Изотополы воды и их биологическая активность

Исходя из изотопного состава, выделяют легкую, тяжелую и полутяжелую

воду [59,60].

Вода только с легкими изотопами в природе не встречается [60,61]. Плот-

ность легкой воды? Нулевая вода состоит из чистого лёгкого водорода и кисло-

рода воздуха. Эта вода выбрана в качестве эталона: у неё очень постоянный со-

став. С ней удобно сравнивать воду неизвестного состава: определив разницу в плотности, легко найти содержание дейтерия. Формально протиевую воду называют легкой водой. Рабочим эталоном легкой воды считают смесь разно-

видностей воды состава 1H216O, 1H217O и 1H218O, взятых в том же соотношении,

в котором присутствуют в воздухе соответствующие изотопы кислорода [61].

Тяжелая вода – это вода, в которой протий полностью замещен на дейте-

рий и представлена формулой D2О. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха. Плотность тяжёлой воды

1104 кг/м3. Тяжёлая вода кипит при более высокой и замерзает при более низ-

кой температуре, чем лёгкая [47, 53, 57].

Полутяжёлой называют воду со смешанными молекулами состава HDO.

Она есть во всякой природной воде, но получить её в чистом виде невозможно,

потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изото-

пов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжёлой воды, нетрудно. Но из-за реакции обмена она будет представлять собой смесь молекул с разным изотопным составом H2O, HDO, D2O [46].

Кроме всех перечисленных вод, ещё существует тяжелокислородная вода с атомной массой кислорода 18, [61].

Изотопные модификации молекул воды оказывают различное действие на структуру воды. Например, происходит самоорганизация упорядоченной структуры приповерхностного слоя воды в результате её стабилизации молеку-

лами НDО, обладающими бóльшей энергией ассоциации по сравнению с моле-

кулами Н2О [47].

21

Количество публикаций о воде с пониженным содержанием дейтерия уве-

личилось в несколько раз за последние 10 лет. Проведенные исследования био-

логической активности воды обедненной по дейтерию показали её положитель-

ную биологическую активность. Влияние воды с измененным изотопным со-

ставом исследовалось в основном на многоклеточных сложноорганизованных биологических объектах [59, 63].

Исследователи обнаружили, что клетки Spirogyra nitida в тяжелой воде прекращают расти и делиться, однако затем в более продолжительных опытах установили, что адаптация к тяжеловодородной среде в некоторых случаях возможна [64, 65]. Так метилотрофные бактерии адаптируются к средам, со-

держащим 99,9 % оксида дейтерия D2О, однако скорость роста и выход биомас-

сы после адаптации остаются более низкими, чем в аналогичных средах, со-

держащих обычную воду [65, 22, 67]. Подробности того, как происходит адап-

тация, какие процессы в нее вовлечены, еще предстоит выяснить [68,69].

Дейтерий, включаясь в белок, изменяет его структуру. Например, дейтери-

рование ≈0,5 ккал/моль лошадиного цитохрома снижало его стабильность. Это отражается в снижении скорости ренатурации при почти таком же ускорении разворачивания, что соответствует около 50% нативных Н-связей в переходном состоянии спиральных белков. Однако α/β-белок (убиктивин млекопитающих)

имеет слабый изотопный эффект лишь при скорости разворачивания, что гово-

рит о том, что путь укладки может быть иным и зависит от величины поверхно-

сти, ставшей недоступной в переходном состоянии [70].

Механизм адаптации и ингибирующего действия D2О изучен недостаточ-

но. Возможно, биологический эффект дейтерия вызван снижением активности дейтерированных ферментов [71]. В качестве примера можно привести кинети-

ку реакции генерации Н2О2 изолированными митохондриями крыс в присут-

ствии янтарной кислоты в качестве субстрата. Показано, что тяжелые изотопо-

логи воды в составе природной воды в естественных концентрациях достоверно ингибируют реакции [72].

22

Даже незначительное изменение содержания дейтерия в воде влияет на ее свойства. Ниже приводим лишь некоторые наиболее изученные аспекты воз-

действия воды с измененным содержанием дейтерия на организм.

Известно, что помещение белков в тяжелую воду (оксид дейтерия) со-

провождается увеличением их термостабильности на 2-6 С. Зависимость тем-

пературы денатурации от доли тяжелой воды в растворе не линейна. Проана-

лизированы факторы, обеспечивающие увеличение термостабильности бел-

ков в тяжелой воде. Проведенный анализ указывает на существенную роль воды, специфически связанной с биополимером. Судя по характеру нелиней-

ности быстрому увеличению температуры денатурации при малых добавках тяжелой воды, тяжелая вода по сравнению с обычной водой, предпочти-

тельнее связывается с белком. Форма кривых зависит от исследуемого белка и варьирует от выпуклой до S-образной [73]. Для выяснения роли воды в ста-

билизации биополимеров рассмотрены модели с одним и двумя центрами связывания воды, существенной для термостабильности нативного биополи-

мера [74]. Получены нелинейные зависимости температуры денатурации от концентрации дейтерия в смесях тяжелая - обычная вода. Форма кривых за-

висит от соотношения констант связывания ОН - и OD-групп. В белках осу-

ществляется обмен H-D в пептидных группах: в ≥80% пептидных групп об-

мен протекает до 5 мин. Это объяснено существованием заполненных водой пор в структуре белка. Наилучшим образом экспериментальные кривые опи-

сываются двуцентровой моделью связывания с предпочтительным связыва-

нием тяжелого изотопа. Необходимость участия двух ОН - или OD-групп, ли-

бо их комбинации свидетельствует об участии водных мостиков в стабилиза-

ции нативной структуры белков [59, 60].

При комнатной температуре наблюдается активирующее действие малых концентраций дейтерия на ферментативную активность. Однако при темпера-

туре ниже температуры фазового перехода липидов и липидобелковых ком-

плексов препарата (13,4 °С) активация ферментов малыми добавками D2О от-

сутствует.

23

С понижением содержания дейтерия обнаружено значительное увеличение скорости роста и развития некоторых водорослей.

Наблюдается радиозащитный и иммуностимулирующий эффект обеднен-

ной дейтерием воды. Длительное употребление воды с пониженным содержа-

нием дейтерия (дейтерия и кислорода 18О) приводит к снижению степени тяже-

сти лучевых повреждений, обусловленных действием гамма – излучения в низ-

ких дозах в условиях ежедневного воздействия.

Результаты изучения структуры иммунных органов (тимуса и селезенки)

свидетельствуют о том, что механизмы адаптивного эффекта воды с понижен-

ным содержанием дейтерия и кислорода 18О обусловлены повышением общей резистентности организма экспериментальных животных. В группе животных длительно получавших воду с пониженным содержанием дейтерия установлено отсутствие новообразований отдельных локализаций (молочных и щитовидной желез, надпочечников), а также снижение частоты новообразований (гипофиза,

легких, матки, лейкозов) [61].

Потребляемая вода с пониженным содержанием дейтерия усиливает им-

мунную защиту организма. Иммунологические параметры существенно повы-

шаются при употреблении легкой воды. В условиях воспаления потребление обедненной дейтерием воды приводило к статистически достоверному усиле-

нию иммунологического ответа в виде повышения численности полиморфно-

ядерных нейтрофилов и лимфоцитов в периферической крови и повышения фа-

гоцитарной способности нейтрофилов крови [60,61].

Дейтерий накапливается в биологических системах и его концентрация в различных клетках организма со временем становится выше, чем в потребляе-

мой воде. Более легкие изиогомологи удаляются преимущественно с вла-

гой [75].

Количество протия, дейтерия и трития в воде влияет на параметры связы-

вания, что следует учитывать при проведении любого изотопного исследова-

ния [76].

24

Выводить дейтерий из организма можно только с помощью реакций изо-

топного обмена, для чего должна быть использована вода с пониженным со-

держанием дейтерия [77].

Биологическая активность воды зависит не только от изотопного состава,

но и от структуры.

4. Биологическая роль воды

Жидкая вода имеет очень сложную структуру, и многие ее особенности до сих пор не нашли четкого объяснения. Для воды характерна ярко выраженная способность к самоорганизации вследствие образования водородных связей

[14-16, 78 - 82].

Первичными структурами могут являться димеры, тримеры, …, полимеры,

из которых в дальнейшем образуются циклические структуры в основном пяти-

и шестичленные, которые далее формируют различные пространственные мно-

гогранники. Наиболее привлекательными являются многогранники, имеющие ось симметрии пятого порядка (додекаэдр и икосаэдр), так как это объясняет многие свойства воды, например, ее текучесть, способность образовывать газо-

вые гидраты и др. Из этих структурных элементов в дальнейшем могут образо-

вываться длинные цепи и пространственные структуры, заполняющие весь объ-

ем. Структура жидкой воды была предметом обширных исследований [4, 22,

84, 85].

Предложенные различные теории и структурные модели воды обладают тем недостатком, что, с одной стороны, удовлетворительно объясняют только часть наблюдаемых явлений, с другой, - часто противоречат одна другой. Име-

ющихся в настоящее время экспериментальных данных недостаточно, чтобы разрешить эти противоречия. Применявшиеся ранее теоретические и экспери-

ментальные методы исследования не позволяют детально выяснить сложную структуру воды. Изучение структуры воды породило множество концепций,

для большинства которых признаются наличие упорядоченных доменов в воде.

Эти теории (структурных дефектов Самойлова, структур Бернара-Фалуера,

25

«гидратов» Полинга, мерцающих кластеров Франка и Вена и многие другие)

интенсивно обсуждались в целом ряде монографий [22, 85, 86 - 91, 92].

Методы рассеяния рентгеновского излучения или нейтронов [12, 93 - 96]

не подтверждают образования в воде упорядоченных структур с размерами больше десятков ангстрем, что не согласуется с данными по гистерезисным температурным аномалиям показателя преломления воды или аномальным рассеянием света в водных растворах органических соединений [96 - 98] В

жидкой воде зарегистрирован эффект ИК-люминесценции. Существование по-

лос ИК-люминесценции связано с присутствием в воде полых кластеров (кла-

тратов). Кластеры воды теоретически рассчитываются обычно только для де-

сятков молекул, или вблизи межфазной границы, например, раздела вода/лед представляет собой достаточно определенную структуру глубиной до 15А (0,15

нм) [12, 22, 99].

Многие свойства воды, например, ее текучесть, способность образовывать газовые гидраты, предполагают образование протяженных упорядоченных структур, например, континуальную модель воды. Данные по акустической эмиссии из водных растворов в области от 500 Гц до 2,5 кГц предполагают ис-

точник генерации звуковых волн с линейными размерами на много порядков большими, чем молекулярные кластеры. В воде движение частиц гидрофиль-

ных суспензий, отличается от любых видов конвекции высокой степенью упо-

рядоченности и анизотропностью и быстро восстанавливается после любых гидродинамических возмущений. Это указывало на то, что структуры, образо-

ванные упорядоченными гигантскими комплексами воды исполняют роль направляющих, вдоль которых движутся дисперсные частицы.

Иногда вода моделируется как полностью диссоциирующий набор атомов с точечными диполями, самосогласованно определенными на каждом атоме кислорода. Поляризуемость кислорода не фиксирована, но зависит от геомет-

рии системы. Несмотря на ограниченное число свободных параметров, модель удовлетворительно воспроизводит геометрические и колебательные свойства микрокластеров: длины связей и дипольные моменты согласуются с экспери-

26

ментально и неэмпирически найденными в пределах 10-20% и качественно воспроизводят не только геометрию основного состояния, но и некоторые ло-

кальные минимумы [88, 94, 96, 99].

Также немало работ посвящено особенностям структуры связанной воды.

Методами ИК-спектроскопии, пьезограветрии исследован процесс формирова-

ния структур и гидратного окружения ДНК из микроорганизмов в тканях с кон-

тролируемым содержанием воды. Изменения энтальпии испарения гидратной воды и ИК-спектроскопические данные позволяли найти распределение гид-

ратной воды связанной с ДНК, что дало возможность оценить вклад молекул воды (до 70%) и водородных связей в уотсон-криковских парах (до 30%) в об-

щую энергию спиральной В-формы ДНК [96,100 - 107].

Влияние структуры связанной воды на строение молекул белков являлось предметом большого количества исследований. Предложены различные теории и структурные модели взаимодействия белковых молекул и воды [14 - 16, 85,

108 - 111].

При взаимодействии воды с различными молекулами электролитов и не-

электролитов изменяется колебательное время жизни молекул воды и в опре-

деленном концентрационном интервале происходит разрушения сетки водо-

родных связей.

Воде в жидкой фазе свойственны регистрируемые тонкие структурные из-

менения в физиологическом диапазоне температур, связанные с изменением объема и заполняемости системы полостей в структурообразующей льдоподоб-

ной решетке. Данные структурные изменения могут запускать процессы в жи-

вых системах, особенно в ограниченном (клеточном) объеме, посредством не-

химической "структурной" или конформационной модификации макромолекул и изменением подвижности низкомолекулярных веществ и ионов. Примером таких механизмов являются так называемые неденатурационные конформаци-

онные изменения структуры белков связанные с изменением поверхности мак-

ромолекулы, доступной для растворителя. В основе структурных изменений воды лежат некоторые различия системы межмолекулярных взаимодействий

27

свойственных двум модификациям молекул воды в жидкой фазе. Таковым мо-

дификациями могут являться орто - и пара-модификации молекул воды, разли-

чающиеся по ряду физических параметров.

Воду и водные растворы рассматривают как неравновесные системы с ди-

намическим хаосом, способные к самоорганизации, а также структуру воды и водных растворов можно рассматривать как первичную мишень для малых концентраций растворенных веществ, а также для слабых внешних полей и, по-

видимому, не только электромагнитной природы. Индуцированное изменение структуры воды сказывается на свойствах биологических мембран, что, в свою очередь, приводит к изменению гомеостаза клетки. Таким образом, воду следу-

ет рассматривать как структурно-динамический сенсор и как преобразователь гидрофильно-гидрофобных равновесия в биологических системах.

Вода и живые системы обладают свойствами макростатической когерент-

ности, квантово-механической по своей природе. Эти свойства могут порож-

дать память частоты, эффект дальнодействия и запутанности определенные первоначально. Они вносят ключ к пониманию физики, гомеопатии, акупунк-

туры, электро - и химической чувствительности [88, 110 - 113].

5. Способы, получения активированной воды

Наиболее распространенными способами получения активированной воды является обработка постоянными и переменными магнитными полями, элек-

трохимическая (при помощи электролиза), а также замораживание и ее после-

дующее оттаивание [114 - 116].

Изменение изотопного состава

Известны способы и установки для получения биологически активной во-

ды с пониженными концентрациями дейтерия. В них используются два техно-

логических процесса обработки воды:

а) вода - пар - лед - вода б) вода - лед - пар - лед - вода.

28

Исследованиями [60], показано, что такая вода, имеющая в своем составе пониженные (на 8-10%) концентрации дейтерия, обладает антимутагенным, ге-

ропротекторным и радиопротекторным действием. Также существует установ-

ка, технологическая схема которой включает электролизеры первой и второй ступеней, устройство для окисления электролизных газов (водорода и кислоро-

да), конденсаторы паров воды и сборников бездейтриевой воды. При этом до-

стигается 60% снижение содержания дейтерия. Оценка количества дейтерия в воде и получение легкой воды достаточно трудоемкие и сложные процессы, по-

этому ведется поиск других способов биологической активации воды.

Повышение БАВ путем ее замораживание с последующим оттаиванием является наиболее широко используемым способом. Исследования талой воды ведутся достаточно давно. Доказана специфика межмолекулярных взаимодей-

ствий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде, так как при плавлении кристалла разрушается только 15% всех водородных связей. Такие перестройки способствуют качественным изменениям свойств воды, что можно использовать для управления жизнедеятельностью организмов [12, 60, 63, 74].

В случаях воздействия на воду и водные растворы различных электромаг-

нитных колебаний первичной мишенью является водная компонента раств. В

магнитных и электрических полях вода находится в метастабильном состоянии вследствие ее стехиометрического состава, наличия в ней упорядоченных цепо-

чек молекул и больших кластеров. Кинетика линейно-упорядоченных цепочек описывается нелинейными возбуждениями, солитонами. Таким образом, био-

логическая активация происходит при участии водородных связей и заряд-

дипольного ассоциирования. Следует отметить действие прочих факторов, та-

ких как температура, освещение, посторонние электромагнитные поля различ-

ных частот природного и промышленного происхождения. Рассматривая энер-

гетический аспект обработки, следует иметь в виду малую мощность потребля-

емой энергии [117-120].

Эффект долговременной памяти воды связаны с существованием не раз-

рушающихся структурных компонентов воды (мод). Системами с хаосом мож-

29

но управлять при очень низкой затрате управляющих ресурсов сравнительно с результатам управления. Частным случаем такого управления является дей-

ствие магнитного поля на воду [121].

При воздействии магнитных полей на растворы происходит увеличение водородных связей и снижение термического возмущения воды. Эмпирически установлено, что в сильных пространственно-неоднородных полях дистиллиро-

ванная вода приобретает аномальные физико-химические свойства, в частно-

сти, зависимости окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) от рН и дипольного момента от температуры, не укладывающиеся в рамки классиче-

ских описаний. Такая модифицированная вода приобретает повышенную био-

логическую активность [114].

При воздействии ЭМП на аминокислоты происходит формирование устойчивых молекулярных комплексов, отличных по ряду физико-химических характеристик от свободных молекул, и существенно ускоряются процессы гидролиза ряда белков и пептидов (Новиков, 1994). Установлено, что эффекты ЭМП на аминокислоты: передаются через предварительно обработанный рас-

творитель и проявляются в присутствии ряда ингибиторов протеаз и ферментов

- инактиваторов перекисей [122, 123, 124].

Обработанная вода оказывает зависимое от частоты магнитных полей

(МП) влияние на белки. Обнаружена практически полная передача информации через раствор. В растворе после магнитной обработки образовывалась доста-

точно крупный и устойчивый молекулярный ассоциат, обладающий совокупно-

стью свойств и характеристик всего раствора, приобретенных в результате воз-

действий на него магнитных полей [125]. Наблюдается передача индуцирован-

ных структурно-динамических перестроек активированной электромагнитным полем (ЭМП) воды клеткам бактерий и изменение их функциональной актив-

ности [19]. Под воздействием активированной ЭМП воды происходит и изме-

нение всхожести семян [19, 42], интенсивности бесполого размножения беспо-

звоночных [113, 122].

30