Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 6
1.1 Введение 6
1.2 Обзор экспериментальных работ 8
1.3 Обзор теоретических работ 15
1.4 Выводы из обзора литературы 40
2. Эволюция пары спинов в коллинеарных магнитных полях 42
2.1 Получение системы дифференциальных уравнений 42
2.2 Расчёт влияния циркулярно поляризованных поперечных звуковых волн на вероятность рекомбинации радикальной пары 51
3. Влияние слабого магнитного поля на скорость химических реакций 56
3.1 Введение 56
3.2 Изменение магнитных свойств среды под действием внешнего магнитного поля 57
3.3 Влияние магнитных свойств среды на константы скорости химических реакций 60
Заключение 71
Выводы 73
Список публикаций 74
Список литературы 76
- Обзор экспериментальных работ
- Расчёт влияния циркулярно поляризованных поперечных звуковых волн на вероятность рекомбинации радикальной пары
- Изменение магнитных свойств среды под действием внешнего магнитного поля
- Влияние магнитных свойств среды на константы скорости химических реакций
Введение к работе
Актуальность работы
Слабые электромагнитные поля (ЭМП) являются экологически значимым фактором внешней среды, влияющим на многие биологические процессы. Живые организмы на планете постоянно находятся под воздействием повсеместно присутствующих естественного геомагнитного и искусственных слабых электромагнитных полей. Многолетние исследования в этой области говорят о том, что ЭМП с определенными параметрами представляют потенциальную угрозу здоровью людей, с другими параметрами ЭМП могут быть использованы в терапевтических целях [Ю.Г. Григорьев, 1998]. Например, во время магнитных бурь резко ухудшается состояние людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. С другой стороны, существуют попытки использования слабых ЭМП для лечения эпилепсии, болезни Паркинсона и рака [В.В. Новиков, 1996; R. Sandyk, 1992].
В последнее время вследствие появления и широкого распространения новых электронных и коммуникационных технологий ежедневная доза облучения населения электромагнитными полями быстро растет. Поэтому проведение исследований воздействий слабых ЭМП на человека становится все более актуальным. Столь быстрое увеличение электромагнитного загрязнения привело к необходимости создания санитарно-гигиенических норм и защиты от электромагнитного "смога". Стандарты электромагнитной безопасности разрабатывают различные национальные и международные организации: европейский комитет по электротехническому нормированию, Национальный американский институт стандартов, НИИ медицины труда РАМН, Всемирная организация здравоохранения и др. В настоящее время стандарты безопасности для различных стран отличаются в десятки раз, что указывает на недостаточность научных исследований в этой области.
Экспериментально влияние слабых низкочастотных магнитных полей (МП) изучается с середины восьмидесятых годов [A.R. Liboff, 1985; C.F. Blackman, 1985]. Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных работ, изучающих влияние ЭМП на биологические системы, число теоретических моделей, описывающих механизмы этих воздействий, сравнительно невелико [В.В. Леднев, 1991, 1996, 2003; В.Н. Бинги, 1997, 2002, 2006; М.Н. Жадин, 1996, 2001; Е. Del Giudice, 2002; G. Preparata, 1995]. Это обусловлено рядом объективных причин. Одной из них является отсутствие данных о микроскопических процессах, происходящих в клетке под действием внешнего поля. Как правило, эксперименты состоят в наблюдении связей между параметрами внешнего поля и вызванными ими биологическими эффектами. Промежуточные уровни организации живой системы, формирующие отклик организма на электромагнитное воздействие, оказываются за рамками эксперимента. В результате выяснение причинно-следственных отношений между внешним стимулом и откликом системы сильно затруднено.
В диссертации рассматривается биологическое действие полей, мощность которых слишком мала, чтобы вызвать некоторый тепловой эффект. В результате в ряде публикаций выказывается скептическое отношение к возможности влияния изучаемых полей на биологические системы [R.K. Adair, 2003]. Этот скепсис в основном связан с «проблемой кТ». Однако при рассмотрении влияния внешнего поля на системы, далекие от термодинамического равновесия, эту проблему можно разрешить [В.Н. Бинги, А.Б. Рубин, 2007]. К настоящему времени количество неравновесных моделей довольно мало, поэтому теоретическое описание механизма действия слабых магнитных полей требует дальнейшего изучения. Из представленного выше можно заключить, что биологическое действие слабых электромагнитных полей - это фундаментальная научная проблема с остро прикладным характером. Цель исследования
Основной целью исследования является теоретическое изучение механизма воздействия слабых низкочастотных электромагнитных полей на биологические и физико-химические системы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Изучить влияние магнитной поляризации среды, вызванной внешним магнитным полем, на радикальные химические реакции.
2. Определить зависимость скорости химических реакций с участием биологических радикалов и кислорода от параметров внешнего магнитного поля.
3. Найти соотношения между амплитудой и частотой переменной компоненты магнитного поля соответствующие максимальному производству перекисного радикала в биологических системах.
Научная новизна исследования
В работе предложена новая модель влияния слабых электромагнитных полей на параметры химических реакций. Это влияние происходит посредством намагниченности среды, окружающей реакционный комплекс. Впервые показано, что низкочастотное слабое МП может влиять на вероятность образования пероксирадикала в биологических системах. Теоретически обоснована связь между экспериментально наблюдаемыми процессами и параметрами внешнего поля. Найдены оптимальные параметры ЭМП, приводящие к повышению концентрации пероксирадикала, что приводит к экспериментально наблюдаемым эффектам.
Практическая значимость результатов
Полученные результаты могут применяться в следующих целях:
1. Оценка принципиальной возможности воздействия слабых переменных, постоянных и комбинированных МП на биологические системы.
2. Создание принципиально новых методов и аппаратуры магнитотерапии для профилактики и лечения некоторых заболеваний, в том числе онкологических.
3. Повышение эффективности некоторых биотехнологических процессов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Возможная первичная мишень воздействия слабого магнитного поля.
2. Теоретическая модель, описывающая влияние слабого магнитного поля на скорость химических реакций с образованием АФК.
3. Параметры слабого магнитного поля, соответствующие максимуму производства АФК.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, две главы собственных исследований, заключения и выводов. Библиографический указатель включает 102 литературных источника.
Обзор литературы представлен в двух частях. Первая содержит обзор экспериментальных данных по исследуемой теме, а вторая - обзор теоретических моделей, использованных ранее для описания- механизма электромагнитных воздействий.
Диссертация изложена на 86 страницах машинописного текста.
Обзор экспериментальных работ
Экспериментальные: работы, состоят,: как правило-, в: изучении зависимости; биологического . эффекта от параметров внешнего электромагнитного поляї Поскольку организмы; постоянно; находятся? в. геомагнитном поле, то Bv большинстве работ используются так называемые комбинированные поля- То есть, рассматривают- совместное действие: постоянного» и переменного магнитных полейг с. различной относительной ориентацией; Некоторыеисследованияпроводятсяш. специальных боксах, где уровень геомагнитного поля- искусственно: ослаблен на несколько; порядков. Используют также комбинации магнитных полей с электрическими. К изменяемым параметрам полей; помимо индукции;, амплитуды и, частоты относят также время экспозиции; Временные зависимости биоэффектов: довольно медленные с характерным временем более 10 минут. Это говорит об отсутствии непосредственного действия слабых ЭМП на биологические объекты. Электромагнитные поля, воздействуя на ионы или диполи, запускают некоторый каскад изменений на различных уровнях организации живой системы. Проследить такой каскад экспериментально не удается в силу технических ограничений, поэтому экспериментальные данные могут служить лишь косвенным доказательством приемлемости той или иной теоретической модели.
Наиболее простым и распространенным экспериментальным объектом являются клетки, целые организмы, органы и ткани органов. Существует, однако, несколько работ исследующих влияние внешних полей на более низком биологическом уровне: на биохимические реакции; процессы, связанные с ДНК и РНК синтезом; активность некоторых мембранных каналов; а также растворы аминокислот и др.
Ранние экспериментальные работы (до 80-х годов) проводились без измерения постоянного магнитного поля. Разброс частот был также очень большим. Большинство экспериментов не воспроизводилось. Важность учета геомагнитного поля в экспериментах со слабыми магнитными полями отметили Кремер-Бартелс, Краузе и др. (G. Cremer-Bartels, К. Krause et al., 1984) и Блэкманом, Бенаном и др. (C.F. Blackman, S.G. Benane, 1985). В работах Либова и др. (A.R. Liboff et al. 1985,1987) было установлено, что уровень постоянного МП определяет положение максимумов частотных спектров биологических эффектов; было введено понятие "амплитудно-частотных окон". С тех пор (с середины 80-х) эксперименты стали более информативными. Экспериментаторы стали сравнивать биологически активные частоты с циклотронными частотами различных ионов, изучая тем саамам вовлеченность этих ионов в формирование биологического ответа на облучение слабыми полями. Экспериментальные работы можно разбить на исследования нескольких школ, основные результаты которых рассматриваются в этом обзоре. Начнем с экспериментов, проведенных группой Либова. Смит, Мак-Леод и др. (S.D. Smith, B.R. McLeod et al., 1987; B.R. McLeod, S.D. Smith, 1987) изучали изменение подвижности клеток диатомовых водорослей от частоты переменного магнитного поля. Постоянное и переменное поля были направлены параллельно. Частоты подбирали в соответствии с циклотронными частотами ионов кальция. Был обнаружен рост подвижности клеток водорослей вблизи указанных центральных частот. Этой же группой ученых исследовался вход радиоактивного изотопа кальция (45СЙГ) в лимфоциты человека (A.R. Liboff et al., 1987; R.J. Rozek et al., 1987). Был обнаружен сдвиг биологически активной частоты для А5Са в отличие от Са, причем отношение частот максимумов биоэффекта было близко к отношению масс изотопов. Это подтвердило гипотезу о том, что ионы кальция могут являться первичными мишенями слабого поля. В пользу кальциевой гипотезы свидетельствовали также эксперименты по изменению процесса регенерации отсеченной головки у плоских червей Dugesia tigrina (К.A. Jenrow et al., 1995, 1996). При облучении червей на циклотронной частоте кальция время регенерации значительно увеличивалось, а на частоте калия изменений не обнаружили. Либов и Паркинсон измеряли трансмембранный потенциал в ткани кишечника черепахи при настройке поля на частоту натрия (A.R Liboff and W.C. Parkinson, 1991). Никаких изменений потенциала обнаружено не было. Вовлеченность ионов Са, Mg и К Смит, Мак-Леод и Либов изучали также по изменению роста (площади поверхности) садового редиса при непрерывном облучении (S.D. Smith, B.R. McLeod, and A.R. Liboff). Внешнее поле настраивалось на циклотронные частоты выше перечисленных ионов. На всех исследуемых частотах наблюдался биологический эффект, причем максимум наблюдали при настройке на кальций.
Блэкман, Блэнчард и др. (C.F. Blackman, J.P. Blanchard et al, 1994, 1995) провели серию экспериментов для выявления зависимости величины биологического отклика от соотношения амплитуды переменного поля и величины постоянного параллельных магнитных полей. Изучалось изменение скорости роста нейритов в клетках PC-12. Получена полиэкстремальная зависимость эффекта от отношения амплитуд переменного и постоянного магнитных полей. Величина постоянного поля и частота переменного в ходе эксперимента не менялись, следовательно, и циклотронные частоты ионов оставались постоянными. Авторы предположили, что ионы Mg, Мп, V, а также с меньшей вероятностью и и Я могут быть ответственными за магниторецепцию клеток PC-12. Именно для этих ионов циклотронные частоты; или их гармоники были приблизительно равны, используемой в экспериментах, частоте магнитного поля. Однако Мп и Г не могут находиться в клетке в негидратированном состоянии, а, входя в белковую полость, вступают в химическую связь с молекулой кислорода на поверхности полости. В гидратированном состоянии ионы имеют другую циклотронную частоту, поэтому гипотеза о роли этих ионов в магниторецепции, скорее всего, ошибочная. Биоэффекты, вызванные воздействием поля с циклотронной частотой П и Я, имели противоположный знак по сравнению с Mg. В работе (C.F. Blackman, S.G. Benane, and D.E. House, 1995) на тех же клетках были исследованы частотные спектры изменения скорости роста нейритов при различных амплитудах переменного поля. Принципиальным отличием этих экспериментов было наличие перпендикулярной составляющей постоянного магнитного поля. Были получены полиэкстремальные спектры отличные от спектров, полученных в отсутствии перпендикулярного поля. Поэтому авторы заключают о существенности перпендикулярной к переменному ПОЛЮ составляющей постоянного магнитного поля. Далее в работе (C.F. Blackman, J.P. Blanchard, 1996) было показано, что параллельная и перпендикулярная ориентация полей вызывают противоположно направленные эффекты, а их комбинация может приводить к исчезновению биологического отклика. Однако этот вывод до сих пор не подтвержден.
Леднев и др. исследовали влияние комбинированных магнитных полей на регенерацию планарий. В работе (В.В Леднев, Л.К. Сребницкая и др., 1996) было отмечено, что ионы Mg наряду с кальцием также могут участвовать в качестве первичной мишени магнитных полей. Дело в том, что некоторые кальций-связывающие белки способны связывать и магний, причем места связывания кальция и магния в этих белках тождественны. В этом случае ионы магния просто заменяют кальций, поэтому эффекты воздействия магнитного поля на циклотронной частоте магния могут быть аналогичны эффектам, возникающим на частоте кальция. На тех же объектах в работе (В.В Леднев, Л.К. Сребницкая и др., 1996) биологический эффект наблюдали на частоте протонного магнитного резонанса. Следует отметить, что магнитные условия эксперимента исключали ЯМР, так как постоянное и переменное поля были параллельны. В1 этой работе наблюдали также амплитудные окна. Отношение амплитуды переменного и постоянного поле в максимуме эффекта оказались полностью противоположными результатам, полученным Блэкманом и Блэнчардом (C.F. Blackman, J.P. Blanchard et al, 1994, 1995). Так, например, при отношении амплитуд 1.8 Леднев и др. . наблюдали максимум, а Блэкман и Блэнчард минимум эффекта. Леднев и Малышев (V.V. Lednev, S.L. Malyshev, 2001) показали, что комбинированное магнитное поле с частотой, настроенной на кальций, влияет на скорость актин-миозиновой Afg-АТФазы в реакционной смеси, содержавшей чистый Ф -актин и миозиновые нити, содержавшие в своем составе СИ-связывающие легкие цепи.
Расчёт влияния циркулярно поляризованных поперечных звуковых волн на вероятность рекомбинации радикальной пары
Воздействие на систему переменным электромагнитным полем может в случае резонанса привести к усилению колебательных движений зарядов среды. В том случае, когда заряженная частица совершает поступательно-вращательные движения между двумя положениями, вырожденными по энергии, может возникать переменный магнитный момент. При этом колебательное движение заряженных частиц (например, ядер атома водорода) совершается вокруг положений равновесия (в решётках оно тоже есть, только нужно по крайней мере 2 вырожденных состояния). При этом участвующие в колебаниях ядра приходят в криволинейное движение вокруг их положений равновесия. Циркулярные ядерные токи (завихрения ), которые при этом появляются, порождают магнитное поле. Это поле почти компенсируется магнитным полем циркулярных электронных токов благодаря адиабатическому следованию электронов за конфигурацией ядер. Но компенсация получается не полной (об этом свидетельствуют экспериментальные данные). В результате возникает магнитный момент по величине порядка ядерного магнетона сколько. Явление это достаточно распространено в сложных системах со спинами.
Выясним физический смысл членов в эффективном гамильтониане (20). Последний член, зависящий от времени описывает влияние внешнего поля в зависимости от ориентации спинов. Для каждой ориентации внешнее поле будет иметь свою степень воздействия в зависимости от набора проекций спинов радикальной пары. Кроме того, имеется постоянная часть, которая никак не зависит от суммарного спинового состояния РП. Зависящие от времени части в гамильтониане (20) характеризуют изменение энергии за счет обмена со звуковым полем. Также меняются и координаты системы и вероятности состояний.
Затухание кривой спиновой плотности по времени определяется суммой параметров Hs и HD, то есть вероятностью гибели РП. Hs - величина, характеризующая время гибели РП через синглетную рекомбинацию, HD — величина, характеризующая время гибели РП через выход из клетки растворителя. Q2Z в нашем приближении на результат не влияет, так как в конечных формулах везде взаимно сокращается, со — эффективная частота звуковых колебаний (из всех еоцмы оставляем только ту, которая даёт максимальный вклад, априори предполагая, что все остальные дают пренебрежимо меньший вклад).
В данной главе показана принципиальная возможность сильного немонотонного влияния магнитных полей на протекание химических реакций с участием двух радикалов в милли- и микротесловом диапазонах. Однако в рамках этого подхода не удалось объяснить экспериментальные эффекты нанотеслового диапазона, так как переходы по Ag- механизму не возможны при сильном различии ( 100 раз) амплитуд постоянного и переменного коллинеарных магнитных полей.
В следующей главе мы пренебрежем различием факторов Ланде g и рассмотрим механизм реакций с участием, трех спинов, который позволяет объяснить экспериментальные эффекты нанотеслового диапазона.. 3. Влияние слабого магнитного поля на скорость химических реакций. 3.1 Введение
В данной главе построена теоретическая модель, описывающая возможные механизмы воздействия внешних сверхслабых ( 2 мкТл) переменных магнитных полей на фоне постоянного геомагнитного. В главе рассмотрены поля низкой частоты ( 100 Гц). В работах Новикова (Новиков и др., 1997, 2005, 2008) были отмечены окислительные повреждения ядерных мембран аденокарциномы Эрлиха и аминокислот по гидрофильным участкам. По мнению автора, причиной этих эффектов может служить повышение концентрации активных форм кислорода (АФК) в биологических системах, вызванное внешним полем. В связи с этим в диссертации рассмотрены процессы первичного поглощения поля и дальнейшей трансдукции на уровень образования АФК. Активные формы кислорода, по-видимому, являются посредническим звеном между внешним магнитным полем и экспериментально наблюдаемыми биологическими процессами.
Магнитное поле (МП) может непосредственно влиять на химическую реакцию, воздействуя на спины электронов и протонов реагентов. Важную роль в этом процессе играют магнитные свойства растворителя. В рассмотренных в диссертации биологических системах растворителями являются водно-солевые растворы. Построенная модель: учитывает влияние ориентации ядерных спинов молекул растворителя на электронные спины участников реакции. Сверхтонкое взаимодействие снимает вырождение электронных энергетических уровней в реакционном комплексе. МП вызывает переходы между невырожденными энергетическими уровнями и, тем самым, способно изменять их заселенность в ходе химической реакцию Изменение заселенности уровней приводит к изменению выхода продукта реакции и, соответственно, его концентрации. =
В работе влияние МП изучено на примере реакции взаимодействия биологического радикала и кислорода с образованием пероксирадикала (ROj). Прослежен механизм трансдукции слабого магнитного возмущения от. первичного рецептора поля (спинов протонов) до выхода продукта реакции. Вероятность его выхода зависит от параметров внешнего магнитного поля. В работе найдены оптимальные параметры поля, при которых наблюдается максимальный биологический эффект. Воздействие переменного поля с этими параметрами, приводит, в нашем примере, к существенному увеличению концентрации перекисных радикалов и, как следствие этого, активных форм кислорода в биологических системах.
Для изучения воздействия слабого магнитного поля биологические системы и организмы в целом необходимо установить первичную мишень этого воздействия. К сожалению, эта мишень до сих пор экспериментально не установлена. В теоретических исследованиях авторы рассматривают различные первичные мишени, однако единого мнения до сих пор не существует.
Магнитное поле в среде действует на магнитные моменты ионов и на электронные и ядерные спины. Однако в силу низкой интенсивности внешнего поля оно не оказывает значительного воздействия на объекты, находящиеся в тепловом равновесии со средой. Частота переменной компоненты поля намного ниже энергии между уровнями, возникающими в ходе химических реакций, что отрицает вызванные внешним полем квантовые переходы между этими электронными уровнями. Из приведенных выше рассуждений можно предположить, что мишенью внешнего поля является магнитный момент, время термализации которого превосходит период внешнего поля. Таким свойством обладает спин ядра, время термализации которого составляет 0,1 секунды. Вероятность ориентации ядерного спина вдоль поля будет выше, нежели против поля, при любой его интенсивности. Ориентация ядерного спина может измениться только при взаимодействии с короткоживущей молекулой, обладающей ненулевым полным спином (например, с радикалом). Это является следствием закона сохранения проекции полного спина на выбранную ось. Вероятность ориентации ядерного спина зависит от индукции внешнего поля, которая изменяется во времени. Следовательно, для того чтобы средняя проекция ядерного спина таким же образом зависела от времени необходимо, чтобы период внешнего поля значительно превышал время между взаимодействиями, способными изменить проекцию ядерного спина.
Наиболее распространенным ядром, имеющим спин, является водород. Он входит в состав практически всех химических соединений, наиболее распространенным из которых в биологических системах является вода. Время между последовательными взаимодействиями радикала с окружающими его молекулами воды составляет 10-8 секунд. Эти взаимодействия удовлетворяют указанным выше требованиям, поскольку период внешнего поля в нашем случае лежит в диапазоне (о,01-И) секунды. Рассмотрим влияние внешнего поля на изменение ориентации ядерного спина водорода, входящего в состав молекулы воды с точки зрения классической физики.
Изменение магнитных свойств среды под действием внешнего магнитного поля
Для изучения воздействия слабого магнитного поля биологические системы и организмы в целом необходимо установить первичную мишень этого воздействия. К сожалению, эта мишень до сих пор экспериментально не установлена. В теоретических исследованиях авторы рассматривают различные первичные мишени, однако единого мнения до сих пор не существует.
Магнитное поле в среде действует на магнитные моменты ионов и на электронные и ядерные спины. Однако в силу низкой интенсивности внешнего поля оно не оказывает значительного воздействия на объекты, находящиеся в тепловом равновесии со средой. Частота переменной компоненты поля намного ниже энергии между уровнями, возникающими в ходе химических реакций, что отрицает вызванные внешним полем квантовые переходы между этими электронными уровнями. Из приведенных выше рассуждений можно предположить, что мишенью внешнего поля является магнитный момент, время термализации которого превосходит период внешнего поля. Таким свойством обладает спин ядра, время термализации которого составляет 0,1 секунды. Вероятность ориентации ядерного спина вдоль поля будет выше, нежели против поля, при любой его интенсивности. Ориентация ядерного спина может измениться только при взаимодействии с короткоживущей молекулой, обладающей ненулевым полным спином (например, с радикалом). Это является следствием закона сохранения проекции полного спина на выбранную ось. Вероятность ориентации ядерного спина зависит от индукции внешнего поля, которая изменяется во времени. Следовательно, для того чтобы средняя проекция ядерного спина таким же образом зависела от времени необходимо, чтобы период внешнего поля значительно превышал время между взаимодействиями, способными изменить проекцию ядерного спина.
Наиболее распространенным ядром, имеющим спин, является водород. Он входит в состав практически всех химических соединений, наиболее распространенным из которых в биологических системах является вода. Время между последовательными взаимодействиями радикала с окружающими его молекулами воды составляет 10-8 секунд. Эти взаимодействия удовлетворяют указанным выше требованиям, поскольку период внешнего поля в нашем случае лежит в диапазоне (о,01-И) секунды. Рассмотрим влияние внешнего поля на изменение ориентации ядерного спина водорода, входящего в состав молекулы воды с точки зрения классической физики.
В данной главе построена теоретическая модель, описывающая возможные механизмы воздействия внешних сверхслабых ( 2 мкТл) переменных магнитных полей на фоне постоянного геомагнитного. В главе рассмотрены поля низкой частоты ( 100 Гц). В работах Новикова (Новиков и др., 1997, 2005, 2008) были отмечены окислительные повреждения ядерных мембран аденокарциномы Эрлиха и аминокислот по гидрофильным участкам. По мнению автора, причиной этих эффектов может служить повышение концентрации активных форм кислорода (АФК) в биологических системах, вызванное внешним полем. В связи с этим в диссертации рассмотрены процессы первичного поглощения поля и дальнейшей трансдукции на уровень образования АФК. Активные формы кислорода, по-видимому, являются посредническим звеном между внешним магнитным полем и экспериментально наблюдаемыми биологическими процессами.
Магнитное поле (МП) может непосредственно влиять на химическую реакцию, воздействуя на спины электронов и протонов реагентов. Важную роль в этом процессе играют магнитные свойства растворителя. В рассмотренных в диссертации биологических системах растворителями являются водно-солевые растворы. Построенная модель: учитывает влияние ориентации ядерных спинов молекул растворителя на электронные спины участников реакции. Сверхтонкое взаимодействие снимает вырождение электронных энергетических уровней в реакционном комплексе. МП вызывает переходы между невырожденными энергетическими уровнями и, тем самым, способно изменять их заселенность в ходе химической реакцию Изменение заселенности уровней приводит к изменению выхода продукта реакции и, соответственно, его концентрации. В работе найдены оптимальные параметры поля, при которых наблюдается максимальный биологический эффект. Воздействие переменного поля с этими параметрами, приводит, в нашем примере, к существенному увеличению концентрации перекисных радикалов и, как следствие этого, активных форм кислорода в биологических системах.
Влияние магнитных свойств среды на константы скорости химических реакций
Особый интерес представляет изучение влияния внешнего сверхслабого магнитного поля на изменение концентрации активных форм кислорода (АФК) в биологических системах. Известно, что незначительные изменения концентрации АФК могут существенно влиять на химические реакции и биологические системы [Ю.А. Владимиров, 2001; Е.Б. Бурлакова, 2004]. АФК приводят к окислительным повреждениям нуклеиновых кислот, белков и липидов.
Молекулярный кислород в основном состоянии C Tg) - бирадикал, два неспаренных электрона которого с параллельными спинами располагаются на разрыхляющих молекулярных ж -орбиталях. Это делает его относительно инертной молекулой, так как по закону сохранения спина в электромагнитных взаимодействиях, которые лежат в основе химических реакций, результатом реакции 02 с веществами, имеющими заполненные орбитали, должен явиться бирадикал, а для протекания такой реакции необходима высокая энергия активации. Другой причиной, ограничивающей реакционность молекулярного кислорода, является структура 0 = 0 связи, благодаря которой четырехэлектронное восстановление 02 до двух молекул воды сопровождается высвобождением 150 ккал/М энергии, в то время как присоединение одного электрона к 02 с образованием 02 является эндотермическим процессом и требует затраты 33 ккал/М энергии.
В отличие от соединений с заполненными орбиталями, молекулярный кислород активно взаимодействует с органическими радикалами, имеющими неспаренный электрон, при этом константа скорости присоединения 02 к радикалам слабо зависит от природы окисляемого субстрата и определяется только диффузией, приближаясь к 109 М-1 с"1. Таким образом, молекулярный кислород является эффективным перехватчиком органических радикалов, в результате чего время жизни и концентрации липидных радикалов в клетках очень малы. Так, среднее время существования радикала ненасыщенной жирной кислоты в клеточных мембранах не превышает КГ6 секунды, в то же время перекисные радикалы или радикалы токоферола, с которыми молекулярный кислород не взаимодействует, могут существовать несколько секунд. Высокая агрессивность молекулярного кислорода в отношении органических радикалов лежит в основе развития цепных процессов свободнорадикального окисления.
Свободнорадикальные реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ) протекают во всех клетках и тканях живых организмов, главным образом в мембранах и липопротеиновых комплексах. Процесс ПОЛ делят на три фазы: зарождение цепей, развитие цепных реакций и обрыв цепей. На стадии зарождения цепей под действием ионизирующей радиации, ультрафиолетовой компоненты солнечного излучения, некоторых химических веществ пищевого рациона, озона воздуха, свободных радикалов табачного дыма и других воздействий происходит образование органических радикалов (R ). На следующей стадии R быстро взаимодействует с 02, который в силу незаполненности верхних молекулярных орбиталей выступает в качестве акцептора электронов. В защите от свободнорадикального окисления в клетках важную роль играют специализированные ферментные системы (СОД, каталаза, глутатионпероксидаза, глутатионтрансфераза), действие которых направлено на инактивацию 02, Н202 органических гидроперекисей. В организме человека ПОЛ имеет большое значение для обновления липидов мембран клеток и посредством этого поддержания структурного гомеостаза. Поэтому разные по своим свойствам антиоксидантные системы необходимы для поддержания активности процессов ПОЛ на стационарном уровне в условиях значительных изменений активности образования радикалов.
В связи с изложенными выше данными, в диссертации теоретически изучено влияние слабого магнитного поля на скорость производства пероксирадикала на примере реакции взаимодействия радикала с молекулярным кислородом: R + 02 -» ROO .
Заметим, что в гамильтониане (1) не учтена энергия сверхтонкого взаимодействия между ядерным спином молекул воды и спинами кислорода. Дело в том, что константа сверхтонкого взаимодействия экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния между взаимодействующими спинами. Известно, что молекулы воды способны образовывать комплексы с ионами и активными центрами радикалов (с неспаренным электроном), «покрывая» их так называемой «водной шубой». В связи с этим разумно предположить, что расстояние между ядерным спином водорода и спином радикала гораздо меньше, чем между спинами кислорода и ядерным спином. Вследствие этого энергия сверхтонкого взаимодействия между ядерным спином молекул воды и спинами кислорода оказывается пренебрежимо малой.
Три электрона могут находиться в восьми состояниях, четыре из которых квартетные и четыре дуплетные. Квартетные состояния Q имеют суммарный электронный спин равный 3/2 и различаются проекцией спина на направление магнитного поля. Две дуплетные пары имеют суммарный спин равный 1/2 и помимо проекции отличаются фазой прецессии вокруг направления магнитного поля. В случае если противоположно направленные спины кислорода прецессируют с одинаковой фазой, они образуют синглетную пару. При взаимодействии этой синглетной пары со спином радикала образуется состояние, обозначенное Ds. Сравнение соотношения (11) с экспериментальными данными из различных источников показывает, что при значении N = 4 наблюдается хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными результатами. Этот факт может свидетельствовать о том, что в изучаемой реакции присутствуют четыре протона. На рисунке 2 показана зависимость относительной интенсивности биологического отклика системы на внешнее переменное МП в зависимости от отношения его амплитуды к частоте. В связи с тем, что различные авторы работали с разными биологическими объектами, величины биологических эффектов отличались. Для анализа зависимости наблюдаемых эффектов от параметров МП мы ввели относительную шкалу биологических эффектов. Максимальное значение, полученное авторами, принималось за 100%, остальные точки рассчитывались отношением реальной величины биологического эффекта к максимальной.
