CC BY
32Образование биологически активных форм кислорода, азота и углекислого газа в водных растворах под воздействием физических факторов среды
В.И. Брусков1, А.В. Черников1, В.Е. Иванов1, Е.Е. Карманова1,
С.В. Гудков2
1 - Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН 2 - Институт общей физики им. А.М . Прохорова РАН [email protected]
Ранее в наших работах было показано, что вода насыщенная атмосферным воздухом, является основным сенсором при таких различных физических воздействиях как ионизирующее излучение, тепловое электромагнитное излучение и влияние видимого света. В результате этих воздействий возникает комплекс сопряженных цепных электрон-радикальных реакций [1- 4]. Было установлено, что в результате этих воздействий, отличающихся по энергии воздействующих квантов на несколько порядков величин, в водных растворах происходит образование биологически значимых активных форм кислорода, азота, углекислого газа. Чтобы объяснить эти парадоксальные результаты нами была сформулирована концепция, согласно которой система вода-воздух является открытой неравновесной системой и активной средой, способной накапливать дополнительно свободную энергию, которая под влиянием определенных резонансных слабых воздействий может высвобождаться в виде стандартных высокоэнергетических процессов, приводящих к разрыву химических связей и образованию многочисленных радикальных продуктов.
Дополнительная свободная энергия может накапливаться в виде поверхностного натяжения в нанопузырьках воздуха - бабстонах (bubble stabilized by ions) [5, 6]. Она может высвобождаться в виде стандартных высокоэнергетических процессов в результате коллапса бабстонов под влиянием видимого света, ряда лазерных излучений и при воздействии теплового электромагнитного излучения аналогично тому, как это происходит при сонолюминесценции [7]. П усковым механизмом коллапса (кавитационного схлопывания) бабстонов по-видимому является резонансное возбуждение молекулярного кислорода в полосах его перехода в синглетное состояние, приводящее к локальному электромагнитному возмущению [8-10].
В результате кавитационного схлопывания (коллапса) нанопузырьков растворенного воздуха сперва происходит разрыв химической связи в молекуле воды (1),
Н2О = *Н + 'ОН = Н+ + ОН- (1)
а затем, в результате переноса электрона от атома водорода к гидроксильному радикалу (2,3) происходит образование ионов водорода и гидроксила, ответственных за рН в воде (1).
'Н = Н+ + е- (2) 'ОН + е- = ОН- (3)
При рекомбинации гидроксильных радикалов образуется пероксид водорода (4), а атомов водорода - молекула водорода (5).
•ОН + 'ОН = Н2О2 (4); 'Н + 'Н = Н2 (5)
Эффективным акцептором гидратированного электрона в воде является растворенный кислород с образованием супероксид анион радикала, а при его протонировании -гидроперекисного радикала (6).
О2 + е- = О2- + Н+ = *НО2 (6)
•НО2 + *Н02 = Н2О2 + О2 (7)
•Н + *Н02 = Н202 (8)
•Н02 + Нр2 = 02 + Н20 + •ОН (9)
В результате реакций (4,7,8) возможны три пути образования Н202 в воде в результате рекомбинации гидроксильных радикалов (4), дисмутации гидроперекисных радикалов (7) и реакции радикала атома водорода с гидроперекисным радикалом (8). А при реакции гидроперекисного радикала с пероксидом водорода образуется молекула кислорода и гидроксильный радикал (9).
Принято считать, что донорами электронов в биологических системах являются преимущественно катионы металлов переменной валентности, такие как железо, медь и др. В настоящее время установлено, что в воде, насыщенной атмосферными газами, донорами электронов могут выступать некоторые биологически значимые анионы в результате образования электрон-радикальных пар при определенных воздействиях.
Пероксид водорода в клетках выполняет сигнально-регуляторную роль, связанную с нарушением окислительно-восстановительного гомеостаза, приводящим к активации защитных и репарационных систем клеток путем экспрессии соответствующих генов. К биологически значимым анионам в воде относятся также нитрит- и нитрат-анионы, которые образуются из растворенных молекул азота воздуха при различных физических воздействиях - ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, видимый свет, тепло и др. [4]. Сильную модулирующую роль на протекание сопряженных цепных электрон-радикальных реакций в водной среде могут оказывать различные ионы присутствующие в растворе [4] в частности гидрокарбонат анионы образующиеся при растворении углекислого газа [9,10]. Биологическая значимость этих процессов требует дальнейших исследований.
[1] S.Gudkov, V.Bruskov, M.Astashev, A.Chernikov, L.Yaguzhinsky, S.Zakharov. Oxygen-Dependent Auto-Oscillations of Water Luminescence Triggered by the 1264 nm Radiation. J. Phys. Chem. B V.115, 7693-7698, (2011).
[2] С.В.Гудков, О.Э.Карп, С.А.Гармаш, В.Е.Иванов, А.В.Черников. Образование активных форм кислорода в воде под воздействием видимого и инфракрасного излучений в полосах поглощения молекулярного кислорода. Биофизика Т.57. С. 5-13. (2012).
[3] A.V. Chernikov,V.I. Bruskov, S.V. Gudkov. Heat-induced formation of nitrogen oxides in water. J.Biol.Phys. V.39, P.687-699, (2013).
[4] C.B. Гудков, В.Е. Иванов, О.Э. Карп, А.В. Черников, К.Н. Бело^удцев, А.Г. Бобылёв, М.Е. Аегашев, А.Б. Гапеев, В.И. Бру«ов. Влияние биологически значимых анионов на
образование активных форм кислорода в воде под действием неионизирующих физических факторов. Биофизика Т.59. С.862-870. (2014).
[5] Bunkin N. F., Shkirin A. V., Ignatiev P. S., Chaikov L. L., Burkhanov I. S., Starosvetskij A. V., Nanobubble dusters of dissolve gas in aqueous solutions of electrolyte. I. Experimental proof. J. Chem. Phys. V. 137, 054706 10.1063/1.4739528 (2012).
[6] N.F.Bunkin , N.V.Suyazov, A.V.Shkirin, P.S.Ignatiev, K.V.Indukaev. Nanoscale structure of dissolved air bubbles in water as studied by measuring the elements of the scattering mat^. J. Chem. Phys. 130, 134308- (2009).
[7] H. Arakeri. Sonoluminescence and bubble fusion. Current So. V. 85, 911-916. (2003).
[8] A.V. Chernikov,V.I. Bruskov, S.V. Gudkov. Heat-induced formation of nitrogen oxides in water. J.Biol.Phys. V.39, P.687-699, (2013).
[9] В.Л.Воейков, Н.Д.Виленская, Ха До Минь, С.И.Малышенко, Е.В.Буравлева, О.И.Яблонская, К.Н.Тимофеев. Устойчиво неравновесное состояние бикарбонатных водных систем, Журн. физ. химии, 86, 1518-1527. (2012).
[10] Коган А.Х., Грачев С.В., Елисеева С.В. Модулирующая роль СО2 в действии активных форм кислорода, «ГЭОТАР-Медиа», Москва 222 с. (2006).
