ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 83, № 12, с. 1076-1082
С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Б01: 10.7868/80869587313120050
В предлагаемой вниманию читателей статье, основанной на материалах доклада, заслушанного на одном из заседаний Президиума РАН, рассказывается об открытии неизвестного прежде фундаментального явления в области поведения высокоразбавленных водных растворов. Оно позволяет объяснить действие растворов биологически активных веществ не только при обычных, но и при низких и ультранизких концентрациях, а значит, открывает перспективы широкого использования этого явления в практических целях, в частности, в сфере производства и применения лекарственных средств.
ОБРАЗОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙ В ВЫСОКОРАЗБАВЛЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
А.И. Коновалов
Шесть лет назад в Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова (ИОФХ) РАН начались исследования эффектов, проявляемых высокоразбавленными водными растворами биологически активных веществ (БАВ). Эта тема разрабатывается в различных лабораториях мира [1], в том числе активно изучается в России в Институте биохимической физики им. Н.М. Эммануэля (ИБХФ) РАН [2, 3]. Сегодня считается, что активность растворов БАВ при низких и ультранизких концентрациях реализуется на всех уровнях биологической организации материи, то есть на уровне биомакромолекул, клеток, органов, организмов, популяций.
Приведём два примера, рассмотрев в качестве биоэффекта степень активации или степень ин-гибирования протеинкиназы С под действием растворов антиоксидантов в широкой области концентраций. В случае фенозана калия наряду с эффектом в области обычных концентраций
(10-7 М) наблюдается эффект на уровне 10-18 М, а
КОНОВАЛОВ Александр Иванович — академик, советник РАН.
в случае альфа-токоферола наряду с эффектом при 10-5 М наблюдается эффект в области 10-15 М*.
Подобные факты известны уже более 100 лет, но многие учёные не верят в существование самого явления активности растворов БАВ при низких концентрациях. Нельзя не признать, что до настоящего времени такое неверие было обоснованным, поскольку не существовало удовлетворительного физико-химического объяснения данного феномена, который таким образом оказывался как бы "вне закона".
Большинство учёных, работавших в области биоэффектов при ультранизкой концентрации растворов, считали ответственными за их возникновение в двойной системе "биообъект—раствор" биообъекты. Пытаться объяснить описанное явление, исходя из свойств раствора, казалось абсурдным из-за того, что оно противоречило концепции бесконечно разбавленных растворов (при разбавлении растворы достаточно быстро приобретают свойства растворителей). Действительно, отношение числа молекул растворённого вещества к числу молекул воды при концентрации 10-8 М составляет 1 к 109, а при концентрации 10-18 М — 1 к 1018. О каком влиянии растворённого вещества на свойства раствора может идти речь в подобных условиях? Поэтому делался вывод, что именно биообъекты по каким-то причинам способны реагировать на малое количество (фактически на отдельные молекулы) биологически активного вещества в растворе. По поводу того,
* Здесь приведены расчётные значения концентраций. Мы в своей работе придерживались такой же процедуры для возможности сопоставления с данными биологических исследований.
Перечень соединений, растворы которых изучались в широком интервале концентраций
№ Соединение № Соединение
1 Ихфан С-10 24 Нистатин
2 Ихфан С-8 25 в-Ситостерин
3 Калиевая соль фенозана 26 Стигмастерин
4 а-Токоферол 27 Тиролиберин гормон
5 Мелафен 28 в-Циклодекстрин
6 Салициловая кислота 29 Триэтиламмониевая соль 2-гидрокси-4-додецил-
7 Гуанибифос 2-оксо-6-хлорбензо[е]-1,2-оксафосфоринина
8 Йодид ацетилхолина 30 Холестерол
9 Аминобензойная кислота 31 Изониазид
10 Нитрат серебра 32 Стевиозид
11 Феназепам 33 Комплекс изониазид/стевиозид
12 Эстрон 34 Неонол
13 Тестостерон 35 24-эпибрассинолид
14 Натриевая соль 2-гидрокси-4-додецил-2-оксо- 36 Комплекс 24-эпибрассинолид/неонол
6-хлорбензо[е]-1,2-оксафосфоринина 37 Ибупрофен
15 Мебикар 38 Лизин
16 Бромид цетилтриметиламмония 39-43 Производные гемина
17 Хлорид натрия 44-47 Катионные ПАВ
18 Пиридин-пиррольный макроцикл 48-52 Производные тиогликольурилов
19 Карбамид 53 Ванкомицин
20 Пектин 54-58 Производные резорцинаренов
21 Ацетилсалициловая кислота 59 Урацил
22 Глицин 60 Производное урацила
23 Аденин
каким образом это происходит, существовали только предположения.
Приступая к исследованиям, мы, сотрудники Лаборатории физико-химии супрамолекулярных систем ИОФХ РАН, выбрали в качестве рабочей противоположную гипотезу, допустив, что ответственность за явление всё-таки несут растворы. Идея, которую необходимо было проверить, заключалась в следующем: возможно, при разных концентрациях растворённого вещества в растворах возникают различные состояния, различные молекулярные ансамбли, на которые и реагируют биообъекты.
Первоначально мы полагали, что такими ансамблями могут быть супрамолекулярные системы, и эта статья не появилась бы, если бы мы не работали в области химии супрамолекулярных систем. Но сегодня данное предположение поставлено под сомнение. Хочу отметить: в какой-то момент у нас возникло ощущение, что истин-
ная причина того, почему обсуждаемое явление в течение долгого времени не получало объяснения, заключается в недостаточности наших знаний в области поведения растворов и их структурных характеристик. Достигнутые впоследствии результаты показали, что это действительно так.
В своей работе мы реализовали следующий подход: впервые предприняли масштабное и систематичное исследование растворов веществ разной химической природы в широком интервале концентраций при помощи целого набора различных физико-химических методов. Использование нескольких методов позволило добиться комплексности исследования. Это самым существенным образом повлияло на качество полученных результатов: в то время как один метод обычно не даёт ясной и чёткой картины изучаемых явлений, совокупность методов создаёт возможность прийти к достаточно определённым заключениям.
На первом этапе мы изучили 60 соединений в растворах с концентрациями от 10-2 до 10-20 М. В таблице представлен перечень исследованных соединений. Здесь есть антиоксиданты, регуляторы роста растений, нейромедиаторы, витамины, транквилизаторы, гормоны, другие лекарственные вещества, а также вещества, биологические свойства которых неизвестны. С химической точки зрения в этом перечне представлены соединения различного строения: от простых молекул (например, глицин — простейшая аминокислота) до сложных макроциклических соединений типа каликсаренов.
Первый принципиальный вывод, к которому мы пришли, изучая физико-химические свойства растворов, состоял в следующем: концепция бесконечно разбавленных растворов не универсальна! Все соединения по своему поведению в растворах разделились на две группы: растворы одних соединений соответствовали этой концепции, других — не соответствовали. Мы назвали соединения первого типа соединениями с "классическим" поведением растворов, соединения второго типа — соединениями с "неклассическим" поведением. При этом к "классическим" относится порядка 25% из числа изученных нами соединений, а 75% — ведут себя "неклассически".
"Классическое" поведение — это проявляющееся при последовательном разведении быстрое достижение раствором состояния растворителя и отсутствие дальнейшего изменения свойств раствора. На рисунке 1 представлен пример такого поведения. Поверхностное натяжение раствора достигает значения воды и дальше, начиная с концентрации 10—6 М, не изменяется. Значение электропроводности резко снижается при той же концентрации до значения, близкого к электропроводности воды, и продолжает дальше закономерно (линейно) снижаться. Однако растворы 75% исследуемых соединений вели себя неожиданным образом: их физико-химические свойства при разбавлении изменялись. Как показано на примере растворов фенозана калия (рис. 2), в данном случае поверхностное натяжение неожиданно снижается на 10—20 мН/м, а электропроводность вдруг достигает 40 мкСм/см. Всё это — за пределами ошибок эксперимента.
Сопоставление биоэффектов и физико-химических свойств растворов с изменением концентрации растворённого вещества привело к выводу, что и первые, и вторые являются результатом "неклассического" поведения! Это был второй важнейший вывод: необычные изменения биологической активности и физико-химических свойств растворов указанных соединений при разбавлении имеют общие причины. Ответ на вопрос о том, каковы эти причины, был получен в результате исследований растворов методом динамического светорассеяния, который даёт представление
о размерах нанообъектов и их электрокинетическом потенциале (^-потенциал). Удалось установить, что в высокоразбавленных водных растворах с "неклассическим" поведением образуются нано-размерные (до 400 нм) молекулярные ансамбли, которые мы назвали "наноассоциатами".
На рисунке 3 показаны изменения средних гидродинамических диаметров нанообъектов в растворах при их последовательном разбавлении на примере четырёх соединений: мелафена, их-фана С-10, альфа-токоферола и фенозана калия. Казалось бы, картина неожиданная: никакой линейности или монотонности, изменения не закономерные, а скачкообразные. Электрокинетические потенциалы частиц изменяются также нелинейно (отметим, что в области высоких разбавлений их значения отрицательны). Но позднее нам удалось обнаружить, что эти изменения имеют вполне определённый смысл.
Сопоставление параметров наноассоциатов (то есть их размеров и значений ^-потенциала) со свойствами растворов при изменении уровня концентрации растворённого вещества показывает, что между всеми величинами имеется поразительное соответствие. Эффекты работают симбатно: увеличению электропроводности соответствует увеличение отрицательных значений электрокинетического потенциала. Это указывает на закономерный, а не случайный характер таких изменений при определяющей роли параметров наноассоциатов. Значит, наноассо-ци
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.