Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:О роли когерентности в сверхслабых взаимодействиях в биосистемах и биосфере. Монография.pdf
воды), объясняемой связями молекул воды с липидными структурами.
Перенос энергии из воды в липидную мембрану характеризуется наличием мод, охватывающих и молекулы липидов с обеих сторон бислоя, и молекулы воды гидратирующих слоев. Эти моды разнообразны
по динамике. Так, в «бризерной» моде хвостовая часть липида периодически сжимается и расширяется в продольном относительно мембраны направлении, что соответствует возмущениям типа сжатие –
растяжение. Изменение дипольного момента, связанного с этими низкочастотными модами, соответствует ТГц-диапазону.
То же относится и к биомолекулам. Движения биомолекул и структурная перестройка сетки водородных связей гидратирующей воды сопряжены на временных масштабах по меньшей мере от пс
до нескольких
десятков пс, так что перестройки водородных связей воды способствуют
как локальным, так и большим флуктуациям биомолекул, по крайней мере, для протеинов [Zhong et al., 2011, Combet and
Zanotti, 2012].
Таким образом, имеются основания полагать, что передача низкоинтенсивных воздействий различной природы на биомембраны и биомолекулы с преобразованием их структуры осуществляется через преобразование структуры сетки водородных связей молекул воды. Перенос
энергии микроволнового излучения или других сверхслабых физических
и химических воздействий на достаточно большие расстояния к биомолекулам и биомембранам может происходить посредством резонансной
прозрачности воды с преобразованием ее структурной динамики с последующим переносом колебательной энергии воды в гидрофобные области (например, липидные) биоструктур делокализованными низкочастотными модами колебаний или иным резонасным возбуждением. Преобразования структуры водной среды, распространяющиеся вплоть до
биомолекул и биомембран, вносят значительный вклад в преобразование
их структуры. Результирующая ультрабыстрая динамика полярных
структур инициирует более медленные макроскопические движения,
обеспечивая возмущения для развития акустоэлектрических волн [Девятков и др., 1991], колебаний Фрёлиха [Fröhlich, 1977], анизотропной
электрогидродинамической неустойчивости [Захватаев и Хлебопрос,
2012] и других неустойчивостей в биоструктурах.
2.2. Низкочастотный диапазон
Л. Монтенье с сотрудниками удалось в специальных условиях
высоких разведений водой с механическим встряхиванием фильтра-
41
тов культур бактерий и вирусов (а также их экстрагированных ДНК)
зарегистрировать электромагнитное излучение (500 — 3000 Гц) инфранизкочастотного диапазона [Montagnier et al., 2009a, 2009b, 2011].
Необходимым условием излучения является также наличие внешнего
крайненизкочастотного электромагнитного поля (фона), от 7 Гц. В
этот диапазон попадают геомагнитные резонансы Шумана, так что
геомагнитное окружение Земли важно в этом явлении, а также ритмы
активности головного мозга. При изоляции от этого фона излучение
продолжается часы. Это излучение связано с довольно короткими
фрагментами ДНК бактерий и вирусов. Источником излучения служат предположительно некоторые наноструктуры в воде размером от
20 до 100 нм [Там же].
Обнаружено, что колебания наноструктур, вызванные первоначально фрагментами ДНК, могут передаваться на расстояние в чистую воду (из сосуда в сосуд) с помощью низкочастотного излучения,
так что вновь возбужденные наноструктуры генерируют то же излучение [Там же]. При наличии всех ингредиентов для синтеза ДНК путем полимеразной цепной реакции эти водные наноструктуры могут
индуцировать по прошествии достаточно длительного времени синтез
фрагментов ДНК, почти тождественных первоначальным [Там же].
Полагают, что эти наноструктуры могут быть сопряжены со
свойством дипольных молекул воды посредством водородных связей
формировать различные ассоциации и в то же время быть ассоциированными с двойной спиралью ДНК [Montagnier et al., 2011]. Они могут формироваться в окрестности ДНК и излучать. Присутствие наноструктур после удаления источника их формирования и
их возбуждение излучением в чистой воде может быть связано с когерентными
свойствами — когерентными водными доменами, что продлевает
время жизни структур и наделяет их уникальными свойствами. Излучающие молекулы могут быть связаны когерентным электромагнитным полем излучения. Возможно, когерентное излучение когерентных наноструктур индуцирует распределение фазы, которое и приводит к
формированию вторичных когерентных наноструктур в чистой
воде [Del Giudice et al., 2011]. А вторичные наноструктуры участвуют
в контроле динамики биомолекул в соответствии с фазовой информацией [Там же]. Очевидно, этот качественный механизм может быть
ответствен и за передачу информации с белка на белок. Эти результаты соответствуют полученным ранее результатам и концепции П.П.
Гаряева и сотрудников [Pitkanen, 2011]. Следует отметить, что некоторые исследователи критично относятся к этим результатам.
42
Разными исследователями обнаружены эффекты переноса информации как в низкочастотном, так и в других диапазонах. Так, утверждается, что проходящее миллиметровое излучение нетепловой
интенсивности может переносить сано- и патогенные биологические
характеристики с биообъекта на биообъект [Иванов и др., 2010; Алиева и др., 2011]. Одно из объяснений этого класса явлений может быть
основано на когерентных водных доменах или подобных образованиях с корреляциями дальнего порядка.
2.3. Наномеханические колебания
Компоненты живых клеток демонстрируют механические колебания с характеристическими частотами. Так, для клеток Saccharo-
myces cerevisiae эти частоты попадают в диапазон 0,8 — 1,6 кГц, при-
чем амплитуды колебаний порядка 3 нм. Источник колебаний, повидимому, метаболический. Характер колебаний свидетельствует о
согласованности этих механических движений [Pelling et al., 2004].
Вместе с тем механические взаимодействия связаны с клеточной сигнализацией [Bukoreshtliev et al., 2013]. Отсюда мы замечаем, что сигнализация может предполагать согласованность, упорядоченность
динамики как на уровне электромагнитных процессов, так и на механическом уровне.
2.4. Магнитные взаимодействия
Электрическая компонента электромагнитного поля взаимодействует с электрическими диполями, а магнитная — с магнитными диполями спиновых носителей (радикалами, триплетами). Магнитное
поле может воздействовать на любой магнитный момент в биологической системе: магнитный момент неспаренного электрона свободного радикала, ядерный или орбитальный. Биологический эффект
сверхслабых низкочастотных и микроволновых электромагнитных
излучений может объясняться тем, что переориентация спинов в радикалах и триплетных молекулах может быть достигнута с помощью
резонансного электромагнитного поля [Бучаченко, 2007; Grundler et
al., 1992]. Сверхслабые магнитные взаимодействия и микроволновые
излучения могут менять магнитный момент, спин электронов и ядер,
управлять им, переключая реакцию со спин-запрещенного канала на
43
спин-разрешенный и наоборот, управляя химическими реакциями.
Энергии этих взаимодействий могут быть много меньшими химической и тепловой [Бучаченко, 2007]. Действительно, спиновое состояние реагирующих частиц значительно влияет на выход реакции. Например, увеличение вероятности перехода радикальной пары в синглетное состояние изменяет скорость химической реакции и биологический отклик. Слабые магнитные взаимодействия между спиновыми
системами и внешним магнитным полем как раз переводят запрещенные по спину состояния в разрешенные (реакционноспособные). Время жизни радикальной пары (в типичном случае порядка наносекунды) может быть меньше характерного времени тепловой релаксации
спиновой системы, в этом случае тепловое движение не успевает оказать никакого влияния на частицы, что решает проблему kT [Дроздов
и др., 2010].
Так, электромагнитное поле может воздействовать на спинселективные реакции синтеза АТФ. При фосфорилировании и, возможно, при других ферментативных реакциях, идущих по ионрадикальному механизму, синглетные и триплетные состояния ионрадикальной пары абсолютно различны по реакционной способности
[Бучаченко, 2007]. При синтезе АТФ резонансные (от микроволновых
до килогерцовых) электромагнитные волны могут производить электронно-спиновую конверсию в ион-радикальной паре — предшественнике ферментативного акта. Либо электромагнитные волны удаляют некоторые уровни из конверсии посредством зеемановского
взаимодействия в случае малой частоты поля (от герц до сотен килогерц) по сравнению с наносекундным временем жизни пары. Это
позволяет объяснить воздействие микроволновых и низкочастотных
магнитных полей на биосистемы.
Также активность ферментов, участвующих в синтезе АТФ, повышается в два-три раза в случае присутствия магнитного изотопа
магния в активном центре по сравнению с немагнитными (магнитный
изотопный эффект) [Бучаченко, 2007; Новицкий и др., 2011; Кольтовер и др., 2012]. Этот эффект
можно объяснить следующим образом.
В активном центре АТФ-синтазы при переносе электрона от АДФ к
иону магния образуется радикальная ион-пара: фосфатный радикал —
магний. Магнитный момент ядра 25Mg посредством сверхтонкого
взаимодействия переводит ее из синглетного состояния в триплетное,
изменяет полный электронный спин этой пары, в котором синтез
АТФ возрастает. Этот эффект обнаружен и in vivo [Кольтовер и др.,
2012].
44
Четырехфотонная спектроскопия свидетельствует о том, что в
воде имеются мономеры воды – орто- (триплет) и пара- (синглет)
спин-изомеры [Bunkin et al., 2006]. Полагают, что параизомеры,
обладающие состоянием, в котором молекула не вращается, должны легче образовывать водородные связи, включаться в гидратные
оболочки биомолекул, так что относительное уменьшение параизомеров может разрушить гидратную оболочку биомолекул и повлиять на биохимические процессы [Pershin et al., 2012]. Ортоспин-изомеры имеют ненулевой магнитный момент и не имеют нулевого вращательного уровня. Вода, обогащенная ортоспинизомерами, характеризуется большей проницаемостью и подвижностью. Обнаружено, что повышение концентрации ортоизомеров
воды приводит к увеличению биологической активности дрожжевых клеток, что может быть связано с омоложением клеток и замедлением процессов старения [Pershin et al., 2012]. Отмечают
аналогию с магнитным изотопным эффектом 25Mg. Предполагается, что вода является динамическим равновесием пара- и ортоспин-изомеров, соотношение которых определяет формирование в
воде водородсвязанных комплексов, ее кластеризацию. Неустойчивое состояние воды (неравновесность отношения орто- и параизомеров 1:1) дает возможность слабому электромагнитному полю, резонансному с разницей энергий синглетных и триплетных
уровней, запускать спин-конверсию к равновесному состоянию,
преобразуя структуру воды [Pershin et al., 2012]. Вместе с тем, вода
характеризуется собственным ритмом, отвечающим колебаниям
относительного содержания орто/пара ядерных спин-изомеров воды около равновесного значения 3:1 (поэтому не зависящим от
температуры и pH) [Захаров, 2012]. Как отмечено выше, процессы,
приводящие к спиновой конверсии пара- и ортоспин-изомеров воды, должны вести к модуляции
скорости биологических процессов.
Полагают, что в общем случае низкочастотное магнитное поле может взаимодействовать с ядерными спинами атомов, что меняет намагниченность водной среды и, в итоге, скорость ферментативных реакций, в частности скорость синтеза активных форм
кислорода [Новиков и др., 2010; Тирас и др., 2012].
Установлено, что комбинированные магнитные поля с
коллинеарно направленными постоянной и переменной компонентами
могут оказывать значительное воздействие на биологические системы, при этом энергия таких полей на несколько порядков меньше энергии тепловых флуктуаций. Частоты воздействия формаль-
45
но совпадают с частотами циклотронного резонанса для биологически значимых ионов (для кальция – около 32 Гц). Первоначально
предложенная Либовым [Белова и Панчелюга, 2010] модель циклотронного резонанса оказалась неадекватной. Данное явление объясняет интерференционная модель Леднева [Lednev, 1991; Леднев,
1996; Белова и Панчелюга, 2010; Дроздов и др., 2010; Захаров,
2010], согласно которой колебания магнитных зеемановских поду-
ровней иона в активном центре протеина когерентны с постоянным отношением фаз. Эта когерентность дает возможность интерференционного взаимодействия электромагнитных волн, излучаемых с зеемановских подуровней, происходит модуляция интенсивности рассеянного света (переизлучаемых ансамблем магнитных
моментов волн) — параметрический резонанс. Возникает отклик
на слабый магнитный сигнал на фоне теплового шума. Аналогичное явление имеет место при частоте, соответствующей ларморовой частоте магнитных моментов спинов ядер биологически важных атомов [Захаров, 2010]. Также сверхслабые магнитные поля
пико- и нанотеслового диапазонов оказывают существенное влияние на биологические и физико-химические процессы. Эти результаты также объясняет интерференционная концепция Леднева.
Первичными мишенями слабых и сверхслабых низкочастотных и
микроволновых магнитных полей являются магнитные моменты
ионов кальция, магния, натрия, возможно, ионов водорода (на
циклотронной частоте), ядерные спины биологически важных атомов (на ларморовой частоте), спины электронов, магнитные моменты, создаваемые орбитальным движением электронов [Белова и
Панчелюга, 2010]. При этом биологический эффект может быть
связан с изменением не намагниченности, а фазы магнитного
момента: электромагнитные поля могут действовать на магнитные
моменты частиц, не вызывая при этом переворот спина. Полагают,
что фазировка магнитных моментов, согласование фазы волновых
функций может также оказать сильное влияние на биохимические
реакции [Захаров, 2010].
Следует отметить еще один возможный механизм. Обнаружена
реакция ионного тока, пропускаемого через раствор аминокислот при
воздействии ультраслабого
переменного магнитного поля (20 — 140
нТл) на циклотронных частотах этих аминокислот (2-8 Гц), которую
объясняют механизмом когерентных водных доменов [Новиков и др.,
2010]. Когерентные домены [Marchettini et al., 2010; Brizhik et al.,
2011; пп. 1.2.3], включающие аминокислоты, имеют меньшее трение,
46
чем неструктурированная водная фаза. В этом случае слабое магнитное поле может по типу циклотронного резонанса влиять на степень
ионизации и ионный ток [Новиков и др., 2010]. Таким образом, в когерентных доменах воды, включающих аминокислоты, внешние магнитные поля могут изменять степень ионизации и ионный ток [Тирас
и др., 2012].
47
ГЛАВА 3. ИК-, видимый и УФ-диапазоны
В этой главе рассматривается роль корреляций дальнего порядка
в молекулярных механизмах фоторецепции, конверсии и переноса
энергии, излучения в биосистемах в ИК-, видимом и УФ-диапазонах.
Соответствующие кванты энергии сравнительно велики и в отличие
от микроволнового диапазона могут быть использованы для непосредственного энергетического воздействия, в частности триггерного.
3.1. Поглощение фотонов
и первичные фотопроцессы
3.1.1. Хромофоры
В живых организмах имеется множество хромофоров. В дальнем
ИК-диапазоне хромофоры соответствуют колебательным переходам в
воде и амидных группировках [Журавлев, 2011].
В диапазоне ближнего ИК, видимого и ближнего УФ хромофорами являются поглощающие небелковые компоненты, ковалентно
или нековалентно связанные с протеином (фоторецепторы света). Все
такие хромофоры частично ненасыщенны, их свойства определяются
электронной делокализацией в системах сопряженных двойных связей
[Möglich et al., 2010]. В качестве хромофоров фоторецепторов обычно
выступают ретинали, линейные тетрапирролы, флавины и птерины.
В ультрафиолетовой области имеется множество эндогенных
хромофоров, в частности побочные цепи аминокислот, пуриновые и
пиримидиновые основания, а также кофакторы в структуре протеина
[Журавлев, 2011]. Для побочных цепей аминокислот основными хромофорами в области длин волн от 230 до 320 нм являются ароматические аминокислотные остатки триптофана, тирозина, фенилаланина, а
также гистидин, цистеин и дисульфидные связи, обычно с образованием синглетных электронно-возбужденных состояний (ЭВС), которые посредством интеркомбинационной конверсии переходят в триплетные или переносят энергию на другие группы посредством
столкновений. Если синглетные ЭВС могут участвовать в переносе
энергии, то триплетные со временем жизни порядка микросекунд могут участвовать еще в переносе электрона или протона. В результате
люминесцентного резонансного переноса энергии внутри протеина
практически вся энергия возбуждения быстро переносится на трип-
48
тофан с тирозина и фенилаланина. Триплетные состояния триптофана, тирозина и фенилаланина со временем жизни порядка миллисекунд обладают химической активностью и участвуют в переносе
энергии. Триплетный триптофан и тирозин участвуют также в переносе электрона с дальнейшей разнообразной фотохимией с формированием радикалов [Davis and Truscott, 2001; Pattison et al., 2012]. Побочные цепи других аминокислот и пептидные связи поглощают излучение с длиной волны, меньшей 230 нм [Pattison et al., 2012].
3.1.2. Фоторецепторы: свойства, структура,
молекулярные механизмы функционирования
Одним из наиболее важных внешних факторов для живого мира
является электромагнитное излучение Солнца, в особенности свет.
Отклики к нему инициируются многочисленными фоторецепторами.
В ответ на поглощение кванта энергии, соответствующего ИК-, видимому, УФ-A- и УФ-B-диапазонам, они запускают фотоиндуцированные пути клеточной сигнализации, вызывая каскад вторичных биохимических реакций, в том числе на генетическом уровне. Фоторецепторы регулируют экспрессию генов, метаболизм и онтогенез, другие
процессы, включая подвижность, хронобиологические реакции, в том
числе и в организме человека, а также, возможно, участвуют в магниторецепции и гравирецепции [Крицкий и др., 2010]. Они регулируют
физиологические отклики и адаптацию на всех уровнях: клетки, ткани, организма [Matsuoka et al., 2007], во всех формах жизни, в любых
условиях окружающей среды [Losi and Gärtner, 2011] и, по-видимому,
с древнейших времен. Интересно, что геномы нефототрофных организмов кодируют десятки гистидинкиназ, содержащих фоточувствительные LOV-домены, и другие фоторецепторы [Alexandre et al., 2010;
Gomelsky and Hoff, 2011]; свет в этом случае может преобразовывать
стратегию поведения организма [Gomelsky and Hoff, 2011]. Ультрафиолет-B (УФ-B) также является ключевым регулирующим сигналом
окружающей среды для многих организмов, способным регулировать
экспрессию генов [Jenkins, 2009]. Фоторецепторы многочисленны,
обнаружены у всех царств органического мира, и их список и классификация быстро расширяются.
Усиление сигнала может быть весьма эффективным, и отклик
возникает в ответ на
9
мер,
−
Вт/м2 для фототропизма макроспорангиофоры гриба Phyco-
10
излучение сверхслабой интенсивности (напри-
myces blakesleeanus) [Galland and Lipson, 1987]. Отклик возникает на
поглощение единственного фотона, например, при возбуждении од-
49
ного-единственного фоторецептора родопсина сигнал столь усилива-
α
ется, что возникает реакция на уровне генерации электрических токов
в фоторецепторных клетках, достаточная для восприятия человеком
сигнала как вспышки света [Miesenbock, 2011].
Для эффективной генерации сигнала фоторецептором в условиях быстрой колебательной и флуоресцентной деактивации первичная
реакция в фоторецепторе должна быть достаточно быстрой. Кроме
того, в ней используется большая энергия фотона [Möglich et al.,
2010], достаточная для переноса электрона, протона, преобразования
ковалентных химических связей, изомеризации вокруг двойных связей. На этом основан триггерный механизм восприятия и усиления
сигнала [Там же].
К настоящему времени известны шесть классов фоторецепторов
с кофакторами: родопсины, фитохромы, фотоактивные желтые протеины, криптохромы, белки, содержащие LOV-домены, белки, содержащие BLUF-домены. Последние три класса относятся к рецепторам
синего света, который лучше всего проникает в воду. Кроме того, фотобелки включают в себя фотоферменты (ДНК-фотолиазы). Большинство фоторецепторов находятся в цитоплазме (мембраны прозрачны для света) [Там же], родопсины являются трансмембранными
белками.
Во всех фоторецепторах, кроме родопсинов, обнаружены домены, между которыми осуществляется перенос энергии возбуждения.
Различаются две ситуации.
1. Фоторецепторы LOV-, BLUF-классов и фитохромы имеют
модульную структуру. Они могут состоять из нескольких доменов,
соединенных друг с другом элементами вторичной структуры, такими
как
-спирали. При возбуждении хромофора в фоточувствительном
домене активируется другой эффекторный домен того же белка и далее активируется сигнализация с участием протеинкиназ, молекул
вторичных посредников и механизмов генной экспрессии. Хромофоры в таких фоторецепторах спрятаны в ядре протеина, так что они недоступны для растворителя. Фоторецепторы этих классов обычно
формируют
димеры или олигомеры, так что становятся возможными
изменения четвертичной структуры. Процесс димеризации и обратный ему связаны с регуляторной функцией фоторецептора. Передача
сигнала от сенсорных к эффекторным модулям происходит скорее не
через специальные контакты в третичной структуре, но посредством
преобразований в четвертичной структуре и посредством переходов
порядок — беспорядок в сегментах протеина, в особенности в спи-
50