БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 4, с. 717-722
== БИОФИЗИКА КЛЕТКИ= =
УДК 541.18:532; 541.8.532.77; 612.833; 612.822.5
ВОДНЫЕ И СОЛЕВЫЕ РАСТВОРЫ ХИНИНА НИЗКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ: САМООРГАНИЗАЦИЯ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЙРОНОВ
© 2014 г. Л.И. Муртазина*, И .С. Рыжкина*, О.А. Мишина*, В.В. Андрианов** ***, Т.Х. Богодвид***, Х.Л. Гайнутдинов** ***, Л.Н. Муранова***, А.И. Коновалов*
*Институт органической и физической химии им. А .Е. Арбузова КазНЦ РАН, 420088, Казань, ул. Арбузова, 8; **Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН, 420029, Казань, Сибирский тракт, 10/7; ***Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18;
Поступила в р едакцию 10.02.14 г.
Изучена самоорганизация, физико-химические свойства водных и солевых растворов хинина, а также влияние солевых растворов хинина в широкой области концентраций (1-10-22-1-10-3 М) на электрические характеристики идентифицированных нейронов виноградной улитки. Получены симбатные немонотонные концентрационные зависимости физико-химических свойств водных и солевых растворов хинина в области низких концентраций, позволяющие прогнозировать появление биоэффектов высокоразбавленных ра створов хинина. Найдены достоверные (внутри 5%-го интервала) изменения мембранного потенциала, амплитуды и продолжительности потенциала действия нейронов под влиянием солевых растворов хинина в концентрациях 1 -10-20, 1-10-18, 1-10-10 М, для которых показаны экстремальные значения удельной электропроводности и р Н.
Ключевые слова: самоорганизация, физико-химические свойства, растворы, мембранный потенциал, пороговый потенциал, идентифицированные нейроны.
В работах [1-3] впер вые показано, что в водных растворах некотор ых веществ при низких концентр ациях образуются наноразмерные молекулярные ансамбли, названные наноассо-циатами. Обр азование наноассоциатов инициируется растворенным веществом при определенных условиях, важнейшими из которых являются наличие внешних физических полей (геомагнитного и низкочастотного электромагнитного) [4] и определенное строение вещества [5]. Обнаруженное явление получило название «эффект ультранизких концентраций и электро -магнитных полей» [4]. Показано, что формирование наноассоциатов обусловливает возникновение необычных физико-химических свойств растворов низких концентраций и, что особенно важно, коррелирует с биоэффектами этих растворов [2,3]. В работе [3] при изучении са-моорганизации и физико-химических свойств физиологического ра створ а (0,16 М КаС1), со -держащего регулятор активности микроорганизмов низких концентраций (10-13-10-3 М),
Сокращения: БАВ - биологически активные вещества, ДСР - динамическое светорассеяние, ПД - потенциал действия.
впервые показано, что закономерности физико-химического поведения водных растворов биологически активных веществ (БАВ) низких концентраций сохраняются и в физиологическом р астворе.
Настоящая работа предпринята с целью дальнейшего подтверждения возможности про -явления «эффекта ультранизких концентраций и электромагнитных полей» в солевых ра створах БАВ, а также установления взаимосвязи процесса самоорганизации, физико-химических свойств и биоэффектов, возникающих под воздействием солевых р аствор ов БАВ. Для достижения этой цели в качестве биообъекта выбран изолированный препарат нервной системы моллюска, способный функционировать только в физиологическом растворе, а в качестве БАВ -широко известное вещество хинин (см. структур ную формулу), оказывающий разностороннее действие (противолихорадочное, обеззараживающее, обезболивающее и др.) на живой организм в зависимости от применяемой дозы. Основной особенностью хинина как фармакологического препарата является его противомалярийное действие. Известно, что одним из механизмов действия противомалярийных пре-
пар атов является блокир ование Са 2+-зависимых К+-каналов [6,7]. П р оф. Гер ман с сотр., пр ишли к выводу, что Са2+-зависимые К+-каналы являются ключевым интегр атор ом во многих биологических системах и их активность может быть модулир ована в шир оких пр еделах сложными и различными механизмами [8]. Достаточно давно установлено, что изомер ы хинин и хинидин могут служить блокаторами Са2+-зависимых К+-каналов [9]. Однако хинин, кр оме этого, блокирует, но менее специфично, чем тетр аэтиламмоний, потенциалзависимые К+-ка-налы [10], а также спо собен уменьшать амплитуду кальциевого тока [11]. Несмотр я на эти сопутствующие эффекты, хинин в на стоящее время главным образом используется в качестве блокатор а С а2+-зависимых К+-каналов [7,9].
В данной работе изучены самоор ганизация и физико -химические свойства водных и солевых р аствор ов в шир окой области концентр а -ций (1-10-22-1-10-3 М) хинина, выдержанных в естественных и гипоэлектр омагнитных условиях, а также влияние солевых р а створ ов хинина на электр ические хар актер истики идентифицированных нейронов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе использован хинин производства Sigma-Aldrid (США). П р оведено две сер ии физико -химических экспер иментов: в пер вой сер ии были изучены водные растворы хинина (раствор ы I), а во вто р ой - солевые (р а створ ы II). Солевые (физиологические) растворы, использованные в экспериментах с нейронами виноградной улитки, содержали (ммоль/л): NaCl -78, KCl - 4,5, NaHCO3 - 4,5, MgCl2 - 6,7, CaCl2 - 10. P а створ ы I и II тр ебуемой концентр ации готовили методом последовательных сер ийных р азбавлений из исходных р аствор ов хинина с концентр ацией 110-3 М. Пер емешива -ние осуществляли с помощью вортекса Lab da^er (IKA, Гер мания).
Анализ р азмер ов частиц о существляли методом динамического светор ассеяния (Д CP) (анализатор Zetasizer Nano ZS, Malvern Instruments, Великобритания), физико -химические свойства (удельная электропроводность, рН) р аствор ов изучали методом кондуктометр ии
(inoLab Cond Level l, WTW, Гер мания) и p Н -метр ии (inoLab рН, WTW, Гер мания), как было описано в работах [1,2]. Процедура подготовки обр азцов для изучения р азмер ов частиц обеспечивала необходимое «обеспылевание» р а створов (использовали одноразовые фильтры Iso-Disc N-25-4 Nylon, 25 мм х 0,45 мкм, Si^eko, CША). Все измерения проводили после выдерживания р аствор ов в течение 24 ч в условиях тер мостатир ования пр и 25 ± 0,1°C. Относительные ошибки измер ения удельной электр опр о -водности (х, мкС м/см) р аствор ов I и II не пр евышали 15 и 1% соответственно.
Влияние внешних физических полей (геомагнитного и низкочастотного электр омагнит-ного) на водные р аствор ы хинина в шир оком диапазоне концентраций изучали аналогично работе [4]. Все исследуемые растворы делили на две части, одна из которых находилась на лабор атор ном столе, а другую помещали в эк-р анир ующий пер маллоевый контейнер, где действие полей пр актически исключено (гипоэлектр омагнитные условия). Ср еднее значение магнитной индукции (В) внешнего электр омагнит-ного поля в естественных условиях р авно 53000 нТл, о статочного поля в контейнер е - на ур овне 10 нТл.
Анализ влияния р аствор ов I на электр ические хар актер истики командных нейр онов пр о -водили на изолированных препаратах нервной системы моллюска. И спользовали виногр адную улитку кр ымской популяции, до стоинством ко-тор ой для изучения механизмов действия фармакологических препаратов является наличие идентифицируемых нейронов (за счет их гигантизма) не только по размер ам и электр ическим характеристикам, но и по роли в определенных формах поведения животного. Регистрировали следующие пар аметр ы: мембр анный потенциал (Vm), амплитуда потенциала действия (УД порог генерации вызванных потенциалов действия (V,) и продолжительность потенциалов действия (ts) командных нейр онов обор онительного поведения. С выхода усилителя сигнал записы-вался в цифровом виде на компьютер с последующей обр аботкой. Частота квантования пр и записи со ставляла 200 мкс. Поскольку командные нейроны ЛПа3, ППа3, ЛПа2 и ППа2 в норме являются молчащими, то для вызова потенциала действия (ПД) в изолированном препарате через регистрирующий микроэлектр од на клетку подается импульс тока пр ямо -угольной фо р мы пр одолжительностью 1 с; величина тока стимуляции подбирается минимальной для генерации ПД. П ри этом используется минимальный ток, необходимый для ге-нер ации двух-тр ех ПД. Обычно в экспер имен-
Р ис. 1. Зависимости удельной электр опр оводности (1) и рН (2) водных р аствор ов хинина от концен-т р ации.
тах эта величина тока варьировала от 1,7 до 3,5 нА.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При изучении физико-химических свойств (X, рН) водных р аствор ов хинина показано, что концентрационные зависимости удельной электр опр оводности и рН раствор ов носят нелинейный хар актер (рис. 1), типичный для раствор ов биологически активных веществ, способных пр оявлять биоэффекты в области низких концентр аций [1-3]. Весь диапазон концентр аций условно можно разделить на два интер вала: (1-10-5) - (1-10-3) М и (1-10-22) - (1-10-6) М. В первом интервале значения X снижаются от 93,5 до 8,4 мкС м/см, а рН раствор ов увеличи -вается от 6,4 до 7,0. В интер вале (1-10-22)-(1-10-6) М концентр ационные зависимо сти X и рН носят немонотонный характер. При концентр ациях 1-10-10, 1-10-20 М на зависимостях X и рН наблюдаются выр аженные максимумы, косвенно свидетельствующие об обр азовании и перестройке наноассоциатов [1-5].
Изучение самоор ганизации ра створ ов I, вы-дер жанных в естественных и в гипоэлекр омаг-нитных условиях, показало, что в обоих случаях во всей изученной области концентр аций (1-10-22 -1-10-3 М) достоверно зафиксировать частицы методом Д СР не удало сь.
Известно, что об образовании наноассоциа-тов и супрамолекулярных доменов, образующихся в области концентр аций ниже 1-10-4 М, косвенно можно судить по р езультатам изуче-
Рис. 2. Зависимости удельной электропроводности и рН (вставка) водных р аствор ов хинина от концентр ации в естественных (1) и гипоэлектромаг-нитных условиях (2).
ния физико -химических свойств раствор ов, выдержанных в пермаллоевом контейнере и на лабораторном
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.