Осцилаторни режими на реакции, включващи ROS
Воейков В. Л.( sb24-1.zip)
Осцилаторни режими на реакции, включващи ROS
Възможността за самоорганизация в реакциите на окислително-възстановителния модел, която се изразява в появата на колебания на окислително-възстановителния потенциал или цвета, беше показана отдавна на примера на реакциите на Белоусов-Жаботински. Известно е развитието на колебателен режим по време на катализа на окислението на NADH с кислород чрез пероксидаза [36]. Доскоро обаче ролята на електронно възбудените състояния при възникването на тези трептения не беше взета под внимание. Известно е, че във водни разтвори на карбонилни съединения (например глюкоза, рибоза, метилглиоксал) и аминокиселини се намалява кислородът, появяват се свободни радикали и техните реакции са придружени от фотонно излъчване. Наскоро показахме, че в такива системи при условия, близки до физиологичните, възниква осцилаторен режим на излъчване, което показва самоорганизацията на процеса във времето и пространството [37, 38]. Важно е, че такива процеси, известни като реакцията на Meillard, непрекъснато протичат в клетките и неклетъчното пространство [39]. Фигура 3 показва, че тези трептения не затихват дълго време и могат да имат сложна форма, т.е. са ясно изразени нелинейни трептения.
Фигура 3.Кинетика на развитие на хемилуминесценция в различни реакционни системи: (1) глюкоза-глицин (60 mM, 60 mM; 20 ml; pH 11,0) и (2) метилглиоксал-глицин (10 mM, 30 mM; 20 ml; pH 10,6).
Фигура 4.Ефект на аскорбиновата киселина върху хемилуминесценцията в глюкозо-глициновата система (60 mM, 60 mM; 10 ml; рН 11.0): (1) - контрола; (2) 1.0 μM аскорбат; (3) 10 μM аскорбат; (4) 100 μM аскорбат; (5) 1000 цМ аскорбат.
Интересно влияние върху характератези колебания на класическите антиоксиданти, например аскорбат (Фигура 4). Установено е, че при условия, когато в системата не възникват изразени радиационни колебания, аскорбатът в незначителна концентрация (1 μM) допринася за появата им и до концентрация от 100 μM рязко увеличава общия интензитет на излъчване и амплитудата на колебанията. Тези. той се държи като типичен прооксидант. Само при концентрация от 1 mM аскорбатът действа като антиоксидант, значително удължавайки лаг фазата на процеса. Но когато се изразходва частично, интензивността на радиацията се увеличава до максимални стойности. Такива явления са характерни за верижни процеси с изродени клонове
Осцилаторните процеси, включващи ROS, също се случват на ниво цели клетки и тъкани. Така в отделни гранулоцити, където ROS се генерират от NADPH оксидази, съвкупността от тези ензими се "включва" строго за 20 секунди, а през следващите 20 секунди клетката изпълнява други функции. Интересното е, че в клетки от септична кръв тази ритмичност е значително нарушена [40]. Открихме, че осцилаторните режими на излъчване на фотони са характерни не само за отделни клетки, но и за суспензии от неутрофили (Фигура 5А) и дори за неразредена цяла кръв, към която се добавя луцигенин, индикатор за генерирането на супероксиден радикал в него (Фигура 5В). Съществено е, че наблюдаваните флуктуации имат сложен, многостепенен характер. Периодите на трептене варират от десетки минути до техните части (вмъкване на Фиг. 5A).
Фигура 5.A - Осцилации на луминол-зависима радиация в суспензия от неутрофили (105 клетки в 0.1 ml) след иницииране на респираторен взрив от зимозан. B - радиационни колебания в човешка цяла кръв (0,2 ml) в присъствието на луцигенин.
Стойността на осцилаторния характер както на регулаторните, така и наизпълнителните биохимични и физиологични процеси едва започват да се реализират. Съвсем наскоро беше доказано, че вътреклетъчното сигнализиране, осъществявано от един от най-важните биорегулатори – калция, се дължи не само на промяна в концентрацията му в цитоплазмата. Информацията се крие в честотата на колебанията на неговата вътреклетъчна концентрация [41]. Тези открития изискват преразглеждане на идеите за механизмите на биологичната регулация. Досега, когато се изучава реакцията на клетка към биорегулатор, се взема предвид само неговата доза (амплитуда на сигнала), става ясно, че основната информация се крие в осцилаторния характер на промяната на параметрите, в амплитудните, честотните и фазовите модулации на колебателните процеси.
От многото биорегулаторни субстанции ROS са най-подходящите кандидати за ролята на тригери на колебателни процеси, тъй като те са в постоянно движение, по-точно те непрекъснато се генерират и умират, но когато умират, се раждат електронно възбудени състояния - импулси на електромагнитна енергия.Предполагаме, че механизмите на биологичното действие на ROS се определят от структурата на процесите, в които участват. Под "структура на процесите" имаме предвид честотно-амплитудните характеристики и степента на фазово съвпадение на процесите на генериране и релаксация на EVS, съпътстващи реакции на взаимодействие на ROS помежду си или със синглетни молекули. Генерираните електромагнитни импулси могат да активират специфични молекулни акцептори, а структурата на процесите на генериране на EMU определя ритмите на биохимичните и на по-високо ниво физиологичните процеси. Това, вероятно, обяснява спецификата на действието на ROS - тези агенти, които са изключително неспецифични от химическа гледна точка. В зависимост от тяхната честотараждане и смърт, структурата на процесите на генериране на EMU трябва да се промени и следователно спектърът на акцепторите на тази енергия също ще се промени, тъй като различни акцептори - биорегулатори с ниско молекулно тегло, протеини, нуклеинови киселини могат да възприемат само резонансни честоти.
Съществена роля във всички тези процеси играе водната среда, в която те протичат, тъй като поради своите уникални физикохимични и динамични свойства, водата очевидно играе не само организираща роля, но и участва в производството и елиминирането на ROS [42].
Нашето предположение ни позволява да обясним много различни явления от единна гледна точка. Така ролята на антиоксидантите изглежда много по-богата, отколкото в рамките на традиционните представи. Разбира се, те предотвратяват неспецифични химични реакции, които увреждат биомакромолекулите в присъствието на прекомерно производство на ROS. Но тяхната основна функция е да организират и осигурят разнообразието от структури на процеси, включващи ROS. Колкото повече инструменти има в такъв "оркестър", толкова по-богат е звукът му. Може би затова билколечението, витаминолечението и други форми на натуропатия са толкова успешни – все пак тези „хранителни добавки“ съдържат разнообразие от антиоксиданти и коензими – генератори и акцептори на EMU енергия. Заедно те осигуряват пълен и хармоничен набор от ритми на живот.
Става ясно защо за нормален живот е необходимо да се консумират поне незначителни количества ROS с въздуха, водата и храната, въпреки активното генериране на ROS в тялото. Факт е, че пълноценните процеси, включващи ROS, рано или късно умират, тъй като техните инхибитори, капаните на свободните радикали, постепенно се натрупват по време на техния ход. Тук може да се види аналогия с пожар, който се гаси дори при наличие на гориво, акопродуктите от непълното изгаряне започват да отнемат все повече и повече енергия на пламъка. ROS, които влизат в тялото, действат като "искри", които възобновяват "пламъка" - генерирането на ROS от самото тяло, което прави възможно изгарянето на продуктите от непълното изгаряне. Особено много от тези продукти се натрупват в болно тяло, поради което озонотерапията и терапията с водороден прекис са толкова ефективни.