Автореферат диссертации на соискание ученой степени

На правах рукописи

До Минь Ха

УСТОЙЧИВЫЕ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ БИКАРБОНАТОВ

03.01.02 — Биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

МОСКВА 2011

Работа выполнена на кафедре биоорганической химии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Доктор биологических наук,
профессор

Воейков Владимир Леонидович

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук,

Пальмина Надежда Павловна

Доктор биологических наук,
профессор

Тамбиев Александр Хапачевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН.

Защита диссертации состоится «22» июня 2011 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.039.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН по адресу: 119334, Москва, ул. Косыгина, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН.

Автореферат разослан мая 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.039.01

кандидат химических наук

Мазалецкая Л.И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы: Углекислый газ и образующиеся при реакции СО2 с водой угольная кислота, бикарбонаты и карбонаты, которые в совокупности именуются углекислотой, присутствуют в разных соотношениях практически во всех природных водных системах. Все биологические жидкости, включая цитоплазму живых клеток и внеклеточные среды, являются бикарбонатными водными системами. Углекислота, образующаяся в организме при окислении органических соединений, играет важную роль в регуляции разнообразных биологических процессов. Так, при дефиците в организме углекислоты, подавляется дыхание как на уровне целого организма [Haldane J., 1927 and Henderson Y., 1938; Агаджанян Н.А. и др., 1995], так и на клеточном уровне [Bicz W., 1960; Palet A. et al., 1991]. Углекислота влияет на активность многих ферментов, экспрессию генов, систему кровообращения, иммунные реакции [Коган А.Х. и др., 2006]. Биологические эффекты углекислоты столь многообразны, что представителей семейства углекислоты можно считать универсальными регуляторами метаболизма.

Механизмы действия углекислоты на клеточном и молекулярном уровнях изучены в настоящее время недостаточно. Углекислота играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса в биологических системах, но механизм ее действия не сводится только к этому фактору. Лишь в последнее время стали появляться работы, свидетельствующие о существенном влиянии углекислоты, в частности, бикарбоната на процессы с участием активных форм кислорода (АФК). Коганом А.Х. c соавт. [1995] было обнаружено, что углекислота служит универсальным регулятором свободнорадикального гомеостаза клеток и тканей у живых организмов. Она влияет на активность супероксиддисмутаз, ксантиноксидазы и других ферментов, участвующих в процессах обмена АФК [Fridovich I. et al., 1976, 2004], на неферментативные окислительные процессы, протекающие в водных системах invitro и invivo [Medinas D.B. et al., 2007]. Влияние представителей семейства углекислоты на свободнорадикальные процессы обусловлено тем, что они реагируют с АФК и превращаются в относительно долгоживущие и селективно действующие на свои мишени карбонатные радикалы и пероксикарбонаты [Augusto O. et al., 2002]. Появляется все больше доказательств того, что как АФК, так и свободнорадикальные реакции с их участием служат универсальными регуляторами процессов жизнедеятельности на разных уровнях организации живых систем, а патогенное действие АФК связано с нарушениями регуляции их обмена [Ramasarma T., 1990; Thannickal V.J. and Fanburg B.L., 2000; Droge W., 2002; Voeikov V.L., 2001, 2007]. Поэтому изучение модулирующей роли углекислоты в действии АФК весьма актуально.

Каждая форма углекислоты имеет свои физико-химические свойства, и одним из важных факторов, обеспечивающих многообразие биологических эффектов, служит изменение их соотношения за счет изменения pH водной среды. Однако вода может и непосредственно участвовать в реализации модулирующего действия углекислоты на процессы с участием АФК. В настоящее время появились как экспериментальные [Pollack G., 2003-2010], так и теоретические [Del Giudice E. and Preparata G., 1995] обоснования возможности расщепления воды на радикалы в мягких условиях, что должно сопровождаться развитием в ней окислительно-восстановительных процессов. Действительно, при действии на воду факторов весьма низкой интенсивности (звук, механическое перемешивание воды, замораживание-оттаивание, воздействие низкочастотными электромагнитными полями) вода служит источником АФК [Домрачев и др., 1992; Воейков В.Л. и др. 1996; Ikeda S. et al., 1999; Брусков В.И. и др. 2001; Wentworth P., Jr. et al., 2001; Belovolova L. V. et al., 2009]. Учитывая чрезвычайно важную роль, которую играет углекислота как в биологических, так и в других природных водных системах, изучение реакций с участием АФК в водных растворах бикарбонатов может открыть дополнительные возможности для понимания механизмов влияния углекислоты на широкий спектр биологических процессов, что позволит эффективно управлять ими.

Цель данной работы заключалась в исследовании свойств и динамики свободно-радикальных реакций, непрерывно протекающих в водных растворах бикарбонатов, а также влияния разных физико-химических факторов на эти реакции.

Основными задачамиисследования являлись:

Выявление присутствия супероксидных радикалов в растворах бикарбонатов с помощью метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) с использованием спинового зонда тайрона (4,5-дигидроксибензол-1,3-дисульфокислоты) и изучение зависимости сигнала ЭПР от концентрации бикарбонатов, рН, влияния физических (освещение) и химических факторов.

Изучение продукции АФК хемилюминесцентным методом в бикарбонатных растворах в ответ на внесение в них солей двухвалентного железа в присутствии и в отсутствие люминесцентного зонда люминола (ЛМ).

Исследование хемилюминесцентным методом с использованием АФК-зондов ЛМ и люцигенина (ЛЦ) продукции АФК в бикарбонатных и других буферных водных растворах, активированных внесением в них перекиси водорода в низких концентрациях.

Изучение влияния различных факторов (температуры, рН и др.), про- и антиоксидантов и слабых воздействий (космо-физические факторы, гидратированные фуллерены в малых и сверхмалых концентрациях) на параметры сопровождающихся хемилюминесценцией (ХЛ) свободнорадикальных процессов в бикарбонатных водных растворах.

Основные положения, выносимые на защиту:

В водных растворах бикарбонатов спонтанно происходит образование супероксидного радикала, стационарный уровень которого возрастает с увеличением концентрации бикарбоната от 5 до 100 мМ. Интенсивность сигнала тайрона (ЭПР-зонда на супероксидный радикал) возрастает при освещении раствора белым и синим (=455 нм) светом и максимальна при рН около 9,0. Сигнал отсутствует в дистиллированной воде и в растворах Ва(ОН)2 в этом диапазоне рН, что свидетельствует о специфической роли бикарбоната в продукции супероксидного радикала в воде.

При внесении в водные растворы бикарбонатов солей Fe(II) или K3[Fe(CN)6] в микромолярных концентрациях регистрируется вспышка ХЛ, интенсивность которой возрастает в присутствии люминесцентного зонда на АФК – ЛМ. Интенсивность ХЛ максимальна при значениях рН водных растворов 8,8-9,0. Интенсивность ХЛ снижается в присутствии тайрона – ловушки супероксидных радикалов и при добавлении каталазы, что свидетельствует о продукции супероксидного радикала и перекиси водорода в водных растворах бикарбонатов.

При внесении в водные растворы бикарбонатов H2O2 в субмиллимолярных концентрациях в присутствии ЛМ они становятся длительными источниками ХЛ, которая не затухает в герметично закрытых и изолированных от света сосудах в течение многих месяцев. Интенсивность ХЛ возрастает при внесении в реакционные смеси FeSO4 в микромолярных концентрациях или пероксидазы и подавляется в присутствии каталазы и тайрона, что свидетельствует об участии H2O2 и супероксидного радикала в процессах, сопровождающихся ХЛ. В присутствии ЛЦ интенсивность ХЛ ниже, чем в присутствии ЛМ, и она затухает быстрее, но ее интенсивность вновь возрастает при повторном внесении ЛЦ в «затухший» раствор.

Гидратированные фуллерены (HyFn) в концентрациях выше 10 нМ снижают интенсивность вспышки ХЛ, индуцированной внесением Fe(II) в водные растворы бикарбонатов, а в концентрациях ниже 1 нМ усиливают ХЛ. В водных растворах бикарбонатов, активированных перекисью водорода, HyFn в диапазоне концентраций 10-11 – 10-20 M повышали интенсивность ЛМ-зависимой ХЛ. При этом зависимость эффекта от дозы HyFn имеет нелинейный полимодальный характер с максимумами в области сверхмалых доз (10-16 – 10-15 M) и “мнимых” концентраций (<10-19 M).

Предложена гипотеза, позволяющая объяснить большинство полученных результатов с учетом особой роли водной среды в осуществлении незатухающих свободнорадикальных реакций в растворах бикарбонатов. Вода рассматривается, как двухфазная система, в которой одна из фаз может служить донором электронов.

Научная новизна исследования:

Впервые обнаружено спонтанное образование супероксидного радикала в водных растворах бикарбонатов, зависящее от концентрации бикарбоната и усиливающееся при освещении.

Впервые обнаружено, что при внесении в водные растворы бикарбонатов солей двухвалентного железа развивается вспышка ХЛ, интенсивность которой возрастает в присутствии ЛМ. Интенсивность ХЛ максимальна в районе рН 8,8-9,0, что совпадает с максимумом сигнала ЭПР для водных растворов бикарбонатов.

Впервые обнаружено, что в водных растворах бикарбонатов, активированных перекисью водорода, развивается ЛМ-зависимая ХЛ, которая не затухает в герметично закрытых и изолированных от света сосудах в течение многих месяцев.

Впервые установлено, что гидратированные фуллерены в сверхмалых и «мнимых» концентрациях, повышают интенсивность устойчивой ЛМ-зависимой ХЛ водных растворов бикарбонатов, активированных перекисью водорода.

Впервые показано, что ЛМ в микромолярных концентрациях может выступать в роли усилителя ХЛ в течение чрезвычайно длительного времени (месяцы и годы), что свидетельствует о существовании механизма усиления им интенсивности излучения, сопровождающего свободнорадикальные реакции, который отличается от общепринятого.

Теоретическая и практическая значимость исследования:

Теоретическая значимость работы определяется тем, что она вносит определенный вклад в понимание механизмов участия углекислоты в биологических и других природных процессах, что даст возможность целенаправленно влиять на них.

Поскольку активированные перекисью водорода водные растворы бикарбонатов являются стабильными источниками ХЛ, не затухающей длительное время, и обладают чувствительностью к действию низкоинтенсивных физических и химических факторов, появляется возможность использовать их в качестве тест-систем для регистрации физических полей и исследования свойств препаратов, представляющих собой растворы биологически активных веществ в сверхмалых дозах.

Апробация работы: Материалы диссертации доложены на IV Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (2008 г., ИБХФ РАН, Москва), Международном научном конгрессе: Наука. Информация. Сознание (2008 г.), XIII Международном Научном Конгрессе по Электрофотонике (2009 г.), VIII International Crimean Conference (2009, Sudak, Crimea, Ukraine), X Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (ОМИП-2009, МЭИ, г. Москва), The 26-th Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS) (2009, Moscow), V Международном конгрессе «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (2009 г., Санкт-Петербург, СПб ГУ), VIII Международной конференции «Биоантиоксидант» (2010 г., ИБХФ РАН, Москва).

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 статьи в научных журналах и 12 тезисов докладов на международных конференциях.

Структура и объем диссертации:Диссертация изложена на 109 страницах печатного текста, содержит 2 схемы и 35 рисунков. Состоит из разделов «Введение», «Обзор литературы», « Материалы и методы исследования», «Результаты и обсуждение», «Заключение», «Выводы», «Литература». Библиографический список состоит из 126 ссылок, в том числе 31 источников на русском языке.

  1. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (57)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится "__ " 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 502.006.17 в Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российская академия государственной
  2. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (35)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 28 мая 2007 года в 15 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д.210.018.01 в Санкт-Петербургской государственной консерватории имени Н.
  3. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (123)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится 16 сентября 2010 г. в часов минут на заседании Совета Д.212.199.06 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата исторических наук при Российском государственном педагогическом университете им.
  4. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (172)

    Автореферат диссертации
    Диссертация выполнена на кафедре национальных, федеративных и международных отношений Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации.
  5. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (379)

    Автореферат диссертации
    Защита диссертации состоится " " 2008 г. в аудитории М-611 в час. __ мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: ул.
  6. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (459)

    Автореферат диссертации
    Актуальность темы исследования определяется необходимостью глубокого научного анализа причин и характера эмиграции россиян в страны Северной Америки в ХХ веке, в результате которой страна потеряла значительную часть своих наиболее активных сограждан.
  7. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (34)

    Автореферат диссертации
    Актуальность диссертации связана с возросшим интересом исследователей к проблемам социального развития российских регионов. К числу наиболее значимых проблем относится модернизация образования - необходимое условие эффективного общественного развития.
  8. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (157)

    Автореферат диссертации
    Диссертация выполнена в Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации на кафедре правового обеспечения рыночной экономики
  9. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (200)

    Автореферат диссертации
    Защита диссертации состоится «16» октября 2007г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 022.001.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора филологических наук в Институте языка, литературы и искусства им.
  10. Автореферат диссертации на соискание ученой степени (277)

    Автореферат диссертации
    Защита состоится « » 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 002.026.01 при Всероссийском институте научной и технической информации РАН по адресу: 125190, Москва, ул.

Другие похожие документы..