Удк 621. 357: 541. 13 В. И. Прилуцкий, В. М. Бахир электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия москва, 1995
|
|
Скачать 2.86 Mb.
|
|
Потенциал как показатель “электронного |
| Глава 2. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ^ РАВНОВЕСИЯ” ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ. 2.1. Толкование понятия “окислительно-восстановительный потенциал”. Классическое понятие “электрический потенциал” означает работу переноса единичного положительного заряда из одной точки электрического поля в другую. Согласно принципу относительности перенос электрона равносилен удалению от него соответствующего положительного заряженного электронного акцептора. Потенциал ионизации атома водорода (Н) означает, что для перенесения его единственного электрона в бесконечность (относительно протона) должна быть затрачена энергия, эквивалентная 21,6010-19 Дж или 13,5 эВ. Соответственно при возвращении электрона на свою орбиталь или при попадании его на орбиталь другого акцептора выделяется эквивалентное количество энергии, характеризующей “электронное сродство” акцептора. (14). На шкале ионизационных потенциалов для биологических субстратов относительно бесконечности ионизационный потенциал воды ( IН2О ) обладает наибольшим значением 13,2 эВ для реакции Н2О Н2О+ + е (начальная реакция в процессе радиолиза воды). Работа ионизации газообразного водорода (Н2) составляет 15,4 эВ, газообразного кислорода ( О2) - 12,5 эВ. Если рассматривать воду как наиболее инертный биохимический субстрат и принять ее энергетические характеристики за начало отсчета, то получим шкалу, на которой биологические субстраты распределяются в порядке убывания ионизационных потенциалов, что означает уменьшение энергии, необходимой для отрыва электронов с орбиталей в составе этих соединений. Суммарная энергия Е, освободившаяся или затраченная при электронных переходах, определяется по формуле: Е = Id - Ea + d , (1) где: Id - энергия ионизации соединения, отдающего электроны (донорного соединения), Еa - энергия, освобождающаяся при переходе электрона на свободную орбиталь восстанавливаемого акцепторного соединения, эВ, d - прибавка, связанная с химической модификацией акцептора. При проведении окислительно-восстановительных реакций между парами веществ, одни из которых являются донорами электронов или восстановителями, а другие их акцепторами или окислителями (именуемыми также редокс-парами или окислительно-восстановительными парами), совершается перенос определенного числа электронов (n-электронов = ne) и затрачивается Е. Соответственно потенциал при переносе одного электрона определяется : = Е/n, В (2) где: - ОВП данной редокс-пары, отнесенной к числу электронных переносов. Свободная энергия окислительно-восстановительной системы (G) определяется формулой Гиббса: G = nF , (3) где: n - количество переносимых электронов, F - число Фарадея, - разность потенциалов переноса электронов от донорного соединения к акцепторному. На шкале ионизационных потенциалов молекулярный кислород расположен существенно “правее” молекулярного водорода, а также ионов водорода ( Iн = 13,5 эВ ). Термодинамический расчет показывает, что синтез воды, протекающий со взрывом, характеризуется потенциалом = 1,227 В, что численно не совпадает с разностью ионизационных потенциалов, хотя определенная близость сравниваемых величин есть: Iн - IО2 = 1 эВ. ОВП соответствует работе по переносу электронов от окисляемого элемента или соединения к восстанавливаемому или от восстановителя к окислителю, концентрации которых обозначаются символами Red и Ox]. Стандартный ОВП (о) для отдельных редокс-пар измеряют следующим образом, (см. рис. 2.1). В качестве стандартного датчика используют нормальный водородный электрод, представляющий собой химическую систему Н+/H2 при рН = 0 (т.е. 1 молярный раствор ионов водорода) при 1 атм. и t = 25oС. Его помещают в камеру 1, а в аналогичную камеру 2 - тестируемую систему восстановителя и окислителя в равновесных одномолярных концентрациях при 1 атм. и 25оС. Камеры 1 и 2 соединяют между собой агаровым мостиком, обеспечивающим электропроводность. В них погружают электроды из инертного металла (обычно из платины) и соединяют шунтом, снабженным высокомным вольтметром для регистрации напряжения тока, возникающего в замкнутой цепи. Возможны следующие ситуации: 1) Редокс-система в камере 2 обладает электронодонорными свойствами относительно системы Н+/H2 в камере 1. В этом случае электрод в камере 2 заряжен отрицательно относительно электрода в камере 1 и движение электронов идет от камеры 2 к камере 1. Возникающий при этом ОВП регистрируется как отрицательный относительно нормального водородного электрода (НВЭ) при указанных условиях. 2) Редокс-система в камере 2 является электроноакцепторной относительно НВЭ. Электрод в камере 2 заряжается положительно электрода в камере 1. Движение электронов - от камеры 1 к камере 2. ОВП регистрируется как положительный относительно НВЭ при тех же условиях. 3) Электронные донорно-акцепторные свойства химических систем в камерах 1 и 2 одинаковы, что соответствует ОВП = 0 мВ,НВЭ. В этом случае система Н+/Н2 в водном растворе при рН = 7,0 при 1 атм. и t = 25оС имеет ОВП = (-0,42) В относительно самой себя при тех же условиях, но при рН = 0, что обычно обозначается как ОВП водорода по шкале НВЭ. Стандартные ОВП биохимических редокс-пар распределяются в диапазоне от (-0,67) В до 0,82 В, НВЭ (-оксоглутарат/сукцинат + СО2 О2 + 4Н+ 2Н2О ). Последнюю величину называют обычно ОВП кислорода, что по физическому состоянию соответствует полному насыщению воды кислородом при данном атмосферном давлении и температуре. Таким образом разность ОВП кислорода и водорода по шкале НВЭ равна 0,82 - (-0,42) или 1,24 В. Отличие этой величины от потенциала реакции синтеза воды 1,227 В связано с округлениями (в некоторых источниках эта разность потенциалов округляется до 1,23 В, оценивая ОВП кислорода в 0,81 В ). Следовательно существуют как бы два крайних состояния воды при нормальных условиях: предельная оксигенация с ОВП = 0,82 В, НВЭ (или 1,020 В,ХСЭ) и деоксигенация с предельным насыщением газообразным водородом с ОВП = (-0,42 )В,НВЭ (или (-0,22) В,ХСЭ). По определению Г.В.Сумарукова (15) в живых системах (in vivo) в тканевых жидкостях существует стационарный ОВП (ст), который отражает соотношение суммарных концентраций окисленных и восстановленных форм и “служит мерой тенденции системы становиться окисленной или восстановленной”. Иными словами стационарный ОВП отражает донорные или акцепторные свойства тестируемой живой системы относительно НВЭ. Стационарный ОВП для конкретных окислительно-восстановительных пар определяется по формуле Нернста: ст = о + {2,303RTlg([Ox] / [Red])} /nF ; рН=7,0-const (4) где: о - стандартный ОВП данной редокс-пары при рН=7,0, при 1 атм. и 25оС относительно НВЭ; R - газовая постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, оК; n - число переносимых электронов; F - число Фарадея. Для практических расчетов формула (4) может быть представлена в упрощенном виде: ст = о + {0,06lg([Ox]/[Red])}/n (5) При t = 37оС коэффициент перед логарифмом в формуле Нернста имеет значение 0,0626/n. При вычислениях, не требующий особой точности, данной температурной поправкой можно пренебречь. Отклонение ст от о при различных окислительно-восстановительных реакциях в диапазоне отношений [Ox]/[Red] от 0,1/99,9 (99,9% восстановителя) до 99,9/0,1 (99,9% окислителя), расчитанные по формуле (5) приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 Расчетные отклонения стационарных ОВП от равновесных значений в зависимости от отношений окисленных и восстановленных форм и количества электронных переносов (nе). ___________________________________________________________ Содержание форм,% ст - о , В [Ox] [Red] ne=1 ne=2 ne=5 ___________________________________________________________ 0,1 99,9 -0,18 -0,090 -0,036 1 99 -0,12 -0,060 -0,024 10 90 -0,057 -0,029 -0,011 25 75 -0,029 -0,015 -0,006 50 50 0,000 0,000 0,000 75 25 0,029 0,015 0,006 90 10 0,057 0,029 0,011 99 1 0,12 0,060 0,024 99,9 0,1 0,18 0,090 0,035 ___________________________________________________________ Как следует из табл. 2.1, по мере восстановления или окисления субстрата расчетные приращения ОВП (положительные и отрицательные) достигают десятков мВ, для одноэлектронных реакций до +180 мВ относительно равновесных значений. В сложных многокомпонентных химических, в том числе биохимических, системах окислительно-восстановительные пары находятся в сложных комбинациях и постоянно меняющихся соотношениях. Значения рН существенно зависят от баланса окисленных и восстановленных форм и в свою очередь влияют на ОВП. Стационарные значения ОВП с учетом фактора рН определяются по формуле: *ст = н + {0,06lg([Ox]/[Red])/n} - 0,06pH, (6) где: *ст - стационарный ОВП с поправкой на рН; н - ОВП для данной редокс-пары относительно НВЭ при равновесии концентраций окисленных и восстановленных форм, при рН=0 и равно о + 0,42 В. Из этого следует, что при увеличении рН на единицу регрессия ОВП составит 0,06 В или 60 мВ (при t = 25oC) или 62,6 мВ (при 37оС). Этот момент подтверждается эмпирическими показателями редокс-метрии в средах с заранее заданными значениями рН. Значение о для рН=7,0 отражает энергию (Еэ), необходимую для отрыва электрона от донорного соединения, то есть соответствует его способности окисляться при данном рН и определяется: Еэ = Ео + 3,8 эВ, (7) где: Ео - численно равно стандартному ОВП (НВЭ), выраженному в эВ. Величина Еэ существенно меньше ионизационного потенциала, так как после схода электрона с орбитали на его перемещение в бесконечность нужна дополнительная энергия. Энергетическая интерпретация стандартных ОВП в биохимии сводится к оценке свободной энергии метаболических (обменных) реакций. Так ОВП для цепи окислительного фосфорилирования составляет 1,14 В и эта реакция является двуэлектронной (n=2). По формуле Гиббса получаем: G = -223,0621,14 = -52,6 ккал/моль, то есть свободная энергия системы убывает в результате фосфорилирования, сопровождающегося переносом двух электронов к водороду по цепи дыхательных ферментов. Перевод G в размерность эВ и ее деления на два электронных переноса при разности ОВП, равной 1,14 В, дает точное значение 1 эВ, что и соответствует определению данной физической единицы (16). Аналогичным образом рассчитывается энергетика любых окислительно-восстановительных процессов. Однако физиологическая значимость ОВП определяется не только энергетическими эквивалентами, но и способностью этого показателя регулировать общий биохимический и биофизический статус внутренней среды организма. 2.2. ОВП как показатель электронного равновесия жидких биологических сред организма. При физиологических и тем более патологических состояниях насыщение тканей организма кислородом, молекулярным водородом и ионами водорода ( показатель рН) варьируют в довольно широких пределах. Другими словами, в биологических средах постоянно поддерживается электронный статус, определяющий электронодонорные или электроноакцепторные свойства биологических жидкостей относительно НВЭ в диапазоне значений рН=6,0 (при некробиозе) до 7,8 (кровь при метаболическом алкалозе). Этого достаточно, чтобы при прочих равных условиях вызвать изменения ОВП порядка 100 мВ в тканях и органах. Перепад рН на внутренней митохондриальной мембране, имеющей толщину 6-8 нм, составляет 1,4 ед (с внутренней стороны мембраны рН ниже). То есть расчетный вклад рН в формирование разности ОВП на мембране митохондрий составляет величину порядка 80 мВ. Соответственно напряженность электрического поля на внутренней мембране митохондрии может достигать порядка 104 В/см. Изменения трансмембранного потенциала при действии электронодонорных или электроноакцепторных факторов сопровождаются мощными электроосмотическими процессами с перетоком воды против градиента ОВП, что соответствует способности митохондрий выступать в роли осморегуляторов. Транспорт ионов Н и электронов через мембраны митохондрий подчиняется следующим закономерностям. Электроны от цитоплазматического никотинамидадениндинуклеотида (НАД-Н, НАД-Н2) поступают в митохондрию через внешнюю мембрану при помощи специализированных биохимических механизмов (в частности, с помощью “глицерофосфатной челночной системы”). Далее электроны переносятся на внутреннюю поверхность митохондриальной мембраны. Транспорт протонов к внутренней мембране митохондрий осуществляется белковыми молекулами-переносчиками. Но протоны остаются на внешней стороне внутренней стороны мембраны митохондрии и, таким образом, накапливаются в пространстве между наружным и внешним контуром митохондриальной мембраны, образуя Н+-резервуар. Электроны на внутренней поверхности митохондриальной мембраны при взаимодействии с молекулярным кислородом образуют ион-радикал кислорода по реакции: О2 + е (О2). В результате внутренняя поверхность мембраны митохондрии заряжена отрицательно и является электронодонорной относительно матрикса и относительно ее положительно заряженной электроноакцепторной наружной поверхности. При этом внешняя цитоплазматическая среда, непосредственно контактирующая с митохондрией, имеет сравнительно высокий рН и является электронодонорной относительно Н+-резервуара. Следовательно, система митохондриальной мембраны и окружающих ее жидких сред характеризуется электронной неравновесностью и в этом смысле активирована. За счет различия знаков зарядов (поляризации) на поверхностях мембраны митохондрии возникает разность потенциалов, провоцирующая транспорт протонов из межмебранного пространства (Н+ - резервуар) на внутреннюю поверхность мембраны. Мембрана митохондрии оказывает сопротивление переносу протонов. Для преодоления этого сопротивления на внутренней митохондриальной мембране необходим трансмембранный градиент ОВП не менее 200 мВ. Если перепад ОВП на внутренней мембране митохондрии превышает 200 мВ, то ионы Н+ переносятся внутрь митохондрии по ионным каналам фермента АТФ-синтетазы. На внутренней поверхности мембраны протоны взаимодействуют с кислородом, образуя воду: 1/2 О2 + 2Н+ Н2О. Энергия транспорта протонов через мембрану митохондрии расходуется для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ: АДФ + Ф АТФ, где Ф-фосфорный остаток. Усиление электронодонорного фона вокруг митохондрии (например, при диффузии католита или при накоплении восстановленных химических соединений) создает эффект внешнего электронного давления и усиливает транспорт электронов внутрь митохондрии. В итоге электроны накапливаются на границе раздела внутренней мембраны и митохондриального матрикса, что увеличивает трансмембранный градиент ОВП и создает предпосылку для активации окислительного фосфорилирования. Повидимому, запредельные сдвиги ОВП в области локализации митохондрии способны наложить практически полный термодинамический запрет на процессы биологического окисления и тканевого дыхания. Усиление электроноакцепторных свойств среды вокруг митохондрии может усилить подпитывание электроноакцепторными факторами Н+-резервуара, что также приведет к увеличению градиента ОВП на внутренней митохондриальной мембране с последующим усилением аэробной диссимиляции. В случае чрезмерного повышения электроноакцепторного фона вокруг митохондрии возможно прямое токсическое действие Н+-ионов и перекисных радикалов на дыхательные ферменты и угнетение тканевого дыхания. Учитывая фазный характер протекания биохимических процессов нельзя дать однозначный ответ о действии анолита или католита на общий метаболизм. В частности временное торможение энергогенеза при действии ЭХА-факторов может сопровождаться экономией биохимических внутриклеточных энергоносителей (глюкозы и продуктов гликолиза). После избыточного усиления и последующей релаксации метастибильного электронодонорного или электроноакцепторного фона биохимические системы способны компенсировать дефицит энергогенеза. Подобный эффект аналогичен резкому усилению тканевого дыханий после кратковременной гипоксии. Сильные восстановители в биохимических цепочках способны отдавать электроны нескольким окислителям с более высокими ОВП. В свою очередь акцепторы, получившие электроны, восстанавливают другие окислители с еще более высокими потенциалами. Избыток восстановителя, принадлежащего редокс-паре с относительно высоким стандартным потенциалом, ведет к восстановлению окислителя другой редокс-пары с относительно низким стандартным потенциалом, если общий суммарный ОВП системы в результате накопления восстановителя окажется ниже стандартного ОВП второй окислительно-восстановительной пары. (17) Таким образом, если в сложной окислительно-восстановительной системе преобладает один восстановитель или окислитель (или их группа), то меняются электронодонорные или электроноакцепторные свойства всей системы относительно любой из входящих в ее состав окислительно-восстановительных подсистем. Возникает эффект установления или навязывания химическим системам различных суммарных (фоновых) уровней ОВП (s), что создает препосылки для управления соотношением восстановленных и окисленных форм. При помещении гомогенатов живых тканей в среды с различными заранее заданными значениями ОВП происходило уравнивание концентраций восстановителя и окислителя именно в тех редокс-парах, для которых стандартные ОВП совпадали с навязанными. Поскольку исходные концентрации восстановленных и окисленных форм этих редокс-пар в составе гомогенатов не были сбалансированы, то очевидно, что действовало следующее правило: ст о при о = s , где s - суммарный, навязанный ОВП. Поскольку о является частным случаем ст, то при любом значении s, отличающимся от ст, будет действовать более общее правило: ст s . При s неравном о отношение окисленной и восстановленной форм для каждой отдельной редокс-пар будет подгоняться под величину ст (чтобы соблюдалось равенство (6)). Среды, обладающие определенными электронодонорными, так и электроноакцепторными свойствами, способны востанавливать соединения с большими ОВП или окислять соединения с меньшими ОВП. Так как восстановители являются мишенями для окислителей, то по мере увеличения суммарного ОВП концентрации восстановительных компонент редокс-пар со стандартным потенциалом ниже навязанного подвергнутся депрессии. При уменьшении суммарного ОВП восстановленные формы редокс-пар с более высокими стандартными потенциалами получат преимущество. Если ОВП среды находится приблизительно в середине биологической шкалы этого показателя (то есть в области 10-100 мВ,НВЭ или 210-300 мВ,ХСЭ), это означает, что созданы условия для преимущественного окисления молочной кислоты, пирувиата, трикарбоновых кислот цикла Кребса, то есть для аэробного расщепления межуточных продуктов углеводного обмена. Добавление к биологическим средам сильных окислителей с превышением суммарного ОВП (s) 200мВ,НВЭ (или больше 400 мВ,ХСЭ) вызовет окисление гемоглобина до метгемоглобина или до оксигемоглобина при действии О2, отберет электроны от аскорбиновой кислоты с превращением ее в дегидроформу, окислит желтые дыхательные ферменты и тем самым нарушит их функцию. Однако химическая регуляция ОВП в живых системах далеко не всегда приводит к однозначным результатам. В организме теплокровных максимальные значения рО2 = 100-105 мм.рт.ст. существуют в артериальной крови при оксигенации в ней гемоглобина на 99%. Показатель рН артериальной крови слегка сдвинут в щелочную сторону до значения 7,4 (в норме). При таких условиях теоретически ожидаемое расчетное значение ОВП, вычисленное по формуле (6), равно 0,2 В, НВЭ. Приведем этот расчет: 1) о (гемоглобин- ферро/ферри) = 0,16 В ; 2) после подстановки ОВП редокс-пары “оксигемоглобин-гемоглобин” (0,16 + 0,42) В в формулу (6) при n=2 получим: (0,16 + 0,42) + {0,06lg(99/1)}/2} - 0,06pH 0,2 В . В венозной крови при рО2 = 45-50 мм.рт.ст. доля оксигемоглобина составляет около 60%. Расчет по формуле (6) для этих условий дает ОВП 0,15 В,НВЭ. Так как рН венозной крови лишь немного ниже, чем в артериальной, то фактор не будет в этом случае существенно влиять на ОВП. Здесь необходимо учитывать, что расчетные показатели ОВП, вычисленные относительно редокс-пары “гемоглобин-оксигемоглобин”, характеризуют локальный физико-химический статус внутриклеточной среды эритроцита. Но цельная кровь является многофазной (гетерогенной) средой, содержащей большое количество окисленных и восстановленных химических соединений. Поэтому электроноравновесные свойства мембран клеток крови, макромолекулярных компонент плазмы крови, сывороточной фракции и водно-минеральных сред в составе крови могут иметь свои локальные характеристики, существенно отличающиеся друг от друга. При движении “вниз” по кислородному каскаду ожидаемые значения ОВП должны уменьшаться по мере регресии рО2. При углублении в тканевой массив (при переходе через гистогематический барьер) рН убывает на 1-1,5 ед., создавая тенденцию к увеличению ОВП на 0,06-0,09 В, то есть вклад в снижение ОВП за счет снижения рО2 частично нейтрализуется за счет фактора уменьшения рН. В этих условиях реальный ОВП тканевых и клеточных систем в организме будет определяться совокупностью концентраций всех окислителей и восстановителей, присутствующих в тканевых и внутриклеточных жидкостях. Если биологическая среда обладает большим или меньшим редокс-потенциалом, это не означает, что она автоматически окисляет или восстанавливает вещество, соответственно имеющее меньший или больший редокс-потенциал относительно s. Реакция не произойдет, если энергия активации недостаточна велика и нет катализатора. Однако в тех случаях, когда энергия активации превышает критический порог, то в присутствии катализатора (фермента) отношение [Ox]/[Red] для конкретной редокс-пары при расчете по формуле (6) становится функцией, в то время как ст, тождественный s, играет роль аргумента. В тканях организма в процессе биологического окисления энергетических субстратов устанавливаются определенные соотношения концентраций окисленных и восстановленных компонент конкретных редокс-пар. Например, лактат, - восстановленная форма пировиноградной кислоты, - накапливатеся в тканях в концентрации 0,0020 моль/л, пирувиат, - окисленная форма молочной кислоты, - присутствует в тканях в концентрации 0,0001 моль/л. (18) Таким образом для нормальных тканей характерно отношение [пирувиат]/[лактат] = 1:20. В результате расчета по формуле (6) при n=2; рН=7,0; о[пирувиат/лактат] = (-0,18) В,НВЭ; [Ox]/[Red] = [пирувиат]/[лактат] = 1:20 имеем: *ст = -0,18 + 0,42 + {(0,06/2)lg(1/20)} - 0,067 = -0,22 В,НВЭ. Таким образом, теоретически ожидаемый ОВП в области превращений “лактат пирувиат” +2Н +2е- составляет (-220) мВ,НВЭ или (-20) мВ,ХСЭ. Теоретически расчитанный каскад ОВП от артериальной крови до места непосредственного преобразования продуктов гликолиза в тканевом массиве составляет, таким образом, 200 мВ,НВЭ (-220) мВ,НВЭ (400 мВ,ХСЭ (-20) мВ,ХСЭ). То есть модуль регрессии ОВП в направлении от артериальной крови к тканям превышает 400 мВ. Расчет дает основания предполагать, что ОВП тканевых сред находится в области восстановительных (отрицательных) значений по шкале НВЭ и ХСЭ. 2.3. Окислительно-восстановительный потенциал внутренних сред оганизма: физиологический и патофизиологический смысл, проблемы измерения и регулирования. Значения стандартного ОВП для химических компонент, присутствующих в живых системах, в норме очевидно не превышают 0,82 В,НВЭ (кислород). При радиолизе воды образуются перекисные радикалы (НО2, ОН), имеющие потенциал выше 1,5 В,НВЭ. (19) Минимальный стандартный ОВП у пары -оксоглутарат/сукцинат + СО2 равен (-0,67) В,НВЭ. Таким образом, весь диапазон ОВП, представляющий интерес для физиологии и патофизиологии, или полная биологическая шкала ОВП составляет ряд от (-67) В,НВЭ до 1,5 В.НВЭ. Прямые измерения ОВП в тканях мышей дают разброс результатов от (-0,15) до 0,17 В,НВЭ. (20) Наименьшие ОВП зарегистрированы в тканях с низким кровообращением, находящихся в состоянии глубокой дезоксигенации и метаболического ацидоза (накопление лактата), что имеет место в частности в опухолях. В опытах на животных при введении в организм различных химических препаратов (типа восстановителей) перепады ОВП в тканях и органах достигали (-0,19) В относительно исходного уровня. (21) С учетом возможности фармакологически индуцированных отклонений ОВП в тканях в отрицательную сторону можно считать типичными колебания этого показателя от (-0,3) до 0,2 В,НВЭ. Отмечается мозаичность тканевого ОВП, что побуждает исследователей ориентироваться главным образом на относительные изменения этого параметра в различных экспериментально созданных ситуациях. ОВП среды, в которой находятся редокс-пары, определяют направление или возможность окислительно-восстановительной реакции, но не является ее пусковым механизмом, так как протекание реакции зависит от энергии активации взаимодействующих молекул, в том числе, от наличия соответствующих катализаторов. Нижняя граница ОВП в глубине тканевых сред (предположительно на митохондриях) может быть косвенно подтверждена дополнительным расчетом. При интенсивной физической работе в анаэробных условиях выработка молочной кислоты возрастает в 10 и более раз, что приводит к уменьшению отношения “пирувиат/лактат”. Для формирования такого соотношения указанных окисленной и восстановленной форм требуется ОВП порядка от (-0,25) до (-0,3) В,НВЭ, если рН тканевой среды не менее 7,0. Если же аноксия приводит к уменьшению рН до зоны риска некробиоза, что соответствует рН=6,0 и ниже, то при допущении [Ox]/[Red] = 1:1000 расчетная величина ОВП для такой тканевой системы составит: ст = (-0,18 + 0,42) + {0,03lg(1/1000)} - 0,066 = -0,21 мВ.НВЭ. Этот результат практически совпадает с данными измерений, проведенных Г.В.Сумаруковым (20) в массивах аноксических опухолевых тканей, в которых идет тканевой распад, но при этом на определенных стадиях некробиоза происходит накопление биохимических восстановителей, например, лактата. Чрезмерно низкие и высокие ОВП в живом организме достигаются при введении в ткани мощных восстановителей и окислителей, что сопряжено с риском прямых химических повреждений из-за денатурации белковых структур. В очагах некробиоза тканевое дыхание по существу прекращается и приостанавливается синтез промежуточных продуктов гликолиза. Остаточные концентрации восстановленных и окисленных метаболитов могут сохраняться в тканях, находящихся на различных этапах парабиоза, и вносить свой вклад в формирование s. Но в данном случае сформированное значение s не может само по себе изменить соотношение [Ox]/[Red] окислительно-восстановительных систем, находящихся в пассивном состоянии. По мере того, как некротизирующаяся ткань расходует ресурс лактата, ОВП некротической зоны должен увеличиваться. Однозначное толкование “полезности” или “вредности” сдвигов ОВП внутренней среды организма едва ли целесообразно на современном этапе. Достоверны лишь следующие моменты. Если тем или иным способом клеточному или тканевому массиву навязано определенное значение s или ОВП, то недоокисленные формы тех или иных окислительно-восстановительных пар, которые имеют меньшие стандартные ОВП, будут стремиться к концентрациям, удовлетворяющим равенству: s = o + (0,06/n)lgX, (8) где: n - число переносимых электронов, Х = [Ox]/[Red] Для двуэлектронной реакции после преобразований имеем: lgX = (s - o)/0,03 (9) В соответствии с формулой (9) практически полное окисление субстрата происходит, когда Х 1000 и lgX 3, s - o 0,09 В. Так как s - o и ст - о равны-тождественны, то в соответствии с данными табл. 2.1 можно показать, что навязывание биологическому субстрату ОВП, отличающихся от стандартных на (+90) -(+120) мВ, приводит соответственно редокс-пары с о s - 90 мВ в состояние практически полного преобладания восстановленных форм и редокс-пары с о s +90 мВ в состояние практически полного преобладания окисленных форм. Например, если для лактата о = (-180) мВ,НВЭ, то навязывание ОВП от (-270) до (-300) мВ,НВЭ (или (-70) - (-100) мВ,ХСЭ) и менее способствует созданию в тканях депо молочной кислоты, хотя из этого отнюдь не следует, будто аэробное окисление продуктов распада глюкозы приостановится. По-видимому пирувиат в этих условиях будет образовываться в прежних или близких к ним количествах после того, как накопление лактата стабилизируется на новом уровне. В противоположной ситуации при насыщении организма сильным окислителем - кислородом при гипероксигенации в барокамере, возникает сдвиг ОВП внутренней среды в положительную сторону. Но такое изменение ОВП не влияет существенно на утилизацию О2 тканями, так как суммарная масса субстратов, подвергающихся биологическому сжиганию, не зависит от содержания избыточного кислорода в тканях. Вещества, снижающие ОВП во внутренней среде организма, действуют или опосредованно через фактор кислорода, т.е. за счет уменьшения рО2, или оказывают аналогичное действие независимо от изменений рО2 (к числу последних относятся цистеин, глютатион, витамин Е). (22) Низкие значения ОВП в злокачественных опухолях коррелируют с плохим кровоснабжением и общим анаэробным характером обмена веществ в этих новообразованиях. Но искусственная оксигенация опухолевых тканей не приводит к возникновению пастеровского эфекта, то есть к переключению метаболизма на аэробный путь ввиду отсутствия в опухолях необходимых ферментных систем. Преобладание в раковых клетках анаэробного гликолиза является причиной низких ОВП, но не следствием того, что низкие ОВП навязаны опухолевой системе первично. По крайней мере для одной области терапевтических воздействий показана достоверная лечебная эффективность направленного снижения ОВП внутренней среды обширной группы живых существ от насекомых до млекопитающих. Еще в 1970 г. Г.В.Сумаруков систематизировал литературные данные и показал в эксперименте, что уменьшение ОВП тканей и органов, а также жидких биологических сред, сопровождается радиопротекторынм действием независимо от того, каким именно методом вызвано снижение ОВП (гипоксия, введение антиоксидантов или выработка эндогенных радиопротекторов). При этом в организме происходит нейтрализация окисленных продуктов за счет создания условий условий их взаимодействия с избытком восстановленных молекул. В результате снижается риск необратимых перекисных повреждений биосубстрата. Необходимо отметить, что введение в организм восстановителей само по себе не гарантирует значительных отрицательных сдвигов ОВП в тканях. Во всяком случае это не удается сделать с помощью параэнтерального введения глюкозы, пирувиата, янтарной кислоты, валина, аланина, метиленового синего. Цистеин, цистамин, цистеамин, диэтилпропанол, гистамин, глутатион, тиомочевина, нитрит натрия, фруктоза, эфир (при ингаляционном наркозе), цитрат натрия, цианистый натрий, метионин при введении их в организм уменьшают локальные значения ОВП мышечной ткани на 140-170 мВ, соответственно с уменьшением модуля регрессии в порядке перечисления. Этиловый спирт уменьшает ОВП мышцы на 13 мВ, что подтверждает хорошо известное в быту слабое противолучевое действие этого вещества. Но в целом проблема управления ОВП внутренней среды организма разработана слабо в связи с рядом методических трудностей. Значения стандартных ОВП фармакологических препаратов не являются достоверным ориентиром при их применении с целью снижения ОВП живых тканей. Стандартные ОВП различных веществ и степень уменьшения ОВП мышцы бедра экспериментальных животных (мышей) при параэнтеральном введении этих веществ указаны в табл.2.2 (21). Таблица 2.2. Стандартные ОВП (о) некоторых веществ и сдвиг ОВП (s) в мышце бедра при их параэнтеральном введении. _______________________________________________________ Вещество Доза, Способ о s мг/кг введения мВ,НВЭ мВ __________________________________________________________ Глюкоза 5% 5500 в.б. -450 0 Пирувиат 250 в.б. -180 0 Цистеин 950 в.б. -140 -140 Тиогликолевая кислота 150 в.б. -140 -15 Валин 223 в.б. -115 0 Аланин 180 в.б. -48 0 Глутатион-SH 1600 п.к. -23 -6 Этанол 625 в.а. -20 -13 Метиленовый синий 25 в.б. -11 -10 Янтарная кислота 250 в.б. 0 0 Адреналин 2 в.б. 380 -10 _______________________________________________________________П Примечание: в.б. -внутрибрюшинно, п.к. -подкожно, в.а. -внутриартериально. Таким образом, корреляция стандартных ОВП фармакологических агентов и их способность изменять ОВП в ткани оказалась в данном случае довольно слабой. Из одиннадцати веществ, представленных в таблице, только цистеин вызвал в мышце сдвиг ОВП, адекватный его электронодонорной активности. Но, чтобы получить подобный эффект у взрослого человека, необходимо около 70 г. цистеина, что на практике нереально не только по медицинским, но и по коммерческим соображениям. Необходимо также учитывать, что стандартные ОВП веществ, указанных в табл. 2.2, и ОВП в растворах этих веществ в составе фармакологических композиций нетождественны. Поэтому в случаях применения традиционных химиотерапевтических методов конкретные значения ОВП во внутренних биологических средах организма труднопредсказуемы. Технические возможности измерения ОВП в живом организме крайне ограничены. При внесении жидких биологических сред в камеру измерительной системы (рис. 2.1) неизбежны модификации ОВП в результате контакта биологических сред с чужеродными материалами и с газами атмосферы (особенно с кислородом). Введение игольчатых электродов в организм осуществимо только инвазивным способом. Область введения электродов должна быть изолирована от воздуха, а сам биологический объект во время инвазивной редокс-метрии должен быть электроизолирован. Травматичность и громоздкость подобной методики ограничивает ее клиническое применение. К тому же измерения ОВП тканей указанным способом всегда производятся в зоне раневого дефекта, связанного с внедрением электродов в живой организм, вследствие чего неизбежно искажение показателей ОВП. Поэтому в области биологической редокс-метрии существенна роль косвенных измерений и расчетных методов. Качественные тенденции динамики ОВП в органах, тканях и биологических средах при ряде воздействий на организм могут классифицироваться следующим образом. К воздействиям, направленным на снижение ОВП следует отнести: - введение экзогенных восстановителей и препаратов с антиоксидантной и противолучевой активностью; - стимуляция выработки эндогенных восстановителей фармакологическими методами; - создание условий гипоксии во всем организме или в отдельных его частях. К воздействиям, направленным на повышение ОВП относятся: - введение в организм сильных экзогенных окислителей; - стимуляция окислительных процессов в организме методами фармакологии, и направленных воздействий на вегитативно-эндокринную систему; - гипероксигенация (в том числе средства гипербарической терапии); - ионизирующее облучение. Как ни парадоксально, общий набор медико-биологических методов воздействия на электронное равновесие организма в подавляющем большинстве случаев обходится без учета ОВП, что создает в данной области информационный вакуум. Как показывают расчеты колебания ОВП во внутренних средах организма всего лишь на десятки мВ физиологически существенны. Следовательно, параметр ОВП должен занять свое место в ряду актуальных гомеостатических характеристик . 2.4. Окислительно-восстановительный потенциал как мера электронного давления. Термин ОВП по смыслу соответствует понятию “электрохимический потенциал”, обозначающему “уровень свободной энергии системы относительно числа молей вещества в системе”. (23) По определению “электрохимический потенциал” эквивалентен мере свободной энергии биохимических реакций, исчисляемой по формуле Гиббса, необходимой для отрыва электронов от донорных соединений с последующим присоединением их к химическому акцептору. Следовательно, величина s является мерой электронного давления (положительного или отрицательного), оказываемого жидкой средой на вещество измерительного электрода (например, платинового). В водных растворах, содержащих компоненты системы [Ox]/[Red], электронное давление создается смесью окисленных и восстановленных компонент отдельных редокс-пар, субстанцией растворителя (водой), неизбежными примесями газов и микрозагрязнениями. Электронное давление определяется наличием в жидкости свободных электронов и энергией электронных переносов. Свободные электроны присутствуют в любой среде независимо от того, происходят ли в ней экзотермические или эндотермические реакции метаболического типа. Процессы электролитической диссоциации воды и электролитов, преобразования сложных органических соединений сопровождаются электронными переходами. То есть в растворах существует “электронное облако” или разреженный электронный газ, по отношению к которому вещество электрода из инертного металла может выступать в качестве акцептора или донора. Соответственно, жидкость будет электронодонорной или электроноакцепторной относительно данного электрода. При внесении в раствор электролита или в химически чистую воду какого-либо вещества в смеси его восстановленной и окисленной форм фактор электронного давления или ОВП растворителя будут модулировать отношение [Ox]/[Red], если химическая добавка к растворителю взята в низкой концентрации (то есть растворитель “в избытке”). Если же химическая добавка присутствует в растворителе в значительной концентрации, то соотношение [Ox]/[Red] добавки модулирует (задает) ОВП раствора. Появление в растворе новых ионов в любом случае меняет структуру воды, меняет строение ее молекул в составе раствора.(24) В результате в сложном растворе возникает измененный электронный статус или ОВП многофакторного происхождения (s), отражающий также фактор структурной перестройки растворителя. То есть добавленные химические компоненты модифицируют растворитель (воду). По традиционным представлениям структурные модификации молекул воды и изменения их электронно-энергетического статуса мгновенно релаксируют к исходному состоянию при устранении химического реагента (добавки), вызвавшего данную модификацию.Между тем существует версия, согласно которой водная среда (именно “субстанция Н2О) сохраняет “память” о бывшем энергетическом воздействии в течение продолжительного времени. (3) Материальный носитель этой “субстанциональной памяти” не идентифицирован, хотя о его природе высказывались различные догадки и гипотезы. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям