БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 3, с. 421-427
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 577,3
ОБРАЗОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙ (НАНОАССОЦИАТОВ) - КЛЮЧ К ПОНИМАНИЮ СВОЙСТВ ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
© 2014 г. А.И. Коновалов, И.С. Рыжкина, Л.И. Муртазина, Ю.В. Киселёва
Институт органической и физической xимии КазНЦ РАН, 420088, Казань, ул. Арбузова, 8
E-mail: Konovalon334@mail.ru Поступила в p едакцию 10.02.14 г.
Показано, что биологические эффекты, проявляемые высокоразбавленными водными растворами, обусловлены образованием наноразмерных (до 400 нм) молекулярных ансамблей, названных наноассоциатами и состоящих преимущественно из молекул воды (до 500 млн) под влиянием двух эффекторов: р астворенного вещества и внешнего электромагнитного поля.
Ключевые слова: самоорганизация, физико-xимические свойства, биоэффекты, водные растворы, низкие концентрации.
«Факты, необъяснимые существующими теориями, наиболее дороги для науки, от их разработки следует по преимуществу ожидать ее развития в ближайшем будущем» - А. Бутлеров, 1879 г. [1].
Мысль, высказанная А. Бутлеровым более ста лет назад, справедлива и сегодня. Увы, не все следуют этому положению. Уверенность в том, что наши сегодняшние знания всеобъемлющи и достаточны для понимания всех наблюдаемых явлений природы, приводит к тому, что скорее отрицаются сами факты, чем осуществляется поиск вызывающих их причин. А причины могут крыться в неведомых ранее явлениях. Впрочем, такая ситуация в науке не нова. Среди ученых укоренилось выражение, хар актеризующее путь, который подчас про хо -дит новое в науке: «этого не может быть - в этом что-то есть - да это же всем известно».
Именно таковыми являются рассматриваемые в данной публикации явления, как те, что послужили предпосылкой для исследования, так и те, что обнаружены в р езультате его пр ове-дения.
Что же послужило предпосылкой? Сегодня известны тысячи (!) примеров, полученных в различных лабораториях мира и относящихся ко всем уровням биологической организации материи (биомакромолекулы - клетки - органы - организмы - популяции), в которых было показано, что водные растворы биологически
Сокращения: БАВ - биологически активные вещества, ФК - фенозан калия, а-ТФ - а-токоферол.
активных веществ (БАВ) способны проявлять биоэффекты (какой-то фиксируемый отклик биологической системы) при различных концентрациях: «обычных» - 10-3-10-7 М (это возражений не вызывает), а также и в области высоких разбавлений - 10-12-10-20 М (вот здесь появляются вопросы и сомнения). Между ними - «мертвая зона». Растворы готовят методом последовательных разбавлений. Поэтому применяется термин «высокор азбавленные растворы», а приводимые значения концентраций -расчетные [2]. Для сопоставимости данных мы в своей работе придер живаемся тех же обозначений. Такие исследования ведутся в различных лабор атор иях мир а [3], в Ро ссии, начиная с 1983 г., - в институте биохимической физики им. Н .М. Эмануэля.
На рис. 1 приведены два примера. В качестве биоэффекта рассматривается степень активации или степень ингибирования протеинкиназы С под действием растворов антиоксидантов в широкой области концентраций. В случае фенозана калия (ФК) наряду с эффектом в области обычных концентраций (10-7 М) наблюдается эффект на уровне 10-18 М, а в случае а-токоферола (а-ТФ) наряду с эффектом при 10-5 М наблюдается эффект в области 10-15 М [4].
Почему же есть вопр осы и сомнения в отношении эффектов в области высоких разбавлений? Для этого имеются о снования. Согласно существующим воззрениям таких эффектов не должно быть. Они находятся как бы «вне закона». Действительно, соотношение между числом молекул растворенного вещества и числом
450 г 350 -
£
§ 250 "
=г
а
I 150;. <
50 '
■50.22 -18 -14 -10 -6 -2
1§[ФК]
№-ТФ]
Рис. 1. (а) - Зависимость степени активации про -теинкиназы С от концентр ации фенозана (калиевая соль), добавленной к гладкомышечным клеткам аор ты кр ы с, р астущим в культур е. (б) - Изменение ингибир ования активности пр отеинкиназы С в за -висимости от концентр ации а-токофер ола. По данным работы [4].
молекул воды уже пр и концентр ации 10-8 М р авно один к миллиар ду, а пр и концентр ации 10-18 М - один к миллиар ду миллиар дов! П р и таких условиях, о каком эффекте раствор а может идти речь? Такие растворы должны обладать свойствами растворителя, в данном случае - воды. На этом постр оена концепция бесконечно р азбавленных р аствор ов: пр и р азбав-лении (пр и уменьшении концентр ации р аство-р енного вещества) свойства ра створ ов стр емят -ся (и до статочно быстр о) к свойствам р аство-рителя. Поэтому большинство ученых, занимающихся изучением биоэффектов под дейст-вием высокор азбавленных водных р аствор ов, ответственность за такие эффекты в двойной системе «р аствор-биообъект» возлагают на биообъекты. Считается, что биообъект каким-то обр азом (но каким - неизвестно, все на ур овне пр едположений) р еагир ует на очень низкие концентрации или отдельные молекулы БАВ.
Но, может быть, ответственно сть за явление все-таки несут растворы? Может быть, в раствор ах возникают различные со стояния, различные молекуляр ные ансамбли пр и различных концентр ациях (степени разбавления) р а створ енного вещества, и биообъекты реагируют на эти различные со стояния. Иначе, как объяснить появление «мер твой зоны»?
Может быть, истинная причина того, что явление не могло быть объяснено, состояла в том, что ур овень наших знаний в области вы-сокоразбавленных водных растворов был недостаточен для объяснения этого явления? Pе-зультаты исследования, пр оведенного в Институте о р ганической и физической химии им. А .Е. А р бузова Казанского научного центр а P АН, показали, что это действительно так.
Нами впервые было предпринято достаточно масштабное, систематичное, комплексное исследование водных р аствор ов веществ р азной химической природы в широком интервале концентр аций набор ом различных физико -химических методов. В этом и со стоит комплексно сть исследования. Один метод, как правило, не позволяет сделать опр еделенные выводы, тогда как сопоставление результатов совокупности методов дает такую возможно сть.
В итоге к настоящему вр емени изучено около 100 соединений в р аствор ах с концентр а -циями от 10-2 до 10-20 М (начальная концентр ация получена «по навеске», в се последующие путем последовательного разбавления раствор ов). В ряду изученных соединений есть анти-оксиданты, регуляторы роста растений, нейро -медиатор ы, витамины, тр анквилизатор ы, гормоны, различные лекарственные вещества, а также вещества, биологические свойства кото-р ых неизвестны. C химической точки зр ения в этом пер ечне пр едставлены соединения различного стр оения: от пр о стых молекул (напр имер, глицин - пр о стейшая аминокислота) до сложных макроциклических соединений типа порфир инов или каликсар енов (каликсар ены - мак-р оциклические соединения на о снове фенолов, считающиеся с позиций супр амолекуляр ной хи -мии веществами с почти неограниченными возможностями) [5-22].
И сследовались, как пр авило, удельная элек -тр опр оводность (х), поверхностное натяжение (а), рН р аствор ов, в отдельных случаях, их диэлектрическая проницаемость, оптическая активность. Все это - свойства раствор ов. Существенным является пр именение метода динамического светорассеяния Dynamo Light БсаНе-ring - DLS), дающего возможно сть опр еделять р азмер ы нанообъектов, пр исутствующих в рас-
творах (D, так называемый, cpедний гидродинамический диаметр нанообъекта, измер яемый в нанометр ах). D - это пар аметр нанообъекта. Без р езультатов этого метода р езультаты всех о стальных методов повисли бы в воздухе. С ле-дует отметить, что пр именяемый в работе пр и-бор для определения D (Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern Instruments) дает также возможность определять методом электрофореза дзета-потенциал, характеризующий взаимодейст-вие движущего ся нанообъекта со ср едой, изменения котор ого в сер ии экспер иментов (р азбав-ление) пр и постоянстве ср еды (вода) можно р ассматр ивать хар актер истикой нанообъектов. Таким обр азом, в р а спор яжении исследователей были пар аметр ы р аствор ов, с одной стор оны, и пар аметр ы нанообъектов, с другой. И еще. Исследование проводилось как в «обычных» (как обычно, пр о сто на лабор атор ном столе), так и в «гипоэлектромагнитных» условиях. В последних случаях растворы после их приготовления в соответствии с р азр аботанной пр о -цедур ой выдер живались пер ед измер ением 24 ч в пер маллоевом контейнер е, экр анир ующем его содер жимое от действия внешних электр омагнитных полей. В работе применяли трехслойный пер маллоевый контейнер, в котор ом индукция геомагнитного поля снижалась более чем в тысячу раз. Это хороший показатель экр анир ования. Анализ в сей совокупности полученных результатов и привел авторов работы к сделанным в ней выводам. С овер шенно ясно, что эти выводы в данной статье могут быть проиллюстрированы только отдельными пример ами.
Каковы же результаты изучения физико -химических свойств растворов?
Пер вый пр инципиальный вывод таков: концепция бесконечно разбавленных р а створ ов не универсальна! Все соединения по и х поведению в р аствор ах р азделились на две группы. Раствор ы одних соединений соответствуют этой концепции, а других - не соответствуют. Они были названы, соответственно, соединениями с «классическим» поведением р аствор ов и «неклассическим». П р и этом к «классическим» относятся порядка 25% из числа изученных со -единений, а 75% ведут себя «неклассически».
«Классическое» поведение - это достаточно быстр ое до стижение свойств раствор ителя пр и последовательном разбавлении растворов и никакого дальнейшего изменения свойств раствора. Было показано, что как поверхностное натяжение, так и удельная электропроводность р аствор ов пр и разбавлениях, соответствующих концентр ациям 10-6-10-7 М, до стигали значений воды и при дальнейших разбавлениях не изме-
igc
Р ис. 2. Концентр ационные зависимости поверхностного натяжения (1) и удельной электропроводности (2) водных р аствор ов калиевой соли фе
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.