роль водных структур организма в биофизических механизмах

РОЛЬ ВОДНЫХ СТРУКТУР ОРГАНИЗМА В БИОФИЗИЧЕСКИХ
МЕХАНИЗМАХ КСЕНОНОВОГО НАРКОЗА
Довгуша В.В., Следков А.Ю.
ФГУП НИИ промышленной и морской медицины ФМБА России
Многие теории, в которых авторы пытались раскрыть механизмы наркоза, в настоящее время
имеют лишь исторический интерес. Однако, ряд исследователей, пытавшихся объяснить
механизм наркотического действия различных веществ химическими или физико-химическими
взаимодействиями, пришли к прогрессивным и перспективным выводам. Вот некоторые из них:
- окончательный механизм действия наркотических веществ должен быть одинаковым;
- данный механизм не сопровождается химическим взаимодействием;
- имеется зависимость от коэффициентов растворимости в воде и жирах;
- существуют различия в механизмах действия на нервные и соматические клетки.
Кроме того, было обнаружено соответствие между силой наркотического действия и физи-кохимическими константами Ван-дер-Ваальса - силами межмолекулярного взаимодействия. Наркотические концентрации различных веществ в объёмном или весовом выражении различаются
гораздо значительнее, чем концентрации, выраженные в физико-химических терминах, отражающих растворимость и степень молекулярного взаимодействия этих веществ. Важную роль играет и
величина молекулы наркотического вещества, общий эффективный объём молекул, а не их число.
Далее, была найдена четкая корреляция между парциальным давлением наркотического
вещества, вызывающего наркоз, и парциальным давлением, вызывающим образование водных
микрокристаллов.
Существует ещё одна физическая корреляция, а именно корреляция между величиной фи-зикохимической константы Ван-дер-Ваальса и степенью наркоза и анестезии. Однако, и здесь
существуют отклонения, как, например, заключение, о том, что аргон менее наркотичен, чем азот.
Приведенные выше зависимости основаны либо на взаимодействии с жировой фазой ткани
нервной системы, которую обычно принято считать местом приложения действия наркотиков, либо с водной фазой, рассматривающейся как альтернатива.
Говоря о наркозе нужно вспомнить, что некоторые вещества обладают сильными наркоти-ческими
свойствами, а их оптические изомеры - нет. Кроме того, при анализе некоторых гомоло-гических
рядов оказалось, что наркотическая сила возрастает лишь до определенной длины угле-родной
цепочки, после чего резко теряется (феномен cut-off). Многие, в том числе летучие анесте-тики,
разупорядочивают липидный бислой, но такой же способностью обладают и многие вещест-ва, не
являющиеся наркотиками, а данный мембранный процесс искажается изменением темпера-туры в
десятые доли градуса.
При рассмотрении медиаторных процессов наркотические вещества, в том числе и азот под
повышенным давлением, должны были бы в первую очередь подавлять возбуждающую передачу
и/или активировать тормозную, чего на самом деле не происходит. С другой стороны, при изучении свойств рецепторов тормозного медиатора γ - аминомасляной кислоты (ГАМК) оказалось, что
сайты связывания барбитуров и стероидов, обладающих наркотическими свойствами, различны.
При сочетанном действии некоторых наркотических средств на никотиновый холинорецептор и
многие другие мишени оказалось, что, если воздействие каждого из этих веществ обладало угнетающими свойствами, то совместное действие этих препаратов приводило к дестабилизации эффекта.
Метаболически инертные газы при различных величинах давления, концентрации и соче-таниях
оказывают специфическое биологическое действие на живой организм. Они влияют не только на
кинетику химических реакций, но и во многих случаях строго закономерно определяют и характер
этих реакций (Павлов Б.Н., 1998; Кулешов В.И. с соавт., 2001).
Действие на организм инертных газов, как наркотических веществ, свидетельствует об отсутствии
химических процессов или реакций. Молекулы наркотического вещества в процессе
взаимодействия с нервной клеткой ничего не окисляют и не восстанавливают, сами химически не
изменяются, но тем не менее, вызывают наркоз. Действительно, для протекания любой
химической реакции почти наверняка требовалось бы участие ферментов, а поскольку ферменты
стереоспецифичны, то левая и правая формы наркотического вещества вели бы себя при этом
различно. Собственно говоря, в контексте рассматриваемого нами вопроса, они и ведут себя поразному - одни вещества, например, левовращающий изомер морфина, обладают сильными
наркотическими свойствами, а их оптические правовращающие изомеры - нет. По-видимому,
определённые изомеры биологически активных веществ, в т.ч. и наркотиков, пространственно
соответствуют реакционным центрам рецепторов мембран. Основную роль при этом, вероятно,
играет поляризационное излучение кластеров.
Интересен следующий факт. При сопоставлении силы запаха органических соединений од-ного
типа (одного гомологического ряда) без учета давления их паров оказывается, что средние члены
ряда, содержащие от пяти до восьми атомов углерода в цепи, обладают наиболее сильным
запахом, тогда как низшие и высшие члены этого же ряда пахнут несколько слабее. Это сопоставление соответствует силе наркотического действия аналогичного ряда органических углеводородов.
В ряду производных бензола введение нового заместителя в положение 4 (по отношению к
некоторой группе, уже имеющейся в бензольном кольце) оказывает большее влияние на характер
запаха вещества, чем введение того же заместителя в положение 2 или 3. То же самое можно
отме-тить и при определении силы наркотического вещества.
Все вещества имеющие сходные запахи и наркотические свойства должны обладать геометрическими формами с близкими частотными характеристиками. Частотная характеристика
объединяет и форму, и части форм, и отдельную молекулу инертного газа.
Способность биологических веществ поглощать волны определённой длины, частота кото-рых
соответствует частоте молекулярных колебаний наркотического вещества - связующее звено в
механизме
наркоза
на
уровне
мембраны
нервной
клетки.
Второе, что объединяет все вещества в биообъекте - вода. Вода, в которой происходят про-цессы
наступления наркоза. Вода и частотно-полевые характеристики молекул - вот ключ к пони-манию
механизмов наркоза.
Нами отмечено, что чем меньше у газов магнитная восприимчивость, тем относительная
наркотическая активность больше (табл. 1). Эта же закономерность отмечается исходя из данных
магнитной поляризуемости (табл. 2). Поляризуемость - коэффициент, связывающий электрический момент атома (иона, молекулы) с напряжённостью электрического поля. Характерно, что отношение коэффициента растворимости масло/вода к показателю магнитной восприимчивости у
всех инертных газов приблизительно одинаково - около - 4-х (у азота - 2).
Таблица 1
Газ Отношение растворимости в масле к
растворимости в воде
Магнитная молекулярная
восприимчивость х 106
1/2
He
1,7
-1,9
-1
Ne
2,07
-7,7
-4
H2
2,1
-4,0
-2
N2
5,24
-11,8
-2
Ar
5,3
-19,73
-4
Kr
9,6
~ -40,0 *
-4
Xe
20,0
~ -80,0 *
-4
O2
5,0
+3380
676
-18,93
-12
CO2 1,6
* Расчётный метод.
Радиус (пм)***
H
Электроотрицательный
атомный ковалентный вандерва- (эВ)
альсовый абсолютный
Эффективный
заряд
ядра
Удельная
магнитная
восприимчи
-вость
(м3/кг)
Средняя Основные линии в
поляри- атомном спектре (нм)*
зуемость миним.
средн. макс.
(α- ·
1024см3)
78
1,0
-2,5 · 10-9
30
He 128
120
-
Ne -
12
-
Ar 174
12.3
160
-
Kr -
7,18
10,6
191
189
1,70
5,85
7,70
198
6,75
6,8
8,25
-
434,0
656,3
-5,9 ·
10-9
0,202
388,9
1083,0 2058,1
-4,2 ·
10-9
0,392
837,8
865,4
885,4
-6,16 ·
10-9
1,629
696,5
811,5
965,8
-4,32 ·
10-9
2,46
587,1
811,3
877,7
10-9
4,00
823,2
881,9
3507,0
-
435,0
749,0
860,0
-
399,5(П)** 657,9
-
777,2
Xe 218
209
-
5,85
8,2515,61
-4,20 ·
Rn 214
-
-
5.1
8,25
-
N
71
70
O -
154
66
7,30
140
3,90
7,54
4,55
1875,1
-5,4 ·
10-9
+1,355 ·
10-
1246,9
844,64 844,69
9
Таблица 2
Некоторые физические характеристики газов
* - для перехода к ангстремам (Å) необходимо умножить на 10.
** - однократно заряженный ион.
*** - для перевода радиусов в ангстремы (Å) необходимо делить на 100.
Нами отмечено, что основные линии в атомном спектре жизненно важных элементов нахо-дятся
на уровне длины - 400 ± 37 нм (рис.1, табл. 3). Основные линии в атомном спектре инертных газов
находятся на уровне ≈ 800 ± 27 нм как линии нейтральных атомов. Чем больше длина волны, тем
меньше частота (рис. 2, табл. 2).
λ, нм
100
0
800
600
400
200
0
Ñ
N
O
Na
Mg
P
S
Cl
K
Ca
Mn
F
e
Co
Cu
Z
n
I
V
Mo
S
e
Рис. 1. Основные линии в атомном спектре жизненно важных элементов
Таблица 3
Энергетические и спектральные характеристики биологически важных элементов
Элемент
Основные линии в атомном спектре (длина
волны), нм
Нводород
434
486,1
656,2
656,3
Энергия
Выделены длины
ионизации, эВ волн наиболее
ярких линий
13,6
875,1
C-углерод 274,86 283,67 426,73 723,64
11,3
N-азот
399,5
436,0
500,5
567,9
Oкислород
777,2
777,4
844,6
844,63 844,68
13,6
Na-натрий 313,55 588,99 589,6
818,3
819,5
5,1
Mgмагний
747
1247
14,5
279,6
280,3
285,2
383,8
518,4
7,6
P-фосфор 213,6
952,6
956,3
979,7
1648,3
10,48
Cl-хлор
479,5
489,7
542,3
837,6
858,6
12,9
S-сера
545,4
547,4
550,9
560,6
565,9
K-калий
404,4
691,1
693,9
766,5
769,9
Caкальций
239,9
317,9
373,7
393,4
393,9
422,7
6,1
Mn257,6
марганец
279,5
279,9
403,08 403.3
403,5
7,4
Fe-железо 248,3
248,8
252,2
344,1
372,0
373,7 835,9 7,86
Coкобальт
242,5
340,5
344,4
345,4
350,2
356,9
Cu-медь
216,5
217,9
324,75 327,4
521,8
Zn-цинк
213,9
250,2
255,8
330,3
334,5
491,2
9,4
J-йод
λ, нм
1200
511,9
533,8
562,6
804,4
905,8
911,4
10,5
792,4
10,36
4,3
7,9
7,7
1000
800
600
400
200
0
H
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
N
Рис. 2. Основные линии в атомном спектре инертных газов
Основные жизненно важные элементы в биоструктурах участвуют в реакциях, где энергия их
излучения
используется
для
преодоления
активационного
барьера
биохимических
(биофизических) реакций. Речь идёт о таких реакциях в которых продукты, необходимые для
жизнедеятельности, выполнения некоторых естественных функций клетки или организма,
образуются из жизненно важных элементов, основные линии в атомном спектре находятся в
пределах 400 ± 27 нм, а состоящие из них биологические молекулы имеют спектры поглощения и
испускания 300 ± 29 нм. Вероятно, эволюционное развитие предусмотрело, чтобы определённые
стадии сложной сети обменных процессов (метаболизма) обмена веществ и энергии происходили
в пределах границ видимого света (оптического диапазона излучения). Общим для всех
функционально-физиологических реакций является отсутствие повреждений жизненно важных
макромолекулярных и надмолекулярных структур клетки.
Например, (рис. 3)фотосинтез хлорофилла практически прекращается приλ = 700 нм, хотя полоса
поглощения хлорофилла простирается вплоть до 750 нм. Всё это наводит на мысль о том, что в
области красного оптического диапазона (красное падение) прекращаются (тормозятся)
метаболические процессы.
При спектральной плотности поглощённого рецептором (участком мембраны) нервной клетки
излучения от кластера инертного газа предельной КПД становится равным нулю (полное
отсутствие биохимических реакций) для длины волны 780-800 нм при Еν = 2,485·10-19 Дж.
Эндоэргические процессы для таких длин волн и энергий запрещены.
Молекулы наркотического вещества, окруженные структуированной водой самостоятельно и через
водородные связи (объединенный кластер) резонируют с клеточной мембраной, её структурными
образованиями. В данном случае спектр частот объединенного кластера резонирует с
постоянными
структурами
биологической
мембраны
клетки.
Расстояние
между
взаимодействующими образованиями (единый кластер - мембрана клетки) 5-10 нм. Это
безизлучательный перенос энергии, имеющий большое биологическое значение (например фотосинтез).
По данным таблиц 4 и 5, диапазоны резонансных частот биохимически важных органических ионов
и некоторых структур живой клетки составляют от 1 до 6 и от 11 до 17 Гц. Большинству веществ
свойственны резонансы при 3-6 Гц, а в область 11-17 Гц попадают молекулы с высоким зарядом и
небольшой молекулярной массой.
Рис. ___. Зависимость квантового выхода фотосинтеза хлореллы от длины волны света
Любое вещество, в любом
организм человека через
попадают в кровеносное
структуризация молекул
агрегатном состоянии (газ, липиды, катионы, анионы и т.п.), поступая в
в/в или верхние дыхательные пути или желудочно-кишечный тракт
русло, где вокруг атомов и молекул этих элементов происходит
свободной воды. Образование кластеров – это эволюционно
закреплённый механизм всего живого. В этом заключается одна из главных ролей воды в
биологических тканях, используемых на заре эволюции это свойство как защитный механизм.
Заряд иона Масса иона Резонансные частоты,
Класс вещества
Название вещества
Катионы неорганические
H
+1
1
767
Na
+1
23
33,3
K
+1
39
19,7
Ca
+2
40
38,4
Mg
+2
24
63,9
Cl
-1
35,5
21,6
HCO3
-1
61
12,6
PO3
-2
79
19,4
PO4
-3
95
24,2
P2O7
-4
174
17,6
Лактат
-1
89
8,6
Сукцинат
-2
116
13,2
Глутамат
-1
146
5,3
Аспартат
-1
132
5,8
Аргинин
+1
175
4,4
+1
147
5,2
Фосфоенолпируват
-3
165
13,9
2,3-Биофосфоглицерат
-5
261
14,7
Креатинфосфат
-1
209
3,7
Аденозинтрифосфат
-4
503
6,1
АТФ*Mg2+
-2
527
2,9
Аденозиндифосфат
-3
424
5,4
АДФ* Mg2+
-2
448
1,7
Аденозинмофосфат
-2
345
4,4
3′,5′-АМФ
-1
328
2,3
Гуанозинтрифосфат
-4
523
5,9
Инозитолтрифосфат
-6
420
11,0
Кофермент А
-4
763
4,0
НАД+
-1
662
1,2
НАДФ+
-3
740
3,1
ФАД
-2
783
2,0
Анионы неорганические
Органические кислоты
Аминокислоты
Лизин
Фосфаты
Коферменты
Гц (n=1)
ДНК
ДНК в расчете на 1 звено (аденин)
-1
312
2,5
Гистон Н4
+18
11300
1,2
Гистон Н3
+18
20000
0,7
Пальмитат
-1
255
3,0
Медиаторы
Ацетилхолин
+1
88
8,7
Белки
Кальмодулин
-24
16790
1,1
ДНК-упаковщики
Липиды
4 Са2+-кальмодулин
-16
16950
0,7
По нашим данным, возникновение ксенонового наркоза (и вообще действия наркотических
веществ) связано с колебательными движениями атомов и молекул (газа) наркотического
вещества и структуированной вокруг них воды. Кластерная структура изменяет частотно-полевые
характеристики веществ, вызывающих наркоз, в сторону их длинноволнового спектра.
Нервная клетка как макроскопическая структура имеет свои строгие минимальные геометрические
размеры, которые определяются конкретными составляющими и условиями её биологического
предназначения. В ней существует специфическая для каждой системы внутренняя структура
стационарных, фундаментальных физических полей. Во внутриклеточной воде, благодаря
существованию водородных связей, кластерных структур и свободному протонно-электронному
общению, макромолекулы белка, липидов приобретают необходимую конформацию и способность
дифференцированно взаимодействовать. Нервная клетка - это электронно-протонный
самоорганизующийся контур, способный к фазовым переходам.
В реальных клетках физические реакции (взаимодействие) между внешним агентом
(наркотическое вещество) и клеточными составляющими (белки, липиды и т.п.) должны не
выходить за рамки пяти дискретных значений с постоянным шагом между ними 0,30±0,04 в. При
рН=7,5 они равны: -0,40; -0,10; 0,19; 0,49 и 0,78 в. Стандартные потенциалы этих взаимодействий
совпадают с потенциалами других реакций в водном растворе. Крайние значения этого ряда
совпадают с потенциалами разложения воды. Выход за эти пределы грозит клетке (живому)
гибелью.
С этих позиций возникновение наркоза - это защита организма от чужеродных структур - газа способного генерировать электромагнитные волны УФ-диапазона и влиять на функциональное
состояние как отдельных клеток, так и организма в целом. Любой газ, в любой концентрации, при
любом давлении, температуре и т.п., кроме привычного соотношения их в воздухе при
нормальном давлении является для организма чужеродным. И организм соответственно этому
отвечает.
Таблица 4
Частоты параметрического резонанса для важнейших биологических ионов
при ВDC=50 мкТл
Таблица 5
Приблизительные резонансные частоты некоторых структур живой клетки
(Абдулкеримов С.А., 2002)
Структура
Размеры (в ангстремах)
Длина
1
Соматическая КЛЕТКА
млекопитающих (средний размер)
2
Толщина
Периметр
3
4
Частота
(Гц)
Волновой диапазон
волны (см)
5
Диаметр ~20 мкм
2х102 А0
Длина
6,28х1012
6
7
2,39х10-12
ИК диапазон (далёкий)
ИК лучи (микронные)
(126 мкм)
ЯДРО соматической клетки
(средний размер)
Диаметр ~5 мкм
1,5х104 А0
МИТОХОНДРИЯ из клетки печени
(средний размер)
ИК диапазон (далёкий)
ИК лучи (микронные)
1,57х105
9,55х1012
Диаметр
~1500 мкм
ИК диапазон (далёкий)
ИК лучи (микронные)
4,71х104 3,18х1013
1,5х104 А0
9,42х10-4
(126 мкм)
ГЕНОМ клетки человека
(суперструктуированный)
ИК диапазон (далёкий)
1,5х104 1,5х104
6х104
2,5х1013
1,2х10-3
ИК излучение
(12 мкм)
ИК лучи (микронные)
ХРОМОСОМА интерфазная (max
генной активности)
Радиоволны
(переходные)
1х106
500
2х106
7,5х1011
4х10-2
СВЧ-излучение
(400 мкм)
ХРОМОСОМА метафазная (min
генной активности)
ИК диапазон (далёкий)
ИК лучи (микронные)
5х104
100
1х105
1,5х1013
2х10-3
(20 мкм)
ДНК хромосомы (растянутая нить)
Радиоволны
дециметровые
5х108
3х109
20
10
СВЧ-излучение
ПЕТЛЯ хромосомы (несколько
генов)
ИК диапазон (ближний)
4х103
3000
1,4х104
1,07х1014
2,8х10-4
ИК излучение
(2,8 мкм)
ИК лучи (микронные)
ГЕН кодирующий белок см.в. 50000
(6 нуклеосом)
УФ (ультрафиолет)
660
110
1540
9,7х1014
3,08х10- УФ лучи (ближние)
мкм)
5(308
НУКЛЕОСОМА («бусинка» на
хромосоме)
УФ (шумановская
область)
110
57
334
4,5х1015
6,68х10-6
УФ диапазон (далёкий)
(66,8 мкм)
ЛИНКЕРНЫЙ УЧАСТОК хромосомы
(разделяющий нуклеосомы)
УФ (шумановская
область)
204
20
448
3,35х1015
9х10-6
УФ диапазон (далёкий)
(89,6 мкм)
РИБОСОМА (E.coll)
Диаметр
~180 А0
1,13х10-5
565,2
2,65х1015
УФ (шумановская
область)
(113 мкм)
УФ диапазон (далёкий)
4,34х10-5
нмДКН (ДНК-мембран-ный
комплекс)
1000
85
2170
6,9х1014
Видимое излучение
(434 мкм) Видимый свет
(фиолетовый)
Поскольку вода является основной компонентой биологических систем, в которой протекают все
метаболические и физические процессы, то незначительное изменение физико-химических
свойств внутриклеточной воды может значительно изменять функциональную активность клеток.
Это подтверждается тем, что вода имеет квазистационарную кластерную структуру, состояние
которой может меняться при получении извне незначительной энергии, необходимой для разрыва,
образования или изгиба водородных связей между её молекулами (Классен В.И., 1971, 1982;
Степанян Р.С. с соавт., 1999).
Легко изменяющаяся скорость образования и разрыва водородных связей служит мишенью для
биологического действия различных сверхслабых химических и физических факторов внешней
среды.
В природе существует принцип адаптивных перестроек. Любая живая система при воздействии на
неё перестраивается так, чтобы уменьшить это воздействие. Соблюдение этого принципа в живых
системах позволяет им поддерживать состояние гомеостаза. Основу гомеостаза составляет
стационарное состояние системы, причём далеко от равновесия.
Феномен кластерообразования -защитная реакция сыворотки крови и протоплазмы клетки, так как
связываясь в гранулы вещества менее токсичны для клеток. Способность к гранулообразованию
является критерием структурной целостности клетки.
Водородная связь в биологии играет огромную роль в межмолекулярных и внутримолекулярных
взаимодействиях. Эта связь имеет энергию диссоциации порядка 10 кДж/моль и по прочности
занимает промежуточное положение между типичной химической связью (~ 500 кДж/моль) и Вандер-Ваальсовыми силами (~ 1 кДж/моль). Проявления водородной связи могут быть весьма
разнообразными, но нас интересует только ряд из них:
-молекулярная ассоциация в жидкостях и растворах, приводящая к аномальным молекулярным
массам и динамическим свойствам;
-протоны располагаются между двумя электроотрицательными атомами;
-длинноволновое смещение колебательных частот и уширение колебательных спектральных
линий;
-коротковолновое смещение n → π* переходов в электронных спектрах;
-большие сдвиги в сторону слабого поля в спектрах протонного магнитного резонанса.
Водные растворы с неполярными компонентами относятся к сложным системам и в зависимости
от их молекулярной структуры обнаруживают большое разнообразие свойств. К неполярным
компонентам относятся одноатомные Аг, Кг, Хе и двухатомные N 2, О2, Сl2 газы, где
межмолекулярные взаимодействия центральные или близкие к центральным. К неполярным
компонентам относятся и многие вещества с существенно нецентральными межмолекулярными
силами, например, алканы, молекулы которых представляют линейные цепи.
К неполярным относится молекула бензола, проявляющая благодаря наличию π-электронов
слабые электрондонорные свойства и некоторую тенденцию к ассоциации.
На поведение неполярных веществ в водном растворе сильно влияет характер распределения
электронной плотности в молекуле (атоме), способность её к перераспределению.
Гидратационные силы являются наиболее ярким проявлением эффектов нелокальной
поляризуемости воды в биологических системах. Благодаря этим эффектам электрические поля в
непосредственной близости к поверхности (внутренней) мембраны нервной клетки могут быть
весьма значительными.
Различают несколько эффектов, связанных с взаимодействием молекул в жидкости:
- сила взаимодействия двух молекул зависит от термодинамической свободной энергии А(R) =
U(R) – TS(R) и поэтому представляет собой результата усреднения по конфигурациям остальных
молекул;
- при внедрении газов в пустоты ассоциатов воды не действует закон Архимеда, т.к. жидкость
практически почти не сжимаема;
- среда (вода) изменяет электромагнитные силы, которые должны существовать между
молекулами в вакууме;
- электронные облака растворённых молекул перекрываются с электронными облаками молекул
растворителя, что приводит к изменению свойств растворённых молекул.
Всё это полностью относится к атомам и молекулам растворённого в нервной клетке
наркотического вещества и, подтверждается возможность образования единого внутриклеточного
кластера или кластеров из ассоциатов воды.
Вокруг попавших в нервную клетку молекул наркотического вещества (атомов инертного газа)
образуются водные кластероподробные структуры, размер которых составляет не менее 0,06 нм
или чуть больше молекулы наркотического вещества. Атомы инертных газов образуют кластеры,
где они поляризованы положительно. Оценки показывают, что на одну имеющую заряд частичку
(ион) приходится около 50 молекул воды.
Естественно задаться вопросом: как это может быть, что сила действия в ряду наркотиков в
опытах одних авторов изменялась в зависимости от растворимости этих веществ в воде, в опытах
других – от значений Овертон-Мейеровских коэффициентов распределения между маслом и
водой, в опытах третьих – от способности адсорбироваться углём, и т.д. (Лазарев Н.В., 1958). Что
же может их объединять в механизмах развития наркоза? Вероятно, что сами физико-химические
свойства, от которых зависит сила наркотического действия различных веществ, должны
находиться в известной связи друг с другом или объединяться на каком-то этапе. Наркоз
наступает при почти одинаковой концентрации разных веществ в какой-то биофазе.
При исследовании одновременного действия разных анестетиков, где предполагалась
возможность усиления действия друг друга, выявили признаки обычного сложения наркотического
действиядвух анестетиков (Xe, галотан).
На эти факты обращал внимание и Н.В.Лазарев (1958) – прикомбинированном действии на белых
мышей паров наркотиков одного и того же типанаблюдается простая аддитивность эффектов
(табл. ___). Если же один из одновременно действующих на животное наркотиков принадлежит к
1, а другой коП типу, то суммирование их действия оказывается неполным. Следовательно, в
действии таких наркотиков полной взаимозаменяемости нет. Но в то же время есть и нечто общее,
ибо длядостижения бокового положения животных нужны такиеконцентрации каждого из вещества
в смеси, которые ниже концентрации, вызывающих то же состояние мышей при действии этих
веществ порознь.
Объяснение этому факту лежит в характере растворения наркотических веществ в биологических
жидкостях, в т.ч. распределения их в больших и малых пустотах ассоциатов воды (см. главу 1).
Таблица
Комбинированное действие паров некоторых наркотиков на белых мышей
(по Т.А.Штессель)
Наркотики
Тип
наркотического
Если концентрацию каждого наркотика в воздухе выразить
не в абсолютных цифрах, а в процентах от той, которая
вызывает боковое положение мыши, то при совместном
воздействии двух веществ тот же эффект наблюдается при
суммарной концентрации, равной
действия
Ацетон……………...
1
+
дихлорэтан……….
1
Ацетон……………...
1
+ толуол…………….
П
Ацетон……………...
1
+
циклогексан………
П
Метиловый
спирт….
1
+
циклогексан………
П
Толуол………………
П
+
циклогексан………
П
100 %
115-125 %
120-145 %
120-140 %
100 %
Итак, наркотики действуют в организме, не вступая в нём в типичные химические реакции, влияя
«самим своим присутствием» или как «инородное тело» (Лазарев Н.В., 1958). Это было сказано 50
лет назад и до настоящего времени мы мало продвинулись в объяснении этого «присутствия» и
его роли в механизме наркоза.
Надмолекулярные кластерные структуры воды обладают фрактальными свойствами.
Поразительно то, что симметрические особенности водных фракталов в точности согласуются с
топологией молекул большинства известных белков и, в частности, полностью удовлетворяют их
хиральности (Бульенков Н.А., 1991).
В работе Степаняна Р.С. с соавт. (1999) отмечена чёткая зависимость частоты механических
колебаний в воде, причём электромагнитной природы. Наибольший эффект удельной
электропроводности был отмечен при частоте 4 Гц. Исходя из этого можно представить, что
механизм действия инертных газов на внутриклеточную воду связан с изменением структурной
характеристики системы. В плазме или клетке ассоциаты молекул воды совершают непрерывные
колебания, которым соответствует определенный энергетический уровень. Соответственно ведут
себя и другие составляющие. При воздействии на эту систему различных частот или
определенного их диапазона происходят структурные изменения.
Анализ различных характеристик гидратации благородных газов, проведенный в работе Крестова
Г.А. и Абросимова В.К. (1964), позволил установить, что растворение инертных газов
сопровождается такими перестройками в воде, которые приводят к общему росту упорядоченности
системы, причём упорядочивающий эффект тем больше, чем более структуирована вода и чем
больше число гидратирующихся частиц (Абросимов В.К. с соавт.,2000). Авторами показано, что
гидратация не только атомов инертных газов, но и молекул Н 2, N2 и О2 сопровождается
стабилизацией структуры воды.
Гидратация неполярных газов является энтропийноструктурно контролируемым процессом.
Растворение гидрофобных молекул в воде изменяет её локальную структуру либо путём
стабилизации, либо путём перестройки в клатратоподобную.
В кластерах инертных газов электроотрицательность инертного газа больше, чем
электроотрицательность Н2О. В этом случае молекулы воды будут иметь положительный
эффективный заряд > 0, но < +1, атом инертного газа - соответствующий отрицательный заряд.
Чем больше значение эффективного заряда атома приближается к целому числу (1, 2, 3 и т.д.),
тем больше подтверждается, что связи в кластере носят чисто ионный характер. Ковалентный
характер носят только связи самих молекул Н 2О.
Между встроенным в ассоциат неполярным атомом инертного газа и полярными молекулами Н2О
возникает индукционное (деформационное) взаимодействие. При этом электрическое поле
полярных молекул воды ассоциата вызывают смещения центра тяжести зарядов инертного газа и
образовывают диполь, ориентированный своим положительным полюсом к отрицательным
полюсам молекул воды. Электрические поля соответственно ориентированных молекул Н 2О могут
вызывать дополнительное смещение центров тяжести зарядов и тем самым усиливать дипольное
взаимодействие (внутрикластерное ориентационное взаимодействие).
Образовавшийся кластер инертного газа со своим дипольным моментом обусловливает
притяжение соседних аналогичных кластеров, которое проявляется тем больше, чем больше
дипольный момент атомов инертного газа μ. Чем больше размер атома инертного газа, тем
больше дипольный момент кластера им образованного, тем сильнее взаимодействие между собой
и дипольными молекулами мембраны нервной клетки.
Тепловое движение нарушает взаимную ориентацию полярных кластеров, повышение
температуры при этом ослабляет ориентационное взаимодействие. Повышение давления наоборот. Так как ассоциаты воды неполярны (μ = 0), ориентационный эффект у них отсутствует.
Тепловым движением они легко замещаются полярными кластерами инертного газа на мембране
нервной клетки (или внутримембранно).
После выведения Хе из ассоциата воды, последний также продолжает воспроизводить
диссипативное излучение, но с несколько более высокими частотами по отношению к кластерам. В
атомных системах большая величина излучённого кванта означает более высокую частоту
колебаний и наоборот. Частота в постксеноновом ассоциате значительно выше за счёт удаления
из его состава атома (-ов) ксенона с относительной атомной массой 131,29.
Минимальный квант энергии определяется частотой колебаний. Величина этого минимального
кванта энергии определяется как h = 6,62·10-34 кг·м2/сек. При этом частота колебаний фотонов
фиолетового спектра составляет ≈1016 Гц, что соответствует длине волны около 400 нм.
На наружной стороне и внутри мембраны нервной клетки биофизическое действие оказывают
наркотики, которые не могут проникнуть внутрь клетки (из-за размеров или неспособности пройти
липидный биослой). Азот по размерам почти соответствует атому кислорода и проникает внутрь
клетки, а кластеры аргона располагаются на поверхности мембраны или находятся в её порах.
При этом увеличивается электрический импеданс нервной ткани, нарушается проницаемость
мембраны даже для небольших молекул (кислорода, глюкозы и др.), снижается уровень
метаболизма.
Итак, водород, гелий, азот, неон, закись азота могут проникать внутрь нервной клетки.
Аргон, криптон, ксенон имеют почти одинаковые рёбра кластеров воды, а именно, 1200
пм (12 Å) и, соответственно, проникнуть внутрь нервной клетки через мембрану не могут
(табл. ___, рис. __). Этим, вероятно, и объясняется тот факт, что аргон менее токсичен при
наркозе, чем азот, который имеет наибольшее количество состояний окисления (8) и
который проникает в клетку. Аргон в клетку не проникает и включает механизмы наркоза
через – или внутри мембраны.
Рис. ___. Атом аргона в центре ассоциата воды.
Отмечено, что размеры молекул (их масса) влияют на значение констант устойчивости
растворов – утяжеление (увеличение размеров) молекул приводит к снижению
устойчивости, и в частности к снижению температуры расслоения (Габуда С.П., 1982).
Все фазовые переходы имеют аналогичный механизм в критической области, меняются
лишь их составляющие.
В ряде случаев отмечается появление молекул в состоянии, близком к диссоциации на
атомы, т.е. находящиеся на высоких уровнях колебательного возбуждения. Так, например,
при окислении азота рассматривается как активационный процесс
N2* + N2→ N2 + N →N
при котором электронная энергия одной молекулы азота N2* превращается в
колебательную энергию другой молекулы азота N ← → N (Ерёмин Е.Н., 1976).
Передача энергии электронного возбуждения установлена при столкновении
возбужденных атомов с молекулами. Так, например, Фишбурн (1967) наблюдал процесс
Ar(3Р) + N2(ư=0) = Ar(1S0) +N2*(С3П, ư=2, 1, 0). Эффективность столкновений в этом
случае больше эффективности процессаAr* + Ar = 2Ar приблизительно в 100 раз.
С точки зрения кинетики термического возбуждения атомов наибольший интерес
представляют константы скорости процессов возбуждения при энергиях, близких к порогу
возбуждения. Прямые измерения этой величины крайне немногочисленны. В качестве
примера можно упомянуть возбуждение атомов Xe при столкновениях с Xe (Кондратьев
В.Н., Никитин Е.С., 1974).
Осциллятором в передаче сигнала на рецепторы, часть мембраны, внутримембранно и
внутри нервной клетки является кластер инертного газа. Осциллятор – это физическая
(биофизическая – авт.) система совершающая колебания (ФЭС, 1984), если описывающие
её величины периодически меняются со временем. Колебания напряжённостей
электромагнитного поля в плоской волне описывается также с помощью понятия
«осциллятор».
Кластер Xe или любого инертного газа является диссипативным осциллятором. Его
энергия несколько выше тепловой энергии движения молекул воды и поэтому молекулы
воды могут замещаться в углублениях мембраны нервной клетки подобными кластерами,
которые удерживаются дольше, чем отдельные молекулы Н2О или её ассоциаты.
Собственное электромагнитное поле воды меньше 10-5 Вт/см2 и дискретно в широком
диапазоне частот (1014 Гц < υ < 1,0 Гц) (Слесарев В.И., 2004). Молекулы создавая
кластеры с жизненно важными элементами (тоже являются диссипативными
осцилляторами) эволюционно закрепили это низкочастотное излучение как регулирующее
функциональное предназначение любых структур организма (клетки). Кластеры инертных
газов наводят диссонанс в этом регулирующем процессе, т.к. природа никогда не
сталкивалась с таким содержанием инертного газа.
Колебания кластера инертного газа можно отнести к квантовым осцилляторам. Важной
особенностью такого осциллятора является то, что в энергетическом спектре его уровни
энергии (εn) расположены на равных расстояниях (и уровнях). В связи с тем, что правила
отбора разрешают в данном случае переходы только между соседними уровнями, то, хотя
квантовый осциллятор имеет набор собственных частот, излучение его происходит на
одной частоте, совпадающей с классической: ω = √k/m(ω – частота, m – масса
осциллятора). В отличие от классического осциллятора наименьшее возможное значение
энергии квантового осциллятора равно не нулю, а ħω/2 (нулевая энергия).
Линии в спектрах испускания или поглощения атома (любой квантовой системы)
отвечающие определённым излучательным квантовым переходам называются
спектральными линиями. Спектральные линии характеризуются узким интервалом частот
(длин волн) – шириной спектральной линии. Спектральные линии могут дополнительно
уширяться вследствие хаотического, теплового движения атомов и молекул (например,
доплеровское уширение, Штарка эффект) или любого другого воздействия квантовой
системы. Их можно приближённо считать монохроматическими с длиной волны,
отвечающей максимуму интенсивности спектральной линии испускания (или минимуму
спектральной линии поглощения).
Основные линии в атомном спектре инертных газов находятся в пределах 800±27 нм
(табл. ___). Рёбра кластеров Хе, Аr, Kr одинаковы (12 Å). Молекулы воды в кластере
инертных газов изменяют их дипольный момент (в норме он равен 0) и активизируют
молекулу (атом) газа. Активизированный кластер инертного газа раскачивает колебания
такого осциллятора за счёт энергии как поступательного движения, так и энергии
водородных связей в самом кластере.С квантовой точки зрения это соответствует
излучению фотона с одновременным переходом осциллятора на более высокий
энергетический уровень. По нашим данным излучение происходит на уровне действия
сверхслабого (меньше 5 · 10-6 Тл) низкочастотного (меньше 0,1 Гц) и присутствующего
магнитного поля Земли (5 · 10-5 Тл).
Молекулы воды в кластере ведут себя как единый нелинейный осциллятор. Переходы
между различными колебательными модами можно интерпретировать как образование и
распад метастабильных динамических структур. Такие структуры в силу кооперативного
характера водородной связи возникают и исчезают вследствие локальных (на клеточной
мембране) энергетических флуктуаций. Можно предположить, что динамически
метастабильные структуры (кластеры инертного газа) в жидкой воде организма
представляют собой неравновесные структуры, характеризующиеся достаточной энергией
(активизированы, метастабильны), распад которых должен сопровождаться излучением
квантов диссипации (hν << kT), которое из-за кооперативности процесса может иметь
резонансный характер с поглощающей эти излучения системой. В зависимости от
размеров кластеров инертных газов такое действие может происходить на мембране
внутри её и в протоплазме нервной клетки.
Основной частотно-амплитудный диапазон возможных биотропных параметров
взаимодействия сосредоточен в пределах 0,01-1,0 кТл по амплитуде и от ≈0,01 до
нескольких десятков герц по частоте.
Энергетические уровни, соответствующие вращательной, колебательной и электронной
энергии, всегда дискретны. Передача энергии квантами с длиной волны 0,2-20 мм (5,0-0,5
см-1), с частотами от 1,5·1012 до 1,5·1010 с-1 (уровень световых квантов), несущих энергию
0,6-0,006 кДж·энштейн-1, возбуждают молекулы, переводя их с исходного
энергетического уровня (вращательного или колебательного) на другой, более высокий.
Энергия соответствующих квантов намного ниже энергии активации обычных
химических (биохимических) реакций и ниже средней энергии поступательного движения
молекул в растворе (плазме крови – тепловой шум) при комнатной температуре (3,7°
кДж·моль-1 при 25 °С).
Область колебательных энергий простирается от 6 до 100 кДж моль-1, что отвечает
частотам ~500-8000 см-1. Соответствующие полосы поглощения находятся в ИК области.
Энергия возбуждения электронных уровней лежит в диапазоне 120-1200 кДж·моль-1.
Характерные частоты составляют 10000-100000 см-1 (длины волн 1000-100 нм), а спектры
находятся в видимой и УФ областях.
По данным спектрографических исследований известно, что когда группа ОН вступает в
водородную связь, её валентная частота уменьшается и что более сильным водородным
связям соответствует значительное уменьшение частоты (на 70-100 см-1).
Являясь диссипативным осциллятором, кластер ксенона излучает низкоинтенсивное
(<kT), низкочастотное (0,07-3,7 Гц), нелинейное поляризованное излучение.
Для среды с μ=1 (вода) качественное различие между магнитной индукцией В и
напряжённостью Н магнитного поля исчезает.
Начиная с самых низких частот ν до области радиочастот величина ε (диэлектрическая
проницаемость) чистой воды не зависит от частоты.
Удельная ёмкость всех биологических мембран (клеток, митохондрий) по порядку
величины составляет 1 мкФ/см2 и не зависит от частоты во всём радиочастотном
диапазоне. В области низких частот удельная ёмкость с уменьшениемчастоты возрастает,
что объясняется действием дополнительных механизмов релаксации как в самих
мембранах, так и в окружающей их водной среде (Шван Х.П., Фостер К.Р., 1980).
При внедрении инертного газа в пустоты ассоциата воды, связывающие пары молекул
воды смещаются в сторону атома инертного газа как более отрицательного элемента. Это
смещение приводит к несовпадению центров положительных и отрицательных зарядов,
кластер поляризуется, приобретает характер диполя. Полярность кластера оценивается
величиной момента диполя μ, представляющего собой произведение расстояния между
центрами зарядов (длины диполя) τ на величину электрического заряда ε. Количественной
мерой поляризуемости кластера наряду с моментом диполя является также эффективный
заряд атома инертного газа (у Хе он наибольший по сравнению с другими инертными
газами).
ИК-излучение вызывает возбуждение молекул, комплексов и структур. Это возбуждение
затрагивает преимущественно вращательную и колебательную способности молекул. При
длительном воздействии ИК-лучей меняется даже структура мембран.
Основным местом приложения, по нашему мнению, является клетка, её мембрана.
Происходит прямое действие на клетки ЦНС, которое носит фазный характер. Механизм
действия излучений кластера связан с синхронизацией колебаний многих эндогенных
осцилляторов, существующих в клетке, организме в целом, существующих вне
зависимости от внешних электромагнитных полей, осуществляющих своё влияние через
водную структуру организма.
Разрушение кластера инертного газа ведёт к изменению частотной характеристики
излучения, нарушению поляризации и, соответственно, к прекращению эффекта наркоза.
Полученные результаты полностью подтверждаются (соответствуют интерпретации
магнитной восприимчивости и поляризуемости (табл. 1, 2).
Излучение различных длин волн поглощается одним и тем же веществом неодинаково.
Зависимость поглощательной способности вещества от длины волны излучения
называется спектром поглощения. Каждое вещество характеризуется специфическим
спектром поглощения. Это молекулярный физический процесс. Излучение поглощается
молекулами (их комплексами, атомами, радикалами, активными центрами, ионами), а не
сложными биологическими структурами в целом (клетка, митохондрии, ядра клеток).
Квантовая природа излучения выражается в том, что вся энергия (большая или малая),
заключённая в его кванте, поглощается молекулой сразу за время около 10-14 сек и
полностью. Это дискретный, а не непрерывный процесс.
Волновая природа излучения выражается в том, что поглощение излучения достигается в
результате взаимодействия электронного облакамолекулы с электрическим вектором
излучения. Взаимодействие магнитного вектора с молекулой очень мало.
Поглощаемое излучение различных длин волн приводит к возникновению различающихся
по запасам электронной или колебательной энергии наборов возбуждённых молекул.
Измерения электрической поляризуемости молекулы в момент поглощения показали, что
переходу М − hν → М* соответствует переброска на более высокий энергетический
уровень (орбиту) лишь одного электрона молекулы. Это одноэлектронный одноквантовый
физический процесс.
Каждому электронному переходу соответствует определённое направление осцилляции
заряда относительно скелета молекулы: электрон выходит на возбуждённый уровень по
строго определённой траектории. Молекулы, расположенные в биообъёме таким образом,
что их осцилляторы перпендикулярны электрическому вектору излучения, вообще не
смогут поглощать его. Направления осцилляторов различных полос поглощения, как
правило, вообще не совпадают и по-разному ориентированы относительно скелета
молекулы.
Тензор диамагнитной восприимчивости рецептора или участка наружной части мембраны
нервной клетки определяет отклик системы на внешнее по отношению к ним
электромагнитное воздействие кластера инертного газа.
Кластеризированные молекулы (атомы) инертного газа или другого наркотического
вещества вступают в пространственные частотно-полевые взаимодействия с рецепторами
и с участками наружной клеточной мембраны, внутримембранно и внутриклеточно. При
этом происходит несколько характериологических процессов: синхронизация и захват
частоты, кооперативное взаимодействие молекул воды и структур, расположенных на
мембране, кодирование и усиление сигнала, резонанс и изменение потенциала мембраны,
конформационные изменения ацильных хвостов внутри мембраны, горизонтальное
перемещение белковых головок наружного слоя мембраны, создаются ограниченные
однородные участки на поверхности мембраны нервной клетки, происходит расстыковка
ацильных хвостов наружной и внутренней стороны мембраны, нарушается проницаемость
мембраны почти для всех молекул (глюкозы и т.п.) анионов и катионов. Происходит как
бы блокада внутреннего содержимого (состояния) цитоклетки. Изменяются частотнополевые характеристики цитоскелета клетки.
В атомных системах большая величина излучённого кванта означает более высокую
частоту колебаний, и наоборот.
При слабых сигналах (например, кластера Хе) деполяризация достигается не сразу;
импульсы от него возникающие на наружной стороне мембраны нервной клетки,
отделены друг от друга более продолжительными интервалами, т.е. слабые раздражения
возбуждают импульсы низкой частоты, а сильные - импульсы высокой частоты.
Импульсы, появляющиеся в нервной клетке, переводят внешние сигналы на язык
частотных кодов. Частота нервных импульсов, их группировка определяются свойствами
раздражителя (вещества, кластера). Биофизический код (частотный), при наркозе
инертными газами, минуя химический (метаболический) превращается в частотный.
Малейшие колебания электромагнитного поля в водной среде фиксируется нейронами,
нервными клетками на внешних участках мембраны.
Эффекты на поверхности мембран клеток вызываются столь низкими электрическими
градиентами в ткани, что это может свидетельствовать о значительной роли
кооперативных процессов в них. Внутренние электрические градиенты, включая ЭЭГ,
могут оказывать существенное влияние на нейрохимические, конформационные
перестройки на мембранном уровне.
Изменённые кластерообразованием молекулы наркотического вещества меняют ряд своих
физических, химических и биофизических характеристик, что приводит к следующим
эффектам:
- изменяется скорость диффузии (транспорта) различных элементов через клеточную
мембрану;
- возникают полупроводниковые эффекты в молекулах белков (рецепторов), влияющие на
конформационные изменения ацильных «хвостов» углеводородов внутри мембраны;
- изменяется ротационная поляризация и конформационные изменения молекул
(рецепторов), обладающих активными центрами;
- изменяются валентные углы связи, пространственная конфигурация в парамагнитных
молекулах (рецепторах);
- изменяются кооперативные процессы на (в) поверхности мембран нервных клеток;
- изменяется пространственная ориентация макромолекул (рецепторов) имеющих
магнитную восприимчивость;
- происходят энергетически малозатратные взаимодействия ниже уровня кТ на состояние
электронных уровней биомолекул;
- нарушаются привычные стационарные равновесные положения атомных групп
(активных центров) и всей макромолекулы с некоторым новым ограничением степеней
свободы;
- меняются ассоциирующие и реакционные свойства рецепторов;
- кооперативные эффекты взаимодействия кластера выражаются в суммации
однонаправленных изменений в звеньях молекулы рецептора (от наружных по
отношению к поверхности мембраны, до внутренних – конформации ацильных
«хвостов»);
- разрушается привычная передача сигнала внутрь нервной клетки.
Согласно нашей гипотезе, явление наркоза по всей вероятности, обусловлено
стабилизирующим влиянием молекул анестетических веществ на гидратные оболочки
аминокислот и других веществ, расположенных на наружной мембране нервной клетки.
Это стабилизирующее влияние заключается в повышении температуры расслоения, а,
значит, и «прочности» соответствующих гидратных оболочек, их своеобразным
цементировании. В итоге, условия функционирования гидратированных аминокислот,
белков и других биологических молекул искажаются до такой степени, что клетка
оказывается «оглушённой» из-за так называемого ингибирования – резкого замедления
или даже остановки некоторых ферментативных и метаболических процессов. Вот почему
мы отмечаем эффект и с жировой фазой ткани нервной системы и с водной фазой (а не её
альтернативой).
Кластер ксенона
↓
Гидростатическое давление (структурно изменённые молекулы
Н2О)
↓
Биофизическое разбалансирование липидной основы мембраны
↓
Нарушение ферментной и метаболическойорганизации клетки
↓
Плазматические
мембраны
↓
Митохондрин
↓
↓
Нарушение функции и
метаболизма ферментных
Нарушение электронносистем.
транспортной функции,
Клеточное голодание.
окислительного фосфорилирования
↓
Ядерные
мембраны
↓
Нарушение ядерноцитоплазматических
взаимоотношений
↓
↓
↓
Энергетическое голодание, торможение, разрыв привычных ассоциативных связей
↓
Наркоз
Форма молекул клеточной мембраны и природа их функциональных групп, частотное,
резонансное взаимоотношение их с молекулами наркотического газа,
структурированными водой и имеющими соответствующую пространственную частотнополевую структуру и является, по нашему мнению, причиной наркоза.
Часть II