БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 6, с. 1085-1092
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577.3
ДИНАМИКА БИОМАКР ОМОЛЕКУЛ В ПОЛЕ КОГЕР ЕНТНОГО ЭЛЕКТР ОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2014 г. Н.С. Лешенюк, Е.Е. Апанасевич, В.И. Терешенков
Командно-инженерный институт МЧС Республики Беларусь, 220118, Минск, ул. Машиностроителей, 25
E-mail: nleshenyuk@mail.ru; 1е$Непуик@со$то$1у.Ъу Поступила в p едакцию 29.04.14 г. После доработки 09.06.14 г.
Показано, что при отсутствии поглощения биомолекулами электромагнитного излучения, вследствие модуляции внешним электромагнитным полем потенциала взаимодействия между атомами и группами атомов, образующих невалентные связи, в макромолекулах возникают вынужденные колебания и периодические смещения положений равновесия. В таком «гиперколебательном» состоянии неизбежно изменяются биохимические свойства макромолекул и времена конформационной трансформации.
Ключевые слова: низкоинтенсивное лазерное излучение, электромагнитное поле, макромолекула, конформация.
В области изучения возможностей использования и разработки методов применения низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) в медицине и биологии сложилась парадоксальная ситуация. Низко интенсивная лазер ная терапия все шире используется в медицинской практике [1], а механизм воздействия НИЛИ на биологические объекты и даже его физическая природа уже многие годы остаются неизвестными. Механизм взаимодействия НИЛИ с биологическими объектами можно условно разделить на две стадии: «первичный акт» - про -цесс взаимодействия излучения с объектом-«ми-шенью» и «генер ализация» - процессы распро -странения воздействия в клетке и организме. Данная работа посвящена анализу «пер вичного акта» взаимодействия.
П ри поиске мишени пер вичного акта лазерной биостимуляции предпочтение неизбежно отдается макромолекулам фер ментов. За годы изучения эффектов лазер ной биостимуляции получен обширный объем данных о модуляции активности ферментов при воздействии НИЛИ [2-4]. Нами также получены результаты, согласующиеся с литературными данными о модуляции активности ферментов в клетках и плазме крови лазерным излучением [5]. В частности, экспериментально установлено, что воздействие НИЛИ приводит к изменению активности ли-зосомальных ферментов нейтрофильных грану-
Сокращение: НИЛИ - низкоинтенсивное лазерное излучение.
лоцитов крови, которая, как известно, обусловлена изменением конформационных состояний соответствующих ферментов. В работе [6] представлены результаты измерения характер истик люминесценции растворов белков до и после их облучения НИЛИ, изменение которых непосредственно свидетельствует о трансформации конформационных состояний этих биомолекул при лазерном облучении.
Построение механизмов генерализации воздействия НИЛИ, включающее сложные цепочки биохимических взаимодействий [7,8], не вызывает сомнений. При этом начало процесса неизбежно приводит к первичному акту взаимодействия, связанному с активацией тех или иных ферментов. Механизмом первичного акта автор ы этих работ считают традиционный для фотобиологии процесс поглощения кванта излучения молекулой-акцептором и ее активацию в результате перехода в возбужденное состояние [9]. Однако такое представление о первичном акте взаимодействия противоречит основным требованиям к свойствам излучения, применяемого в низкоинтенсивной лазерной терапии -длине волны, лежащей в полосе прозрачности биологических тканей, поляризации и достаточно высокой длине когерентности или узкой спектральной полосе излучения, и спектральным характеристикам биомолекул, обладающим широкой полосой поглощения [10-12].
В связи с трудностями по разрешению этого противоречия предпринимаются попытки построения моделей воздействия НИЛИ на био-
логичеcкие объекты без пpивлечения пpоцеccа поглощения cвета [13,14]. В этиx pаботаx рас-cматpиваютcя возможные волновые меxанизмы биоcтимуляции иcxодя из эффектов, котоpые могут возникнуть в биологичеcкиx cтpуктуpаx под дейcтвием электpомагнитного поля лазерного излучения. Т pудноcть генеpализации эффектов такого типа оставляет актуальным по-иcк меxанизма пеpвичного акта взаимодейcтвия на молекуляpном уpовне.
П pи выбоpе между волновым и абсо рбци-онным меxанизмами пеpвичного акта взаимо-дейcтвия следует иcxодить из xаpактеpиcтик излучения, приводящего к биостимуляции. Отличительными особенностями лазерного излучения являются поляризация и высокая степень когерентности или узкая спектральная полоса. Влияние степени когерентно сти излучения на эффективность биостимуляции исследовалась во многих работах. Но ни в одной их них не приведены численные значения длины и площади когерентно сти, и об этих важнейших ха -рактеристиках можно судить лишь исходя из косвенных данных о типе лазера, режиме генерации, характеристиках спектральных фильтров, типе поляризации излучения. В то же время большинство экспериментальных данных надежно свидетельствуют о наличии эффекта биостимуляции при использовании лазерных источников и об отсутствии такового при использовании тепловых источников излучения со спектральными фильтрами в полосе длин волн лазер ного излучения [15]. Тем не менее следует отметить, что в р яде р абот говорится об идентичности эффектов лазерного и нелазерного источников излучения. Однако оценка характеристик когерентности источников излучения, используемых в данных работах, показывает, что они практически одинаковы. При этом в качестве лазерных источников применялись полупроводниковые лазеры, а когерентность нелазерных источников с помощью узкополосных фильтров и поляризаторов удавалось довести до такой величины, что она становилась сравнимой со степенью когерентности лазерных источников [16]. П ричем если уменьшение степени когерентно сти снижает эффективность воздействия, то при облучении естественным (неполяризованным) светом эффект биостимуляции полностью исчезает [17]. Таким образом, из имеющихся литературных данных следует вывод о наличии эффекта биостимуляции только при воздействии поляризованного излучения со сравнительно высокой степенью когерентности.
Следует отметить, что в случае естественного света напряженность электр ического поля
в любой точке пространства, усредненная по промежутку времени длительностью в половину периода волны и меньше, равна нулю, т.е. электромагнитное поле света не проявляет своего действия. Следовательно, наличие или отсутствие эффекта биостимуляции при воздействии естественного или поляризованного света может служить кр итерием для выбора между абсорбционным (квантовым) и волновым механизмами взаимодействия.
Таким образом, исходя из анализа литератур ных данных, можно считать установленным, что мишенью при лазерной биостимуляции служат биомолекулы ферментов, а при выборе механизмов первичного акта воздействия следует отдать предпочтение волновому. Соответственно, для р ешения задачи определения физической природы воздействия НИЛИ на биологические объекты следует выяснить волновой механизм активации биомолекул лазерным излучением.
Активность биомолекул зависит от их кон-формационных состояний. Стабилизация и изменение конформационных состояний биомолекул определяются многочисленными невалентными взаимодействиями различных атомов и групп атомов макромолекулы, основными из которых являются поляризационные, дисперсионные и электростатические типы взаимодействий [18,19]. Все эти взаимодействия имеют электрическую природу, следовательно, энергия взаимодействия будет изменяться во внешнем электромагнитном поле. Электромагнитное поле, как известно [20], вызывает изменения в распределении плотности электронного облака атомов или молекул и, соответственно, энергии и сил межмолекулярного взаимодействия.
В работе [21] методом стационарной теории возмущений квантовой механики рассмотрено изменение потенциала межмолекулярного взаимодействия в поле электромагнитного излучения в отсутствие поглощения. Анализ проведен в «адиабатическом» пр иближении, когда энергия межмолекулярного взаимодействия в отсутствие поля значительно больше энергии, вызванной внешним полем, для случая поляризационного взаимодействия молекул с учетом только их диполь-дипольного взаимодействия. Показано, что во внешнем поле наряду с известной энергией взаимодействия наведенных диполей, пропорциональной квадрату напряженности электрического поля Е2, появляется дополнительная «интерференционная» составляющая энергии взаимодействия, котор ая про -порциональна Е, на несколько порядков превышает энергию взаимодействия наведенных диполей и определяет модуляцию потенциала
(а) - Контур спектральной линии, I - интенсивность излучения; (б) - соответствующая данному контуру последовательность волновых цугов, Е - напряженность электрического поля.
межмолекуляр ного взаимодействия электр омаг-нитным полем. Очевидно, что и для других типов межмолекуляр ного взаимодействия во внешнем поле появятся интер фер енционные со -ставляющие энер гии взаимодействия, имеющие до статочно большую величину.
Таким обр азом, во внешнем электр омагнит-ном поле к силам, опр еделяющим невалентные взаимодействия атомов и групп атомов в мак-р омолекуле, добавляются пер иодические силы, пр опор циональные напр яженности Е и квадр а -ту напр яженно сти Е2 внешнего электр ического поля, что вызовет соответствующие осцилляции невалентных связей. Следует отметить, что изменения р аспр еделения плотности в электр он-ных облаках атомов и вызванные ими осцилляции межмолекулярных связей происходят без поглощения энергии электромагнитного излучения и, следовательно, без изменения внутр ен -ней энер гии макр омолекул.
П р и этом важно учесть о собенно сти электр омагнитных полей, создаваемых источниками излучения, использующимися в низкоинтенсивной лазер ной тер апии. Отличительными о со -бенностями этого излучения являются поляр и-зация и узкая спектр альная полоса, описываемая контурами Лоренца или Гаусса, каждый из которых характеризуется шириной по полувысоте 8ш. Как показано в моногр афиях [22,23], электр омагнитное поле непр ер ывного квазимонохроматического источника света (ш02/8ш2 > 1000) представляет собой последовательн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.