (супероксидный анион-радикал, перекисные радикалы, гидроксильный радикал) или нейтральные молекулы (пероксид водорода и синглетный кислород), происходит как в неферментативных, так и ферментативных реакциях под действием многих токсических агентов, видимого света, ионизирующего, ультрафиолетового излучений. Важно, что клетка обладает значительным арсеналом средств, которые контролируют образование всех форм АК и обеспечивают защиту от них.

Кислород абсолютно необходим для всех организмов, а для жизни человека в особенности. Всего несколько минут без кислорода приводят к необратимому повреждению мозга. Мозг человека, составляющий лишь 2% от массы его тела, потребляет около 20% получаемого организмом кислорода. Считается, что почти весь О2 потребляется при окислительном фосфорилировании в митохондриях, но их содержание в нервной ткани не больше, если не меньше, чем в других энергозависимых тканях.

Несмотря на большой избыток энергии, О2 с трудом реагирует с окисляемыми им веществами. Практически все доступные ему доноры электронов – синглетные молекулы, а прямая реакция триплет-синглет с образованием продуктов в синглетном состоянии невозможна. Если же О2 тем или иным способом приобретает дополнительный электрон, то последующие он может получить уже легко. На пути одноэлектронного восстановления О2 и образуются промежуточные соединения, названные АФК, благодаря их высокой химической активности. Получив первый электрон, О2 превращается в супероксид-анион радикал O2. Добавление второго электрона (вместе с двумя протонами) превращает последний в перекись водорода, H2O2. Перекись, не будучи радикалом, а малоустойчивой молекулой, может легко получить третий электрон, превратившись в чрезвычайно активный гидроксил-радикал, HO, который легко отнимает у любой органической молекулы атом водорода, превращаясь в воду.

Свободные радикалы отличаются от обычных молекул не только высокой химической активностью, но и тем, что порождают цепные реакции. “Отобрав” доступный электрон у оказавшейся рядом молекулы, радикал превращается в молекулу, а донор электрона – в радикал, который может продолжить цепь дальше. Действительно, когда в растворах биоорганических соединений развиваются свободно-радикальные реакции, немногочисленные исходные свободные радикалы могут вызывать повреждение громадного числа биомолекул. Именно поэтому АФК традиционно рассматриваются в биохимической литературе как чрезвычайно опасные частицы, и их появлением в среде организма объясняют многие заболевания и даже видят в них основную причину старения.

Целенаправленная продукция АФК живыми клетками 

Все организмы оснащены разнообразными механизмами для целенаправленной генерации АФК. Давно известен фермент NADPH-оксидаза, активно продуцирующий “токсичный” супероксид, за которым порождается вся гамма АФК. Но до самого последнего времени его считали специфической принадлежностью фагоцитирующих клеток иммунной системы, объясняя необходимость продукции АФК критическими обстоятельствами защиты от патогенных микроорганизмов и вирусов. Сейчас стало ясно, что это фермент вездесущ. Он и подобные ему ферменты найдены в клетках всех трех слоев аорты, в фибробластах, синоцитах, хондроцитах, клетках растений, дрожжей, в клетках почки, нейронах и астроцитах коры мезга.

O2  продуцируют и другие повсеместно распространенные ферменты: NO-синтаза, цитохром Р-450, гамма-глутамил-транспептидаза, и этот список продолжает расти. Недавно обнаружилось, что все антитела способны продуцировать H2O2, т.е. они также являются генераторами АФК. По некоторым оценкам, даже в покое 10-15% всего потребляемого животными кислорода подвергается одноэлектронному восстановлению, а в условиях стресса, когда активность супероксид-генерирующих ферментов резко возрастает, интенсивность восстановления кислорода возрастает еще на 20%. Таким образом, АФК должны играть весьма важную роль в нормальной физиологии.

Выясняется, что АФК принимают непосредственное участие в формировании разнообразных физиологических ответов клеток на тот или иной молекулярный биорегулятор. Какой конкретно будет реакция клетки – вступит ли она в митотический цикл, пойдет ли в сторону дифференцировки или дедифференцировки, или же в ней активируются гены, запускающие процесс апоптоза, зависит и от конкретного биорегулятора молекулярной природы, действующего на специфические клеточные рецепторы, и от “контекста”, в котором действует данный биорегулятор: предыстории клетки и фонового уровня АФК. Последний зависит от соотношения скоростей и способов продукции и устранения этих активных частиц.

Хотя в организме есть множество источников продукции АФК, для нормальной жизнедеятельности человека и животных необходимо регулярное потребление их извне. Еще А.Л.Чижевский показал, что отрицательно заряженные ионы воздуха необходимы для нормальной жизнедеятельности. Сейчас установлено, что аэроионы Чижевского – это гидратированные радикалы O2 . И хотя их концентрация в чистом воздухе ничтожна (сотни штук в см3), но при их отсутствии экспериментальные животные погибают в течение нескольких дней с симптомами удушья. В то же время обогащение воздуха супероксидом до 104 частиц/см3нормализует давление крови и ее реологию, облегчает оксигенацию тканей, усиливает общую резистентность организма к стрессорным факторам. Другие АФК, например, озон (О3), H2O2 использовались еще в первой трети XX века для лечения разнообразных хронических заболеваний – от рассеянного склероза до нейрологических патологий и рака. В настоящее время в общей медицине они применяются редко из-за их предполагаемой токсичности. Тем не менее, в последние годы озонотерапия становится все популярнее, начинается и применение внутривенных вливаний разбавленных растворов H2O2.

Таким образом, становится ясно, что АФК – это универсальные регуляторные агенты, факторы, благотворно влияющие на процессы жизнедеятельности от клеточного уровня до уровня целого организма.

Было обнаружено, что растения, дрожжи, микроорганизмы, а также некоторые органы и ткани животных служат источниками митогенетических излучений в “спокойном” состоянии, причем это излучение является строго кислород-зависимым. Из всех тканей животных таким излучением обладали только кровь и нервная ткань. С использованием современной техники детекции фотонов полностью подтверждено утверждение о способности свежей неразбавленной крови человека быть источником излучения фотонов даже в спокойном состоянии, что говорит о непрерывной генерации в крови АФК и рекомбинациях радикалов. При искусственном возбуждении в крови иммунных реакций, интенсивность излучения цельной крови резко возрастает. Недавно было показано, что интенсивность излучения мозга крысы настолько высока, что может детектироваться высокочувствительной аппаратурой даже на целом животном.

Как отмечалось выше, заметная часть О2 в организме человека и животных восстанавливается по одноэлектронному механизму. Но при этом текущие концентрации АФК в клетках и внеклеточном матриксе очень низки из-за высокой активности ферментативных и неферментативных механизмов их устранения, известных в совокупности как “антиоксидантная защита”. Некоторые элементы этой защиты действуют с очень высокой скоростью. Так, скорость супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы превышает 106 оборотов/сек. СОД катализирует реакцию дисмутации (рекомбинации) двух супероксидных радикалов с образованием H2O2 и кислорода, а каталаза разлагает H2O2 до кислорода и воды. Обычно обращают внимание лишь на детоксифицирующее действие этих ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов – аскорбата, токоферола, глутатиона и др. Но в чем смысл интенсивной генерации АФК, например NADPH-оксидазой, если ее продукты немедленно устраняются СОД и каталазой?

В биохимии обычно энергетика этих реакций не рассматривается, тогда как энергетический выход одного акта дисмутации супероксидов – около 1 эВ, а разложения H2O2 — 2 эВ, что эквивалентно кванту желто-красного света. Вообще, при полном одноэлектронном восстановлении одной молекулы О2 освобождается 8 эВ (для сравнения укажем, что энергия УФ-фотона с l=250 нм равна 5 эВ). При максимальной активности ферментов энергия освобождается с мегагерцовой частотой, что затрудняет ее быстрое рассеяние в виде теплоты. Бесполезное рассеяние этой ценной энергии маловероятно еще и потому, что ее генерация происходит в организованной клеточной и внеклеточной среде. Экспериментально установлено, она может излучательно и безизлучательно переноситься на макромолекулы и надмолекулярные ансамбли, и использоваться в качестве энергии активации или для модуляции ферментативной активности.

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. 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 (электронно-возбуждённых состояний), 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.

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.

Представленный выше анализ эмпирических данных, относящихся к столь “горячей” теме активных форм кислорода и антиоксидантов, привел нас к выводам, в определенной степени противоречащим доминирующим в настоящее время подходам к решению медицинских проблем. Мы не можем исключить, что некоторые из высказанных выше предположений, гипотез не подтвердятся в полной мере при их экспериментальной проверке. Но, тем не менее, мы убеждены, что главный вывод: процессы с участием АФК играют фундаментальную био-энергоинформационную роль в становлении и осуществлении жизнедеятельности – верен. Безусловно, как и любой другой механизм, тонкий механизм процессов с участием АФК может нарушаться. В частности, одной из главных опасностей для его нормального функционирования может быть недостаток кислорода в среде, где он протекает. И именно тогда начинают развиваться те процессы, которые представляют действительную опасность – распространение цепных радикальных реакций, при которых повреждается множество биологически важных макромолекул. В результате возникают гигантские макромолекулярные химеры, к которым относят атеросклеротические и амилоидные бляшки, старческие пятна (липофусцин), другие склеротические структуры и многие еще слабо идентифицированные балластные, а точнее, токсичные субстанции. Организм борется с ними, интенсифицируя продукцию АФК, но именно в АФК и видят причину патологии и стремятся их немедленно устранить. Можно, однако, надеяться, что более глубокое понимание многообразных механизмов утилизации кислорода человеком и животными поможет эффективно бороться с причинами, а не следствиями заболеваний, которые нередко отражают собственные усилия организма в борьбе за жизнь.

Во всех клетках и всех их частях происходят образование АФК и ОМ (оксидативной модификации) макромолекул всех классов: нуклеиновых кислот, белков и липидов. Это минорные, но обязательные биологические процессы, выполняющие очень важные функции. АФК и ОМ необходимы для иммунитета и воспаления, так как: а) увеличивают синтез цитокинов и иммунных рецепторов; б) способствуют выходу лейкоцитов в ткани; в) убивают фагоцитированные бактерии, старые и поврежденные клетки и способствуют повреждению несовместимых, а также злокачественных и пораженных вирусами клеток.

Но избыточность АФК и ОМ повреждает клетки и может способствовать развитию очень многих болезней и синдромов, в том числе самых распространенных и опасных: старения, атеросклероза, инфаркта и инсульта, тяжелых воспалительных заболеваний, СПИДа, злокачественных процессов и др. Поэтому существует защитная антиоксидантная система. Она состоит из низкомолекулярных антиоксидантов и антиоксидантных ферментов. Соотношение прооксидантов и антиоксидантов и определяет, разовьется ли и будут ли прогрессировать оксидативный стресс и в результате свободно-радикальная патология. Это же соотношение участвует в регуляции многих очень важных биологических процессов, то есть существует новая форма контроля – редокс-регуляция.

 

Фотосенсибилизаторы и их терапевтический эффект в организме.

Кремниевые нанокристаллы (nc-Si), диспергированные в воде, были использованы для фотосенсибилизации процесса генерации активного кислорода. Эффективность фотосенсибилизации контролировалась по гашению экситонной фотолюминесценции nc-Si. Эксперименты на раковых клетках фибробластов мыши продемонстрировали значительное (до 80%) уменьшение их числа при контакте с фотовозбужденными nc-Si. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования nc-Si в биомедицинских целях, в частности, для фотодинамической терапии онкологических заболеваний.

В последнее время внимание исследователей в области физики наноструктур и нанотехнологий привлечено к полупроводниковым нанокристаллам, поскольку они обладают новыми физико-химическими свойствами, перспективными для многочисленных применений. Среди полупроводниковых материалов особое место занимает кремний, который является базовым в современной микроэлектронике.

Помимо этого, недавно было обнаружено, что нанокристаллы кресния (ncSi) могут также выступать в качестве эффективных фотосенсибилизаторов синглетного кислорода. Данный вид возбужденного молекулярного кислорода отличается высокой химической активностью, что обусловлавливает его присенение в биологии, экологии и медицине, в частности, для фотодинамической терапии онкологических заболеваний.

Как было установлено, при фотовозбуждении ncSi с размерами порядка нескольких нанометров возникают экситоны, которые могут эффективно передавать энергию молекулам О2, адсорбированным на поверхности нанокрсталлов. Это обусловлено близости жнергий экситонов в ncSi энергиям электронных переходов в молекулах О2, в результате чего реализуется процесс резонансной передачи заряда (механизм Декстера).

Для возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) применялмся лазер с длиной волны 337 нм и длительтностью импульса 10 нс. В биофизических экспериментах использовались раковые клетки линии 3Т3 NIH(модифицированные фибропласты мыши), выращенние стандартной процедурой субкультивирования invitro. Исследуемые клетки подразделялись на три группы, в первую и вторую из которых добавлялась водная суспензия, содержащая определенное количество ncSi, третья группа была контрольной (в контрольную группу ncSiне добавлялся).

Фотовозбужденные ncSi были использованы для подавления процесса размножения раковых клеток. На рис.3 показаны зависимости числа живых клеток фибропластов мыши первой и второй групп в конце культивиования.

 

 

Видно, что после освещения в питательном растворе имеетт место значительное уменьшение числа живых клеток по сравнению с контрольной группой. При концентрации ncSi в питательном растворе 2,5 г/л фиксировалась гиббель около 80% клеток. В то же время, в темноте влияние ncSi практически отсутвует при всем используемом диапазоне концентраций. Следовательно, можно сделать вывод, что подавление размножения раковых клеток вызвано воздействием активного кислорода, возникающего при фотовозбуждении ncSi. Выполненный анализ ДНК клеток показал, что после освещения в присутствии ncSi для концентраций более 0,1-0,5 г/л происходит их гибель по механизму апотоза, то есть «программируемой смерти».

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности использования фотовозбужденных ncSi для подавления размножения раковых клеток. Последнее, очевидно, может найти использование в фотодинамической терапие онкологических заболеваний.