Содержание к диссертации
Введение
Главам 1. Состояние воды в биологических объектах 13
1.1. Особенности организации молекул воды в модельных и биологических системах . 13
1.2. Влияние веществ различной полярности на организацию І молекул воды;в модельных и биологических системах 23
1.3. Физико-химические аспекты состояния воды в биологических системах. 36
1.4: Использование инфракрасной спектроскопии для исследования водосодержащих систем и биологических жидкостей; 46
Глава 2. Материалы и методы. 53:
2.1. Материалы исследования: 53
2.2. Методы исследования 54
2.2.1. ИК-спектрометрия с помощью аппаратно-программного комплекса «Икар» 55
2.2.2:Анализ состояний биологических систем. 55
2.2.3- Построение объемных образов. 56
2.2.4- Многомерный анализ результатов ИК-спектрометрии и определение критериев Маханолобиса иБартлетта. 57
2.2.5. Алкоголизация крыс в эксперименте. 58
2.2.6. Стандартная ИК-спектрометрия; 59
2.2.7. Проточная тонкослойная хроматография фосфолипидов.. 59
2.2.8. Идентификация фосфолипидов: 62
2.2.9. Препаративное выделение фосфатидилхолинов, сфингомиелинов и фосфатидилинозитов из сыворотки; крови. 64
2.2.10. Методика получения липосом. 65
2.2.11. Статистическая обработка результатов исследования: 65
2.2.12. Способ исследования крови. 66
2.2.13: Способ исследования воды. 67
Глава 3. Анализ показателей целостного состояния биологических систем : 68-
3.1 . Разработка способа ИК-спектрометрии для исследования: тонких слоев биологических систем и модельных растворов ... 68
3.2. Комплексная характеристика сыворотки крови при различных:
аболеваниях. 80
3.3. Влияние величины вод ной составляющей-биологических
систем на дисперсию показателей ИК-излучения. 90
3.4. Анализ особенностей динамики состояния разведенных: образцов сыворотки крови больных остеопорозом. 94
3.5: Особенности действия этанола на биол о гические системы, 100
Глава 4. Особенности влияния веществ неорганической природы на* состояние их модельных растворов : 109
4.1. Изменение: пропускания ИК- излучения;проходящего через тонкие слои модельных систем содержащих одновалентные ионы 109
4.2. Сравнительный анализ влияния ионов натрия и калия на по каз атели целостного с остоя ния м одельных систем: 119:
4.3. Особенности изменения дисперсии коэффициентов пропускания ИК-спектра водной основы растворов под влиянием двухвалентных катионов различной концентрации... 124
4.4. Анализ параметров целостного состояния систем при: действии сверхмалых концентраций ионов кальция и калия:... 139^
4.5. Особенности состояния.воды в присутствии смеси катионов...- 142
4:6..Влияние сверхмалых количеств пероксида водорода наводную основу растворов 146
Глава 5; Влияние биологически активных веществ органической природы на состояние их растворов 152
5.1. Анализ изменения дисперсии показателей пропускания ИК-излучениятонких слоев растворов с различным содержанием глюкозы; аскорбиновой кислоты, новокаина, тирозина тироксина 152
5.2. Изменения целостных показателей состояния воды в присутствии сверхмалых количеств аскорбиновой кислоты . 178
5.3. Изменение параметров целостного состояния водных систем под влиянием веществ различной природы 182
Глава 6. Изменение параметров состояния водосодержащих систем под влиянием различных экзогенных факторов . 191
6.1. Влияние температуры на показатели состояния водных систем 191
6.2. Особенности влияния ионов водорода различных концентраций на состояние водного.компонента их растворов. 202
6.3. Анализ влияния рН на температурную зависимость коэффициентов пропускания ИК-спектра воды. 211
6.4. Влияние водонерастворимых материалов на состояние: водных систем; 217
Выводы: 222
Список литературы. 225
- Особенности организации молекул воды в модельных и биологических системах
- Разработка способа ИК-спектрометрии для исследования: тонких слоев биологических систем и модельных растворов
- Изменение: пропускания ИК- излучения;проходящего через тонкие слои модельных систем содержащих одновалентные ионы
- Изменения целостных показателей состояния воды в присутствии сверхмалых количеств аскорбиновой кислоты
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема определения значимости изменений отдельных биохимических процессов для сохранения параметров: целостного состояниям и обеспечения- функционирования биологических систем: остается, мало-изученной;. Доказано, что существенное значение в. формировании; таких параметров; играет степень и* характер' организованности молекул водного компонента. В*частности установлено, что структурообразующая, функция^ водьь обеспечивает возникновение: нативных форм макромолекул [1, 25; 45, 103; 143; 146, 167, 213; 251].. При этом обнаружено, что действия биологически активных: ионов, ферментных систем, лекарственных веществ, экологических факторов; в значительной^ мере: связаны, с: изменениями физико-химических неструктурных . свойств;воды. [2, 27,-35; 57, 81, 109, 153, 211 ].. В'настоящее время вода рассматривается как организованная динамическая жидкость, в^ которой постоянно образуются:и распадаются разнообразные по характеру и:количеству ассоциаты молекул [60v 148, 183\ 205; 210, 217, 218; 236, 253v 292; 293]. Доказано;, что^ данное вещество является; необходимым, составным компонентом^ основных структурно-функциональных элементов;живых: систем: [2 - 4, 70; 167,. 177, 184;. 209; 262; 267, 290];. Существует ряд работ, посвященных изучению роли воды в биологических системах и влиянию гидратации белков на'их:активность [I, 4;. 12; 69;. 122, 146, 165, 187; 290].-. Частое эффект различных внешних факторов: (ионов; лекарственных веществ, различных, антропогенных- загрязнений) связывают с изменением;; состояния водной? среды,, а. также с действием ферментов аквапаринов, контролирующих: водно-солевойj обмен: клеток И; осуществляющих транспорт воды через мембраны [117,. 170; 201, 221-, 246, 247].
Внимание большинства; исследователей в первую- очередь. привлекает проблема участия воды;в обеспечении активности и структуры, ферментных систем [178; 199, 226 - 229; 231, 254]; Доказано,, что
существует равновесие между свободной и структурной водой, входящей в состав различных тканей, которое определяется характером и степенью их взаимодействия: [157, 159, 175; 197, 228, 232, 256].- Этот факт свидетельствует о том, что состояние гидратированных биологически значимых^ молекул, (их: конформация,. ее: изменения; в> процессе функционирования)? в большей или меньшей;степени зависят от физико-химических параметров воды.,
В?связи с этим актуальной задачей является разработка эффективных методических подходов к определению целостных показателей СОСТОЯНИЯ; биологических систем,.которые будут характеризовать суммарный эффект взаимодействия? отдельных гидратированных компонентов; включая* свободную^ воду.. Наличие таких, критериев;, играющих самостоятельную? роль в оценке; функциональной^ активности- системы и: определении- ее отличиШ от контроля,, дополнительно позволит установить степень значимости изменений комплекса; показателей, характеризующих отдельные биохимические- реакции.. Особенный, интерес представляет изучение в; качестве биологических систем состояния; сыворотки: крови-больных с. различной: патологией; Это? даст: возможность, продемонстрировать, каким образом оценивается система с различным или одинаковым биохимическим составомпо целостным критериям состояния.
Крайне^ перспективным является* проведение исследований? тонких слоев водных систем: (менеег 20mk)j т.к.", по; свидетельству ряда авторов; [119, 120- 137, 141], в^этих условиях возникает неустойчивое состояние жидкости, что предполагает возможность получения принципиально новой; информации і о степени: и> характере взаимодействия; свободной, связанной; воды; и; сложных; макромолекул биологических: систем1 в условиях-различной патологии..
Цель работы И;задачи исследования. Цель работы состояла в том; чтобьъ на основе данных ИК-спектрометрии; разработать методику, позволяющую характеризовать особенности целостного состояния
7 биологических систем и использовать ее для;оценки степени значимости различий их биохимического состава.
В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
создать, методику исследования; и обработки, данных, разработав, аппаратно-программный комплекс, позволяющий; регистрировать степень и характер: колебания, показателей^ пропускания; тонкимш слоями жидкости в средней области ИК-спектра;
на основе полученных данных с использованием значений дисперсий; девяти диапазонов средней области ИК-спектра (3500- 3200см"1, 3085 - 2832смт', 2120- 1880 см'1, ,1710 - 1610см"1, 1600- 1535см'1,-1543- 1425см"1, 1430- 1210см:"1, 1127- 1057см7\ 1067-930см"1) и. критериев5 многомерного анализа (расстояния: Махаланобиса; и критерия Бартлетта) определить оптимальные; параметры- состояния-различных биологических систем и модельных растворов;:
с помощью аппаратно-программного комплекса «ИКАР», целостных системных показателей, компьютерных объемных образов, диаграмм: рассеяния и^ Вороного выявить, и^ количественно^ охарактеризовать, различные состояния цельной: крови, слюны; а также; сыворотки крови контрольной группы и: больных при остеопорозе, диабете, алкоголизме,-гепатитах, шизофрении, эпилепсии, гипертонической, и ишемической- болезнях, онкологических и і неврологических заболеваниях: - патологиях; характеризующихся выраженной1; спецификой биохимических процессов;
определить в сыворотке крови исследуемых групп больных уровень: содержания общего белка, мочевины, фосфолипидов, холестерина, кальция, калия, глюкозы, трансаминазнои активности;
провести сравнительный анализ - параметров состояния разведенных образцов: сыворотки крови больных остеопорозом, алкоголизмом; с контрольной группой;:
у больных алкоголизмом,-а также при алкогольной интоксикации. крыс выявить возможные механизмы участия водного компонента сыворотки крови в реализации эффекта действия этанола;
установить, возможные механизмы участие водного компонента^ сыворотки крови в патогенезе остеопороза;:
выявить особенности влияния; на состояние: модельных; водных: растворов веществ;различной^химической;природы и биологической^ активности* (ионов; калия; натрия; кальция,, этанола,, глюкозы, аскорбиновой кислоты, тироксина, тирозина и пероксида водорода), дифильных веществ (липосом фрсфолипидов);;
провести; сравнительный-; анализ; параметров* целостного*состояния: модельных; растворов; веществ^ различной; функциональной;: активности (метаболит, регулятора необходимый; компонент биологических мембран);
Новизна исследования
1.- Впервые в девяти-диапазонах: см"1 (3500-3200; 3085 - 2832^2120 -
18801.1.710 - 1610;.1600<- 1535,.1543'- 1425;. 1430- 1210, 1127 - 1057,
1067- 930) средней области ИК-спектра обнаружено явление колебания
показателей! пропускания? ИК-излучения,. проходящего через* тонкие
слои водных модельных растворов и биологических систем,- параметры^
которого позволяют оценивать суммарный^ эффект степени-:
организованности отдельных компонентов и молекул воды..
2; Впервые^ на; основе: результатові ИК-спектрометриш разработана: методика, позволяющая определять целостное состояние биологических систем; с: помощью дисперсии-: показателей: пропускания; критериев^ Махаланобиса, Бартлетта, диаграмм рассеяния, Вороного; компьютерных: образов; Это; дает возможность оценивать значимость-изменений отдельных биохимических показателей;для; всей;системы в: целом.
Впервые на примере сывороток крови больных остеопорозом, алкоголизмом,, диабетом;, гепатитами, шизофренией, эпилепсией;* гипертонической и- ишемическош болезнями; онкологическими; и неврологическими; заболеваниями; доказано существование различных типов' их состояний, количественные характеристикиv которых, при вирусных гепатитах, сердечно-сосудистых заболеваниях, алкоголизме согласуются; с биохимическими- показателями; активности; трансаминазы, фосфолипидов и холестерина:
Впервые установлено, что критерии Махаланобиса и Бартлетта позволяют определять различие в состоянии водного; компонента сыворотки: крови=приряде заболеваний;(остеопорозе, ушибе головного мозга,. эпилепсии, шизофрении); которые традиционными: биохимическими показателями не устанавливаются..
5; Впервые на модельных растворах полярных^ неполярных, дифильных веществ органической и неорганической природы,, обладающих различной биологической; активностью,, показана способность химических соединений' определять параметры, целостного * водных систем.;
6: Разработан, запатентован и сертифицирован как новый тип измерителя ИК-спектрометр, позволяющий: вт девяти; диапазонах средней; области; спектра (3500-960см*1) количественно регистрировать, величины колебания показателей; пропускания^ ИК-излучения^ различных водосодержащих систем;
Практическая: и теоретическая значимость
Удалось^ установить,. что неоднозначные по-составу биологические системы; сыворотки крови; больных характеризуются различными; целостными состояниями, которые могут быть;. количественно: оценены; критериями) Махаланобиса; и; Бартлетта и идентифицированы. с помощью * диаграмм-Вороного. Разработанные таким:образом;параметры состояния
10 позволяют оценить важность разнонаправленных изменений; ряда биологических показателей; происходящих в анализируемом і водном объекте, для всей системы в целом. Значение полученных результатов для практики заключается, в:том, что разработанная^ аппаратно-программная^ система; в комплексе: с другими'. методами; дает~возможность оперативно* осуществлять: диагностику заболеваний; оценивать суммарный* эффект влияния; экологических: факторов- на процессы^ жизнедеятельности,-проводить скрининг биологически активных веществ.
Положения, выносимые на защиту:
Разработанный; метод определения? состояния; водо содержащих, систем основан, на;использовании параметров обнаруженного явления-колебания показателей ИК-излучения, проходящего через тонкие слои жидкости в девяти широких диапазонах средней области спектра;
Способ оценки состояния! биологических систем: и водных модельных растворов с помощью^ величин, дисперсии: показателей пропускания; ИК-излучения = исследуемых: диапазонов; данных, кластерного-и; многомерного анализа, диаграмм рассеяния; и Вороного, объемных компьютерных образов и их профилей:.
3). Существование различных; состояний) сыворотки; крови при остеопорозе, диабете, алкоголизме, ишемическош и гипертонической-болезнях, эпилепсии; шизофрении; вирусных гепатитах. А, В; С, рассеянном склерозе, ушибе головного мозга, раке желудка и; молочной железы, опухоли и ушибе головного мозга:
4~. Наличие взаимосвязи; между параметрами состояния: водных
модельных; систем и і характером* химической- природы; и
функциональной:активности5ряда;компонентов?биологических систем
(фосфатидилхолинов, сфингомиелинов,. фосфатидил инозитов,
тироксина, тирозина, глюкозы, этанола; аскорбиновой; кислоты, ионов водорода, калия, натрия, кальция, магния; пероксида водорода).
11 5. Данные, свидетельствующие об особенности параметров состояний последовательно, многократно разведенных образцов сыворотки крови Сольных остеопорозом, алкоголизмом, контрольное группы, а также модельных растворов веществ; различной биохимической активности, характеризующихся изменяющимся объемом водного компонента
Апробация материалов диссертации?
Основные^ результаты и положения; диссертации доложены: ж
обсуждены на XII съезде психиатров России (Москва; 1995),- IV
Международной конференции: челюстно-лицевой"; хирургии и
стоматологии;: (С.-Петербург,. 1999),ч Научно-практической^ конференции;
«Эколого-медицинские аспекты г состояния. и= среды обитания? населения;:
Тверской области: и: города Твери» (Тверь, 1999), Межрегиональною
научно-практической конференции «Качество питьевой; воды,,
водоотделение и- здоровье: населения»- (Рязань,. 2000),. Всероссийской
конференции «Обеспечение качества. и= безопасности алкогольной;
продукции» (Москва;. 2000); IV Международном салоне: промышленной'
собственности^ «Архимед-2001» (Москва,. 2001), XIIIі) Международном:
симпозиуме «Международный= год воды» (Австрия, 2003),. НЕ
Международном: конгрессе «Слабые и< сверхслабые поля.' и: излучения в^ биологии: и: медицине» (С.Петербург, 2003),, Российском конгрессе: по: остеопорозу (Москва,. 2003), Международной- научной? конференциш. "Социально-медицинские: аспекты, состояния; здоровья? и:: средьь обитания1 населения;, проживающего в і йод-дефицитных регионах; России: и- стран; СНЇЇ" (Тверь, 2003),.V и VI Международном конгрессе «Экватек» (Москва,1 2002;2004).
Публикации. По -теме диссертации опубликовано 47 печатных, работы: 27 статей, из; них 10 в-і центральной; печати; 15 тезисов докладов на международных конгрессах: и^ конференциях; получены: Авторское:
12 свидетельство №1802341, Патенты Р.Ф. №2148257, № 2164685, №2137126, №2164350.
і; обзор литературы
Особенности организации молекул воды в модельных и биологических системах
Вопрос о! роли воды; в биологических, системах в г последнее; время; является крайне: актуальным. Это; обусловлено; уникальным? значением воды для биосистем; в которых она составляет большую часть, а также ее; аномальными свойствами, каждое- из которых имеет, конкретную биологическую направленность [9; 10, 57, 58-164].
У становлено, что в; молекуле НгО три ядра образуют равнобедренный треугольник: с двумя; протонами; в; основании; и; углом: НОН;, близким, к тетраэдрическому - Ю4 3 1/ [69,.95 131]. Из десяти электронов молекулы: воды два находятся вблизи ядра: кислорода, остальные же восемь движутся; попарно по четырем вытянутым- эллиптическим: орбитам; При; этом оси двух орбит направлены вдоль связей;0-Нв то времяжакоси двух других: лежат в; плоскости, перпендикулярной: НОН, причем угол между ними; также близок к тетраэдрическому [95;_ 152] J. Таким, образом;, оси і четырех: эллиптических орбит направлены к вершинам тетраэдра;
Обнаружено;, что электроны,, движущиеся; по орбитам = в; плоскости; перпендикулярной к плоскости НОН; играют очень существенную роль во взаимодействии ; молекул воды [57, 65, 118; 122]; Эти электроны; обуславливают более: высокую электронную плотность в І периферической; части молекулы воды,, в отличие-от той;, в которой расположены; атомы: водорода (рис. 1)..
Согласно; Bjerruirr [166];. электрические заряды молекулы; сосредоточены в вершинах тетраэдра; (два; отрицательных и два; положительных) на; расстоянии; 0,99А от ядра кислорода. Прш этом; структура воды, в значительной степени; определяется высокой полярностью ее молекул, которые способны взаимодействовать друг с другом, образуя водородные связи. Эти связи определяют физические и химические свойства воды, ее структуру, характер: и величину межмолекулярных взаимодействий.
В данном случае резонанс между структурами I и II определяется частичной полярностью О-Н в молекуле «Ь». В отличие от этого структура III определяет ковалентный характер взаимодействия между молекулами «а» и «Ь», что приводит к разделению зарядов. Тем самым молекула "а", делается более "кислой",, молекула же "Ь" - более "щелочной". В результате облегчается? их взаимодействие с "с" и;"с1". Более того, если имеется связь, между молекулами "с-а" и "b-d", то комплекс "а-Ь" становится более прочным; Образование же- цепочки «c-a»-«b-d» будет, способствовать возникновению Н-связей:в тетраэдрическом направлении. Таким образом; формируется структура жидкойводы..
В; разное: время: предлагалось несколько» моделей; структур воды:: кластерные (предполагают, существование в; воде; двух микрофаз;. по-крайней мере,., в; одной из: них молекулы, воды- связаны водородными связями), клатратные (непрерывный каркас молекул воды, соединенных Н-связями, содержащий і пустоты, в г которых располагаются І дополнительные молекулы,воды);.континуальные (непрерывный каркас из молекул, соединенных.Н-связями) [32, 104, 105;. 131, 139, 188,. 189;. 196,-217,284,292]:
Единственной хорошо изученной: модификацией воды является лед (лед-1).. Во льду каждая: молекулам воды связана; с четырьмя соседними; образуя максимально І возможное-число Н-связей.. Сплошная; сетка; связи-объединяет все молекулы; в: единую І систему с: ажурной- структурой;. Протоны в этой сетке располагаются ближе к тому кисл ороду,. с которым І имеет: ковапентной= связью; Однако, так как строение молекул воды. симметрично, фактически у протона имеется:не.одно, а два равноправных положения и переходы протона из одного положения; В; другое могут рассматриваться как переориентация молекул с образованием электронных, пар? [183; 210]; Перемещение: протонов между двумя возможными= состояниями происходят по; «туннелю» водородной; связи,- который; облегчает переход, по меньшей мере, в 70 раз. Установлено, что мигрирует не один; и- тот же индивидуальный і протон; = а лишь І форма его свободного І состояния; то есть протоны присоединяются к ближайшей молекуле воды В J цепи; упорядоченной: последовательности; затем: от этой молекулы. отщепляется другой протони присоединяется к последующей и так далее; В; результате осуществляющегося транспорта протона сквозь туннели Н связей снижаются энергетические: барьеры [217, 218, 292, 293]. Таким образом; структура упорядоченных; молекул вода-лед обладает способностью дальнодействия [122J 134]. Любое, нарушение в. распределению протона; в начале цепи должно привести к переориентации: цепочки, и еслшэто нарушение: заключается в; присоединении к: началу цепиг свободного протона,- то в результате переориентации свободный протон выделяется; на некотором І расстоянии от. места; присоединения; что сопровождается; волной разупорядочиваншг структуры. Наоборот,, если происходит фиксация-протонов в каком-либо положении (например, возле какой-либо; поверхности), то такое: упорядоченное- состояние распространяется;: на; некоторое- расстояние- и; приводит к фиксации; протонов в определен ном слое воды [122].
Обнаружено .что основное отличие структуры жидкой водътот. льда заключается в разрыве части связей- под действием усиленных тепловых колебаний; атомов-решетки и как результат этого в более раз мытом их расположении, образовании? дефектов, увеличении- среднего координационного числа; возникновении областей: с плотной упаковкой [2 4,.. 3 9] ; При: этом; в воде при;. комнатной температур е б олее половины Н-связейі разорвано,; однако равномерное распределение: ихіпо молекулам)не происходит из-за: кооперативного: характера;их образования; Оставшиеся связи; образуют в микрообластях ассоциаты с максимальным числом; связей: на .молекулу, а следовательно; со структурой, близкой\ к: структуре: льда; обеспечивающей; максимальное количество связей: [57, 152]. Такие: ассоциаты; неустойчивы их локальные: флуктуации; энергии7 приводят, к распаду и возникновению новых упорядоченных ассоциатов - кластеров, время жизни; которых составляет 10 : сек, то- есть: порядка 1000? молекулярных колебаний [ 161; 280];
Разработка способа ИК-спектрометрии для исследования: тонких слоев биологических систем и модельных растворов
Разработанный аппаратно-программный комплекс:. для; исследования; биологических систем,. модельных растворов, воды дает возможность по характеру колебанийшоказателей:пропусканиямИК-излучения, многократно регистрируемыхгв короткие временные:интервалы, в тонких слоях жидкости: на молекулярном уровне, оценивать состояние и состав исследуемых систем.. Для количественной характеристики феномена- флуктуации инфракрасного спектра- в тонких слоях жидкости используются- значения дисперсии; и: целостные показатели (критерии Махаланобиса и Бартлетта) состояния исследуемой системы.
Комплекс отличается от стандартного спектрофотометра; используемого в инфракрасной спектроскопии, способностью в течение 1сек в девяти широких диапазонах: средней: области- ИК-спектра= измерять коэффициенты; пропускания тонких; слоев (менее 20мк) і воды. Особенность применяемой г аппаратной части: системы заключается в том; что? весь спектр инфракрасного излучения: действует непосредственно - на кювету с; исследуемой і жидкостью. Затем; после прохождения? луча через: раствор- w расположенные за: ним; последовательно- меняющимися; интерференционными фильтрами; осуществлялась многократная регистрация степени- поглощения? в; конкретных: областях: спектра [112,. 114];. Высокие технические характеристики комплекса: получены. за, счет использованиям эффективных алгоритмов:обработки сигнальной информации иLтехнических: решений. С помощью применяемого;в :приборе инфракрасного, излучения,, удается дестабилизировать исследуемые водные системы и одновременно количественно охарактеризовать внутримолекулярные и .межмолекулярные взаимодействия в прнсутствии различных количеств исследуемых веществ. В. результате удалось обнаружить иу измерить быстрые обратимые изменения, показателей пропускания инфракрасно го спектра водных растворов, связанных с трансформацией, структур воды. Следовательно; аппаратно-программный? комплекс позволяет, регистрировать изменения физико-химических свойств; растворов,, водьь и- биологических;; жидкостей: под; влиянием эндогенных факторов, а. также под воздействием внешних факторов (температуры, электромагнитных; полей;. акустических факторов, ультразвука и тлі.). На.имеющемся;экспериментальном материале доказано;. что параметры; динамики показателей? инфракрасного спектра; исследуемых; объектов заключают; в себе; информацию о; процессах, структурных перестроек; и межмолекулярных взаимодействиях, протекающих в; многокомпонентных водных растворах т различных биологических жидкостях. [36]. Использование ряда, параметров; динамики; показателей инфракрасного спектра: крови и слюны позволяет проводить: раннюю-диагностику и прогнозирование различных заболеваний- (рис. 6, 7) [ 111, 1121-[Щ.
Разработанная г технология является универсальной: ш позволяет анализировать состояние систем; в целом, так- как:регистрирует суммарный эффект влияния разнообразных компонентов исследуемых- объектов на; состояние их водной основы.
Интенсивное развитие производства, в особенности фармацевтической и химической промышленности, приводит к появлению в окружающей среде большого количествам новых веществ, которые попадают в= водную; часты биосферы: и загрязняют ее. Во- многих: случаях биологическая активность таких веществ: проявляется В; ничтожно малых количествах; и; поэтому разработка принципиально новых эффективных способов? очистки воды приобретает особое значение.
Решение этой; проблемы- требует наличие универсальных высокочувствительных методов оценки качества воды и степени? ЄЄ: загрязненности; Следует отметить, что важно определять не" только содержание отдельных компонентов, но и регистрировать суммарный эффект воздействия: их на воду и-биологические: объекты.Отмечено,что-часто при І наличии- многочисленных, примесеш в воде суммарный биологический-эффект их не является; адекватным имеющейся- предельно допустимой концентрации отдельных компонентов [35, 39,. 192].
В; настоящее время для; определения г состава, и физико-химических, свойств воды различной; степени очистки в меди цине,\ экологи и; фармации и-различных отраслях промышленности: и науки используются; многочисленные методы; качественного и количественного анализа; Результаты этих методов; во многих" случаях трудно сравнимы, требуют разнообразного дорогостоящего оборудования и реактивов; при; высоких эксплуатационных затратах. Самое главное,, что имеющейся сейчас в распоряжении; комплекс; физико-химических методов; используемых при анализе воды,, длителен? во- времени т не; позволяет своевременно осуществлять меры по ее очистки. Поэтому в? качестве универсального метода? анализа присутствующих; в? воде смесей- веществ возможно использовать инфракрасную спектроскопию, основанную; на;неодинаковою степени; колебания показателей пропускания ИК-излучения; водным компонентом; исследуемых; растворов в- присутствии- всего комплекса исследуемых веществ; (рис. 8) [33;. 142]. В; отличие: от широко используемых методов инфракрасной? спектроскопии,; которые предполагают предварительное исключение из исследуемого объекта водной: составляющей, нами; исследовались естественные объекты, содержащие воду..
При этом количественная оценка производилась в широких диапазонах ИК-спектра, что позволяет контролировать, характер колебания показателей; пропускания в короткие временные интервалы.
Принципиально новым является? измерение данных, показателей в-процессе перехода исследуемого объекта из одного стационарного состояния; в: другое» такое состояние создавалось путем действия: специальных: дестабилизирующих агентов, например температуры. Установлено; что: показатели динамикиї коэффициентов; пропускания переходного» состояния: достаточно точно отражают состав; исследуемых многокомпонентных систем.
Все выше: перечисленные характеристики используемого і прибора: дают основание говорить о создании; принципиально новой; технологии-исследования свойств вещества и возможности ее использования в медицине,, экологии и:фармации.
Изменение: пропускания ИК- излучения;проходящего через тонкие слои модельных систем содержащих одновалентные ионы
В качестве объекта исследования выбраны являющиеся антагонистами биологически активные: катионы, натрия; и; калия; в; виде хлоридов. Исследовался комплекс водных систем полученных путем?разведения; 1М растворов анализируемых веществ в 10 6раз. Это объясняется тем, что любой; биохимический процесс в водной среде сопровождается трансформацией ее структур (кластеров;, клатратов; континентуальных цепей) ВІ ответ на изменение концентрации І исследуемых метаболитов; [ 108; 13 3; 135]!
В процессе исследований с помощью спектрометра; регистрировали значения дисперсий- для5 эталона (бйдистиллиро ванной; воды), затем для-г исследуемого раствора и проводился; линейный - дискриминантный анализ. Отмечено; что в, каждом, интервале длиш волн наблюдалось, нормальное распределение: величині флуктуации: Это дало; возможность по= девяти значениям дисперсий; определённых на различных частотах спектра; по сравнению с эталоном; количественно; охарактеризовать: состояние водной основы в присутствии: различных: количеств исследуемых веществ с помощью- критериев Махаланобйса и Бартлетта,. а. также диаграмм: рассеивания? [51, 55;.. 136]. Прш этом, полученная? на диаграмме область, характеризовалась по осям; целостных показателей относительными, величинами? максимальных диапазонов,, которые: показывали по какой координате преимущественно реализуется: эффект влияния- исследуемых веществ;: на водную: основу растворов: По: выбранным параметрам проводили сравнительный анализ: эффективности влияния изучаемых веществj на: состояние воднойосновы растворов:
Как: свидетельствуют результаты? регрессионного анализа;, между величиной расстояния Махаланобйса, и концентрацией; ионов, натрия существуют прямая: зависимость (рис.. 39а). В! то время; как концентрация, ионовкалия практически не влияет на значение данного показателя; которое при; концентрациях полученных разведением- 1М-:раствора хлорида калия- в г 16 раз; колеблется в щре делах, ЗОу. е. и существенно; не отличается от эталона.. Полученные: результаты свидетельствуют о том, что катионы натрия: оказывают сильное воздействие на состояние водной основы растворов,.что хорошо согласуется: с особой- биологической: ролью данного катиона; который находится; в; органеллах клетки в сравнительно небольших количествах ш требует для І транспорта: через биологические мембраны переносчика и энергию АТФ.. Отмечено; что различные концентрации катионов; калия? незначительно влияют, на величину расстояния Махаланобиса fpnc: 39а); что также соответствует данными литературы, согласно которым; катион калия; обладает слабо? выраженными; гидратационными свойствами [57, .123; 207].
Регрессионные: линии критерия: Бартлетта, характеризующего динамические; свойства!: водных систем, свидетельствуют о том, что) данный показатель в большей: части шкалы; куполообразно зависит от концентрации иона натрия; (рис. 396): При этом: максимальные: значения; регистрируются г при разведении: 10"8-10"10М; Установлено; что для? калия нет зависимости величины критерия Бартлетта от степени разведения. Этот факт-находится в; соответствии:с высокой проникающей способностью ионов;калия;в водных. системах[135,.180; 265].
Обнаружено,, что в координатах целостных показателей; площади,. содержащие: совокупности; точек,, которые характеризуют состояния воды;, вызванное различными; концентрациями исследуемых:веществ, а также-их: диапазоны резко- отличаются- друг от-друга (рис; 40),. что соответствует биологическому антагонизму исследуемых катионов [135, 248; 278]!;
Площадь, характеризующая; катионы натрия?составляет 11450 у.е:, что почти в четыре раза больше площади совокупности точек, которую занимают в: плоскости: целостных показателей! значения: концентраций: ионов; калия (3216 у.е:): Этот факт может свидетельствовать о том,.что состояние водной основы; растворов в условиях эксперимента: сильно: зависит, от присутствия: катионов: натрия; Полученные: результаты находятся: в; соответствии; с:тем; что клетки: тканей- организма?не пропускают в больших количествах через; биологические мембраны, катионов натрия, что,. по-видимому,.
Это, по-видимому, во многом; определяет специфику биологического действия данного катиона и хорошо согласуется с линиями регрессионного анализа, показывающих, что концентрация катионов калия не влияет на величину расстояния Махал анобиса и критерия Бартлетта в водных системах.
Анализ диапазонов максимальных колебаний по осям целостных показателей даёт возможность утверждать, что в координате Махаланобиса, характеризующей статику состояния системы, в большей степени изменяется: диапазон под влиянием катионов натрия (193 у.е.), в то время; как по оси Бартлетта, оценивающей динамику системы, показатель.составил 136 у.е. В отношении калия показатели соответственно составляют 65 и 96 у.е.
Таким образом, в; данной серии; опытов установлено,, что в; девяти широких, диапазонах" средней ! области инфракрасного спектра:; происходят; неодинаковые колебания- показателей; пропускания,, характеризующие разнообразные межмолекулярные: взаимодействияt ассоциатов; воды, в присутствии хлоридов натрия и калия при разведении их 1М!растворов в; 10 б раз:.При этом- целостные показатели состояния водной основы.их растворов= отражают особенности; антагонистических: свойств этих необходимых компонентов биологических, систем І что подтверждает значение структурной; организации І эндогенной воды; в обеспечении протекания; фундаментальных биохимических процессов.
Изменения целостных показателей состояния воды в присутствии сверхмалых количеств аскорбиновой кислоты
С помощью разработанного аппаратно-программного комплекса «ИКАР», сертифицированного как новый;тип; измерителя, обнаружено явление, колебания показателей пропускания; ИК-излучения; проходящего через тонкие: слоит биологических: систем; и: ВОДНЫХ модельных растворов? в девяти; широких диапазонах средней? областш спектра в см"1:3500-3200; 3085-2832, 2120-1880; 1710- 1610;Л 600-1535;. 1543-1425; 1430 - 1210, 1127 - 1057,. 1067-930; Создана методика; количественной: характеристики; этого; явления; с: использованием дисперсии! показателей пропускания;, целостных критериев многомерного анализа) (расстояния Махаланобисаш критерия; Бартлетта), диаграмм рассеяния и; В ороного компьютерных образов; В биологических системах различного биохимического состава (цельная кровь и сыворотка крови,, слюна) с помощью модифицированного способа- ИК-спектрометрии: определены, наиболее оптимальные параметры различных целостных состояний; которые: характеризуют су м марный эффект взаи модействия І гидратированных веществ; и водной составляющей;, компонентов- образующих единую; динамическую; систему,.
С помощью г ИК-спектрометрии на; основании значений; дисперсию показателей пропускания;, целостных критериев? Махаланобиса и Бартлетта;. кластерного анализа;, диаграмм" рассеяния; и Вороного компьютерных объемных; образов! удалось выделить различные: состояниям сыворотки; крови: больных: с различной патологией-(гипертоническая; и ишемическая болезни; ушиб; мозга, рассеянный; склероз, опухоль головного мозга; гепатиты; А, В; С,, рак желудка; и; молочной железы, диабет, шизофрения, эпилепсия, алкоголизм; остеопороз).. Обнаружено, что каждый! тип состояния соответствует группе: заболеваний;, имеющих: сходную клинику и этиологию.
Применение диаграмм: Вороного позволило аналитически доказать существование разницы, состояний і сыворотки крови s у больных С: различной патологией; в тех случаях, когда; один из; целостных: критериев,.характеризующий заболевание, достоверно не отличается от контроля.
Сравнительный анализ критериев; Махаланобиса т Бартлетта, характеризующий J состояние водного компонентам сыворотки, кровш со-стандартными; биохимическими; показателями? белков;, липидов;. углеводов; минеральных веществ исследуемых групп больных, позволил установить,.что низкие:значенияsцелостных:критериев сопровождаются высокими содержанием фосфолипидов- и холестерина у больных; гипертонической; и: ишемическош болезнями;, в=: то; время как: максимальный; показатель Махаланобиса обнаружен прш гипохолестеринемии; у больных: алкоголизмом; Установлено также, что повышение активности;аланинаминотрансферазы;у больных гепатитами А, В- С сопровождается значительными критериями? Бартлетта: Одновременно обнаружена достоверная: разница в? целостных показателях по г сравнению\ с: контролем г при? остеопорозе; неврологических; психических и онкологических: заболеваниях; которая не сопровождается какими-либо изменениями приведенных стандартных биохимических показателей.
Анализ; последовательно- разведенных; образцов сыворотки; крови-больных алкоголизмом и; остеопорозом; по сравнению; с контрольной! группой; показывает,- что; существуют выраженные особенности: изменения; показателей Махаланобиса s и; Бартлетта. При этом5 максимальные: и- минимальные: критерии: обнаруживаются; при? различных разведениях. Построение диаграмм; рассеяния разведенных образцов, сыворотки крови; больных с легкой и средней формой І остеопороза демонстрирует существенную І разницу в их состоянии; что-подтверждает факт непосредственного участия воды в формировании различных целостных состояний;
Показано, что присутствие в водных, системах; различных количеств биологически значимых веществ? неорганической; и- органической природьь (пероксида: водорода;, катионов; водорода; калия; натрия, кальция,, магния, этанола;, аскорбиновой; кислоты, глюкозы, тирозина;, тироксина;, липосом фосфолипидов); создает различные целостные состояния,, которые: характеризуются специфической; дисперсией; показателей: пропускания, на. различных частотах, а также г критериями; Бартлетта, Махаланобиса и диаграммами; рассеяния;. Анализ состояний: водных.модельных систем? содержащих веществам с: различной? химической? структурой: и биологической активностью? свидетельствует о= том, что наиболее: высокими: значениямиL критерия Махаланобиса, составляющими 985±11у.е;г характеризуются; системы,, содержащие1 липосомы: из фосфолипидов.. Одновременно установлено; что в растворах гидрофильных:веществ, эти значения существенно ниже и: максимальные величины; этого; критерия; выявлены в присутствииJ гормона тироксина, - 405±3 8у.е:. В;тонких слоях модельных систем дифильных веществ, представленных: липосомами фосфатидилхолинов,. сфингомиелинов фосфатидилинозитов и их смесями, обнаружены различные значения: критерия; Махаланобиса; величины, которых, определяются г как концентрацией фосфолипида, так: и- его химической; природой; Установлена математическая = зависимости? между количеством, каждой: отдельной! фракции; фосфолипида : и: значением % целостного показателя? состояния водной системы.
