Довгуша В.В., Довгуша Л.В. Новый подход к обоснованию динамики биогенного оксида азота в организме.

Довгуша В.В., Довгуша Л.В.

 

 

 

 

 

 

 

НОВЫЙ    ПОДХОД    К    ОБОСНОВАНИЮ    ДИНАМИКИ    БИОГЕННОГО  ОКСИДА    АЗОТА В ОРГАНИЗМЕ

 

 


 

 

 

 

Санкт-Петербург

 2017

 

 

 

УДК 557.3 + 613.6

ББК 28.071 + 51.244

 

 

 

 

Аннотация

   Не отрицая научные достижения в раскрытии механизмов образования и действия оксидов азота на биологические системы, в монографии на основании интерпретации данных литературных исследований, собственных наблюдений представлен новый механизм их образования и увеличения в живом организме (при стрессе, ГБО, гипероксии и др.). Показаны физические характеристики элементов и водных структур биологических жидкостей, способствующие процессам увеличения оксидов азота. Монография предназначена для медицинских специалистов широкого профиля, биологов, молодых учёных, интересующихся вопросами динамических свойств неполярных газов, влияющих на живые системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IBSN

 

 

 

 

Список условных сокращений

АГ – артериальная гипертензия

АД – артериальное давление

АКМ – активные кислородные молекулы

АФК – активная форма кислорода                       

АТА – абсолютная атмосфера                                                 

ГАМК – гамма - аминомаслянная кислота                                                                     

ГБО – гипербарическая оксигенация

ГЭБ – гематоэнцефалический барьер                                                                

ДГС – дыхательная газовая смесь                                                                                

ДМ – дипольный момент                                                                                                  

ИГ – индифферентные газы  

ИБС – ишемическая болезнь сердца                                                                      

ИДМ – индуцированный дипольный момент

ИК – инфракрасное излучение

ПМ – плазматическая мембрана

ПОЛ – перекисное окисление липидов

РФК – реактивные формы кислорода

СРК – свободные радикалы кислорода

ЦНС – центральная нервная система

УФ – ультрафиолетовое излучение

ЭО – электрическая отрицательность

ЭФР - эндотелиальный фактор релаксации

Hb – гемоглобин

Mb – миоглобин

NANC-нейроны – неадренергические-нехолинергические нейроны

NMDA – N-метил-D-аспартат

nNOS (NOS-1) – нейрональная NO-синтаза

рО2  - парциальное давление кислорода

рN2 – парциальное давление азота

NO – оксид азота

NО• оксид азотного радикала

NO2 – радикал диоксида азота

N2O3диазоттриоксид

NO+ – катионы нитрозония

NO- анион нитроксила

NOSNO-синтаза

О2 – молекулярный кислород

О2- – супероксиданион

О3 – озон

ОН- гидроксил-радикал

ОNOO- пероксинитрит

RNOS – реактивные формы оксида азота

ROS – реактивные формы кислорода

 

                                               Вступление. Вместо предисловия

       В классическом понимании, оксиды азота – термодинамические неустойчивые вещества, состоящие из азота и кислорода. Биохимия оксидов азота в живом организме воистину неисчерпаема. Откуда же он берётся в таких количествах, да ещё и выводится из организма?

       Открытие синтеза NO в клетках  млекопитающих и его роли в организме стало одним из наиболее неожиданных и парадоксальных открытий естествознания, и было отмечено в 1998 г. Нобелевской премией. Один из парадоксов состоит в том, что in vivo оксиды азота ранее многократно наблюдали, но не замечали, не верили и не понимали, что они означают и откуда берутся             

       Теперь трудно понять, как в течение десятилетий можно было «не видеть» явное. Ведь это вещество играет ключевую роль в регуляции кровообращения, отвечает за формирование памяти, участвует в передаче внутри- и межклеточной информации, дифференцировке тканей и в иммунных реакциях, веществ, непосредственно связанных с наиболее опасными болезнями, включая инфаркты и инсульты, рак и диабет, инфекционные заболевания, септический шок и многое другое.

      Оксид азота (II) NO (или окись азота) был открыт в 1774 году английским исследователем Джозефом Пристли, однако  привлёк всеобщее внимание лишь в XX веке.

            Биосинтез NO был открыт в 1987 г. Путь к этому открытию был долог и тернист. Первой была работа П. Митчела с соавторами  в 1916 году, где они показали, что человек выделяет нитрата больше, чем потребляет с пищей (Недоспасов А.А. с соавт., 2005). Иными словами, какие-то соединения азота окисляются в организме в нитрат. Затем  этот факт был забыт, более чем на 60 лет.

            Благодаря циклам, возвращающим продукты окисления обратно в NO, было замечено, что его синтез in vivo продолжается даже после полной блокады NO – синтаз (NOC). Интересно, что ингибиторы этих ферментов используются в биологии и медицине для защиты от перепроизводства NO.

            Среднее время жизни молекулы NO в организме человека – менее пяти секунд, а для тионитритов, в зависимости от радикала R, составляет десятки минут и даже часы. Считается, что по этой причине основная масса оксидов азота в организме приходится не на NO, а на продукты его окисления, которые образуют депо оксидов азота. Это и так, и не так.

            У человека и многих млекопитающих восстановление нитрата в нитриты в обычных условиях малоэффективны – основная часть образовавшегося нитрата выводится с мочой. Баланс между реакциями окисления NO регулируют количество обращающихся в цикле оксидов азота,  и все зависящие от них физиологические процессы.

            Изучение механизмов образования, сохранения, изменения баланса и активности NO – фундаментальная проблема биохимии живого, имеющая важнейшее практическое приложение.

            В организме наиболее многочисленны реакции оксидов азота, обеспечивающие их участие в регуляции активности белков, а через них и генов. Быстро обнаружилось, что в молекулу белка вводится сразу несколько NO – групп, а избирательность этой модификации никакими разумными схемами объяснить не удалось (Недоспасов А.А. с соавт., 2005).

            Детальное исследование показало, что при физиологических концентрациях NO практически не реагирует с тиолами (RSH), при высоких -  образует N2O,  но не RSNO (DeMaster E.G. с соавт., 1995).

            Таким образом, до настоящего времени ни механизмов нитрозирования, ни механизмов избирательности, ни источников энергии для её поддержания, ни даже самого нитрозирующего азота in vivo не найдено.

            В 1993 – 1994 гг. в ведущих биохимических журналах появилась серия статей, показывающих, что в модельных экспериментах с физиологическими концентрациями NO и кислорода в воде образуют нитрит и лишь следы нитрата. Факт казался парадоксальным. Тем не менее NO2 с нечетным числом электронов (23 е-) не может прореагировать с молекулой воды   (чётное число – 10 е-). Растворимость NO и О2 в воде ниже, чем в большинстве менее полярных растворителей, в том числе и липидов.

            Реакции окисления NO  – довольно редкий пример реакции третьего порядка (скорость таких реакций зависит от куба концентрации реагентов). В этом случае мицеллярный катализ особенно эффективен: хотя в водных  фазах концентрации реагентов и скорость окисления падают, гидрофобные фазы с лихвой компенсируют эти потери, и в целом скорость реакции возрастает. Наибольшее ускорение (в десятки и сотни раз!) достигается при относительно малых долях гидрофобной фазы; дальнейшее увеличение доли липида замедляет процесс (Gordin V.A. с соавт., 1998). Соответственно, в гетерогенной среде скорость окисления NO может более чем на два порядка превышать скорость реакции в воде при том же  суммарном содержании NO и О2.

            Экспериментальная проверка показала, что в гетерогенных модельных системах, включая липосомы, окисление NO было пропорционально доле добавленной гидрофобной фазы (Liu X. с соавт., 1998). Однако быстро выяснилось, что не всё так хорошо и просто: в одной и той же модели эксперимента - воды различались.

            Новый парадокс разрешился год спустя: максимум на кривой «нашёлся» при большей доли гидрофобной фазы (Beda N.V. с соавт., 1999). Результаты опытов нельзя было описать в двухфазных моделях (водная и гидрофобная). Был сделан вывод, что все реальные системы in vivo применительно к метаболизму NO должны рассматриваться как многофазные и нужно учитывать опыт коллоидной химии и химической кинетики в гетерогенных средах.

            Резкая зависимость скорости окисления NO от доли гидрофобной фазы означала, что связанные с NO обменные процессы могут эффективно регулироваться содержанием воды в тканях: при обезвоживании автоматически увеличивается доля липидов (относительно – авт.), а скорость окисления NO сначала растёт, затем падает. Например, в жару или в бане из-за обильного потоотделения и обезвоживания скорость окисления NO, а значит и общее количество оксидов азота в цикле первоначально растут. Дальнейшее обезвоживание ведёт к уменьшению скорости окисления NO и общего пула оксидов азота в цикле.

      Далее оказалось, что учётмицелярного катализа не только не конец, а скорее начало – многие проблемы остались по-прежнему.

      Считается, что NO и NO2 сами с водой не реагируют (они внедряются). В гетерогенной среде NO окисляется, в основном, в гидрофобной фазе, а именно в ней образуется NO2. Ни специальных ферментов, ни дополнительной энергии (в том числе АТФ) для нитразирования не требуется.

      Все оксиды азота, за исключением N2О, ядовиты. Однако это не мешает их отдельным молекулам играть большую биологическую роль в регуляции функционального состояния организма.

      Современные представления о регуляции клеточных процессов позволяют особо выделить некоторые химические соединения, обладающие полифункциональным физиологическим действием. К числу таких соединений с полным основанием можно отнести оксид азота, ряд двух и трёх атомных индифферентных и не полярных газов (СО, СО2, N2O и другие). Данный свободный радикал (NО) способен оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на различные метаболические процессы, протекающие в организме млекопитающих и человека. В клетках имеются особые ферментные системы, способные его синтезировать.

      Таким образом,  рассмотренные примеры демонстрируют роль двухатомной молекулы и ее реакций в самых различных областях биологического организма, до тончайших механизмов биорегуляции. В частности, обращено внимание на возможную роль в биорегуляции таких метаболитов с родственным строением, как NО и HCN, и уже имеются данные, что эти вещества, которые в ничтожных количествах присутствуют в организме, выполняют важную физиологическую роль.

       Складывается новое направление в теоретической медицине, именуемое NO-физиологией, которое занимается исследованием роли этого вещества в тех или иных жизненных процессах, изучением их тонких механизмов и клинических проявлений, конструированием новых лекарственных препаратов.

      Область интересов неравновесной молекулярной физики не ограничивается изучением оптических и гидродинамических свойств неравновесных газов. Наличие избыточного запаса внутренней энергии изменяет практически все свойства любой среды, что сказывается на  большом числе микро- и макропроцессов в самых разных областях: физической газодинамики, физико-химической кинетики, биологии. В связи с этим,  перед неравновесной молекулярной физикой стоит задача заново проанализировать  процессы в неравновесных средах, протекающие в биологических системах, которые зависят от запаса внутренней энергии и скорости обмена энергией между поступательными и внутренними степенями свободы молекул, и вскрыть проявляющиеся новые эффекты.

В настоящее время стало очевидным, что биологические жидкости – это активная метаболическая система, поддерживающая все физиологические системы организма путем осуществления ряда важнейших функций: регулирование тонуса сосудов; регуляция транспорта растворенных веществ, в том числе и газов,  в клетки; регуляция размера и роста этих клеток; формирование внеклеточного матрикса; защита клеток  от возможного неблагоприятного действия циркулирующих метаболитов, субстанций и органических форм, вплоть до клеток; регуляция хемотоксических, воспалительных и репаративных процессов в ответ на локальное повреждение и др.

         Эти функции водные структуры биологических жидкостей осуществляет путем  образования действующих недлительное время ряда биологически активных соединений, в том числе инертных и индифферентных газов, поляризуя  и создавая ИДМ. Среди них наибольшее значение имеют оксид азота. Именно в этом кроется полифункциональность действия и неполярных газов, ЭМИ различных частот и многие физические факторы лечения, профилактики и реабилитации.

         NОобладает рядом самостоятельных свойств, имеющих важное значение для физиологии и патофизиологии живого организма, жизнеспособности  его в целом. Широкий спектр эффектов, их значимость, объясняет интерес, который был проявлен к молекуле в биологии и медицине последние 15 – 30 лет. 

 

 

Глава 1. История вопроса

1.1. Становлению проблемы оксида азота

Становлению проблемы оксида азота в биологии предшествовали внешне не связанные направления биологических исследований, результаты которых обеспечили бурное развитие этой области.

Заслуга Фёрчготта состоит в том, что он в 1980 г. открыл так называемый  эндотелиальный короткоживущий фактор релаксации сосудов. В 1986 году Игнарро и Фёрчготт первыми предположили, что активным началом ЭФР служит оксид азота. Химико-физиологические исследования, выполненные группой испанского ученого Сальвадора Монкада в 1987 году, полностью подтвердили это предположение. Такой короткий период и значимость его для биологии живого резко подняло интерес к биологической роли оксида азота и стимулировало поток исследований в этой области.

Уже в начале 80-х годов было установлено, что нитриты и нитраты синтезируются в организме животных и человека из эндогенных источников и этот процесс резко усиливается при различных процессах (воспалении, стрессе и др.). В результате окисления восстановленных форм азота в качестве промежуточного продукта может возникать оксид азота.

Затем, в середине 80-х годов Гиббс с сотрудниками в работах на макрофагах впервые продемонстрировал, что NO образуется в результате окисления аминогруппы в гуанидиновом остатке аргинина. Эта идентификация позволила использовать производные аргинина с заместителем по аминогруппе этого остатка в качестве ингибиторов ферментативного синтеза NO.

Стало ясно, что образование NO в биосистемах – ферментативный процесс, который может активироваться и подавляться.

Соответственно, становится понятным, что участие эндогенно продуцируемого NO в работе живого организма носит фундаментальный характер и отражается на работе органов и систем всего организма в целом, и центральной и вегетативной нервной системы в частности.

      Ещё в 1965-1968 гг. А.Ф. Ванин в России, Коммонер и Бреннан в США впервые показали, что в микроорганизмах и тканях животных образуются парамагнитные нитрозильные комплексы негемового и гемового железа, включающие оксид азота. Тем самым уже в 60-е годы было продемонстрировано появление в организме животных NO.

       К началу 90-х годов стало ясно, что перечисленные направления исследований сводятся к одной проблеме – изучению биологической роли NO. Оксид азота имеет отношение почти ко всем метаболическим и физиологическим процессам, и есть  основания полагать, что эти работы помогут решать как фундаментальные биологические задачи, так и чисто практические. Особый интерес представляет способность оксида азота экспрессировать синтез ряда важнейших белков и ферментов, как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции. Чрезвычайно важно понять, в какой форме (связанной или свободной) оксид азота транспортируется в организме и в какой форме (нейтральной или ионизированной) он действует на биологические мишени.

В настоящее время большой интерес вызывают два вновь открытых внутриклеточных посредника (мессенджера) - оксид азота и окись углерода (СО), являющиеся универсальными регуляторами физиологических и метаболических процессов, как в отдельной клетке, так и организме в целом (Furchgott R.F., 1991; Ignarro I., Murad F., 1995). В настоящее время наиболее полно и обстоятельно изучена роль NO (Ванин А.Ф., 2000). В биологической науке возникло новое направление - биология NO.

         С физической точки зрения неравновесный молекулярный газ представляет собой необычное состояние вещества, своеобразие свойств которого определяется возможностью варьировать в определённых пределах запасом и распределением внутренней энергии.  Исследование колебательной кинетики двухатомных молекул индифферентных газов, и её влияние на газодинамику в бинарных смесях  с инертными  газами с различным процентным (парциальным) взаимоотношением компонент, представляет значительный интерес для водолазной медицины, да и для биологии живого вообще.

 

 

1.2.  Становление проблемы газогидратов

        Уже довольно давно в тайниках химии начали накапливаться странные факты. 160 лет назад Дэви обнаруживает гидрат хлора, в котором на одну молекулу хлора приходится шесть молекул воды.

      Вёлер 120 лет назад получает странное соединение гидрохинона с сероводородом, а 37 лет спустя Милиус выделяет такое же необычное соединение гидрохинона с муравьиной кислотой. Причем он уже прямо пишет, что имеет дело с принципиально новым типом связи, когда молекулы одного компонента полностью включают в себя молекулы другого.

      Оказалось, что гидраты инертных газов построены по тому же принципу - молекулы газов включены в кристаллическую решетку воды и образуют клеточные соединения включения. С гидрохиноном также получаются соединения клеточного типа. В громадном семействе соединений включения - клатратов - молекулы соединены между собой без химической связи. Соединения существуют только потому, что молекула-«гость» не может покинуть полость в кристаллической решетке молекул-«хозяев».

      Гидрохиноновые гидраты газов - совершенно устойчивые на воздухе кристаллы, в которых газ находится под высоким давлением: в кристаллах клатратов давление аргона может достигать 90 атм и более. Этот поразительный факт открывает интересные возможности для использования клатратов инертных газов.

      Несмотря на весьма продолжительную историю клатратных соединений и созвездие выдающихся ученых, их исследовавших, клатратные соединения долгое время оставались загадкой для химиков и определенная доля экзотичности сохраняется за ними и в настоящее время. Уж слишком непривычно с традиционной химической точки зрения выглядят формулы гидратов Xe ٠2О)6, (N2)16 ٠ (H2O)46. 

     Ореол загадочности был снят английским кристаллохимиком Г. Пауэллом в 1947-1948 годах. Исследуя структуры соединений гидрохинона с летучими компонентами (такими, как SO2 , HCl, HBr, Ar, Xe), он обратил внимание на то, что они  изоструктурны, и состоят из существенно различных подсистем: относительно жесткой каркасной, из связанных водородными связями молекул гидрохинона (они были названы им молекулами-хозяевами), с полостями молекулярного размера, в которых и располагаются, упомянутые выше, молекулы гостей.

       В 1973 году французский химик Жан-Мари Лен, подчеркивая важную роль, которую играют невалентные взаимодействия в формировании подобных соединений, и обсуждая их свойства, ввел термин "супрамолекулярная (надмолекулярная) химия", а в 1987 году ему, американцам Чарлзу Педерсену и Доналду Крэму была вручена Нобелевская премия по химии за достигнутые успехи в этой области знаний. Клатраты (и кластеры – авт.) являются типичными представителями надмолекулярных образований, и можно определить их как соединения, образованные включением молекул одного сорта, называемых гостями, в полости кристаллического каркаса из молекул другого сорта (или в полость одной большой молекулы), называемых хозяевами, без образования какой-либо специфической химической связи между гостем и хозяином

     Первые предпосылки к пониманию сути таких соединений содержались уже в ранних работах: Ж. Пьер (1848), П. Бертло (1856) писали, что молекула SO2 в гидрате сохраняет свои свойства. К такому же выводу пришел А. Клемм (1859), который при растирании в ступе кристаллов SO2 " 3С2Н2(ОН)2 почувствовал характерный запах сернистого газа. Ф. Милиус (1886), подвергая термическому разложению соединение муравьиной кислоты с гидрохиноном, обнаружил, что кристаллы гидрохинона содержат много угарного газа (продукта термического разложения муравьиной кислоты), и высказал правильное предположение, что молекулы СО удерживаются в полостях кристаллической структуры в химически несвязанном состоянии.

       В 1907 году И. Гофманн делает замечательный вывод: влияние мольного объема на осуществление или неосуществление подобной реакции очевидно.

        В середине 30-х годов Б.А. Никитин сформулировал правило аналогии: "Если два вещества обладают сходными ван-дер-ваальсовыми силами и молекулы их сходны по размеру и форме, то они должны давать с третьим веществом аналогичные соединения, обладающие близкой устойчивостью и способные образовывать друг с другом смешанные кристаллы". Это правило имеет такое же значение для супрамолекулярной химии, как традиционной Периодический закон Д.И. Менделеева. Пользуясь этим правилом, Никитин Б.А. не только установил сам факт образования гидрата радона, соосаждая его с гидратами H2S " 6H2O и SO2 " 6H2O, но и оценил его состав и устойчивость.

        Решетчатые клатраты,  это структуры, хозяйский каркас которых построен из молекул, связанных друг с другом относительно слабой специфической связью (чаще других - водородной). Молекула гостя в полостях такого каркаса окружена несколькими молекулами хозяина (например, шестью в гидрохиноновых и 20-34 в водных клатратах). При растворении или плавлении (изменение термодинамического равновесия) клатратное соединение этого типа разлагается. Термическая стойкость клатрата может быть на несколько десятков градусов (но не более) выше температуры плавления компонента-хозяина, и для решетчатых клатратов верхний предел устойчивости порядка 200-250о С. Каркас в макромолекулярных клатратах построен полностью на ковалентных связях, в нем невозможно выделить молекулу хозяина, и он, как бы в целом, представляет макромолекулу, единое образование. Примером могут служить клатрасилы, в каркасах которых формульной единицей является SiO2. Так, минерал меланофлогит имеет структуру, полностью аналогичную структуре гидрата ксенона в которой на месте атомов кислорода воды расположены атомы кремния SiO2 , а вместо водородных  (Н-) связей - связи Si-O-Si.

       Вода может строить несколько близких по энергии каркасов, поэтому могут образовываться гидраты разных структур в зависимости от размеров и формы молекулы гостя и созданных условий. В элементарной ячейке кубической структуры I (КС-I)   содержится 46 молекул воды и 8 полостей: две так называемые малые додекаэдрические D-полости (расположенные в них молекулы ксенона окрашены в голубой цвет) и шесть больших четырнадцатигранных Т-полостей. Отсюда стехиометрия 8: 46 = 1: 5,75, но поскольку небольшая доля D-полостей остается вакантной, то гидратное число увеличивается до шести. Такую же структуру образует вода с аргоном, криптоном.

      Атомы тяжёлых инертных газов ионности не имеют, но способны деформировать свою электронную оболочку. Вода, как растворитель обладает высоким значением относительной диэлектрической проницаемости (ε).  Расшатыванию внешних уровней электронов, например, атома ксенона, способствуют растворители с высоким значением ε. К ним относится вода                    (ε = 80,1), с  высоким суммарным индуцированным дипольным моментом электростатического поля внутри создаваемой полости водного ассоциата.

      Полярные молекулы газов, растворяющиеся в воде, притягивают к себе полярные молекулы воды за счет диполь – дипольного взаимодействия, вызывая расхождение полюсов молекулы вещества. Происходит дополнительная поляризация молекулы, которая совместно с колебательным движением атомов и тепловым движением молекул воды приводит к увеличению  постоянного дипольного момента.

       В качестве гостей могут выступать одновременно и разные молекулы газов (смешанные гидраты).

       В супрамолекулярной химии определяющую роль играют размер и форма молекул, а не их химическая природа. Так, аналогами с точки зрения клатратной химии являются ксенон, сероводород, хлор, метан, сернистый газ, фосфин и т.д. Несмотря на крайне разную химическую природу, общее у них то, что молекулы этих веществ в той или иной мере по размеру и форме соответствуют геометрии полостей гидратного каркаса КС-I и все они образуют гидрат этой структуры.

       Большое влияние на структуру воды оказывают примеси, находящиеся в молекулярной форме (неэлектролиты), а также молекулы газов. Они входят в пустоты каркаса и в зависимости от своих размеров стабилизируют или разрушают структуру. Процесс растворения в воде газов и других неэлектролитов состоит из двух этапов: создания в воде полости подходящего размера и внедрения в эту полость молекул растворяющегося вещества.        При растворении инертных газов вокруг внедрившейся в воду молекулы в зависимости от ее размеров могут образовываться структуры типа льда, структуры с изогнутыми водородными связями или кристаллогидраты (газогидраты). В обычных условиях они в чистом природном виде в воде отсутствуют   или находятся в несколько ином виде. Это обстоятельство является хорошей иллюстрацией того, сколь большим может быть влияние на структуру воды молекул газов, входящих в ее полости. Не исключено, что при обычных температуре и давлении в воде могут находиться разобщенные элементы газогидратов. Созданные мгновенные молекулы NO удерживаются в полостях кристаллической структуры молекул воды биологических жидкостей в химически несвязанном состоянии.  Глава 2. Азот. Краткая физико-химическая характеристика 

        Наибольшее значение для различных экосистем имеют три газа, входящих в состав атмосферы: кислород, углекислый газ и азот. Эти газы участвуют в основных биогеохимических циклах. Важную роль в атмосфере играет водяной пар.  Другие составные части воздуха не участвуют в биохимических циклах, но наличие большого количества загрязнителей в атмосфере может привести к серьезным нарушениям этих циклов. Различные негативные изменения атмосферы Земли связаны главным образом с изменением концентрации второстепенных компонентов атмосферного воздуха. Хотя азот в молекулярной форме (N2) является доминирующим компонентом атмосферы (на него приходится 75% по объему), он может усваиваться в этой форме ограниченным числом организмов, которые способны его «фиксировать». Процесс фиксации превращает атмосферный азот, который растворен в воде, в одну из наиболее биологически доступных его форм.

         Азот не может оказывать свое воздействие путем простого физического присутствия в растворенном виде в нервной ткани. Он может вызвать только гипоксию. Гипоксии, как мы видим при парциальном давлении  азота в воздухе, нет. Нет её, при томже парциальном давлении гелия и азота, в гелиево-кислородные смеси. Значит происходит какой то процесс между N2  и СО2, где активная (индуцированная) молекула углекислого газа катализирует возбуждение молекулы азота. Тем более, что СО2 самостоятельно может вызывать наркоз.

      Инертный газ, с которым водолазы имеют дело наиболее часто,— это именно азот. Когда он вдыхается в составе атмосферного воздуха, его парциальное давление составляет около 0,8 атм. С увеличением глубины погружения увеличивается также и давление азота; на глубине 30 м его парциальное давление достигает 3,2 атм. При таком давлении (многие исследователи полагают, что даже и при меньшем) азот превращается в наркотик. С увеличением парциального давления азота и глубины возрастает и его наркотическое действие. На глубине свыше 60 м очень немногие водолазы сохраняют ту работоспособность (как умственную, так и физическую), которой они обладали на поверхности.

        В химическом отношении cчитается, что действие инертных газов на человека аналогично анестезии с одной лишь разницей: при снижении парциального давления инертного газа симптомы такой анестезии мгновенно исчезают.

       Азот входит в VА – группу периодической системы Д.И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют по пять валентных электронов на s- и p-орбиталях внешнего энергетического уровня. Из них в невозбуждённом состоянии атома неспарены три р-электрона. Азот – атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Радиус атома – 92 пм, ковалентный радиус – 75 пм, энергия ионизации (первый электрон) –14,53 эВ. Электроотрицательность (по Полингу) – 3,04. Структура кристаллической решётки – гексагональная (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1.                                                                                                

Физико-химические свойства азота

 

       Азот в свободном состоянии существует в форме двухатомных молекул N2, электронная конфигурация которых описывается формулой σs2σs*2πx, yz2, что соответствует тройной связи между молекулами азота. Обычно связи такой кратности малоустойчивы, а у азота явная аномалия: его тройная связь образует самую стабильную из всех известных двухатомных молекул. Нужно приложить колоссальные усилия, чтобы разрушить эту связь: для реакции диссоциации N2 ↔ 2N удельная энтальпия образования ∆Н°298 = 945 кДж. Молекула азота неполярна и слабо поляризуется, силы взаимодействия между молекулами очень слабые, поэтому в обычных условиях азот газообразен и представляет собой бесцветный, нетоксичный газ с молекулярной массой 28,016. Плотность равна 1,2505 г/л, плотность по отношению к воздуху 0,9673.
         В двухатомной молекуле связывающие электроны лежат глубже, чем в атоме, а разрыхляющие — наоборот. Поэтому у молекулы, верхний занятый энергетический уровень которой является связывающим, энергия ионизации выше, чем свободного атома. Например, энергия ионизации молекулы N2 (15,8 эВ) больше энергии ионизации атома азота (14,54 эВ).
      Основное (невозбуждённое) электронное состояние 2
s23 реализуется в молекуле азота (:NN:), где тройная связь образована за счёт трёх неспаренных -электронов каждого из атомов азота, (длина связи NN равна 0,1095 нм). В этом случае неподелённая электронная пара каждого атома азота находится на 2s-орбитали. Подвижность этих пар и π-электронов краткой связи мала, поэтому молекулярный азот в основном состоянии химически инертен.      Наличие во внешнем слое атома азота трёх неспаренных электронов обеспечивает образование им трёх связей в соединениях. Однако из-за наличия во внешнем слое неподелённой пары электронов атом азота может образовывать ещё одну связь (четвёртую) по донорно-акцепторному механизму, выступая донором электронной пары. Электродонорная способность атома азота в соединениях завит от типа орбитали, на которой находится эта электронная пара, и является его главной отличительной чертой.
      Спаренные электроны полностью заполненных подуровней могут распариваться в пределах уровня. При этом затрачивается меньшее количество энергии. Тройная ковалентная связь в молекуле N
2 совершенно уникальна; нет других двухатомных гомоатомных молекул, где осуществлялась бы связь подобного типа и такая же прочная. С позиций метода валентных связей строение молекулы N2 может быть представлено, как находящиеся в энергетических ячейках 2р-подуровня шесть неспаренных электроновдвух атомов азота образуют три электронных дуплета, то есть три одинарные ковалентные связи.
      Внешний уровень азота состоит только из двух подуровней - 2s и 2p. Атом азота может отдать с 2s-подуровня один электрон другому, с большей электроотрицательностью, и перейти в четырехвалентный ион N+.      
       Атом азота в невозбужденном состоянии характеризуется тремя вырожденными 2р – электронами, при наличии двух спаренных электронов 2
s-орбитали. Три неспаренных электрона на 2p-орбитали ответственны, прежде всего, за трехковалентность азота. Именно поэтому характеристическим летучим водородным соединением азота является аммиак, в котором атом азота образует три ковалентные связи по обменному механизму с тремя атомами водорода. У азота нет возможности промотирования электронов с переходом в возбужденное состояние, так как ближайшие орбитали  (3s -, Зр - и Sd-оболочки) слишком высоки по энергии. Затраты энергии на промотирование с изменением главного квантового числа значительно больше, чем выигрыш в энергии за счет образования дополнительных связей. Поэтому максимальная валентность азота равна четырем. При этом три ковалентные связи могут быть образованы по обменному механизму, а одна - по донорно-акцепторному. Атом азота не может легко переходить в возбужденное состояние, как его собратья по подгруппе, так как на втором энергетическом уровне  нет d - подуровня.  Однако азот в состоянии однозарядного катиона N может образовать все четыре связи по обменному механизму.
        В земных условиях жидкости и ткани организма человека насыщены азотом, кислородом, диоксидом углерода и в меньшей степени другими газами. При нормальном атмосферном давлении во всех тканях организма человека со средней массой тела (70 кг) содержится около 1000 см3 (1 л) растворенного азота. При повышении окружающего давления воздуха в лёгких возрастает парциальное давление азота, который дополнительно насыщает жидкие среды и жировые ткани организма.

        Величины парциальных давлений азота и кислорода в сжатом воздухе на различных глубинах (при различных величинах повышенного давлении в барокамере) приведены в табл. 2.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                   Таблица 2.2.

Парциальные давления азота и кислорода в сжатом воздухе на различных глубинах (при различных величинах повышенного давления в барокамере)

 

Глубина спуска под воду (м)

Избыточное давление в барокамере (кгс/см2)

Парциальное давление в воздухе (кгс/см2)

азота

кислорода

0

0,0

0,79

0,21

10

1,0

1,58

0,42

20

2,0

2,37

0,63

30

3,0

3,16

0,84

40

4,0

3,95

1,05

50

5,0

4,74

1,26

60

6,0

5,53

1,47

70

7,0

6,32

1,68

80

8,0

7,11

1,89

-

9,0

7,90

2,10

-

10,0

8,69

2,31

 

В высоких слоях атмосферы происходит фотохимическая диссоциация молекул N2.

        Молекула азота  имеет 10 низших электронных состояний и 8 низших колебательных уровней, способных возбуждаться при столкновениях с электронами различной  энергии в невысоких электрических полях.

         Ряд физических и химических исследований (Басс А., Бронд Г., 1962), посвящённых изучению активного азота, привели к более полному и глубокому пониманию явлений с ним связанных. Интенсивное жёлтое послесвечение азота, диссоциированного в электрическом разряде, известно как послесвечение Льюиса – Рэлея. Последний назвал светящийся газ «активным азотом» вследствие его высокой активности.

        В результате анализа ранних работ по исследованию активного азота можно отметить следующее:

- время послесвечения может достигать 5 ч;

- спектр является дискретным и включает в себя только первые      положительные  полосы азота;

- в числе активных частиц могут быть молекулярные ионы и метастабильные атомы;

- активный азот обладает высокой химической активностью;

- при смешивании активного азота с другими газами возникают спектры испускания, характерные для этих газов;

- свечение усиливается при добавлении кислорода и некоторых других примесей в количествах, меньше 1%;

- светящийся газ имеет высокую электропроводность.

          Ответственными за перенос энергии (носители энергии в активном азоте) являются главным образом атомы азота. Имеются данные и в пользу возбуждённого молекулярного азота.

       В электрическом разряде в молекуле азота происходит переход электрона  с орбитали @ (2Р2) на n (2Р2). Такие возбуждённые молекулы быстро возвращаются в основное состояние, испуская жёлтое свечение. Иногда оно длится несколько минут после прекращения разряда. В возбуждённом состоянии азот обладает высокой реакционной способностью.

      Кривая ионизации для ионов азота с m/e = 14 в случае прошедшего через разряд газа имеет два излома, которые указывают на три различных процесса образования ионов с m/e = 14. Один из них должен являться диссоциативной  ионизацией молекулярного азота из основного состояния, так как наблюдается в отсутствие электрического разряда. Потенциалы появления, наблюдаемые для последних двух процессов, равны 14,7±0,2 и 16,1±0,3 эВ. Значение 14,7 совпадает в пределах экспериментальной точности с потенциалом ионизации для основного состояния (4S)   атомарного азота, равного 14,54 эВ. Появление ионов с m/e = 14 при указанном потенциале ионизации, которое не может быть объяснено другими атомными переходами, принимается как доказательство существования атомарного азота в активном газе.

       Представляет интерес наблюдение иона с m/e = 14, имеющего потенциал появления 16,1 эВ, так как этот факт является доказательством существования в азоте не только атомов, но и других активных частиц.

       Образование возбуждённых атомов в твёрдых осадках, сконденсированных при низкой температуре из активного азота, может быть объяснено и явлением, обратным фотосенсибилизированной  диссоциации: электронно-возбуждённая молекула азота, образованная из двух атомов в основном состоянии, испытывает неупругое столкновение с другими атомами азота в основном состоянии и возбуждает его, например, в результате процессов:

N (4S) + N (4S) → N2(A3 ∑u+),

N2(3∑+u) + N(4S)→N2(X 1∑+g) + N(2Д).

       В дальнейшем было показано, что концентрация электронов в светящемся газе составляла лишь ~ 109  в 1 см3 , в то время как концентрация активных частиц была ~ 1015   в 1 см3. Для получения послесвечения требуется энергия возбуждения 9,7 эВ  на одну частицу.

       Физико-химические характеристики азота, способствующие (объясняющие) его аномальные проявления при действии на живые организмы, выражаются в следующем.

       Общепринято, что в генезе наркотического действия индифферентных газов ведущая роль принадлежит хорошей растворимости их в жирах и липидах, содержащихся в большом количестве в тканях головного и спинного мозга. Однако водород, например, имея коэффициент растворимости в жирах больше, чем азот, в наркотическом отношении значительно слабее его. Растворимость водорода в воде на 14%  больше растворимости гелия и почти одинакова с растворимостью азота. Растворимость водорода в жире в 2,6 раза больше растворимости гелия и в 1,5 раза меньше растворимости азота. Коэффициент распределения (отношение коэффициента растворимости в жире к коэффициенту растворимости в воде) равен 3,1,  у гелия -1,17, и у азота – 5,1. Значит, причина, в другом.

         Азот растворяется в воде вдвое хуже кислорода (при 20оС в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота и 31 мл кислорода), что определяет отношение кислорода к азоту в воде 1:2,  а не 1:4, как в воздухе.

После повышения давления и растворения (внедрения) в водных структурах биологических жидкостей, создания кластеров (N2)82О)46 и (N2)162О)46, а также смешанных кластеров, азот находится в биофизической фазе. При понижении давления он из пересыщенных тканей организма переходит в пузырьки кровяного русла. В этой физической фазе азот опять инертен (лишается дипольного момента), реакций не вызывает, однако создаёт условия для возникновения декомпрессионной болезни.

       Характерно, что жировая ткань при повышенном давлении дополнительно насыщается водой, в которой сатурирован азот (Нессирио Б.А., 2002; Мясников А.П., Мясников А.А., 2006).

          Биологическая роль.     Азот – индифферентный газ. Однако, доказана его биологическая роль и биологическая активность (Лазарев Н.В., 1941; Behnke A.R.,1937; Павлов Б.Н., 1998; Довгуша В.В., 2011, 2012), в том числе и при незначительном повышении атмосферного давления (до 0,15 МПа) при дыхании нормоксической кислородно-азотной смесью (Кулешов В.И. с соавт., 2001).

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых  кислот,   нуклеопротеидов,   хлорофилла,   гемоглобина  и  др.   Катализаторы жизненных процессов – ферменты, и все они, равно как и большинство гормонов и витаминов, содержат азот.

      Исследователи описывают азот как физиологически инертный газ. Это не значит, что азот полностью инертен (азот принимает участие во многих химических реакциях). К примеру, если азот растворяется в  тканях организма во время погружения, а затем очень быстро выходит из растворенного (внедрённого) состояния во время всплытия, он может образовывать пузырьки и вызывать декомпрессионную болезнь. Значит, во внедрённом состоянии он связан с водой как минимум ван-дер-ваальсовыми силами и слабой водородной связью. Будучи внедрённым в организме азот может оказывать наркотическое действие. Наркотические эффекты, которые возникают при увеличении парциального давления азота, начинающиеся с эйфории, а затем и общей анестезии – это и есть «наркоз, вызываемый индифферентным газом азотом».

       Наркотический потенциал газа примерно пропорционален его растворимости в липидах (жирах). Используя эту зависимость, можно проследить, что азот оказывает в пять раз более сильное наркотическое действие, чем гелий. При этом, углекислый газ обладает в 20 раз большим наркотическим потенциалом, чем азот. Растворимость азота в жировой ткани в 5,24 раза больше, чем в крови. Присутствие кислорода повышает наркотический потенциал азота в 1,6 раз. Однако исследования на людях показали, что степень выраженности наркоза нельзя рассчитывать только с помощью этого метода.

 

Глава 3. Кислород. Краткая физико-химическая характеристика

        Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул. Межатомное расстояние в молекуле О2 0,12074 нм. Молекулярный кислород (газообразный и жидкий) — парамагнитное вещество, в каждой молекуле О2 имеется по 2 неспаренных электрона. Этот факт можно объяснить тем, что в молекуле на каждой из двух - разрыхляющих орбиталей находится по одному неспаренному электрону. Энергия диссоциации молекулы О2 на атомы довольно высока и составляет 493,57 кДж/моль. 
        В молекуле О
2 на 8 связывающих электронов приходится 4 разрыхляющих, поэтому порядок связи в ней равен двум. По этой же причине молекула кислорода  весьма устойчива, ее энергия диссоциации равна 494 кдж/моль, в то время как энергия одинарной связи О—О всего 210 кдж/моль.   В комплексах происходит увеличение межъядерного расстояния О-О до 1,3 - 1,47Ả, против 1,207Ả в свободной молекуле О2.
         Сродство к электрону молекулы О
2 составляет 0,8 эВ, а ее энергия ионизации 12,2 эВ. При химических превращениях молекула О2 может присоединять или терять электроны с образованием молекулярных ионов. Удаление электрона с р-орбитали молекулы О2 соответствует повышению порядка связи в О2+, а появление электронов на р-орбитали приводит, наоборот, к уменьшению порядка связи в молекулярных ионах О2+   и  О22- .           Молекула кислорода О2 довольно инертна. При возбуждении становится диамагнитной. Именно в этом состоянии проявляются её токсические свойства. Только при создании условий для появления радикалов  — О — или                        R—О—О—, возбуждающих цепной процесс, окисление протекает быстро. В этом случае применяют, например, катализаторы, которые способны ускорить окислительные процессы.
         У атома кислорода в наружной оболочке 6 электронов. Для того чтобы, стать устойчивым, ему необходимо наполнить свою оболочку ещё двумя электронами, поэтому молекула кислорода воздуха легко присоединяет к себе 1 или 2 свободных элемента, ионизируется и превращается в аэроион (анион) кислорода отрицательной полярности. Все ионы — электрически заряженные частицы. Заряд в ионе возникает из-за того, что количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов становится разным. Атом, потерявший электрон, делается положительно заряженным ионом — катионом. Атом, который приобрёл электрон, становится отрицательно заряженным ионом — анионом. В анионе больше электронов, чем протонов. Отрицательные ионы кислорода  в организме человека,  запускают цепь биохимических реакций, который приводит к биологическому эффекту. Под влиянием кислорода отрицательной полярности меняется качество функций органов и общее нервно-психическое состояние организма, обладает большим полиморфизмом действия.
           Молекулярный кислород отличается от большинства молекул наличием триплетного основного состояния, O2(X3Σg). Теория молекулярных орбиталей предсказывает три низколежащих возбуждённых синглетных состояний O2(a1Δg), O2(a′1Δ′g) и O2(b1Σg+). Эти электронные состояния отличаются только спином и занятостью вырожденных разрыхляющих πg-орбиталей. Состояния O2(a1Δg) и O2(a′1Δ′g) - вырождены. Состояние O2(b1Σg+) — очень короткоживущее и быстро релаксирующее в более низколежащее возбуждённое состояние O2(a1Δg). Поэтому обычно именно O2(a1Δg) называют синглетным кислородом. Никто не удивляется, почему электрон в атоме водорода переходит при возбуждении из 1s в 2p (а не в 2s), а тут - та же ситуация. Величина энергии не является критерием снятия запретов. Разница энергий между основным, триплетным состоянием и синглетным кислородом составляет 94,2 кДж/моль (0,98 эВ на молекулу) и соответствует переходу в близком ИК диапазоне (около 1270 нм). В изолированной молекуле переход запрещён по правилам отбора: спину, симметрии и по чётности. Поэтому прямое возбуждение кислорода в основном состоянии светом для образования синглетного кислорода крайне маловероятно, хотя и возможно. Как следствие, синглетный кислород в газовой фазе экстремально долгоживущий (период полураспада состояния при нормальных условиях — 72 минуты). Взаимодействия с растворителями, однако, уменьшают время жизни до микросекунд или даже до наносекунд. Химия синглетного кислорода отличается от химии кислорода в основном состоянии. 
           Молекула кислорода представляет собой бирадикал с неспаренными электронами, и именно это состояние носит название триплетного (
2). Триплетный кислород имеет энергию диссоциации на атомы 496 кДж/моль. Эта высокая величина служит кинетическим фактором относительной химической инертности кислорода, что является одной из причин нахождения кислорода в свободном состоянии в атмосфере. При возбуждении триплетного кислорода под действием света происходит электронная перестройка, в результате чего возникает молекула синглетного кислорода с парой электронов, принадлежащей одному из атомов кислорода, - так называемый синглет I. На это требуется энергия 92 кДж/моль. Такой кислород нестабилен и быстро распадается. Его среднее время жизни в атмосфере составляет 65 мин. При дальнейшем возбуждении происходит еще одна трансформация молекулы кислорода и возникает молекула кислорода синглет II. Это возбужденное состояние еще менее стабильно: среднее время существования - 110 с. На его образование из синглета I требуется 63 кДж/моль. Синглетные формы кислорода химически активны: с их образованием связано важное явление - фотодинамическое действие. Суть его состоит в следующем. Существует группа веществ, которые высокочувствительны к действию света и, поглощая квант, переходят в возбужденное состояние. Эти вещества обладают и другой особенностью - способностью передавать энергию возбуждения молекулам кислорода, переводя их тем самым в синглетное состояние. Такие вещества называют сенсибилизаторами (S). Оксиды азота и являются активными сенсибилизаторами, вызывающими образование синглетного кислорода. Кислород первый послужил толчком к синтезу соединений ксенона, энергия ионизации которого близка к таковой молекулы кислорода.
          Большинство активных форм кислорода (АФК) имеют на своей внешней орбите неспаренный электрон и являются свободными радикалами кислорода (СРК). К ним относятся супероксидный анион 2-), гидроксильный радикал (НО-), оксид азота (
NO-) и липидные радикалы (Малахов В.О.  с соавторами, 2009).
         На основании многочисленных исследований было установлено, что образование озона идет через возбуждение молекулы кислорода в так называемые полосы Герцберга I, П и III. Показано, что это возбуждение происходит как в свободных молекулах кислорода, так и в столкновительных комплексах О
2 – О2 или О2 - X, где X - атом или молекула буферного газа. Межмолекулярные взаимодействия в сжатом кислороде и в его смесях с буферными газами, приводят к тому, что во взаимодействующей паре молекул нарушается осевая симметрия электронного облака молекулы кислорода. Теряет смысл квантовое число проекции момента количества движения на ось молекулы, и электронный переход становится возможным в электрическом дипольном приближении (Бутурлимова М.В., 2004).  В работе также приведены количественные данные об индуцированном поглощении чистого кислорода и его бинарных смесей с аргоном и с азотом в области фотодиссоционного континуума Герцберга. Сравнение вида спектральных зависимостей индуцированного поглощения в области фотодиссоционного континуума Герцберга для пар О2 – О2, О2 - Аг и О2 – N2 позволил сделать вывод о том, что в чистом кислороде индуцированное поглощение в области 200 - 215 нм кроме поглощения в полосе Герцберга Ш, содержит дополнительный вклад. Найдено, что температурная зависимость бинарного коэффициента поглощения пары Ог - X в полосе Герцберга Ш кислорода существенно зависит от партнера кислорода по взаимодействию.
          Кислород обладает особенными свойствами в формировании газового наркоза. Тесты, проведенные при глубоких погружениях (91 метр), показали, что смесь из 4% кислорода и 96% азота имеет более высокий наркотический потенциал, чем воздух. Это весьма необычно, поскольку кислород лучше растворяется в липидах, чем азот. Тем не менее, другие исследования показывают, что увеличение рО
2 в сочетании с азотом действительно усиливает наркотическое действие. Большинство исследователей объясняют это кажущееся противоречие тем, что в процессе формирования наркоза между азотом и кислородом возникает какая-то неизвестная на настоящий момент реакция. Влияние кислорода на возникновение наркоза очевидно. Его наркотический потенциал, по-видимому, связан не только с растворимостью в липидах. Это вновь указывает на наличие в механизмах наркоза объединяющего фактора – молекул воды биологических жидкостей и других особенностей.
              Объяснение токсичности кислорода образованием свободных радикалов впервые было дано Гершманом (Gershman), обратившим внимание на подобие патологических изменений при гипероксии и рентгеновском об-лучении. Основываясь на том, что при радиолизе водных растворов обра-зуются свободные радикалы, он, в 1954 году, сформулировал гипотезу о том, что кислородное отравление вызывается кислородными свободными радикалами. Он также дал этому явлению название гипероксидный стресс. Точно так же действие активного кислорода, каким бы ни был его источник, называют оксидативным стрессом. 
          Радиус магнитного поля молекулы кислорода, в пределах которого он эффективно снижает энергию активации, достигает 100х. Так как диаметр молекулы кислорода составляет около 4 Ả, то даже при очень низкой концентрации кислорода в среде, магнитные поля его молекул будут перекрывать друг друга и обеспечивать высокую скорость соответствующих реакций. При внедрении молекул кислорода в пустоты воды биологических жидкостей,  его собственный магнитный момент усиливается, он еще более возрастает. Не в этом ли причина токсического действия кислорода?
         Механизм физиологического и биологического действия кислорода далеко не ограничивается повышенной оксигенацией крови и тканей и восполнением недостатка кислорода в организме. При гипоксических состояниях повышенная концентрация кислорода  и гипербария оказывают мощное  рефлекторное действие, перестраивая уровень метаболических процессов, способствуя поддержанию гомеостатической функции в допустимых пределах и повышению неспецифической резистентности организма в ответ на экстремальные воздействия. По сравнению с кислородной терапией в нормальных условиях ГБО надёжней и в более короткие сроки ликвидирует или ослабляет все формы кислородного голодания, уменьшает напряжённую деятельность компенсирующих механизмов сердечно - сосудистой и дыхательной систем и удлиняет время их действия. Одним из механизмов этих процессов является увеличение образования в полостях молекул воды биологических жидкостей мгновенных оксидов азота, из которых некоторые приобретает более длительные сроки жизни и фиксируется приборами. Основная масса оксидов азота при нарушении термодинамического равновесия превращается в кислород и азот в своём основном состоянии.
        Современной науке предстоит решить еще большой круг вопросов, связанных с влиянием гипербарического кислорода на организм больного и здорового человека, тем более что спектр его нетоксического действия очень узок. В последние годы установлено, что молекула дофамина, в силу особенностей её химической структуры, может являться источником свободных форм кислорода (Stokes et al., 1999).
         При всех видах кислородной терапии, независимо от способов введения газа, основное повышение его концентрации и, в первую очередь, давления происходит в тканях организма, а не в крови. Это и дает лечебно-профилактический эффект, так как в артериальной крови повышение объемной доли может быть всего на 1-2%, давление растет на 4-15%, а в тканях,  гораздо выше (НЦЗД РАМН 2008-2009 гг.).
       Считается, что одной из  вредных примесей является инертный газ аргон, третий по содержанию после азота и кислорода компонент воздуха: его концентрация, равная в обычном воздухе 0,93% об. При получении смеси непосредственно из воздуха возрастает до 4-5%. Это вещество вызывает эффекты, обратные тем, которые мы ставим и желаем видеть, применяя медицинский кислород. Аргон может вызывать кислородное голодание! В экспериментах на животных показано и токсическое действие аргона.               
           Растворимость в воде газов различна и зависит от ряда факторов: температуры, давления, минерализации, присутствия в водном растворе других газов и от состава самого газа.   Повышение давления влечет за собой увеличение растворимости газов. Например, при давлении 25 атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9. А вот при повышении минерализации воды растворимость газа падает. Так, при 0° С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л — только 15, то есть в три раза меньше (Селивановский Д.А. с соавт., 2000).
        Растворимость (внедрение) кислорода в клатрате (кластере) существенно выше – более чем в 10 раз, чем в растворе (плазме), с которым этот клатрат находится в контакте (Ripmeester J. с соавт., 1980). Кислород является прекрасным гостем для Д-полостей, которые содержатся во всех наиболее распространённых природных структурах клатратных гидратов.
       Имеются основания предполагать, что механизм биологического действия активных форм кислорода в низкой концентрации заключается в усилении и стабилизации коллективных колебаний протонов водной системы. По-видимому, так действует и синглетный кислород, являющийся возбуждённым состоянием молекулы кислорода и рождающийся в процессах рекомбинации других форм АФК. Синглетный кислород, возвращаясь из возбуждённого синглетного состояния в основное (триплетное), отдаёт избыток своей энергии усилению колебаний протонов вдоль водородных связей. Показательно, что в тяжелой воде условия взаимодействия синглетного кислорода с дейтронами резко отличны, что приводит к увеличению времени жизни возбуждённого состояния кислорода в дейтериевой воде на порядок.
       Показано, что воздействие на организм кислорода с изменёнными физико-химическими свойствами ведёт к появлению биологических эффектов на уровне целостного организма. Устойчивость мелких млекопитающих к гипоксической гипоксии в разные отрезки времени определяется различными факторами: в  первые десятки секунд - запасами кислорода; далее, до 4-10 мин - доступными запасами глюкозы; свыше 10 мин - накоплением продуктов гликолиза и соотношением интенсивности перекисного окисления липидов и активности антиоксидантной системы.
        Если в кислородно-азотную смесь добавить аргон, то в результате ускорения синтеза оксидов азота под действием медленных и быстрых электронов увеличивается концентрация ионов азота (Дмитриев М.Т., 1960). В кислородно-азотно-аргоновых смесях, содержащих 90 % аргона, скорость реакции образования оксидов азота в 2,5 раза больше, чем без аргона.
        По предположению М.Т. Дмитриева, увеличение концентрации  ионов азота происходит в результате передачи электрона от молекулы азота к положительным ионам инертных газов при соударении (процесс перезарядки). Возможно и иное объяснение. Ионы аргона, обладающие ионизационным потенциалом, близким к таковому для азота, редко ионизируют молекулы последнего. Ионизационная способность у гелия гораздо меньше, чем у аргона и кислорода. Этим объясняется, почему гелий в отличие от аргона оказывает малое влияние на скорость образования оксидов азота.
        В среде аргона легко возбуждается электрический разряд. Аргон, несмотря на свою низкую способность ионизироваться, имеет повышенное напряжение возбуждения (выше неона). Атом Ar в возбуждённом состоянии может стать сильным восстановителем (валентный электрон находится в
s-состоянии, энергия связи этого электрона 4-5 эВ). Имеются данные, что смесь азота с аргоном, содержащая всего лишь 0,1 % аргона, будучи растворённой в воде, усиливает интенсивность сонолюминесценции в 30 раз.  
        Следует отметить, что инертность данной группы относительна. Некоторые из инертных газов способны образовывать клатратные, и даже химические соединения, причём эта способность  возрастает по группе с ростом ядра. Если для гелия это невозможно, то для аргона возможность получения устойчивых соединений не исключается, так как d-подуровень у третьего электронного слоя его атома свободен и переход электрона на него сопряжен с меньшими энергетическими затратами, чем переход с одного слоя на другой, неизбежный в случае образования соединений гелия.
            Наличие биологических эффектов аргона зависит от парциального давления кислорода в среде обитания. В нормоксических нормобарических условиях в покое аргон не проявляет физиологической активности, в условиях гипоксии аргон может усиливать депрессию жизненных функций организмов, находящихся на начальных стадиях развития и не имеющих собственной системы кровообращения и мощной антиоксидантной защиты. У высокоорганизованных видов (крыса, человек), имеющих развитую кровеносную и антиоксидантную систему, аргон проявляет антигипоксический эффект.
           Хотелось бы отметить несомненное топологическое сходство фазо­вых диаграмм систем азот-вода и аргон-вода. С учётом близости размеров гостевых молекул в этих сис­темах (диаметр атомов аргона   3,6 Å, максимальный размер молекулы азота 4,1 Å) можно ожидать, что структуры соответствующих фаз в них также подобны. Биологические системы более тонко чувствуют разницу влияния водных структур аргона и азота в различных ответных реакциях – например, наркотическая сила аргона в два раза больше, чем азота.
         П.Э. Солдатовым (2006) впервые установлено, что присутствие аргона в дыхательной газовой смеси с низким содержанием кислорода (4-10% об.) ведеёт к сохранению аэробного энергообмена млекопитающих на уровне, близком при дыхании атмосферным воздухом.
      Фундаментальные исследования смесей благородных газов с электроотрицательными элементами, имеющих различные пороговые значения энергии ионизации  (с учётом глубины потенциальной ямы молекулы кислорода, эта разница пороговых значений энергий ионизации может достигать 8 эВ), представляют большой практический и научный интерес для исследования кинетики активационных процессов.
     Кроме того, аргон образует эксимерные молекулы, то есть молекулы, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние.
        В работе С.М. Авдеева с соавторами (2009) проведены экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик излучения молекулы N2*  в чистом азоте и в смесях аргона – Ar-N
2  в барьерном разряде. Отмечено, что добавки электроотрицательного газа Сl2 увеличивают энергию электронов и эффективность передачи возбуждения.
     Добавки аргона к азоту позволили в 6 раз увеличить мощность перехода С3Пu → В3Пg  в молекулярном азоте для смеси Ar/N
2  в соотношении 200%. Было установлено, что добавление Ar в качестве буферного газа улучшает энергетические характеристики лазерного излучения.
       Возбуждение аргона в обычных электрических полях происходит, главным образом, вблизи анода, и, поскольку аргон является преобладающим компонентом газовой среды, получается высокая концентрация Аг с энергией 11,6 эВ. При возвращении в устойчивое состояние Аг возникает  ультрафиолетовое излучение. В результате взаимодействия Аг с примесями в газе возникает дополнительный фоновый ток. При попадании вещества в зону, богатую метастабильным аргоном Аг, оно ионизируется (возбуждается – авт.), и детектор производит сигнал.
      Очень интересные данные влияния активационных процессов на физические параметры плазмы смесей аргона и кислорода представлены в  работе Кочетова А.Д., Машкова А.В., Зайцева В.В. (интернет).
      Аргон и кислород имеют различные пороговые энергии ионизации (15,76 и  12,077 эВ, соответственно). Несомненно, что такое изменений физического    параметра обусловлено изменением пороговой энергии ионизации, а также участием колебательно - возбужденных молекул кислорода, что снижает энергию ещё на 1-5 эВ и приводит к уменьшению E/N на 10-20 % во всём интервале токов и давлений, до концентрации кислорода в смеси 10 %.     

3.1. Взаимоотношения азот – кислород

       В молекуле кислорода имеется два непарных электрона, поэтому она парамагнитна. Молекула  N2,  — диамагнитна. При сближении молекул ориентация микродиполей перестает быть независимой, и их появление и исчезновение в разных молекулах происходит в такт друг другу. Синхронное появление и исчезновение микродиполей разных молекул сопровождается их притяжением. Если же верхний занятый уровень молекулы является разрыхляющим, то энергия ионизации молекулы оказывается меньше, чем атома. Так, энергия ионизации молекулы О2 (12,2 эВ) меньше энергии ионизации атома кислорода (13,62 эВ). Это же, соответственно, относится и к возбуждению молекул.  
             Ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие проявляется между полярными молекулами. Чем более они полярны, тем сильнее притягиваются и тем самым больше ориентационное взаимодействие.       
           Допустим, что встречаются полярная и неполярная молекулы. Под действием полярной молекулы неполярная молекула деформируется, и в ней возникает (индуцируется) диполь. Индуцированный диполь притягивается к постоянному диполю полярной молекулы. Индуцированный диполь в свою очередь усиливает дипольный момент полярной молекулы. Относительный вклад каждого из рассмотренных видов межмолекулярных сил зависит, в основном, от  свойств  взаимодействующих молекул: полярности и поляризуемости (деформируемости).
         Анализ электронного состояния азота и кислорода  позволяет сделать ряд выводов.                                                                                                                              1. Удаление электрона со связывающей орбитали уменьшает энергию связи в молекулярном ионе ( и ), а удаление электрона с разрыхляющей орбитали приводит к увеличению энергии связи в молекулярном ионе в сравнении с молекулой  ( и ).                                                                                                       2. Потенциал ионизации молекулы () больше потенциала ионизации атома (), если в молекуле верхний заполненный уровень – связывающий. И наоборот, меньше, чем , если верхний заполненный уровень – разрыхляющий. Например, = 15,58 эВ, а = 14,53 эВ, но = 12,08 эВ, а = 13,62 эВ.                                                                                                                           3. Наличие неспаренных электронов объясняет парамагнетизм таких частиц, как молекулы кислорода (О2) и молекулярных ионов и

       В случае гетероядерных молекул в связывающие орбитали значительный вклад вносят атомы с большой электроотрицательностью, и связывающие орбитали по энергии ближе к орбиталям более электроотрицательного атома.

      Атом азота в невозбужденном состоянии имеет три р-орбиты, которые расположены взаимно перпендикулярно, и одну неподеленную пару электронов на двух s-орбитах. Три орбиты у атома азота гибридные; они участвуют в качестве валентных орбит так, что при образовании связи атом азота использует только три орбиты. На четвертой орбите находятся два электрона неподелениой пары. Когда атом азота включается в гетероциклическое кольцо, то образуются разные орбиты и разные взаимодействия с молекулярной орбитой. Подобным же образом различается поведение атомов кислорода, серы, фосфора и некоторых других, имеющих неподеленную пару электронов. У этих атомов поведение электронов меняется в зависимости от других атомов, с которыми они связываются. Эти особые свойства указанных атомов проявляются разнообразием межмолекулярного взаимодействия и свое­образием биологических функций. Во втором периоде нет d - подуровня, который есть на третьем. Поэтому у азота невозможен переход электрона с s - подуровня на d - подуровень. Для азота максимальное число связей равно трём, а не пяти, как у фосфора.
         Электронная форма кислорода 1s2 2s2 2p4. В невозбуждённом состоянии на p - орбиталях находятся два спаренных и два неспаренных электрона. Атом кислорода может перейти в возбуждённое состояние, его неспаренные p - электроны могут спариться, освободив кислороду p- орбиталь, с помощью которой кислород может образовать связь по донорно - акцепторному механизму с неподелённой электронной парой азота. Но обе связи N - O равноценны, поэтому происходит перераспределение электронной плотности (делокализация π-связи), связи N - O становятся полуторными. Поэтому у азота степень окисления в азотной кислоте +5, а валентность = 4.
         После растворения (внедрения) в водных структурах биологических жидкостей, создания кластеров (
N2)82О)46, (N2)162О)46 азот находится в биофизической фазе. При понижении давления азот из пересыщенных тканей организма переходит в пузырьки кровяного русла. В этой физической (основной) фазе азот опять инертен (лишается индуцированного дипольного момента), реакций не вызывает, однако создаёт условия для возникновения декомпрессионной болезни.  Характерно, что жировая ткань при повышенном давлении дополнительно насыщается водой, в которой сатурирован азот (Нессирио Б.А., 2002; Мясников А.П., Мясников А.А., 2006). 
        При возбуждении атомов происходит распаривание s-электронов и переход одного из них на d-подуровень (за исключением атома азота, внешние электроны которого не имеют низколежащего d-подуровня). Например, у атома фосфора в возбуждённом состоянии электроны внешнего энергетического уровня приобретают конфигурацию 3s13p33d1  (в основном состоянии 3s23p3). Соответственно, атомы элементов этой группы способны образовывать три и максимально пять ковалентных связей. Азот опять составляет исключение. Он не может образовывать больше четырёх ковалентных связей (три за счёт неспаренных р-электронов и одну по донорно-акцепторному механизму за счёт неподеленной пары электронов на 2s-подуровне). В данном случае он выступает донором электронной пары. Электродонорная  способность атома азота в соединениях зависит от типа орбитали, на которой находится электронная пара, и является отличительной чертой.
Вероятно, в биофизической фазе азота внутри кластера может происходить ослабление одной из связей, поляризация молекулы, мгновенные взаимодействия с кислородом с образованием оксидов азота, возникновения индуцированного дипольного момента и др.
       В работе В.Н. Ананьева (2012) представлено исследование динамики потребления кислорода в замкнутом пространстве у крыс в среде различных инертных газов.  Для исследования брали газовые смеси - воздух (азота 80 %, кислорода 20 %), кислородно-аргоновую смесь (кислорода 20 %, аргона 80 %), кислородно-криптоновую смесь (кислорода 20 %, криптона 80 %). Выдыхаемый углекислый газ накапливался пропорционально потреблению кислорода, не удалялся из камеры, его концентрация постоянно регистрировалась вместе с кислородом компьютером. Данные по изменению концентрации углекислого газа не представлены в работе.  Анализ результатов опытов представлен в таблице 2.3.  
        В результате проведенного исследования установлено, что аргон способствует более продолжительному выживанию в замкнутом пространстве (по сравнению с воздухом) при утилизации кислорода до минимума за счёт уменьшения потребления кислорода. Таким же свойством, более выраженным, обладает и криптон. Полученные данные могут составить основу для исследования уменьшения потребления кислорода у человека, что является одним из базовых элементов по изучению гипобиоза.                                                                                                                                  

                                                                                                                                    Таблица 2.3                                                                                                                                             Величины потребления кислорода в начале опыта мл/кг/мин (1-15 % времени), средняя величина потребления кислорода за весь опыт, потребление кислорода  в конце опыта, мл/кг/мин (80-100 % времени опыта)

 

 

     Атому азота наиболее характерны степени окисления +3, +5, -3, а также +2 и +4. В бинарных соединениях с кислородом атом азота имеет положительную степень окисления. Для атомов кислорода и азота характерна высокая электроотрицательность (3,5 и 3,1 соответственно), что указывает на полярный характер их связей.

 

 

 

 

Глава 4. Некоторые физико-химические характеристики неполярных атомов и молекул газов

4.1. Общая характеристика

         Неполярные – инертные и индифферентные газы имеют ряд особенностей:                                                                                                                         -  могут образовать граничный слой, поскольку поверхность (например, металла) индуцирует в них дипольный момент. Но связь их с поверхностью существенно менее прочная;                                                                                                    - вступают во взаимодействие друг с другом. Благодаря непрерывному вращению электронов и колебательному движению ядер в каждом из атомов может происходить временное смещение атомных орбиталей относительно ядра и обусловленное этим временное возникновение индуцированного диполя;                                                                                                                              - обладают только индуцированным дипольным моментом. Для полярных молекул сумма постоянного и индуцированного дипольных моментов называется результирующим дипольным моментом;                                               - не имеют постоянных диполей и не могут образовывать обычные связи. Однако неполярные инертные газы конденсируются до жидкостей и образуют твердые вещества в случае достаточного охлаждения. Отсюда следует, что некоторый вид межмолекулярной силы удерживает молекулы вместе в растворе и твердом состоянии;                                                                                                       - взаимодействуют между собой за счет так называемых мгновенных диполей, связанных с мгновенным перераспределением зарядов в неполярных молекулах. Как правило, взаимодействие между неполярными молекулами, называемое дисперсионным, значительно слабее рассмотренных ранее видов взаимодействия;                                                                                                               - некоторые неполярные молекулы  обладают высокой поляризуемостью, поэтому под влиянием внешнего электрического поля (например, при приближении полярной молекулы) у таких молекул легко возникает наведенный     (индуцированный) электрический момент. При сближении такие индуцированные диполи будут взаимодействовать друг с другом аналогично взаимодействию жестких диполей. Такое взаимодействие называют индукционным или поляризационным. Они становятся полярными, у них появляется индукционный дипольный момент. Энергия индукционного взаимодействия не зависит от температуры;                                                               - обладают деформационной составляющей электрической поляризации, не зависящей от температуры. Взаимодействие индуцированных диполей тем значительнее, чем легче деформируется молекула. Энергия взаимодействия таких молекул возрастает с увеличением дипольного момента и быстро уменьшается с ростом расстояния  между ними;                                                       - имеет нулевой  (или близкий к нулю) дипольный момент. Среди многоатомных молекул имеется немало таких, в которых отдельные связи полярные, хотя молекула в целом неполярная (например СО2);                                  - построены симметрично, поэтому электрические заряды в них взаимно компенсированы;                                                                                                            - полностью неполярные молекулы ни в каких взаимодействиях участвовать не могут;                                                                                                                              - двухатомные неполярные молекулы типа Н2, N2 и другие не имеют спектров поглощения и испускания, так как их дипольные моменты равны нулю. Спектры полярных молекул связаны с изменением дипольного момента;               - если они анизотропны, то могут вызвать, в некоторой мере, двойное лучепреломление в сильном электростатическом поле, поскольку наведенные диполи будут иметь в молекулах предпочтительные направления, что и обусловит упорядоченную ориентацию молекул в электрическом поле. Это явление зависит от анизотропии молекул, а также от температуры, плотности и напряженности электрического поля.
     

4.2. Межмолекулярные образования газ-вода

       При образовании кластеров (газ в водной полости) межмолекулярный комплекс связан с кластеро-образующим газом, и  становится  единой стабилизированной структурой (по меркам биологии). Тяжёлые инертные и неполярные газы структурируют ассоциаты, переводят структуру   в химически неактивное состояние, а, следовательно, частично или полностью останавливать биохимические реакции. Из всех газов, образующих газогидраты в биологических жидкостях, наиболее подходящим является благородный газ ксенон, он образует кластеры при минимальном давлении и максимальной температуре, безопасен для организма. Установлено, что объем атома гелия в 2 раза меньше объема атома водорода. Это объясняется тем, что двойной заряд ядра притягивает каждый электрон ближе к ядру, чем одинарный заряд ядра атома водорода. Неполярные молекулы водорода и гелия практически нерастворимы в воде биологических жидкостей. Вследствие ничтожно малой  поляризуемости молекул водорода и гелия, межмолекулярные силы чрезвычайно слабы, и могут проявляться лишь при очень низкой температуре или при высоком давлении. Благодаря этому возрастают силы притяжения между положительным зарядом ядра и отрицательными зарядами электронов. Ядра сближаются — расстояние между ядрами водорода в молекуле Н2 заметно меньше (0,74 Ả) суммы радиусов двух свободных атомов водорода (1,06 Ả). Имея один электрон, водород образует лишь двухатомные молекулы с электронной конфигурацией невозбужденного состояния. Молекулы водорода отличаются большой прочностью и малой поляризуемостью, незначительными размерами и малой массой, а, следовательно, и большой подвижностью. Активные молекулы Н2 и Н2 при столкновении объединяются в промежуточный активный комплекс 2Н2. В результате энергия активации (168 кдж) оказывается меньше, чем энергия, необходимая для полного разрыва связей в исходных молекулах (571 кдж). Иными словами, путь реакции через образование активного комплекса энергетически более выгоден, чем путь через полный разрыв связей вступающих в реакцию молекул.
       Ван-дер-ваальсовы силы  - силы межмолекулярного (межатомного) взаимодействия с энергией 10 - 20 кДж/моль. В современной науке этот термин обычно применяется к силам, возникающим при поляризации атомов и молекул, а также при образовании диполей.        Ван-дер-ваальсовы диаметры атомов Ar, Kr и Хе равны 3,8, 4,0 и 4,4Å соответственно, размеры молекул О2 и N2 –2,8 и  3,08, а свободный диаметр D- и D' полостей КС-II соответствует 5,2Å (Дядин Ю.А., Удачин К.А., 1987).
        Свойства кластеров воды, содержащих атомы инертных газов (
Ar, Kr, Xe) и азот (N2), изменяются монотонно с ростом  размера и атомной массы инертного газа. Поперечный размер наибольших кластеров составляет до 1,2 нм. Такие кластеры являются квантоворазмерными системами, объёмные характеристики которых отражают изменения, обусловленные их размерами (Ролдугин В.И., 2000).
        Энергетические изменения, сопровождающие жизненные процессы, очень малы – менее 1,5 эВ. Вся энергия, которой располагают живые организмы, - это энергия фотонов. Энергия теплового колебания kT равна 0,03 эВ. В неструктурированной воде один электрон на внешней орбите отсутствует, а в структурированной - отсутствующих электронов нет.
          Измерением диэлектрической проницаемости водных растворов инертных газов при различном давлении И. В. Матяш обнаружил, что только атомы гелия и молекулы водорода могут помещаться в полости структуры воды без разрушения водородных связей. Молекулы же кислорода, аргона и азота вызывают деформацию каркаса структуры воды. Наряду с кислородом и углеродом водород образует структурную и функциональную основы явлений жизни.
         Агрегатного состояния вещества влияет на его диэлектрические свойства. При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое изменяются его плотность, вязкость, изотропность и другие физико-химические характеристики. Изменение структуры веществ сопровождается изменением нелинейных  эффектов, а  также и их диэлектрических свойств. Для газовых сред механизм поляризации чаще всего электронный или дипольный, поэтому поляризация газа возрастает с увеличением диаметра атомов и размеров молекул. Зависимость  от температуры и давления определяется изменением концентрации атомов в среде, то есть зависит от плотности газа. Так как у полярных жидкостей реализуется дипольно-релаксационный механизм поляризации, то зависимость от температуры и частоты электрического поля имеет более сложный вид.
      В литературе давно обсуждается реакция взаимного превращения атома водорода и сольватированного электрона в воде при поглощении электромагнитного поля (
Schwarz H.A., 1992). Эта реакция практически термонейтральна (около 0,05 эВ) (Богородский В.В., 1977), она требует меньшей плотности потока энергии, чем, например, нужно для разрыва одной водородной связи в воде. Но появление дополнительного количества гидратированных электронов (как следствие появления атомов Н), возможно, является определяющим фактором в механизме аномально высокого поглощения электромагнитной энергии водой.

 

 

 

 

 

 

Глава 5. Структура, информационно-энергетические характеристики и квантово-электродинамические  взаимодействия в воде 

5.1.  Вода в живом организме

      Живые организмы, в том числе и человек, представляют собой сложные, самоорганизующиеся системы. Они открыты для непрерывного обмена веществами и энергией с окружающей средой. Уже, исходя из этого, вода биологических жидкостей, составляющая основной процент массы организма, должна быть способна к самоорганизации. Экспериментально доказано, что вода также является самоорганизующейся системой. Кластеры молекул воды – самые мелкие и нестабильные самоорганизующиеся системы  в живом организме.
      Состояния воды и водных систем определяются внешними и внутренними условиями, изменение которых приводит к ее структурной перестройке в биологической жидкости. Подобные структурные изменения необратимы или долговременны, что связано с кооперативными процессами самоорганизации. Данные процессы позволяют предположить, что вода является сложной ассоциированной жидкостью, в которой наряду с объемной фазой существуют льдоподобные структуры, подверженные структурной перестройке.

      Молекулу воды необходимо рассматривать как структурный элемент  (Зенин С.В., 2008). Приняв это за отправную точку, открывается многие необъяснимые до настоящего времени факты. Для биологии впервые появляется соразмерность макромолекул и водных структур, что способствует рассмотрению активной роли водной среды во внутриклеточных процессах, отодвигая прежние представления о ней как о пассивном растворителе. 
       Для физиологии возникает принципиальная возможность объяснения различных субстратных и полевых воздействий на биохимический состав крови через изменение структурного состояния водной составляющей. 
      В воде ничего магнитного кроме магнитного момента протона нет. Стабильный структурный элемент имеет на своих гранях частично заряженные атомы кислорода и водорода, и при его вращении вокруг центра тяжести, отрицательно заряженные атомы кислорода находятся на 1,09 ангстрема ближе к центру, чем положительно заряженные атомы водорода. Но это означает, что площадь круга, очерченного движением положительных зарядов, меньше площади круга, очерченного движением отрицательных зарядов. Их разность определяет нескомпенсированный магнитный момент элемента, что тотчас же снимает проблему непонимания воздействия на воду магнитного поля.                                                                                     

       Взаимное подстраивание элементов в своём расположении под изменённую  воздействием электрического поля ориентацию макродиполей отдельных структурных элементов с максимальными значениями их дипольных моментов приводит к общему изменению структурного состояния воды. 
        Указанные механизмы действия электрических и магнитных полей позволяют принципиально объяснить эффект воздействия на воду любых веществ и  электромагнитных колебаний (Зенин С.В., 2008).


5.2. Структура водных ассоциатов биологических жидкостей

         На основании данных, полученных тремя физико-химическими методами С.В. Зенин с соавторами (1993, 1994, 1998, 2004) построил и доказал геометрическую модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а затем получил изображение с помощью контрастно-фазового микроскопа этих структур. Вода в данной модели представляет собой иерархию геометрически правильных объемных кластеров, в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 молекул воды, взаимодействующих друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют геометрическую структуру, аналогичную тетраэдру. 16 квантов в свою очередь образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода, по мнению С. В. Зенина на 80% состоит из таких элементов: 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н2О. Остальные 62 % представлены кластерами другой геометрической формы – кубами, октаэдрами, додекаэдрами и икосаэдрами. Таким образом структура воды связана с так называемыми, Платоновыми телами (тетраэдр, гексаэдр, куб, додекаэдр, икосаэдр), геометрическая форма которых, определяется золотой пропорцией (рис. 5.2.1). Элементарной составляющей структуры воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н2О (объемно-центрированный тетраэдр). При этом у молекул Н2О в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи.

 Энергетическое загрязнение воды Рис Платоновы тела

Рис. 5.2.1. Платоновы тела

      За счет их простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя кластеры с более сложной структурой, например, в форме додекаэдра      (рис. 5.2.2). Их взаимодействие приводит к появлению пространственных геометрических структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды и по модели С. Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть воды, состоящей из громадных полимеров. Порядковое число таких структур воды, вероятно, так же высоко, как и порядковое число кристаллов, потому по аналогии с жидкими кристаллами воду иногда обозначают жидкокристаллической водой. Водная среда, таким образом, рассматривается как своеобразный иерархически организованный жидкий кристалл или как одна гигантская макромолекула.

 

 

 

 

 

Энергетическое загрязнение воды Рис Элементарный кластер модели Зенина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.2.2. Элементарный кластер воды в модели

С.В. Зенина

 

      Впоследствии методом рентгеноструктурного анализа было доказано, что молекулы воды действительно способны за счет водородных связей образовывать структуры, представляющие собой топологические цепочки и кольца из множества молекул. Интерпретируя полученные экспериментальные данные, исследователи, считают их довольно долгоживущими элементами структуры (тем более для биологии живого). Вода в этой гипотезе рассматривается как совокупность полимерных ассоциатов и гипотетических водяных кристаллов (которые, как предполагается, существуют в талой воде), где количество связанных в водородные связи молекул может достигать, по мнению некоторых исследователей, сотен и даже тысяч единиц.
      Согласно теоретическим расчётам кластеры могут иметь самую разную форму, как пространственную, в виде геометрических фигур, так и двухмерную (в виде кольцевых структур), так и объёмную. Базовую основу структуры воды согласно теоретическим расчетам составляет тетраэдр. В компьютерном моделировании тетраэдры, группируясь друг с другом, формируют разнообразные пространственные и плоскостные структуры, наиболее распространенной из которых является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул Н2О (тетраэдров) объединяются в кольцо. Аналогичный тип структуры характерен для льда, снега и талой воды. При плавлении льда, его тетрагональная структура разрушается и образуется смесь кластеров, состоящая из три-, тетра-, пента-, и гексамеров воды и свободных молекул воды. Изучение строения этих образующихся кластеров затруднено, поскольку вода – смесь различных нейтральных кластеров (Н2О)n, и их ионов [(Н2О)n]+ и [(Н2О)n]-, находящихся в динамическом равновесии между собой со временем релаксации 10-12 секунд. Сталкиваясь друг с другом, ассоциаты переходят один в другой, разрушаются и образуются вновь. В 1999 году группа исследователей из Калифорнийского университета (США) под руководством Р. Сайкалли расшифровала строение триммера воды, в 2001  - тетрамера и пентамера, а затем и гексамера воды. Структуры кластеров воды формулы (Н2О)n, где n = 3-5, напоминают структуру клетки. Более сложным оказалось строение гексамера. Самая простая структура – шесть молекул воды, расположенных в вершинах шестиугольника, является менее устойчивой, чем структура клетки. В шестиугольнике может быть только шесть водородных связей, а экспериментальные данные свидетельствуют о наличии восьми. Это означает, что четыре молекулы Н2О связаны между собой перекрёстными водородными связями (рис. 5.2.3). Именно они являются    энергонесущими, обладают суммарным дипольным моментом и способствуют поляризации и индуцированию неполярных газов.

Энергетическое загрязнение воды Рис Строение тримера тетрамера пентамера гексамера по данным

Рис. 5.2.3. Строение тримера, тетрамера, пентамера и гексамера воды по данным Р. Сайкали.

       Квантово-химические расчеты кластеров общей формулы (H2O)n, где n = 8-20, показали, что самые устойчивые структуры образуются посредством взаимодействия тетрамерных и пентамерных кольцевых структур. При этом структуры с формулой (H2O)n,  где n = 8, 12, 16, и 20 являются кубическими, а структуры (H2O)10 и (H2O)15 – пентамерными. Другие кластерные структуры с n=9, 11, 13, 14, 17, 18 и 19 имеют смешанное строение. Кластеры довольно устойчивы и могут находиться короткое время в изолированном состоянии. Есть основания считать, что заряженные ионы стабилизируют кластеры. Поэтому можно подразделить кластеры на заряженные кластерные ионы [(Н2О)n]+ и [(Н2О)n] и  не имеющие заряда – нейтральные кластеры формулы (Н2О)n .

 

 

 

5.3. Свойства гидратов

      Водогазовые структуры биологических жидкостей представляют собой метастабильные образования, возникновение и разрушение которых зависит от температуры, давления, химического состава, свойств газа и воды, и др. Образуются в объёме воды из внедрённого газа при достижении определённых условий термодинамического равновесия. Для описания термодинамических свойств гидратов биологических жидкостей мы используем следующие положения:                                                                                                                              Решётка хозяина  деформируется в зависимости от степени заполнения                                                                                молекулами-гостями либо от их вида.                                                                                                      В каждой молекулярной полости может находиться от одной, до нескольких  молекул гостей.                                                                                                                                                            Взаимодействие молекул-гостей пренебрежимо мало, но зависит от состава газа в полости смешанного газогидрата.                                                                                                                             Молекулы-гости способны определять как симметрию кристаллической решётки гидрата, так и последовательность фазовых переходов гидрата.                                                                            Сильное воздействие гостей на молекулы-хозяева, вызывающее повышение наиболее вероятных частот собственных колебаний, что, вероятно, происходит при поляризации и возникновении ИДМ.                                                                                                                                 В структуре газогидратов молекулы воды образуют ажурный каркас (то есть решётку хозяина), в котором имеются полости. Установлено, что полости каркаса обычно являются 12- («малые» полости), 14-, 16- и 20-гранниками («большие» полости), немного деформированными относительно идеальной формы. Эти полости могут занимать молекулы газа («молекулы—гости»). Молекулы газа связаны с каркасом воды ван-дер-ваальсовскими связями. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой M·n·H2O, где М — молекула газа-гидратообразователя, n — число молекул воды, приходящихся на одну включённую молекулу газа, причём n — переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры.                                                      Полости  являются метастабильными                                                                               Замена в полостях водной сетки молекул воды на соответствующие по размеру молекулы газов,  углеводородов, за счет устранения разрушающего действия дисперсионных и химических сил так упрочняет ее, что она становится жесткой, а вода твердой. Прочные растворы внедрения называются соединениями включения.  
         Гидратный полимер из молекул воды возникает в результате возрастания у неё полярности валентных связей. По мере увеличения полярности химических связей, в воде поделенные электронные пары приближаются к атомам кислорода, а по мере увеличения прочности водородных связей не поделенные электронные пары удаляются от атома кислорода. Когда состояние всех четырех электронных пар атома кислорода выравнивается, происходит sp3 гибридизация их орбиталей. При этом свойства водородных и валентных связей становятся одинаковыми, а между ними образуется прочная гидратная связь  (O-2 - H+1 - O-2). Благодаря этому, в воде образуется прочная жесткая тетраэдрическая сетка из ионов кислорода, каждый из которых связан с четырьмя соседними гидратными связями. В результате вода превращается в жесткое твердое тело. Такое затвердевание воды мы называем гидратной полимеризацией. Простейшим и наименее прочным гидратным полимером является обычный лед.

5.4. Физические свойства

        Чистая вода является раствором внедрения, только в нем и хозяином и гостем служит сама вода: хозяином - полимерная часть, гостем мономерная. Чистой  водой может считаться вода с высоким уровнем структурно-динамических параметров (по типу талой воды).                                                                                                             Эксперименты показали, что в дистиллированной воде кластеры практически электронейтральны. Однако их электропроводность можно изменить, если помешать воду магнитной мешалкой. В этом случае водородные связи между элементами кластеров будут разрушены, и вода изменит свою структуру и физико-химические свойства (вязкость, поверхностное натяжение, значение рН). Поведением кластеров можно также управлять с помощью внешних факторов – давления, температуры и др. Кроме этого, в водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера. Это свойство объясняет чрезвычайно лабильный, подвижный характер их взаимодействия друг с другом. Его природа обусловлена дальними кулоновскими силами, определяющими особый вид зарядово-комплементарной связи, за счет которого осуществляется построение структурных элементов воды в ячейки (клатраты) размером до 0,5-1 микрон. Их можно увидеть при помощи контрастно-фазового микроскопа.
        Структуры кластеров воды были рассчитаны теоретически и подтверждены методами спектроскопии протонного магнитного резонанса Н-ЯМР, инфракрасной (ИК) спекроскопии, дифракцией рентгеновских лучей и др. Изучить детали строения ассоциативных элементов молекул Н
2О можно, учитывая все изученные параметры при помощи компьютерного моделирования, называемого иногда численным экспериментом.
      Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей – электромагнитных, акустических, энерго-информационных, изменяющих положение отдельных молекул воды в кластерах. Кроме этого вода сама является источником сверхслабого и слабого переменного электромагнитного излучения. В этом случае может произойти индукция соответствующего электромагнитного поля, изменяющего структурно-информационные характеристики биологических объектов на 80-90% состоящих из воды.
       Молекулы воды являются плохим наполнителем полостей в водной сетке по двум причинам: во-первых, из-за полярности они определенным образом взаимно ориентируются и не могут плотно упаковаться. Между молекулами воды, как и между любыми частицами, действует дисперсионная сила. Атомы кислорода и водорода в молекуле сильно различаются по электроотрицательности (3,5 и 2,1 соответственно), поэтому химическая связь между ними полярна. В результате этого между молекулами воды действуют электростатические силы.                             

       Аномальное поведение воды объясняется ее способностью образовывать ассоциаты за счет водородных связей, на разрыв которых требуется дополнительная энергия. Высокая полярность молекул воды обуславливает также ее большую диэлектрическую проницаемость и способность растворять полярные вещества и взаимодействовать с неполярными, в том числе и газами.

       Для выявления зависимости электрофизических свойств пленки воды на твёрдой поверхности (границе двух сред авт.), от свойств материала изолятора, исследовались поляризационные свойства воды, закрепленной на поверхности твердого тела, под действием электрического поля. Возможны два варианта закрепления на поверхности твердого тела: молекула закреплена атомом кислорода или  закреплена атомами водорода (ЕрёминаН.В., КостюковН.С., 2008).

       Рассмотрим отрицательно заряженную поверхность. Считаем, что в этом случае молекула воды закрепится на поверхности твердого тела атомами водорода. Поляризационные процессы в случае закрепления молекулы воды на поверхности твердого тела атомами водорода для упругой электронной и упругой ионной поляризации аналогичны случаю её закрепления атомом кислорода. Существенное отличие значения поляризуемости и диэлектрической проницаемости наблюдается для упругой дипольной поляризации. Момент инерции молекулы воды, закрепленной на поверхности атомами водорода, вычисляется также по теореме Штейнера и равен

      Известно, что дипольный момент молекулы воды возникает по двум причинам: а) каждая из связей O-H полярна и на том ее конце, где находится ядро водорода, имеется избыток положительного заряда, а на "кислородном" конце - избыток отрицательного; б) неподеленные электронные пары атома кислорода создают дополнительную плотность отрицательного заряда на атоме кислорода. Эти особенности строения молекул воды имеют следующие следствия:

 а) большой дипольный момент является причиной возникновения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных растворах;                                               б) молекула воды образует водородные связи с электроотрицательными атомами других молекул, в том числе других молекул воды;                                                       в) неподеленные электронные пары позволяют молекуле воды образовывать соединения по донорно-акцепторному механизму (например, с катионами металлов). В газообразном состоянии состоит из отдельных молекул. В жидком и твердом состоянии молекулы образуют ассоциаты с помощью водородных связей. Кристаллическая решетка – молекулярная (ЕрёминаН.В., КостюковН.С., 2008). Источником вектора поляризации (то есть дипольного момента единицы объёма) служат связанные (индуцированные) заряды (теорема Гаусса).

       Накопление неполярных газов, распределение   таких  атомов или молекул в полостях ассоциатов воды биологической жидкости, способности поляризоваться и приобретать ИДМ, происходит под влиянием факторов, определяющих термодинамическое равновесие процесса. В связи с существенным изменением физико-химических  характеристик внедрённого газа, меняются и характеристики взаимодействия.

      Молекула воды полярна, она обладает постоянным дипольным моментом. Очевидно, что молекулы воды в полости ассоциата будут ориентироваться так, что к катионам молекула воды предпочтительно ориентируется отрицательным концом, к анионам – положительным, т.е. возможны следующие варианты внутренней выстилки полости ассоциата – молекулы газа взаимодействуют  атомом кислорода или  с атомами водорода. Под взаимодействием в данном случае мы понимаем действие суммарного электростатического поля в полости ассоциата с кислородной выстилкой, или водородной. В одном случае ассоциат  обладает высоким суммарным электрическим полем, в другом - низким.

     Молекула воды обладает аномально большим электрическим дипольным моментом и это создает аномально большую диэлектрическую проницаемость. Эти аномальности влияют на её температуру кипения и замерзания, которые также  аномальны по сравнению с теми же величинами для схожих по структуре молекул.    Отдельные молекулы воды, объединяясь, формируют кластеры (Н2О)х, форма которых может быть самой различной. При этом под кластером понимается группа атомов или молекул, объединенных физическим взаимодействием в единый ансамбль, но сохраняющих внутри него индивидуальное поведение. Необходимо отметить, что при комнатной температуре степень ассоциации X для воды составляет, по современным данным, от 3 до 20 (Еремина В.В., Уляхина Д.А., 2010).

       Важнейшим свойством воды является ее необычайно высокая чувствительность к различным физико-химическим и информационно-энергоинформационным воздействиям за счет наличия низкоэнергетических водородных связей, способных перестроиться под действием разнообразных внешних воздействий, не требующих больших затрат энергии (веществ или ЭМИ).

      Представляет большой интерес изучение реальности подобного рода явлений, их механизма и связи со структурой и свойствами воды, а также влияния на воду и водные системы электромагнитных полей и других внешних факторов, не связанных непосредственно с изменением химического состава воды и водных растворов. А также действия (взаимодействия, поведения) инертных и индифферентных газов. Ведь они также не участвуют в химических реакциях, а оказывают влияние на неё, на её структуру.

        В этом отношении, установление взаимосвязи между химическим и энергоинформационным загрязнением, способностью воды хранить и передавать различную информацию в том числе о прошлых воздействиях на нее химическими и электромагнитными реагентами, бесспорно, имеют одну природу.

      Информационное наполнение структур воды имеет для неё первостепенное значение. Это даже более важно, чем химический состав. Структура воды - это организация её молекул. Хотя молекула воды в целом электронейтральна, она представляет собой диполь, то есть с одного краешка у нее преобладает отрицательный заряд, а с другого - положительный. Между собой диполи могут образовывать соединения - одна молекула воды отрицательно заряженным краешком может притянуть к себе другую молекулу за ее положительный краешек (рис.5.4.1).
Молекулы водыФормирование кластера водыКластер воды
Рис. 5.4.1. Формирование кластера воды

        Образуется так называемая водородная связь. Особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур - ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.
      Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру. На рисунке (В.Л. Воейков) в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур (5.4.2).
Кластеры воды
Рис. 5.4.2. Примеры кластерных структур.

 

       Непосредственным передатчиком и носителем информации являются волновые процессы, где вода играет ключевую роль. Воспринимая информацию, вода приобретает новые свойства, при этом её химический состав остается прежним.

        Представляет большой интерес изучение действия (взаимодействия, поведения) инертных и индифферентных газов. Ведь они также не участвуют в химических реакциях, а оказывают влияние на неё. Это позволяет объяснить удивительные доказательства информационных свойств воды, показанных японским исследователем Масару Эмото (Masaru Emoto) на примере образования при замерзании образцов воды различных видов кристаллов, форма которых определяется предшествующим воздействием на воду. Согласно его воззрениям, в основе любой вещи лежит источник энергии – вибрационная частота, волна резонанса (определённая волна колебаний электронов).
       Тот факт, что вода обладает памятью на различные химические и физические (энергетические) воздействия и может являться своеобразным носителем информации, в последнее время получает все большее признание в научном мире.

 переносе информации водой

Рис. 5.4.3. Диаметр молекулы воды 2,8 А (1 ангстрем = 10-10м).

           Большой интерес представляют работы С. Зенина и д-ра Вольфганга Людвига (Wolfgang Ludwig), показавшего, что даже после полной химической очистки воды от содержащихся в ней вредных примесей (тяжелые металлы, нитраты, бактерии и т.д.), включающей двойную дистилляцию, в ней сохраняется информация об этих веществах в виде электромагнитных колебаний. Эти колебания могут быть зарегистрированы спектроскопически и в зависимости от частоты могут быть полезными или вредными для организма. Частоты колебаний, обнаруживаемых в воде, которые неблагоприятны для организма:                                                                                                                                              - 1,8 Гц - соответствует воде, содержащей тяжелые металлы, также она зарегистрирована в раковых тканях;                                                                                                                                    - 5,0 Гц - вызывает у многих людей апатию и тошноту.  К полезным для организма частотам относятся 1,2 Гц, 2,5 Гц, 10,0 Гц, а также частота 7,8 Гц, присутствующая в природе и называемая Шумановской (Schumann) частотой, которая играет важную роль в работе мозга.
          В целом можно сделать вывод о том, что биоэнергетическое воздействие представляет собой некоторую энергоинформационную программу, определенным образом структурирующую жидкости и способную изменять их свойства на протяжении определенного времени.
      Вода определяющим образом влияет на протекание многих физико-химических, биологических, геологических и технологических процессов. Обладая своими характерными диэлектрическими свойствами, в частности диэлектрической проницаемостью, которая отражается на поляризационных характеристиках  воды.
       Вода способна иметь память вследствие того, что в структурно-динамических образованиях водной среды (ассоциаты, кластеры) и обладающих специфической биологической активностью, остаётся энергетическая  информация о предшествующих воздействиях. Это и гомеопатический механизм биологического действия, и постгазовое, постксеноновое, биологическое действие.

      Чем выше степень ассоциации воды и чем более упорядочена её структура, тем больше её способность к саморегуляции, что характерно для живых систем. Это свидетельствует о том, что вода организма человека может выполнять системообразующую и регуляторную роль. По мнению исследователей, мозг человека, состоящий на 85-90% из воды, обладает структурирующим воздействием на воду.

       Последовательность процесса структурирования биогенной воды была предложена К.М. Резниковым в 2001 году. Эти данные раскрывают процессы передачи информации в живых системах и возможности использования их в лечебных и диагностических целях. При этом понятие информация рассматривается как мера организованности движения (взаимодействия и перемещения) частиц в системе.

       Отдельные ассоциаты и кластеры, которые наименее длительно существуют, могут быть, с одной стороны, субстратом для построения более сложных структур системы, а с другой передатчиками информации между отдельными клетками. Эти данные свидетельствуют о том, что если под влиянием любого внешнего фактора, меняются информационные свойства воды, то изменяются и структурно-функциональные компоненты клеток, тканей и органов. По мнению автора предложенной модели К.М. Резникова изменения информационных возможностей структурированной воды могут быть наиболее ранними признаками возможности возникновения патологических явлений.

       Так же, важное значение имеет мнение С.В. Зенина (2004) о том, что следует различать первичную память воды в виде преобразованной матрицы структурных элементов в ячейке с выводом на поверхность ячейки граней, отображающих рисунок заряда воздействующего соединения. А таже  долговременный след воздействия вещества на структурированное состояние воды, когда после многократного согласования информационной передачи между веществом и водой устанавливается окончательно преобразованная матрица структурных элементов в ячейке воды. Это является существенным дополнением к нашим знаниям о деятельности мозга.

       В ассоциатах, клатратах (кластерах) биологических жидкостей при определённых условиях увеличивается  растворимость всех газов (N2, тяжёлых инертных  и др.). Это косвенно  подтверждается возникновением поляризации и дипольного момента (увеличение его) даже у инертных    газов.         

       Природа атома, молекулы любого газа  (изменение физической структуры) при внедрении его (её) в полости ассоциатов воды биологической жидкости определяется, в первую очередь, первыми потенциалами возбуждения каждого газа как при одиночном нахождении в полости, так и при смешанном двойном, тройном заполнении полости.    Определённую роль играет и способность к поляризации каждого газа. Разность потенциалов возбуждения первого электрона внешней оболочки любого газа, строго индивидуальна. Это же относится и к способности поляризации. Различия потенциалов возбуждения приводят к процессам передачи энергии возбуждения одних атомов газа, другим, от молекулы с высоким потенциалом возбуждения  молекуле с низким значением потенциала возбуждения (табл. 5.4.1, рис. 5.4.4).

Таблица 1

Некоторые физические свойства газов

 

Газ

Первый потен-

циал

возбуж-дения

эВ

 

Средняя

поляри-

зуемость

٠1024см2)

Диполь -ный

момент,

Д

Удельная магнитная

восприим-чивость

3/кг)

Электро-отри-цатель-        ность абсолют-ная,эВ

Удельная

магнитная

восприим-

чивость

 м3/кг

Н2

11,2

0,606

0

-2,5·10-9

7,18

-2,5 · 10-9

Не

20,9

0,206

0

-5,9·10-9

12,3

-5,9 · 10-9

Ne

16,6

0,408

0

-4,2·10-9

10,6

-4,2 · 10-9

Ar

11,5

1,64

0

-6,16·10-9

7,70

-6,16 · 10-9

N2

8,2

1,74

0

-5,4·10-9

7,30

-5,4 · 10-9

CO2

 

До 4-х

0

 

 

 

CO

 

 

0,1

 

 

-

 

O2

 

7,9

 

2 магнето-на Бора

 

+1,355·10-9

7,54

+1,355·10-9

H2O пар

 

1,85

1,85

 

 

+1,355٠10-9

NO2

 

1,161

0,161

 

 

 

NO

 

1,15

0,15

 

 

 

Kr

9,9

2,49

0

-4,32·10-9

6,8

-4,32 · 10-9

Xe

8,3

4,02

0

-4,20·10-9

5,85

-4,20 · 10-9

 

  • - потенциал возбуждения инертных газов значительно выше, чем азота и кислорода (8,2 и 7,9 соответственно);
  • азот, кислород, водород, окись углерода, а также углекислый газ имеют потенциалы ионизации, превышающие энергию возбуждения метастабильного уровня аргона (11,7 эВ) и поэтому его влияние на них может быть существенно.

 

      Именно в этом заключается механизм активации и дезактивации различных газов в смешанных дыхательных смесях, механизм потенцирования азотного наркоза кислородом или двуокисью углерода. При этом обстоятельстве надо искать антигипоксические механизмы аргона в азотной среде с пониженным содержанием кислорода. Именно в этом механизме скрываются причины разного поведения кислорода при 4% содержании в азотной среде и в воздухе.

                           He          Ne          Ar          Н2              Kr          Xe                       N2          О2

                           Рис.5.4.4. Энергия возбуждения 1-го электрона (эВ).

 

        Структура и свойства любых газовых атомов, молекул, которые временно внедряются в полости ассоциатов воды биологических жидкостей, в первую очередь, определяются их процентным содержанием (соотношением)  в смешанной полости, способности к поляризации, которые для отдельных молекул H2O или CO2 являются наибольшей, а для O2 и лёгких инертных газов наименьшей. Молекула кислорода имеет свои особенности при внедрении в водные структуры биологических жидкостей.

      Десатурация газа закончилась, а физиологические, метаболические эффекты продолжают регистрироваться. Значимость постксеноновых (постгазовых) эффектов обратно пропорциональна растворимостиинертных и неполярных газов (у Н2, Не, Ne они почти не проявляются). Такая зависимость свидетельствует больше о силе воздействия требуемых внешних физических факторов для активации газов, например – парциальное давление в смеси гелия должно быть больше 13,0 МПа  (в 130 раз больше, чем ксенона). Эти данные также свидетельствуют, что гелий не будет вызывать наркоз при погружении, как минимум, до 1300 м.       

        В последнее десятилетие большое внимание привлекает к себе результирующий дипольный момент, возникающий в полости ассоциата воды (Моро с соавт., 2006; Стехин  А.А.  с соавт., 1999;  Рахманова О.Р., 2009 и др.).   Дипольный момент ассоциата  из 2-4 молекул воды будет больше по сравнению с дипольным моментом  отдельной молекулы. Дипольный момент молекулы воды составляет µн2о = 1,84 D = 6.17093 ٠ 10-30 Кл ٠ м (Бабичев А.П. с соавт., 1991). Для димера, образованного двумя молекулами воды, величина дипольного момента составляет µ(Н2О)2 = 2,683 D = 8,94952 ٠ 10-30 Кл ٠ м (Gregory J.К., et al., 1997). Это электрическое поле внутри ассоциата способствует поляризации и созданию мгновенного дипольного момента у внедрённых газов. В результате приобретения дополнительного электрического заряда, поляризации и возникновения мгновенного индуцированного диполя изменяются физико-химические характеристики атомов и молекул.

         Увеличивается сила взаимодействия гость-хозяин, прочнее становится водородная структура ассоциата – кластера, усиливается взаимное влияние молекул газа и воды, усиливается межмолекулярное взаимодействие. Происходят фазовые (предфазовые) превращения, которые при изменении термодинамического равновесия быстро проходят, возвращая взаимодействующие структуры (газ, вода) в исходное состояние.

        Своими изменёнными свойствами вода оказывает действие на растворённые и внедрённые вещества, в том числе и различные газы, раскрывая аномальность взаимодействий. Можно с уверенностью предположить, что во многих, если не в большинстве биологических жидкостей должны существовать структурные флуктуации как прекурсоры  различного разделения фаз. Фазы в данном случае определяются как области с характерной структурой или составом, разделённые границей (Mazurin O.V., Porai-Koshits E.A., 1984).

        Кластеры  с индуцированным дипольным моментом атома или молекулы газа увеличивают время его существования на 10-12 порядков. Дипольный момент образованного кластера как минимум на порядок больше, чем у одной молекулы воды (Шевкунов С.В.,2001). Активность кластеров зависит от существования (наличия) у них суммарного электрического дипольного момента  (Галашев А.Е. с соавт.,2005; Sauer J. с соавт.,2005). Величина его зависит от среднего дипольного момента отдельных молекул, который из-за дополнительной поляризации в кластере существенно увеличивается и достигает 2,5 – 3,1 Д и более (Gregory J.et al.,1997; Batista E. et al., 1999).             Поляризация тяжёлых инертных газов, а затем и взаимная поляризация молекул воды и атомов газа, требуют учитывать многие виды энергии:

- энергию взаимодействия дипольных молекул воды в ассоциате – кластере;

-  энергию взаимодействия молекул воды с подвижным дипольным моментом атома инертного газа;

- энергию взаимодействия возникших дипольных моментов (индуцированных диполь-диполь);

- энергию на образование индуцированных дипольных моментов;

- энергию отталкивания и дисперсионных сил.

        Под действием электрического поля молекул воды кластера электронные облака атома инертного газа смещаются относительно ядер на расстояния, меньше самого размера атома. Поляризация различна для различных квантовых состояний атома, соответствующих той же его энергии. Возможно появление явления Штарке (расщепление уровней энергии).

         Электронная поляризуемость атома инертного газа  служит мерой его устойчивости (деформируемости) (Потапов А.А., 2004). На внутренней поверхности кластера (сетки водородных связей) сумма дипольных моментов молекул воды не равна нулю, то есть  заряды молекулы воды строго ориентированы и поверхность, таким образом, обладает суммарным  электрическим полем. Происходит поляризация атома инертного газа, если сродство к электрону внутренней поверхности кластера инертного газа велико.       

         Каждое вещество имеет своё структурирующее и деструктурирующее действие на молекулы воды, влияет на ближний и дальний порядок действия. Характерно, что все вещества (в том числе и инертные, неполярные) или уже имеют дипольные моменты, или приобретают их в ассоциатах - индуцированные дипольные моменты - на период термодинамического равновесия. Существенную роль в этих процессах играет водорастворимость веществ, а для органических молекул ещё и наличие в них нескольких атомов или групп, способствующих включению их (вместе с молекулами) в сетку водородных связей молекул воды.

         Роль гидратной оболочки внедрённых в воду веществ сводится к созданию внутри полости электрического поля, которое влияет на молекулы вещества, вызывая поляризацию и индуцированный диполь, или усиливая диполь полярной молекулы. Большую роль при этом играет пространственная форма и размер внедрённой молекулы (Кирш Ю.Э., Тимашев С.Ф., 2001).

      Если предположить, что кластер молекул воды биологических жидкостей является микрореактором (электрическое поле 15-35 D и более; мгновенное давление 8-10 МПа; диэлектрическая проницаемость воды – 80; низкая энергия возбуждения тяжёлых инертных и других газов, их разрыхлённая внешняя электронная оболочка и др.), эти процессы возможны в живых организмах.

       Индивидуальные свойства атомов и молекул газов чётко проявляются в зависимости от наличия дипольного момента, атомной массы (лёгкие – тяжёлые инертные газы) и др.

         В воде растворимость аргона лишь в два раза превышает свободный объём. Это указывает на явное преобладание в воде при 298о К пустотного механизма над сольватационным, причём доля специфического в взаимодействия в воде близка к единице (в воде 0,93, в метаноле 0,66).

      Неполярные атомы тяжёлых инертных газов, особенно ксенон, поляризуясь, так изменяют структуру водородных связей растворителя, что это приводит к ещё большему увеличению растворимости, в том числе и в липидах. При приобретении индуцированного дипольного момента увеличивается растворимость инертного газа в воде (в организме ксенона растворяется до 15 л за сеанс наркоза).

        Аргон является наиболее гидрофобным веществом. С ростом концентрации аргона наблюдается увеличение  количества молекул воды с четырьмя и более связями при уменьшении содержания молекул воды  с двумя и тремя связями  (Железняк Н.И., 2006).

        Молекулы кислорода могут взаимодействовать с молекулами воды с образованием двух видов кластеров: с водородной связью и без неё, причём второй вид конфигурации более предпочтителен. Этот вывод подтверждают данные расчетов, которые свидетельствуют о том, что молекулы воды ориентированы относительно молекул  О2 таким образом, что образовавшаяся ячейка не имеет результирующего дипольного момента, т.е. полностью симметрична.

      Для внедряемых атомов и молекул неполярного газа характерен эффект второго газа (углекислого газа, закиси азота и др.). Например, при использовании закиси азота в комбинации с другим ингаляционным анестетиком, он быстрее достигает анестезирующего парциального давления. Этому способствует высокая растворимость закиси азота в крови – она в 35 раз выше растворимости азота  атмосферного воздуха.

       Надо иметь в виду при исследованиях  биологического  поведения кластеров, что газы и частицы, входящие в состав кластера,  сохраняют свою химическую индивидуальность, но кластер может выступать и в качестве самостоятельной химической единицы (Лахно В.Д., 2001; Суздалев И. П., 2006).

       Обращает на себя внимание, что все атомы и молекулы газов имеют различное число электронов, массу  и тип движения. Так, инертные (от Не до Хе), индифферентные двух- и трёхатомные (Н2, N2, СО2) в своём основном состоянии, обладают только поступательным типом движения. При приобретении индуцированного дипольного момента эти газы получают и колебательный тип движения. Газы, имеющие постоянный дипольный момент (N2O, CO и др.), имеют и поступательный, и колебательный тип движения. Многоатомные молекулы газов (NH3, C2H6 и др.) имеют ещё и вращательный тип движения. Связь между этими явлениями не случайна. Именно в эти вращательные и колебательные  движения может переходить энергия электростатического поля. При переходе обратно в основное состояние атомы и молекулы газа, обладавшие индуцированным дипольным моментом, оставляют эту энергию в покинутых ими ассоциатах (кластерах) воды биологических жидкостей. Поэтому эти ассоциаты обладают повышенной энергией, по сравнению с обычными, существующими постоянно, и оказывают постгазовое воздействие. Вероятно, этим можно объяснить, что лёгкие инертные газы (He, Ne) и индифферентный газ Н2 не обладают эффектом последействия.

         Закон Генри применим, пока раствор остаётся разбавленным, при более высоких концентрациях он не соблюдается. Считается, что вещество должно находиться в одинаковом молекулярном состоянии и в газе, и в растворе. Например, водород, растворяясь в воде, остаётся в ней в виде двухатомных молекул Н2. Однако, это не совсем так – вещество входит в организм (вдыхается) в основном или возбуждённом состоянии, выдыхается только в основном состоянии. В организме газ может находиться в метастабильном, поляризованном состоянии, с индуцированным или усиленным дипольным  моментом (за счёт электростатического поля ассоциатов воды) и др. Всё зависит от физического состояния  молекул газа.

         При наличии у газа постоянного дипольного момента или возникновения индуцированного, при присутствии свободных связей у кластирующих частиц образуются устойчивые молекулярные образования с повышенной энергетикой. Кластеры с водородными связями обладают значительно более сложными поверхностями потенциальной энергии, чем атомные кластеры (например, кластеры инертных газов).

      Вода является конструкционным материалом при образовании гидратов в живом организме. Её масса в гидрате может составлять 97-98%. Поэтому значение свойств и состояния воды в живом организме на молекулярном уровне необходимо знать как для раскрытия сущности процесса образования гидратов, так и процессов, происходящих в газогидрате при вводе третьего (четвёртого) вещества (газа - разбавителя или заместителя).

         Все биологические жидкости при обычных атмосферных условиях содержат газы.  Многочисленные практические наработки позволяют сделать вывод, что клатратные и полуклатратные водные каркасы в биологических жидкостях не уступают по многообразию известному классу соединений на основе кремнезёма (каркасные силикаты, цеолиты и т.д.). Структурная химия клатратных гидратов в биологии и медицине практически не разработана.         

      Недавно обнаружено действие слабых магнитных и электрических полей на структуру и физико-химические характеристики  внедрённых газов. Например, кластеры воды, содержащие до 20 молекул, способны адсорбировать до 10 молекул СО, СО2, NО, N2O и других (Рахманова О.Р.,2009). Адсорбцию под действием сил ван-дер-ваальса называют физической. Силы ван-дер-ваальса  – это электростатические наведённые силы, обусловленные деформацией внешних электронных оболочек. Они относятся к слабым силам. Энергия связи под действием этих сил составляет 0,01 – 0,3 эВ в зависимости от материала поверхности и рода взаимодействующих частиц, вплоть до нейтральных. Силы проявляются при приближении элементов к поверхности на расстояние                    3 – 10 Å, и относятся к дальнодействующим. Особенностью этих сил является отсутствие у них активационного барьера. Силами ван-дер-ваальса в основном обусловлена физическая адсорбция органических молекул, атмосферных частиц, многоатомных молекул и инертных газов. При физической адсорбции инертных газов, а также молекул N2, O2,  H2 и СО2  преобладают дисперсионные силы. При физической адсорбции молекул H2O, CO, и NH3 преобладают ориентационные силы.

        Уравнения  относятся к взаимодействию двух изолированных частиц (атомов, молекул, ионов). Взаимодействие ансамблей молекул - макроскопических тел - результат суммирования всех видов взаимодействий. Сумма энергии парных взаимодействий является только первым приближением к истинному значению энергии взаимодействия молекул в ансамблях. В этой области проявляются свойства объёмных фаз. 

        Переход атомов и молекул газа обратно в основное состояние происходит скачком и в течение времени нарушения термодинамического равновесия, на которое можно влиять.  Эффект зависит от энергетических состояний водородных связей между атомами кислорода в молекулах воды и водородными атомами в соседних молекулах, которые остаются увеличенными после выхода неполярного газа из водной полости.

 

 

Глава 6. Оксиды азота

 

Хорошо изучены соединения азота с кислородом N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5, N2O4.Из них при непосредственном взаимодействии элементов образуется окись NO, которая легко окисляется далее до двуокиси NO2. В воздухе окислы азота образуются при атмосферных разрядах. Их можно получить также действием на смесь азота с кислородом ионизирующих излучений. Закись азота является постоянной микропримесью воздуха и действует практически как индифферентный газ, а в очень больших концентрациях в смеси с кислородом – как наркотик.

      Основные физико-химические константы оксидов азота приведены в таблице 6.1.

                                                                                                                         Таблица 6.1.

Физико-химические свойства оксидов азота

Параметр

NO

Оксид азота

NO2

Диоксид азота

N2O

Оксид диазота

Относительная молекулярная масса

30,006

46,008

44,012

Плотность при 200С, г/м3

1,340

1,491

1,9778

Мольный объем при нормальных условиях, л

22,388

22,37

22,25

Цвет

Бесцветен

Красно-бурый

Бесцветен

Критическая температура, оС

-92,9

158,2

36,45

Критическое давление, МПа

6,335

9,807

7,254

Температура при 0,1013 МПа, оС:

кипения

плавления

-152,8

-163,8

21,15

-11,2

-89

-91

Ср, Дж/(моль*К)

29,86

37,18

38,63

Н0обр, Дж/(моль*К)

91,69

34,2

81,6

S0298 Дж/(моль*К)

210,64

240,06

219,90

???

       Как следует из таблицы 6.1, все три оксида даже при парциальном давлении 0,1013 МПа (в дымовых газах парциальное давление на три порядка меньше) и температуре более 22о С находятся в газообразном состоянии. Оксид азота и оксид диазота растворяются в воде без химического взаимодействия с ней, наименее растворим оксид азота. Его растворимость примерно равна растворимости воздуха. Оксид диазота растворяется в воде в количестве на полтора порядка больше. При растворении диоксида азота образуются азотистая и азотная кислоты.

        Данные, представленные в таблице 6.2, соотнесены к парциальному давлению NO 0,1013 МПа. В дымовом газе это давление в 1000 раз меньше. Следовательно, в соответствие с законом Генри, растворимость газа в 1м3 воды при 20о С составит не более 0,047 л (63 мг).

                                                                                                               Таблица 6.2.

Растворимость оксидов азота в воде при различных температурах

Вещество

А*103 при 0,1013 МПа, м33

 

 

Температура, оС

 

 

0

10

20

40

60

80

 

Оксид диазота

1300

-

630

-

-

-

 

Оксид азота

73,81

57,09

47,06

35,07

29,54

27,0

 

 

     Все оксиды азота проявляют резко выраженные окислительные свойства, восстанавливаясь до азота. Газофазное восстановление оксидов азота типичными реагентами-восстановителями (H2, CO, NH3, CH4) и другими органическими соединениями протекает необратимо при температурах 300-1500 К. Применение катализаторов значительно снижает температуру реакции до 250-500о С. Процесс восстановления оксидов азота, протекающий в присутствии кислорода называют селективным.

В организме NО может преобразовываться в другие формы оксидов азота, которые определяют особенности его биологического действия (Горрен А.К., Майер Б.Ф., 1998). В зависимости от локального восстановительного потенциала в клетках и тканях NO существует в трех взаимосвязанных редокс-формах: оксид азотного радикала (NО•), нитрозониевого катиона (NО+) и нитроксильного аниона (NО-). Эти формы обладают различной реактивностью и существенно разнообразят регуляторные и токсичные свойства NО.

В организме существует мощная нитрат/нитрит-редуцирующая система, способная восстанавливать нитраты и нитриты в NО, что указывает на наличие в нем цикла оксида азота. Влияние нитрита на клетки в значительной мере является самостоятельным и не зависит от дальнейшего, как принято считать, востановления в NО. Это подтверждается синергическим характером комбинированного действия на клетки нитропруссида натрия, (донора NО) и нитрита натрия. Получены прямые доказательства самостоятельного цитотоксического влияния нитрита, несколько уступающего NО, но на порядок превышающего действие нитрата.

Форма, в которой NО высвобождается из клеток и осуществляет физиологические функции, активно дискутируется.
        
N2O3 образуется в организме в результате аутооксидации NО в присутствии молекулярного кислорода:

 
 
 
 

 

 

 

 

 

Благодаря своей гидрофобности NO и О2 могут накапливаться в липидном слое мембран или внутри белков в очень высоких концентрациях, способных ускорить эту реакцию в тысячи раз. N2O3, являясь источником катиона нитрозония, обладает сильной способностью к нитрозированию.

6.1. Окислы азота и их влияние на человека

      Все оксиды азота физиологически активны и поэтому опасны для человека. Оксид диазота N2O (закись азота, “веселящий” газ) в больших концентрациях вызывает удушье. Монооксид азота NO - нервный яд; подобно СО он способен присоединяться к гемоглобину крови, образуя нестойкое нитрозосоединение, которое трансформируется в метгемоглобин, при этом Fe3+ переходит в Fe3+, не способный обратимо связывать кислород. Концентрация метгемоглобина в крови 60-70% считается летальной. Диоксид азота раздражает легкие и слизистые оболочки, в больших концентрациях вызывает отек легких, понижает кровяное давление.

        Первичное воздействие оксидов азота на организм человека связано с образованием азотной и азотистой кислот при их контакте со слизистыми оболочками. Вторичное действие оксидов азота проявляется в образовании нитритов в крови, что приводит к нарушению сердечной деятельности. Уже при концентрации диоксида азота в атмосфере более 100 мкг/м3 увеличивается число респираторных заболеваний. Вероятно, подобный эффект связан с тем, что NO2 повышает восприимчивость к патогенным агентам, вызывающим эти заболевания. Имеются сведения о влиянии диоксида азота на продолжительность заболеваний. В полтора-два раза сокращаются сроки лечения некоторых заболеваний и при дыхании ксеноном (Довгуша В.В. с соавт., 2007; Шамов С.А., 2005).

        Оксид азота, образующийся главным образом естественным путем, безвреден для человека. Он представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. Вдыхание небольших количеств N2O приводит к притуплению болевой чувствительности, вследствие чего этот газ иногда в смеси с кислородом применяют для наркоза. В малых количествах N2O вызывает чувство опьянения. Вдыхание чистого N2O быстро вызывает наркотическое состояние и удушье.

        Оксид азота NO и диоксид азота N2O в атмосфере встречаются вместе, поэтому чаще всего оценивают их совместное воздействие на организм человека. Только вблизи от источника выбросов отмечается высокая концентрация NO. При сгорании топлива в автомобилях и в тепловых электростанциях примерно 90% оксидов азота образуется в форме монооксида азота. Оставшиеся 10% приходятся на диоксид азота. Однако в ходе химических реакций значительная часть NO превращается в N2O - гораздо более опасное соединение. Монооксид азота NO представляет собой бесцветный газ. Он не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не почувствовать. При вдыхании NO, как и CO, связывается с гемоглобином. При этом образуется нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при этом Fe2+ переходит в Fe3+. Ион Fe3+ не может обратимо связывать O2 и таким образом выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация метгемоглобина в крови 60 – 70% считается летальной. Но такое предельное значение может возникнуть только в закрытых помещениях, а на открытом воздухе это невозможно.

 

 

6.2. Оксид азота (II) NO

      Оксид азота с периодом полураспада от 2 до 30 с,  представляет  растворимый в воде и жирах бесцветный газ, с уникальными физиологическими свойствами. Оксид азота – химическое соединение группы окисей азота, в котором азот присутствует во II степени окисления. Это свободный радикал, который является важным промежуточным продуктом химических реакций. Оксид азота является важной составляющей клеточных сигнальных молекул, участвующих во многих физиологических и патологических процессах и повышает уровень кислорода внутри тела. В природе он образуется в атмосфере при грозовых разрядах: N2 + O2 > 2NO - 180,9 кДж и тотчас же реагирует с кислородом 2NO + O2 > 2NO2. В химическом отношении NO представляет собой маленькую липофильную молекулу, состоящую из одного атома азота и одного атома кислорода и имеющую неспаренный электрон, что превращает ее в высоко реактивный радикал, свободно проникающий через биологические мембраны и легко вступающий в реакции с другими соединениями. Маловыраженная поляризация молекулы NO – одна из причин плохой растворимости NO в воде. В химические реакции с водой NO не вступает, и не является солеобразующим окислом. Кислород легко окисляет NO до солеобразующих окислов азота, в которых атомы азота имеют более высокие валентности и более высокие степени окисления.         
          
Возможность ионизации NO с образованием катиона нитрозония (NO+) указывает на свойства NO как восстановителя. Спектр веществ, в отношении которых NO себя проявляет как восстановитель, невелик. К ним относятся молекулярный кислород (О2), озон (О3), супероксиданион 2-), молекулярный фтор (F2). Возможность ионизации NO с образованием аниона нитроксила (NO) указывает на свойства NO как окислителя. В отношении биоорганических соединений NO себя обычно проявляет как окислитель.
          
Окись азота имеет две электронные структуры. Неспаренный электрон в них может находиться либо на атоме азота, либо кислорода. Наличие этих электронов обеспечивает магнитный момент у молекулы. Окись азота, за счет своих парамагнитных свойств, способна в магнитном поле образовывать полимерную структуру с общей электронной оболочкой. Кроме того, при образовании спиральной структуры полимерная NO-молекула создает собственное магнитное поле, направленное вдоль оси спирали, которое ориентирует отдельные молекулы NO и позволяет им встраиваться в полимерную цепочку. Прохождение тока по спирали приводит к расширению ее диаметра. Общая электронная оболочка в полимерной NO-молекуле приводит к тому, что она становится проводником электрического тока (Малахов В.О. с соавторами, 2009).
          Учитывая хорошую растворимость окиси азота в липидной среде, и слабую в водной, можно предположить, что липидная компонента организма, в том числе ненасыщенные жирные кислоты, является своеобразным депо для этих молекул. Между тем, поляризуясь и приобретая ИДМ  в полости ассоциатов воды биологических жидкостей, окись азота увеличивает свою способность растворяться в воде и тем самым быть ближе к востребованному участку и скорости реакции.
            Строение молекулыNO предположить достаточно просто: у кислорода два неспаренных электрона, у азота три – образуется двойная связь и один неспаренный электрон в остатке... Непросто ответить на вопрос, почему такая «нестандартная» молекула устойчива. Кстати, стоит заметить, что устойчивые свободные радикалы – молекулы с неспаренными электронами – в природе достаточно редки. Можно предположить, что молекулы NO будут спариваться и образовывать удвоенную, или димерную, молекулу ONNO. Таким образом, удается решить проблему неспаренного электрона.
        Существует правило отбора, которое ограничивает чис­ло возможных переходов электрона. Главное различие между двойными молекулами с одина­ковыми и различными атомными ядрами — это отсутствие центральной симметрии и неодинаковая вели­чина энергии у одноименных орбиталей. Энергетический уровень кислорода ниже уровня азота, в то время как в молекуле 0
2 такое явление не имеет места.
        Кристаллическая решетка молекулярная; молекула легкая, слабополярная (электроотрицательность кислорода выше, чем у азота, но не намного). Можно предположить, что температуры плавления и кипения будут низкими, но выше, чем у азота, так как какая-никакая полярность молекулы дает возможность подключать электростатические силы притяжения к просто межмолекулярным силам. Образование димера тоже способствует повышению температуры кипения, утяжеляя молекулу. Строение молекулы позволяет предположить и невысокую растворимость в воде – растворителе, более полярном, чем NO. Отдельно стоит подчеркнуть, что оксид азота(II) не имеет ни цвета, ни запаха.                                       
         Оксид азота (NO) по своей химической структуре относится к нейтральным двухатомным молекулам. Благодаря наличию неспаренного электрона на внешней π-орбиталимолекула NO обладает высокой реакционной способностью и свойствами свободного радикала. Молекулы NO легко диффундируют в биологических средах и являются достаточно долгоживущими: среднее время жизни в биологических тканях 5-6 с (Morin, e
t al., 1994), в физиологическом растворе — от 6 до 30 с (Sneddon, et al., 1998), а в воде, из которой удален кислород, NO сохраняется в течение нескольких суток.
      Наличие одного электрона с неспаренным спином придает молекуле NO высокую реакционную способность. Взаимодействуя с другими свободными радикалами, молекула NO способна образовывать ковалентные связи.
      Свободнорадикальная природа оксида азота позволяет этому соединению, как активировать цепные свободнорадикальные реакции, так и ингибировать их. Кроме того, оксид азота способен вступать в окислительно-восстановительные превращения, образуя многочисленные азотсодержащие соединения, в которых валентность атома азота может изменяться от -3 до +6.     
       Молекула NO парамагнитна, имеет угловую форму. В молекуле NO непарный электрон находится на энергетически невыгодной молекулярной орбитали, и поэтому не может образовывать устойчивой связи и может терять непарный электрон, образуя нитрозил [:N s=sO:]+. Ион NO+ изоэлектронен молекуле N
2. По своему характеру молекула NO относится к лигандам  донорно - акцепторного типа.
        Ещё один  путь метаболизма включает обpазование нитpозотиолов в быcтpой обpатимой pеакции. Возможно, нитpозотиолы, пpиcутcтвующие в плазме человека, это cтабилизиpованная фоpма NO в биологичеcкиx тканяx (Голиков П.П. с соавт., 2000). NО имеет наиболее высокий по сравнению с другими молекулами организма коэффициент диффузии (даже больше, чем у О2 и СО2) и беспрепятственно проникает через клеточные мембраны                 (Абрамов В.В., 1991). Легко вступает в реакции с О2 и особенно с супероксидом (О2-). Эта реактогенность ограничивает время его жизни (приблизительно 10 секунд) и радиус действия в тканях, не превышающий согласно расчетам 500 мкм. Тем не менее, такой протяженности распространения достаточно, чтобы NO мог принимать самостоятельное участие в коммуникации как внутриклеточной, так и между соседними клетками. Более поздние данные показали, что биологическое время полужизни NO в паренхимных (экстраваскулярных) тканях изменяется в пределах 0,09-2 с, в зависимости от концентрации О2. NO влияет на уровень О2 в тканях через угнетение клеточного дыхания и тем самым контролирует время собственной полужизни (Арутюнов Г.П., 2001). Благодаря своей гидрофобности NO и О2 могут накапливаться в липидном слое мембран или внутри белков в очень высоких концентрациях, способных ускорить эту реакцию в тысячи раз. В зависимости от локального восстановительного потенциала в клетках и тканях NO существует в трех взаимосвязанных редокс-формах: оксид азотного радикала (NО•), нитрозониевого катиона (NО+) и нитроксильного аниона (NО-). Эти формы обладают различной реактивностью и существенно разнообразят регуляторные и токсичные свойства NО.

 

 6.3. Синтез оксида азота                                                                                            6.3.1. Общие положения

       В организме человека NO образуется из аминокислоты - аргинина в результате реакции, которая катализируется ферментом, получившим название NO-синтетаза (синтетаза окиси азота - СОА). Оксид азота - это очень маленькая молекула (газ), локально производимая в большинстве клеток организма, и постоянно синтезируется в нашем организме. Суточная потребность в аргинине составляет 6,1 г. Регулярные тренировки способны поднять уровень NO в мышцах.  Суточная продукция NO одним только эндотелием составляет 1,7 ммоль, а базальная концентрация газа в плазме приближается к 3 нмоль (уровень NO для клеток эндотелия оценивается в 4 пмоль/мин на 1 мг белка) (Березов Т.Т., 1998). Вследствие быстрого перехода в нитраты и нитриты свободный радикал NO имеет короткий период полужизни, что объясняет трудности его выявления в биологических жидкостях.
         
Среднее содержание нитритов/нитратов в крови у
здоровых людей составляет около 10 мкмоль, а в моче – 50 мкмоль (Аронов Д.М. 2000). У детей нормальный уровень метаболитов NO в крови достигает ~ 25 (20-28) мкмоль. Необходимо отметить, что у новорожденных в дневные часы концентрация нитритов/нитратов в моче составляет всего 2-3 нмоль/мл, тогда как в ночное время она повышается до 14-16 нмоль/мл (Акмаев И.Г., 1998). Показатели нитритов/нитратов в моче здоровых людей равномерно распределяются в течение суток и не зависят от их пола и возраста. Считается, что общая продукция окиси азота в организме превышает 100 мг в сутки. Период полураспада NO или ее комплексов в организме колеблется от 1 до 6 с, что достаточно для диффузии через внутриклеточную среду, клеточные мембраны и внеклеточную среду.
           На сегодняшний день имеется достаточно большое количество сведений об источниках, путях поступления и преобразования оксида азота в биологических системах. Однако не все механизмы цикла оксида азота полностью изучены и осмыслены, что требует проведения дальнейших исследований в этой сфере. Например, экзогенные донаторы NO высвобождают её, по-видимому, без участия специально синтезируемых энзимов. К подобным донорам относятся такие лекарственные препараты, как нитросорбит, эринит и нитроглицерин.  
        По нашему мнению, к таким донорам можно отнести постоянные процессы мгновенного образования
NO в полостях молекул воды биологических жидкостей, увеличивающиеся при стрессах и отмеченные при оксибаротерапии.
       Оки
cь азота, обpазовавшиcь, выполняет cвои физиологичеcкие функции и подвеpгаетcя метаболизму одним из тpеx оcновныx cпоcобов, пpичем вpемя полужизни cоcтавляет неcколько cекунд  (Гоженко А.И. с соавт., 2000).         
       Оcновной путь метаболизма – это pеакция c гемопpотеинами. Во-пеpвыx, многообpазные клеточные эффекты NO (pаccлабление гладкиx миоцитов и т.д.) запуcкаютcя пpи cвязывании окиcи азота c гемcодеpжащим феpментом гуанилатциклазой. Во-втоpыx, NO быcтpо pеагиpует c гемоглобином эpитpоцитов, обpазуя метгемоглобин и анионы NO2 и NO3(Голиков П.П. с соавторами, 2000).
       
Втоpой путь метаболизма NO, объяcняющий цитотокcичноcть окиcи азота, pеакция c cупеpокcид-анионом (О2), чеpез пеpокcинитpит (ONОO) пpиводящая к обpазованию гидpокcил-pадикала (ОН). Оба этиx вещеcтва окcиданты, выcокоактивные в отношении липидов, белков и нуклеиновыx киcлот.  
           Тpетий путь метаболизма включает обpазование нитpозотиолов в быcтpой обpатимой pеакции. Возможно, нитpозотиолы, пpиcутcтвующие в плазме человека, cтабилизиpованная фоpма
NO в биологичеcкиx тканяx (Малахов В.О.  с соавторами, 2009).
          Избыточная продукция NO чревата немедленными тяжелыми последствиями. Это реализуется при эндотоксическом шоке, когда грамотрицательные бактерии вызывают мощное образование NO в гладких мышцах сосудов, что приводит к падению кровяного давления и развитию характерных для шока нарушений кровообращения.
         По оценкам ученых, в развитых странах человек  получает с едой и питьем до 400 мг нитрат-иона в сутки. Между тем известно, что продуцируемая организмом окись азота в итоге окисляется до нитрат-иона, количество которого сопоставимо с приведенной цифрой. Это подтверждается тем, что при отсутствии внешних источников нитрат-иона его обнаруживают в моче, причем его повышенное выделение может быть вызвано теми или иными заболеваниями, что можно использовать в диагностических целях.
 
           Спортсмены постоянно заинтересованы в повышении содержания кислорода в атмосферном воздухе, а закись азота дает нам простой инструмент для увеличения его в организме.  Это удобный способ добавить дополнительный кислород для ускоренных метаболических реакций спортсмена.  Она позволяет увеличить количество энергии для окисления биохимических реакций в том же самом интервале времени, как простое увеличение парциального давления чистого кислорода.Лучше всего увеличивает образование оксидов азота в организме человека и животных аргон. Криптон и ксенон так же этому могут способствовать.  Водород, гелий, неон на этот процесс не оказывают в биологических системах никакого влияния.
          Имеется ли связь с повышением р
N2 во внешней среде с синтезом N-оксидов внутри организма? До настоящего времени это не известно.  Однако эта связь уже давно выявлена, только обосновать её существующими (известными) механизмами пока не могут.
       Является фактом влияние на организм повышенного парциального давления азота в гипоксическую фазу  интервального гипоксического воздействия (Евдокимолва  Л.Н., Кулешов В.И., 2008). Известно, что умеренная периодическая гипоксия вызывает небольшое увеличение продукции
NO, который в этом случае выступает в роли физиологического регулятора формирования адаптации к гипоксии. Увеличение уровня NO приводит к формированию депо NO, одной из функций которого, является зашита от токсического действия  его избытка. Важно, что эффективность депонирования NO определена генетически (Manukhina I., 2001).
        Не вызывает сомнения факт увеличения продукции NO по Са2+- зависимому пути в условиях гипоксии как на центральном, так и периферическом уровнях (Малышев И.Ю., Манухина Е.Б., 1999; Fleming I. еt al., 1978).

6.3.2. Биологическая роль

       Прежде чем приступить к рассмотрению некоторых конкретных примеров проявления биологической активности NO у человека и животных, следует еще раз указать на полифункциональность его действия, которую нельзя сводить только к «положительным» или только к «отрицательным» эффектам. Биологический ответ на NO в значительной степени определяется условиями его генерации – где, когда и в каком количестве продуцируется это соединение.       Все многообразие биологических эффектов NO можно разделить на 3 направления:                                                                                                                           1. Регуляторное влияние NO на сосудистый тонус, адгезию клеток, проницаемость сосудов, нейротрансмиссию, бронходилатацию, агрегацию тромбоцитов, систему противоопухолевого иммунитета, функцию почек.                                                                                               2. Защитное действие NO, проявляющееся в его антиоксидантной активности, ингибировании адгезии лейкоцитов и защите от токсического воздействия фактора некроза опухолей.                                                                                             3.  Повреждающее действие NO, проявляющееся в ингибировании ряда ферментов, нарушении структуры ДНК, индукции процессов перекисного окисления липидов, снижении антиоксидантного потенциала клеток, повышении их чувствительности к радиации, алкилирующим агентам и токсичным ионам металлов  (Зеленин К.Н., 1997).


       Характер влияния NO на различные биохимические и физиологические процессы, как и у других неполярных газов,  разделяют на прямые и косвенные (непрямые) (Довгуша В.В., 2012-2013).    Действие NO осуществляется через прямые и опосредованные эффекты: прямые эффекты наблюдаются в тех случаях, когда с биологическими макромолекулами взаимодействует сам NO; опосредованные эффекты реализуются не NO, а продуктами его взаимодействия с другими соединениями, в первую очередь О2 и О-2.
      Ярким примером прямого регуляторного действия NO может служить его вазодилататорная активность. Сосудорасширяющее действие NO связано с активацией растворимой формы фермента гуанилатциклазы. Гуанилатциклаза катализирует биосинтез циклического 3,5-гуанозинмонофосфата (цГМФ) из гуанозинтрифосфата. Как известно, цГМФ оказывает модуляторное действие на многие клеточные процессы. Характерной особенностью растворимой гуанилатциклазы является присутствие в ней гемовой группы. NO связывается с Fe гемма и специфично изменяет его структуру. Такая структурная перестройка приводит к резкому возрастанию активности гуанилатциклазы (до 400-кратного) и накоплению цГМФ. Активизирующее действие NO проявляется при его очень низких концентрациях.
         Основной мишенью при прямом влиянии осуществляется при непосредственном взаимодействии
NO с биомолекулами.  Примером служит гемовое железо гемоглобина, миоглобина, гуанилатциклазы, цитохрома Р-450, NO-синтаз и других гемсодержащих белков. NО взаимодействует также с негемовым железом, входящим в состав железосерных белков и нуклеиновых кислот, и свободным железом (Fe3+). Оксид азота ингибирует опосредуемые Fe3+ оксидативные реакции и тем самым проявляет антиоксидантное действие. Кроме того, NО тормозит процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ), препятствуя, очевидно, их распространению. Мишенями прямого действия NО являются Сu и Zn, входящие в состав ферментов, и высокоэнергетические свободные радикалы (радикалы с углеродным центром, липидные, диоксида азота). Прямые эффекты NO доминируют в организме при физиологических условиях, когда эта молекула синтезируется, преимущественно конститутивными формами NOS в низких количествах. При этом концентрация NO в тканях составляет 0,1-1 мкмоль, в то время как O2- в силу высокой супероксиддисмутазной активности – меньше на три порядка. Благодаря прямому действию NO осуществляются главным образом его регуляторные и сигнальные функции (Drexler H.  et al., 1991; Yusuf S. et al., 1988; Малахов В.О.  с соавт., 2009).
       
Непрямое действие оксида азота опосредуется через его реактивные формы (
RNOS), являющиеся продуктом реакции NО с О2, О2- или Н2О2. Непрямое влияние NО проявляется при увеличении его синтеза, которое наблюдается при воспалительных процессах различной этиологии (при активировании фагоцитарных клеток концентрация NO возле них может достигать 10 мкмоль), а так же при гипербарии и сочетается с усилением образования реактивных форм кислорода (ROS)(Драпкина О.М.,  2000; Довгуша В.В. 2012-2013).Непрямое действие NО реализуется через S-, N- и О-нитрозирование, при котором катион нитрозония (NО+) присоединяется к аминам, тиолам или гидроксильным группам ароматических соединений, через нитрование, осуществляемое путем присоединения нитрогруппы (NO2) к биомолекулам (наиболее чувствительны к нитрованию ароматические кольца, в частности тирозина), а также через окисление или гидроксилирование биомолекул. Характерно, что прямое и непрямое действие NО в клеточных компартментах происходит одновременно, но выражено неодинаково из-за различий в синтезе NО и О2-, a также потому, что О2- в силу наличия заряда плохо диффундирует сквозь мембраны(Затейщикова А.А. с соавт., 1998).  
         Оксид азота относится к эндогенным регуляторам клеточных функций с широким спектром действия. Он может быть переносчиком сигнала, регулятором метаболизма, а также токсичным агентом.
NO может осуществлять свое действие в организме в зависимости от концентрации либо как медиатор, контролирующий биохимические реакции и функции различных органов и систем (в физиологических концентрациях), либо как токсический агент (при повышенных концентрациях) (Грацианский Н.А., 1997; Tsao P.S. et al., 1997). При этом, цитотоксический или цитопротекторный эффекты зависят от суммарного действия многих внешних стимулов и статуса клеток. Наиболее распространенным в физиологических условиях проявлением цитотоксического действия является апоптоз (Sapirstein A., 2000).
          
Биологический эффект NO может быть разнонаправленным и изменяться в зависимости от конкретной физиологической ситуации. Эффекторное действие молекулы будет зависеть не только от ее индивидуальных химических свойств, но и от цитозольного окружения, активности других ферментных систем и, наконец, от общего уровня метаболизма клетки(Гусев Е.И. с соавт., 1999; Малахов В.А., с соавт., 1999; Grines C.L., 2006).
         
Функциональная активность NO и его метаболитов реализуется либо опосредованно через
cGMP, либо непосредственно при взаимодействии с физиологически важными молекулами. В первую очередь следует выделить роль NO в клетке в качестве мессенджера, прямым образом связанную с регуляцией им ионного гомеостаза.
         
Изучение различных аспектов взаимодействия оксида азота с митохондриями привлекает внимание широкого круга исследователей. Накоплен значительный материал, показывающий, что NO непосредственно вовлекается в регуляцию энергетических функций митохондрий (Евсеев В.А с соавт., 2002; Маленюк Е.Б. с соавт., 1998).Обратимо связываясь с комплексами дыхательной цепи, NO и его производные подавляют дыхание органелл и снижают потребление кислорода в работающих мышцах, в частности скелетных, и миокарде. Нарушение переноса электронов комплексами дыхательной цепи, сопровождаемого экструзией протонов из митохондриального матрикса и создающего разность потенциалов на внутренней мембране митохондрий, приводит, помимо снижения мембранного потенциала, к повышенному образованию свободнорадикальных и пероксидных соединений – продуктов неполного восстановления кислорода. Эти активные формы кислорода (АФК) сами по себе, а также связываясь с NO и другими активными формами азота, способны существенно повреждать работу дыхательной цепи, нарушать сопряженность окисления и фосфорилирования, оказывая, тем самым, влияние на способность митохондрий к образованию энергетических ресурсов клетки.
        Другой существенной причиной повышенного внимания к выяснению роли
NO в регуляции митохондриальных функций является интерес к молекулярным механизмам апоптоза и некроза, в которых митохондриям отводится едва ли не центральное место. Согласно данных литературы, роль NO в реализации программы клеточной смерти – апоптоза, не однозначно негативна, активные формы азота – NO и его производные, в частности пероксинитрит – способны окислять тиолы митохондриальных мембран, вызывать открывание митохондриальной поры и, тем самым, приводить в действие пусковые механизмы высвобождения в цитозоль проапоптозных факторов из матрикса и межмембранного пространства(Moss A.J. et al., 1993).

       Цитотоксическое действие NO направлено преимущественно на митохондрии, что наблюдается при воспалительных и нейродегенеративных процесах, ишемии и других патологиях. Митохондрии, очевидно, не имеют собственной NOS и поэтому являются мишенью для NO, которая поступает из цитозоля. При высоких концентрациях NO ингибирует поглощение кислорода и окислительное фосфорилирование, нарушает потенциал и проницаемость мембран, усиливает выход из митохондрий Са2+ и проапоптозных белков (индуцируемого апоптоз фактора и цитохрома С) (Stampfer M.J. et al., 1991).

Таким образом, результаты исследований последних лет проливают свет на недостаточно изученную роль NO как важного биологического регулятора не только процессов образования и утилизации энергии, направленных на поддержание жизнедеятельности клетки, но также и процессов, связанных с осуществлением программы клеточной гибели.                          

Направленность действия NО связана с «судьбой» его химических превращений в различных типах клеток, которая определяется особенностями их обмена, в частности железа, О2, СО2 и редокс- состояния в норме и при патологии.

NО может, как усиливать жизнеспособность клеток, так и оказывать на них цитотоксическое действие, повышает выживаемость В-лимфоцитов, натуральных киллеров, эозинофилов, гепатоцитов, эмбриональных двигательных нейронов и некоторых клеточных линий, пребывающих в условиях, которые способствуют их гибели. Цитотоксическое действие NО даже при его относительно низких концентрациях показано на макрофагах, тимоцитах, фибробластах, кардиомиоцитах, хондриоцитах, нейронах, опухолевых, гладкомышечных, островковых панкреатических и эндотелиальных клетках (Веденский А.Н., 1988; Липовецкий Б.М., 2000).

Токсические эффекты при повышении содержания монооксида азота следуетожидать при создании условий для протекания реакции:

 
 
 
 

 

 

 

 

где •OH является основным радикалом, вызывающим множественные необратимые изменения нативных молекул нуклеиновых кислот и белков.

          Таким образом, умеренное увеличение уровня NO (до 0,5 мкмоль) способствует выживаемости клеток или же оказывает цитопротекторное действие с различными вариантами гибели, которые можно проследить во времени и отнести к апоптозу. Более высокие концентрации NO создают в организме условия нитрозативного и оксидативного стрессов, при которых истощается антиоксидантная защита (снижается уровень GSH, активность соответствующих ферментов) и нарушаются механизмы, репарирующие ДНК. В этих условиях оказываются задействованными все пути реализации цитотоксического действия NO, как прямого, так и опосредованного реактивными интермедиатами, которые изменяют функционирование различных биомолекул и вызывают метаболический дисбаланс (Малахов В.О.  с соавторами, 2009).

NO в виде нитрозотиолов является необходимым при протекании важнейших регуляторных и цитопротекторных процессов на уровне органелл клетки и всего организма. Однако до настоящего времени остается малоизученной проблема управления внутриклеточными цитопротекторными функциями NO (Грацианский Н.А. 1997; Дамулин И.В., 2002; Ballou D.P. et al., 2002; Zehnder D. et al., 2001).

           Как межклеточный, и внутриклеточный мессенджер NO участвует в регуляции разнообразных метаболических реакций, обеспечивающих жизнеспособность и функциональную активность клеток, а также в протекании патологических процессов. Такое двойное действие NО определяется химическими свойствами молекулы и реализуется тем или иным способом в зависимости от его концентрации, времени воздействия и условий обмена в различных типах клеток и тканях организма. NО представляет собой нейтральный радикал с неспаренным электроном. Он имеет наиболее высокий по сравнению с другими молекулами организма коэффициент диффузии (больше, чем у О2 и СО2) и беспрепятственно проникает через клеточные мембраны(Абрамов В.В., 1991).

        Благодаря своим радикальным свойствам NО легко вступает в реакции с железом, О2 и особенно с супероксидом (О2-). Эта реактогенность ограничивает время его жизни до 10 с и радиус действия в тканях, не превышающий от 100 до 500 мкм. Тем не менее, такой протяженности распространения достаточно, чтобы NO мог принимать самостоятельное участие в коммуникации как внутриклеточной, так и между соседними клетками. Этому способствует его быстрое образование в полостях биологической жидкости. Биологического времени полужизни NO находится в  пределах 0,09-2 с, в зависимости от концентрации О2. NO влияет на уровень О2 в тканях через угнетение клеточного дыхания и тем самым контролирует время собственной полужизни(Абрамов В.В., 1991; Акмаев И.Г., 2003; Арутюнов Г.П., 2001). 

       В условиях нормальной жизнедеятельности организма некоторые РФК выполняют регуляторные функции и имеют определенное адаптационно-компенсаторное значение. Однако избыточная продукция этих молекул (оксидантный стресс, ОБТ, глубоководные спуски и др.) могут преодолевать защитную функцию антиоксидантных механизмов клетки и стать сильным патогенным фактором, подвергая окислению и нарушая функции таких биологических макромолекул, как ДНК, белки, липиды. В этом смысл профессиональной патологии водолазов - глубоководников и даже неосторожных дайверов.

Необходимо иметь в виду, что как супероксид-анион, так и NO являются свободными радикалами кислорода. При встрече друг с другом они вступают в реакцию, протекающую с исключительно высокой скоростью(Стокле Ж.-К. с соавт., 1998).  Имея в виду это обстоятельство, можно вполне обоснованно полагать, что в любой момент жизнедеятельности может имеет место взаимодействие между супероксид-анионом и NO. Однако в физиологических условиях эндогенная антиоксидантная защита минимизирует это взаимодействие и поддерживает некий баланс между O2- и NО. Сдвиг этого равновесия (при разных патологических состояниях) в сторону супероксид-аниона, приводит к образованию высокотоксичного пероксинитрита (ONOO-)(Рудакова А.В. , 2004; Сосунов А.А., 2000), вызывающего повреждение мембран и ДНК клетки, мутации, апоптоз, способствующего развитию воспалительных процессов, перекисному окислению липидов и другим нарушениям.

          Наибольшее значение имеют, по-видимому, мембраносвязанные оксидазы, которые используют NADH и NADPH в качестве субстратов для переноса электронов к молекуле кислорода (Торчинский Ю.M. 1977). 

NO в условиях гиперпродукции, может непосредственно связываться в тканях организма с негемовым железом и парными тиоловыми группами низкомолекулярных лигандов, пептидов и белков, образуя динитрозильный комплекс негемового железа (DNIC). Он является парамагнитным, величина его прямо зависит от уровня NО в тканях.
      Действие NO осуществляется через прямые и опосредованные эффекты: прямые эффекты наблюдаются в тех случаях, когда с биологическими макромолекулами взаимодействует сам NO; опосредованные эффекты реализуются не NO, а продуктами его взаимодействия с другими соединениями, в первую очередь О
2 и О2-.
      В последние годы доказана роль
NО  как физиологического регулятора формирования адаптации к гипоксии. Синтез  NО представляет собой процесс окисления азота терминальной гуанидиновой группы L-аргинина. Эта кислород зависимая реакция катализируется ферментом NО-синтазой (NOS), существующих в трёх изоформах: (nNOS, iNOS, и eNOS).

         Уровень продукции NО предопределён гинетически. Эффект NО зависит от его концентрации. В высоких концентрациях NО токсичен, что обеспечивает его цитотоксическое действие на опухолевые и бактериальные клетки. В небольших концентрациях  выполняет регуляторные функции.

        NO рассматривается как один из нехолинэргических, неадренэргических нейротрансмиттеров (Ahluwalia A., Cellek S., 1997), играющий важную роль в регуляции сосудистого и бронхиального тонуса.

        Как соединение с промежуточной степенью окисления азота, NO может быть как восстановителем, так и окислителем. Молекула  чрезвычайно легко окисляется под действием кислорода. Легкое окисление кислородом было использовано в разработанном еще в XVIII веке камерном способе получения серной кислоты, где окись азота играет роль катализатора-переносчика кислорода. NO охотно реагирует и с восстановителями, причем восстановление обычно идет до термодинамически стабильного молекулярного азота.

       В принципе, подбором условий можно превратить NO и в другие соединения со степенями окисления от + 1 до – 3, как это, например, происходит в реакции синтеза N2O (Зеленин К.Н., 1997).

       Строение молекулы окиси азота, во многом сходной с молекулами кислорода, оксида углерода(II) и HCN сообщает ей такое общее с ними свойство, как способность к образованию комплексов. Кроме того, сходство с кислородом проявляется и в парамагнетизме обеих молекул из-за наличия неспаренных электронов.

       В организме человека и млекопитающих оксид азота главным образом образуется в результате окисления гуанидиновой группы аминокислоты L-аргинина с одновременным синтезом другой аминокислоты цитруллина под влиянием фермента NO-синтазы. Фермент был назван синтазой, а не синтетазой, поскольку для его работы не требуется энергия АТФ.  

     Мы считаем, что возможно неферментативное образование оксида азота в биологических тканях и без затрат энергии.

6.4. Закись азота (N2O) или веселящий газ

       Закись азота (N2O) – молекулярный, несолеобразующий оксид, который при температуре ниже 500o С химически малоактивен. Молекула N2O плоская, диамагнитная. Атомы азота в молекуле не равноценны и имеют разную степень окисления

   

О     +2    -2

(:N ← N = О:).

..          ..

        При нормальной температуре это бесцветный негорючий газ тяжелее воздуха (относительная плотность 1,527), с приятным сладковатым запахом и привкусом. Молярная часа – 44,0128 г/моль. Растворим в воде (0,6 объёма N2О в 1 объёме воды при 25о С).      

         Закись азота содержит две молекулы азота и одну молекулу кислорода. Плотность закиси азота примерно на 50% больше плотности воздуха. Кислорода в ней порядка 36% (против 21% в атмосфере), то есть при разложении определенного объема закиси выделяется почти в 2,5 раза больше кислорода, чем его находится в том же объеме воздуха. Когда закись азота в полости водного ассоциата при нарушении термодинамического равновесия разрушается, выделяется большее количество кислорода.

          В электрическом разряде в молекуле азота происходит переход электрона с орбитали @ (2Р2) на n (2Р2). Такие возбуждённые молекулы быстро возвращаются в обычное (основное) состояние, испуская жёлтое свечение.                 Иногда оно длится в течение нескольких минут после прекращения разряда. В возбуждённом состоянии азот обладает высокой реакционной способностью. В электрическом заряде происходит его реакция с кислородом, образуя окись азота N2  + O2 → 2NO.

       При внедрении любого газа (в том числе тяжелых инертных и азота) в пустоты ассоциата воды биологической жидкости, связывающие пары молекул воды смещаются в сторону атома газа, как более отрицательного элемента. Это смещение приводит к несовпадению центров положительных и отрицательных зарядов, кластер поляризуется, приобретает характер диполя. Полярность кластера оценивается величиной момента диполя µ, представляющего собой произведение расстояния между центрами зарядов (длины диполя) τ на величину электрического заряда ε. Количественной мерой поляризуемости кластера наряду с моментом диполя является также эффективный заряд атома газа (например, у ксенона он наибольший по сравнению с другими инертными газами).

       Биологическое действие. Малые концентрации закиси азота вызывают чувство опьянения и лёгкую сонливость. При вдыхании чистого газа быстро развиваются наркотическое состояние и асфиксия. В смеси с кислородом при правильном дозировании вызывает наркоз без предварительного возбуждения и побочных явлений. Закись азота не вызывает раздражения дыхательных путей. В организме она почти не изменяется, с гемоглобином не связывается; находится в растворённом состоянии в плазме. После прекращения вдыхания выделяется (полностью через 10-15 мин.) через дыхательные пути в неизменном виде. При образовании внутри полости ассоциата воды биологических жидкостей проявляет все указанные биологические эффекты и при нарушении термодинамического равновесия распадается на азот и кислород в основном своём состоянии.

        Один из пяти окислов азота два - закись азота (N2O) обладает своеобразным физиологическим действием, за которое ее часто называют веселящим газом. Эффект от "веселящего газа" проходит также быстро как и наступает. Достаточно нескольких минут для того, чтобы газ выветрился из легких. Пациент самостоятельно возвращается домой и даже может в этот же день беспрепятственно садиться за руль.

       Молекула окиси азота оказалась универсальным биологическим агентом. В настоящее время трудно найти метаболические пути, к которым бы оксид азота не имел отношения. Оказалось, что обнаружена не известная ранее регуляторная система организма, характерная для всех млекопитающих. Оказалось, что NO – это очень важная сигнальная молекула, она регулирует включение самых разных внутриклеточных процессов.
       Большое количество оксида азота может убивать клетки-мишени. То есть чем больше в организме оксида азота, тем лучше иммунитет. Дефицит оксида азота приводит к ослаблению иммунитета.

 

 

6.5.   Молекула  N02

 

       Казалось бы, чего проще – к молекуле NО по неспаренному электрону присоединился атом кислорода. (На самом деле присоединяется не атом, а молекула, и не к NО, а к димеру ОNNO. Поэтому-то и уменьшается скорость присоединения с повышением температуры – димер разваливается на половинки.) И теперь уже у кислорода появился неспаренный электрон – молекула оксида азота (IV) тоже свободный радикал. Кристаллическая решетка молекулярная, однако, поскольку сама молекула тяжелее NO и склонность к димеризации у нее заметно выше, то плавиться и кипеть это вещество должно при заметно более высоких температурах. Температура кипения составляет 21° С, поэтому при обычных условиях – 20° С и 760 мм рт. ст. – оксид азота(IV) жидкий.Однако известно, что при соединении двух молекул NО2 и образовании молекулы N2O4 связь осуществляется через атомы азота, значит, именно у азота и должен бы быть этот самый неспаренный электрон. Как это можно осуществить?
       Ответ нетрадиционен, но вполне в «характере» азота – донорно-акцепторная связь. Используя логику, рассмотрим электроны, которые есть у атома азота в молекуле NО. Это неспаренный электрон, свободная пара электронов и еще два электрона на связи с кислородом – всего пять. А у атома кислорода, «выходящего на связь», шесть электронов на четырех орбиталях. Если расположить их по два, то одна орбиталь останется свободной. Вот именно ее и занимает пара электронов атома азота, а неспаренный электрон в этой связи оказывается совершенно не причём.

 

Глава 7. Динамика азота в организме в свете индукционно-поляризационных взаимодействий

7.1. Механизмы гидратации инертных и индифферентных газов

       Ранее были неизвестны данные о поляризуемостях атомов инертных газов в широкой частотной области. Не было данных о их коэффициентах дисперсионного взаимодействия и о колебательной поляризуемости этих молекул в области их наиболее интенсивных полос поглощения. Сведения о поляризуемости атомов инертных газов в видимой и УФ спектральных областях, в ИК области спектра, важны в физике газовых лазеров. Эти вещества используются при этом в качестве активных, либо управляющих излучением сред. Значимы они  также в биологических процессах, вплоть до регуляции биологических процессов, анестезии и наркоза. Знание о поляризуемости инертных и индифферентных газов весьма актуально для понимания физики межмолекулярных взаимодействий в биологии.
       Физической основой механизма поляризации и образования индуцированного дипольного момента является способность водных структур создавать полости, в которых происходят эти превращения. Теоретическая и практическая базы этих процессов основывается на ряде взаимосвязанных явлений:                                                                                                                          • ион-кристаллической ассоциации полярной жидкости (воды);                                                                           • фазовых переходах (предпереходах) атомов и молекул;                                                                         • электростатические силы поля внутри ассоциативных полостей молекул воды с высоким индивидуальным для каждой молекулы дипольным моментом – 1,84
D;                                                                                                                                              • высокой диэлектрической проницаемостью воды;                                                                                  • ассоциаты воды обладают собственным квадрупольным электрическим и магнитным моментами, стабильно существуют в диапазоне температур (и внутриструктурного давления), испытывают фазовые переходы (в том числе неравновесные) при образовании термодинамических неустойчивостей;

• поляризуемостью газов;

• силой ван-дер-ваальсовых взаимодействий газ-вода;

• другими (давление) условиями состояния нахождения газа в полости ассоциата;

• индуцированной магнитодипольной самоорганизации водных структур биологических жидкостей.

     Ассоциаты, клатраты, кластеры с внедрённым в их полости газом можно отнести к плотным средам. Они поляризуются заметно сильнее, чем отдельно газы по двум причинам:

- с возрастанием плотности вещества увеличивается концентрация микроскопических диполей, дающих вклад в поляризованность;

- при плотном расположении все элементы сильно влияют друг на друга.    Поэтому на каждую молекулу газа влияет как непосредственно внешнее поле, так и изменённые внутренние поля, создаваемые окружением частицы. В нашем случае (биологические жидкости – газ) электрическое поле Е будет суммой наложенного внешнего поля и поля, создаваемого в ассоциате диполями молекул воды биологических жидкостей. Кроме всего этого, на микроскопический диполь в плотной среде, кристалле, жидком кристалле действует локальное электрическое поле Елок, заметно отличающееся от среднего. Здесь также прослеживается линейная зависимость, так как поля не слишком сильные.

    Не вдаваясь в детали, при объяснении механизмов поляризации необходимо учитывать границы раздела сред, которых в биологических системах много. На границах сред величина ε  меняется скачком. Кроме того, на границах присутствуют заряды (поляризованные и свободные).

         Квантово-механические расчёты с последующим анализом орбитальных заселённостей по Малликену показывают, что при переходе из газовой фазы (ε=1) в раствор (ε больше 1) практически на всех атомах любой молекулы заряды изменяются  тем в большей степени, чем выше ε среды. В нашем случае – атомы инертного газа в основном состоянии и жидкость – плазма крови с ε ≈ 80. Наиболее существенны эти изменения для легко поляризуемых атомов, молекул, связей. Так, на примере связи С=О в некоторых карбонилсодержащих соединениях было установлено, что при изменении ε от 1 до 80 электронная плотность существенно возрастает на атомах О и снижается на атомах С, изменяются длины связей и значительно повышается дипольный момент молекулы.

         С ростом полярности среды энергия n-π*-перехода повышается, а π-π*-перехода снижается. Изменение электронной структуры и энергетики молекул под воздействием полярной среды оказывает существенное влияние на процессы, протекающие в растворах, биологической жидкости, и, в частности, на таутомерные и конформационные равновесия (Симкин Б.Я., Шейхет И.И., 1989; Saunders M. с соавт., 1987).

         Кластеры с полярными газовыми молекулами (Н2О, СО, NО и N2О) отличаются от кластеров с внедрёнными неполярными газами (СО2, N2, инертными и др.). Характерно, что кластеры воды с СО2 или N2 отличаются увеличенной мощностью испускания от них. Это косвенно может свидетельствовать о происходящей в полости молекул воды поляризации и появления индуцированного дипольного момента. Полярные газы сорбируются на внутренней поверхности полости кластера.

      Молекулы кислорода по своим кинетическим и электромагнитным свойствам обладают определёнными преимуществами по присоединению и удержанию π – электронов по сравнению, например, с водородом. Поляризуемость самих молекул кислорода в два раза, дисперсионная энергия в 8,1 раза, а энергия взаимодействия с положительным ионом (отрицательные значения) в 1,72 раза выше, чем у молекул водорода  (Гиршфельдер Д.Ж., 1961).

        В газе, состоящем из двух компонентов А и В, возбуждение может осуществляться  при столкновениях частиц разного сорта благодаря процессу, называемого резонансной передачей энергии. Это характерно для инертных газов, кислорода и азота, когда они находятся в двойных, тройных смешанных кластерах.

       Для передачи энергии возбуждения в живых организмах служат молекулы азота N2. В кластерах молекул воды биологических жидкостей около 90% молекул азота приобретают индуцированный дипольный момент и переходят в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам O2. Потенциалы возбуждения для азота и кислорода составляют 8,2 и 7,9 эВ соответственно.

       Практический радиус действия сил поляризации возбуждённого атома (молекулы) газа, имеющих элементарный заряд,  будет равен от 8 Ả до 13 Ả. Только на таком удалении заряд оказывает воздействие. Различная величина поляризуемости молекул газа оказывает влияние только на время их пребывания в составе возбуждённого атома или иона (порядок величины 10-7  – 10-6 с). Для O2 эта величина составляет 4 Ả.

        В кластерах ассоциатов воды биологических жидкостей при двойном содержании в полости атомов азота и кислорода возможно возникновение индуцированного дипольного момента (высокий дипольный момент внутри ассоциата – 15-25 D; мгновенное повышение при соударении давления до 8-10 МПа и др.), а также создание мгновенных молекул NO и других.

       Кислород в биологических жидкостях находится в трёх  состояниях – свободном, внедрённом в полости воды, связанном с водой (сеткой хозяина) и гемоглобином. Их физико-химические характеристики отличаются. Если газ не внедряется в полости воды и не поляризуется, не приобретает дипольный момент, у него диаметр молекул один, а поляризованные и обладающие ИДМ имеют другой диаметр.  Меняется и энергия активации диффузии в зависимости от ткани.

          Молекулы газа, заключённые в кластер, меняют свои физические, химические и биофизические характеристики и всё это приводит к следующим проявлениям:

- к изменению скорости диффузии через мембрану клетки;

- к конформационным изменениям ацильных «хвостов» углеводородов в мембране;

- к изменению ротационной поляризации молекул в рецепторах;

- к изменению пространственной ориентации макромолекул рецепторов;

- к нарушению (или восстановлению) привычных равновесных положений атомных групп и молекул с ограничением степени свободы;

- к нарушению (или восстановлению) передачи сигнала внутри нервной клетки (Довгуша В.В., 2006; 2011, 2012).

      Таким образом, создание кластеров инертных газов, возникновение у них поляризации и индуцированного дипольного момента увеличивают полярность среды – биологической жидкости – и соответственно оказывают огромное влияние на биологические структуры. Время нахождения инертных газов в полости кластера воды биологической жидкости около 2 нс, что почти в 70 раз превышает резидентное время гидратации (30 пс) при комнатной температуре (Finney J.L., 1985). Именно гидратация может существенным образом изменить индивидуальные свойства газов – электронное состояние (поляризация и дипольный момент).

7.2. Примеры роста увеличения (образования) при изменении барометрического давления

     Успешное освоение морского и океанского шельфа, изучение океана в целях использования минеральных и биологических ресурсов, эксплуатация глубоководных  технических средств, длительное пребывание под                                                     повышенным давлением газовой среды, невозможно без полномасштабной оценки влияния парциальных давлений различных газов в смеси под давлением. Длительное пребывание человека под водой  на разных глубинах и выполнение сложного комплекса работ, требует напряженной физической и умственной нагрузки. В гипербарических условиях изменяется регуляция физиологических систем организма, и их функционирование переходит на новый уровень, адекватный этим условиям. Создаётся своё термодинамическое равновесие. Экспериментаторам давно известно, что одновременное наличие в газовой среде нескольких инертных и индифферентных газов (веществ) в концентрациях, не превышающих предельно допустимые величины, усиливало неспецифическое действие этих веществ (газов) на организм человека. Вследствие этого авторы предложили оценивать состояние воздушной среды герметичной кабины следующим расчётом:

Х1/А1 + Х2/А2 + ٠٠٠ + Хn/An  < 1,

где: Х1, Х2 … Хn – обнаруженные концентрации отдельных веществ;                        А1, А2 … Аn – предельно допустимые концентрации этих веществ. Если приведённое неравенство соблюдается, санитарное состояние газовой среды оценивается как удовлетворительное. Однако предлагаемый расчёт не учитывает взаимовлияния отдельных ингредиентов, единого молекулярного комплекса – кластеров воды биологической жидкости и  атомов, молекул газа, биохимической значимости действия их на организм человека в условиях одновременного действия других факторов среды и т. д. Однако такой подход является более правильным, чем оценка газовой среды по концентрациям каждого вещества в отдельности.

                                                                                                                        Таблица  7.2.1                                                                                                             Азотсодержащие вещества, выделяемые организмом человека за одни сутки

Вещества

Количество

Пути выведения из организма

Аммиак, мг

297 +- 155

Выдыхаемый воздух, кожа, моча

Метан, л

0,3

Кишечные газы, выдыхаемый воздух

Обследование лёгководолазов при обычных погружениях свидетельствует о системных изменениях в организме человека (табл.7.2.1  и 7.2.2). Мы отметим только процессы, касающиеся только азотистого обмена. При спусках усиливалась интенсивность окислительно-восстановительных процессов, на что указывала тенденция к уменьшению содержания ваката кислорода в крови. Увеличение активности псевдохолинэстеразы, очевидно, указывало на повышение тонуса парасимпатической нервной системы.  Комплексное влияние водной среды и физической нагрузки обусловило соответствующие изменения белкового обмена. Как видно из таблицы, у испытуемых в момент выхода из воды увеличивалось содержание общего белка в крови. Это свидетельствовало о мобилизации энергетических ресурсов организма для возмещения дефицита белков, возникшего в результате интенсификации их распада, связанного с мышечной деятельностью. Хотя изменения концентрации белков плазмы крови были однотипны в опытах с погружением легководолазов в воду и контрольной нагрузкой на суше, полностью отнести эти сдвиги за счет интенсивной мышечной деятельности нельзя, так как данные, полученные у легководолазов после погружения, характеризовались большей устойчивостью, что сказалось на достоверности результатов. Об этом свидетельствует также меньшее увеличение экскреции общего азота и мочевины мочи в контрольных опытах. Кроме того, эти показатели свидетельствуют о преобладании процесса выведения мышечных белков в кровь, поскольку в моче увеличивалась их концентрация. Тенденция к увеличению содержания мочевины в моче связана, по всей вероятности, с активизацией протеолитических ферментов мышц и печени. В связи с тем, что при физической работе освобождаются аминокислоты, интенсивно протекают процессы дезаминирования с участием трансфераз, освобождённые безазотистые соединения используются организмом в энергетических целях, а азот в виде мочевины и других продуктов в увеличенном количестве выводится из организма (Гуляр С.А. с соавт., 1977) (табл. 7.2.2).

                                                                                                                           Таблица 7.2.2                                                                                                      Биохимические показатели динамики азотсодержащих веществ в крови и моче у легководолазов (средние данные)

Показатели

До погружения

После погружения

После нагрузки на суше

 

р

через 30 мин

р *

через 24 ч

р

Общий белок, г/л

0,073

0,08

<0,01

0,07

<0,1

0,08

<0.1

Общий азот мочи, г/сут

21,6

25,1

>0,2

15,5

>0,5

23,3

>0,2

Мочевина мочи, г/сут

13.3

17,35

>0,1

16,1

>0,5

14,5

>0,1

* Достоверность различия между исходными данными и результатами конкретных опытов.

       Особого внимания заслуживает факт превышения скорости насыщения тканей инертными газами над скоростью рассыщения от этих газов. Обширный экспериментальный материал свидетельствует о том, что эта особенность касается всех исследованных тканей с одной стороны,  инертных и индифферентных газов, с другой. В последе время в литературе становится всё больше и больше работ, авторы которых констатируют в своих экспериментах превышение скорости насыщения над скоростью рассыщения (Юнкин И.П., 1969; Нессирио Б.А., Советов В.И., 1989; Нессирио Б.А., 2002; Николаев В.П., 1985; Довгуша В.В., 2012,2013; Hills B.A., 1978; Vann R.D., 1984; Дмитрук А.И., 2006).
      Факт замедленного рассыщения тканей от инертных и индифферентных газов установлен  и  для изобарических условий  (Демченко И.Т. с соавт., 1971; Черноморченко В.Л., 1978). Механизм задержки  десатурации газов в тканях в указанных условиях не нашёл до настоящего времени должного толкования. Наиболее обосновано, этот процесс раскрыт в работах В.В. Довгуши с
соавторами (2012; 2013). Основной упор авторы делают на физико-химические характеристики ИГ, их поляризацию, приобретение индуцированного ДМ и всё это в едином молекулярном комплексе – кластере – молекул воды биологических жидкостей.
       Для образования газовых пузырьков (ГП) требуется сравнительно не большое пересыщение, всего лишь до 0,007 МПа (50 мм ртутного столба). Это пресыщение можно считать минимальным показателем для изменения термодинамического равновесия для барометрического давления.            
        В зависимости от физико-химических свойств кислорода,  неполярных и инертных газов, и их различных сочетаний и процентного взаимоотношения, в смесях возникает возможность целенаправленно воздействовать на разные уровни регуляции жизненно важных функций организма.

       При восстановлении окиси азота в организме количество свободного азота и кислорода в основном состоянии в процессе изменения термодинамического равновесия не меняется. Восстановителями NOx могут служить Н2, СО, а также различные углеводороды. Восстановление NOx, (например NO), водородом может осуществляться  до молекулярного азота.  Восстановление NOx возможно оксидом углерода.

 

Глава 8. Причины возникновения газового наркоза в свете поляризационно-индукционного подхода                                                                                                     8.1. Некоторые механизмы возникновения азотного наркоза

         Известно, что практически любой газ может оказывать наркотическое действие при высоком парциальном давлении. Это относится и к инертным и индифферентным газам. Но почему инертные и индифферентные газы вызывают наркоз? Ведь они в основном своём состоянии нереакционно способны.
       Распространенное мнение о физиологической инертности азота не совсем правильно. Азот физиологически инертен при обычных условиях. Он будет инертен и при повышенном давлении, но только при меньшем парциальном давлении.
        При повышенном давлении, например при погружении водолазов, растет концентрация растворенного азота в белковых и особенно жировых тканях организма. Это приводит к так называемому азотному наркозу. Водолаз словно пьянеет: нарушается координация движений, мутится сознание. В том, что причина этого – азот, ученые окончательно убедились после проведения экспериментов, в которых вместо обычного воздуха в скафандр водолаза подавалась гелио-кислородная смесь. При этом симптомы наркоза исчезли.
         С точки зрения нормального метаболизма человека, азот - это инертный (индифферентный) газ. Он не вступает ни в одну из форм химических связей с соединениями или химическими элементами в организме. Однако при вдыхании под большим давлением азот несет ответственность за резкое ослабление мыслительных функций водолаза. Значит, что-то с ним происходит?
        Увеличение атмосферного давления, приводит к соответствующему увеличению концентрации (содержанию) азота. Азот хорошо укладывается в гипотезу Мейера - Овертона, которая утверждает, что любой алифатический анестетик будет проявлять свою анестетическую эффективность в прямой пропорции к степени его растворимости в масле и воде. Азот, растворимость которого в жире в пять раз выше, чем в воде, дает анестетический эффект в точном соответствии с предсказанным соотношением. Но инертный или индифферентный газ в своём основном состоянии не может участвовать в биологических реакциях, он может только вызвать симптомы удушения, гипоксии, как , например, в атмосфере чистого водорода или гелия. На глубине более 50 метров во избежание возникновения эффекта “глубинного опьянения” обычно используются гелиево-кислородные смеси. Уменьшается только процентное содержание азота, а гипоксическая составляющая двух инертных газов остаётся. Разница в том, что гелий при этом давлении не способен поляризоваться и приобретать ИДМ. А концентрации азота, даже с этими превращениями, мало для возникновения наркоза.
        То, что азот физиологически инертен, не значит, что он не оказывает никакого воздействия на организм. К примеру, хорошо известно, что  если азот растворяется в ваших тканях во время погружения, а затем очень быстро выходит из растворенного состояния во время всплытия, он может образовывать пузырьки и вызывать декомпрессионную болезнь. 
         Вскрывая  животных, погибших от декомпрессионной болезни, П. Бер всякий раз обнаруживал наличие пузырьков свободного газа в венах, полостях сердца, а иногда в артериях. Анализ этих газов показал, что они преимущественно состоят из азота. В некоторых случаях в пузырьках газа содержался в значительных количествах (до 20%) углекислый газ.
          Но азот вызывающий наркоз и образующий газовые пузырьки – это совершенно разные молекулы
N2. В первом случае они поляризованы и обладают мгновенным индуцированным моментом, во втором - они совершенно инертны! Указанные нарушения объясняются тем, что в результате сатурации под давлением количество азота в организме возрастает в несколько раз. Так в биологической жидкости, внедряясь в полости ассоциатов, в которых он, поляризуясь и приобретая индуцированный дипольный момент, ещё больше увеличивает своё присутствие  и скорость растворения, в частности, в тканях головного мозга, содержащих большое количество липидов.
      Считается уже более 100 лет, что наркотический потенциал газа примерно пропорционален его растворимости в липидах (жирах). Используя эту зависимость, можно проследить, что азот оказывает в пять раз более сильное наркотическое действие, чем гелий. При этом углекислый газ обладает в 20 раз большим наркотическим потенциалом, чем азот. Присутствие кислорода превышает наркотический потенциал азота в 1,6 раз. Однако исследования на людях показали, что степень выраженности наркоза нельзя рассчитывать только с помощью этого метода. И это правильно. Но механизм этих проявлений в организме совершенно иной. 
           Еще Поль Бер говорил, что для людей и животных, находящихся под повышенным барометрическим давлением, опасно не увеличение давления, как такового, а изменение газового состава воздуха, сопряженного с повышением давления.        Рассматривая полученные результаты относительно изменений содержания кислорода в крови под давлением, П. Бер отмечает два обстоятельства. Первое - в обычных условиях наступает почти полное насыщение артериальной крови кислородом путем химического связывания. Во время пребывания под повышенным барометрическим давлением насыщение крови кислородом в основном зависит от его физического растворения в плазме крови. Второе - количество физически растворенного кислорода в крови живого организма под повышенным давлением всегда меньше, чем это следует согласно закону Дальтона. На живые организмы влияет не давление как таковое, а увеличение напряжения кислорода, связанное с повышением барометрического давления, что все описанные припадки, вызванные применением кислорода, не зависят от усиления внутритканевых окислительных процессов.
        П. Бер пришел к выводу, что эффективность анестетика (как и любого биологически активного газа – выделено автором) обусловливается его парциальным давлением, а не процентным содержанием в смеси, способностью поляризованться и приобретать ИДМ (курсив авт.). Поэтому с повышением окружающего давления наркотическое действие анестетика (речь шла о таком распространенном в то время газообразном анестетике, как закись азота) должно увеличиваться. Сейчас можно подтвердить, что это так, но связано с увеличением физической продукции оксида азота в  водных структурах биологических жидкостей. Как известно, закись азота является слабым анестетиком и для достижения наркотического эффекта необходимо использование ее достаточно больших концентраций. Однако, при подаче кислорода в количестве, необходимом для предупреждения гипоксии, наркотический эффект закиси азота значительно снижался. Парциальное давление есть произведение процентного содержания данного газа в смеси и величины барометрического давления. Уменьшение одного из этих компонентов может быть компенсировано увеличением. второго.
        П. Бер рассуждал следующим образом: если закись азота в смеси с кислородом не дает полной анестезии, то это значит, что количество ее молекул в единице объема смеси недостаточно для насыщения крови в той степени, при которой только и может наступить анестезия. Помещая животных в "пневматический колокол" со смесью закиси азота и кислорода, Бер получал при повышении давления полную анестезию, продолжавшуюся 15 - 20 мин без малейших признаков асфиксии; как только давление уменьшалось, животные немедленно просыпались.  Эти данные Бера позднее нашли подтверждение и работе Фальконе с соавторами (1949), которые проводили опыты в барокамере на добровольцах. При барометрическом давлении, равном 2 атм. хирургическая стадия наркоза достигалась при 50% содержания закиси азота во вдыхаемом воздухе, в условиях атмосферного давления для этого была бы необходима 100% концентрация закиси азота. По мнению Бера, преимущества закиси азота как анестезирующего средства заключаются в том, что в противоположность хлороформу и эфиру она не соединяется химически с тканью (кровь, ЦНС), а только в ней растворяется, поэтому действие закиси азота наступает и проходит тотчас же с началом и прекращением вдыхания газа.
       В результате исследований Бера стало очевидным, что наркотический эффект закиси азота связан с величиной ее напряжения в крови.  Что в последующем подтвердилось и в отношении других инертных и индифферентных многоатомных газов.
       Но не только азот проявляет наркотический потенциал при повышении парциального давления. Кислород им тоже обладает, причём в 1,7 раза большим. Т.е. уже при парциальном давлении порядка двух с половиной атмосфер он вызывает те же симптомы, что и азот. От встречи с кислородным наркозом дайверов спасает только то, что требующееся для его возникновения давление вызовет его сильнейшее токсическое действие. Кислород обладает особенными свойствами в формировании газового наркоза. Тесты, проведенные при глубоких погружениях (91 метр), показали, что смесь из 4% кислорода и 96% азота имеет более высокий наркотический потенциал, чем воздух (21% и 79% соответственно). Это весьма необычно, поскольку кислород лучше растворяется в липидах, чем азот. Тем не менее, другие исследования показывают, что увеличенное рО
2 в сочетании с азотом действительно усиливает наркотическое действие. Большинство физиологов объясняют это кажущееся противоречие тем, что в процессе формирования наркоза между азотом и кислородом возникает какая-то неизвестная на настоящий момент реакция. Влияние кислорода на возникновение наркоза очевидно, однако его наркотический потенциал, по-видимому, связан не только с растворимостью в липидах.
      Другим соединением, принимающим участие в образовании газового наркоза, является углекислый газ. C
O2 имеет в 20 раз больший наркотический потенциал, чем азот, но и тут отравление углекислотой опередит проявление анестетического эффекта. Существует предположение, что подобное действие могут оказывать все газы, и, если брать наркотический потенциал азота за единицу, статистика по некоторым из них будет следующей:

          Многочисленные исследования показывают, что любое повышение содержания углекислого газа усиливает наркоз. Углекислый газ начинает вызывать этот эффект при частичном давлении выше 40 мм ртутного столба (Беннет и Эллиот, 1993). Экипажи подводных лодок легко и без болезненных результатов переносят вдыхание 1,5% СО2 в течение двух месяцев без перерыва, что в 30 раз превышает нормальную концентрацию углекислого газа в атмосферном воздухе. Десятикратный уровень увеличения по сравнению со свежим воздухом, считается безопасным с точки зрения технических ограничений. Однако даже 0.5% СО2, добавленные к 100% кислородной смеси вызовут у человека предрасположенность к припадку при дыхании в условиях повышенного давления. Механизм этого явления еще менее изучен, чем влияние кислорода. Исследования показывают, что углекислый газ обладает в 10 раз большим наркотическим потенциалом, чем азот. Это значение расходится с данными, полученными на основании растворимости в липидах, поскольку растворимость углекислого газа в липидах в 13-20 раз выше, чем у азота. Мы многого не знаем о механизмах  возникновения газового наркоза. Любое превышение концентрации СО2  ведет к дальнейшему ухудшению состояния “глубинного опьянения”, как при погружении на газовой смеси только на азоте, так и на азотно-гелиево-кислородной смеси. Значит СО2 провоцирует какой то физический процесс, способствующий возникновению азотного наркоза. На гелий СО2, можно считать, не действует. Остаётся более «мягкий» азот в той или иной концентрации. Нейтральная молекула  СО2, как  отмечалось ранее, легче всего из индифферентных, многоатомных газов поляризуется и приобретает ИДМ.
       Таким образом, для ксенонового наркоза достаточно подышать газовой смесью с 75-80 его процентами при атмосферном давлении, а вот для соответствующего проявления гелия его давление должно быть в 22 раза выше, чем у азота, и почти в 570 раз выше, чем у ксенона. Поэтому гелиевого и неонового наркозов ни у человека, ни у животных никто не видел.      
       Характерно, что аргон химически инертен, но он является катализатором некоторых реакций. В смесях аргона (90%), азота и кислорода скорость реакции образования окислов азота в 2,5 раза больше, чем в смесях азота и кислорода без аргона (Дмитриев М.Т., Пшежецкий С.Я., 1960).  Действие инертных газов на процессы дыхания  изучалось рядом исследователей, однако сведения о влиянии аргона на биологические системы  скудны и противоречивы. Например, при исследовании потребления кислорода у крыс при развитии у них гипоксической гипоксии в кислородно-азотных и кислородно-азотно-аргоновых средах показало, что достоверное снижение потребления О2 наблюдалось у самцов белых крыс во время дыхания в кислородно-азотных средах с содержанием О
2 10% и 5%, по сравнению с дыханием крыс в кислородно-азотно-аргоновых средах при том же содержании О2.   
      В больших концентрациях оксид азота вызывает эйфорию, опьянение и быструю потерю сознания. Выраженность этих эффектов зависит от давления. При увеличении давления в два раза эффект также удваивается.  При малых концентрациях
N2О вызывает возбуждение, а при больших – общий наркоз. Не в этом ли заключено двух стадийное наступление азотного наркоза?
         Низкомолекулярный газ NO легко проникает через клеточные мембраны и компоненты межклеточного вещества, однако время его полужизни (в среднем не более 5с) и расстояние возможной диффузии (небольшое, в среднем 30 мкм) ограничиваются высокой реакционной способностью молекулы и ее взаимодействием со многими возможными субстратами  (Сосунов А.А., 2000).     
           Таким образом, возникновение газового наркоза - это результат взаимоотношения многих составляющих газовой смеси в полости ассоциата, кластера молекул воды биологических жидкостей.

           Действие повышенного давления азота на живой организм приводит к обратимым нарушениям в двигательной, эмоциональной, когнитивной и сенсорной сферах. Они имеют в своей основе влияние повышенной концентрации этого газа, его производных в клетках, на метаболические процессы. Наиболее сильным является повреждающее действие пероксинитрита и других оксидов азота на молекулярные внутриклеточные агрегаты. Большинство биохимических показателей возвращается к исходному уровню через 5 - 7 суток.

8.2. К раскрытию механизма биологического действия неполярных газов

      Известно, что наличие электрических зарядов в воздухе одно из необходимых условий нормального развития высокоорганизованной жизни. Газогидраты являются важным веществом верхней части литосферы, гидросферы  Земли, которые, крайне чувствительны к измене­ниям внешних параметров среды — температуры и давления.
    Инертные и индифферентные газы внедряются в полости ассоциатов и кластеров воды биологических жидкостей и в тех, где они заряжены - имеется суммарный дипольный момент молекул, поляризуются и приобретают индуцированный дипольный момент. Именно с индуцированным дипольным моментом неполярные, в основном состоянии газы, и оказывают биологическое действие. В незаряженных кластерах и ассоциатах воды, атомы и молекулы  неполярных газов находятся в своём основном состоянии.
     При нарушении термодинамического равновесия, газы с индуцированным моментом его лишаются и увеличивают количество газа в основном состоянии, что приводит к, всплеску, декомпрессионного газового  пузыреобразования. Чтобы восстановить, например, термодинамическое равновесие, приходится повышать давление и «загонять» атомы и молекулы нейтрального газа в энергетические полости из молекул воды. Этим же механизмом объясняется необходимость остановок, при подъёме водолазов с большой глубины.
       В этих процессах находит своё объяснение и наличие «неизвестной ткани» или причины, когда произошло полное рассыщение даже медленно насыщаемой ткани, а газ всё ещё диссоциирует в кровь. Характерно, что при поляризации и приобретении ИДМ усиливается и увеличивается количество молекулярных комплексов вода-газ структурно присоединяющихся посредством сил ван-дер-ваальса с белковыми молекулами и липидным структурам.
      То, что происходит с внедрёнными неполярными и инертными газами в водной полости можно назвать физико-химическими  индуцированными реакциями. В атомно – молекулярных  масштабах, в условиях внешних воздействий с низкой энергетикой существуют локальные условия для больших градиентов давлений, электрических полей способствующие протеканию поляризационных, возбудительных  и индуцированных процессов.
       Для устойчивого хода реакции в полости ассоциата воды биологических жидкостей важно наличие нескольких требований:                                                                                                       - наличие термодинамического равновесия;
- чёткое знание  исходных газовых  компонентов (большинство дополнительно попавших газов  искажает конечный результат); 
- газовые компоненты должны быть строго определенного состава, который обеспечивает протекание заданного типа индуцированного процесса.
      Представления о коллективном взаимодействии элементов микрообъема жидкого вещества и атомов и молекул газа, связанными воедино в квантовый ансамбль частиц, имеют место и при резонансном волновом взаимодействии. В жидкостях всё сказанное справедливо как для химически связанных атомов, так и для «внедрённых» в молекулярный квантовый ансамбль элементов различного состава. Отметим, что данный процесс сопровождается усилением энергии взаимодействия внутри ассоциатов, так как при понижении диэлектрической проницаемости растворителя диполь-дипольные взаимодействия усиливаются.
      Поглотив квант излучения в видимой или ближней ультрафиолетовой области спектра, атом, молекула газа получает дополнительную энергию и переходит в возбужденное состояние. При этом изменяется конфигурация ее электронного облака. Говоря упрощенно, один из двух электронов, находящихся на верхней заполненной молекулярной орбитали, перескакивает на более высокий уровень энергии. В зависимости от того, как взаимно ориентированы спины этих двух электронов, состояния называют синглетными или триплетными. Поглотив квант, молекула переходит из основного состояния в синглетное возбужденное. В таком состоянии она живет совсем не долго - не более нескольких микросекунд, то есть миллионные, а чаще всего лишь миллиардные доли секунды. Однако этих долей секунды все же вполне достаточно, чтобы значительная часть возбужденных триплетных молекул успела передать свою энергию другим молекулам или вступить в быструю химическую реакцию.  Тем самым запускается цепочка самых разных физических, химических и биологических процессов. Триплетные состояния - долгоживущие, разумеется по меркам микромира. Для перехода из триплетного состояния в основное тоже есть несколько путей: тепловое рассеяние энергии, испускание излучения, передача энергии водной структуре. Если триплетная молекула газа напрямую сталкивается с молекулой кислорода, то кислород отбирает у возбуждённой газовой молекулы, атома энергию и сам переходит в возбужденное состояние. Кислород в синглетном (возбужденном) состоянии, чрезвычайно активен.
      Лишь в 50-е годы XX в. было установлено, что носителями электрического заряда во льду являются неупорядоченные протоны, т.е. лед явля­ется протонным полупроводником.      Возбужденные молекулы и атомы,  имеющие как электронное, так и  колебательное и вращательное возбуждение. Электронно - возбужденные состояние могут обладать различной мультиплетностью (синглет, триплет и т.д.).

            В конденсированной фазе молекулы и атомы нельзя рассматривать как одиночные, поскольку нельзя пренебречь взаимодействием каждой из частиц с соседями. В связи с наличием межмолекулярных взаимодействий в конденсированном состоянии могут существовать кроме характерных для газовой фазы промежуточных частиц и так называемые квазичастицы – элементарные возбуждения совокупности взаимодействующих частиц.              
          Возбуждение атомов и молекул газов в интерпретации поляризационных и индукционных процессов может происходить за счёт:                                              1. Возбуждение колебаний молекул. Имеется эффективный и достаточно универсальный механизм возбуждения колебаний молекул электронным ударом. Он связан с образованием неустойчивого отрицательного иона и последующим его распадом на электрон и возбужденную молекулу. Такой процесс эффективен в узком диапазоне энергий электронов. Резонансы в сечениях колебательного возбуждения электронами найдены для
H2, N2, O2, NO, CO, CO2, H2O, N2O и других молекул. В максимуме сечение таких процессов достигает 10-16 – 10-15 см2 .

2. Возбуждение электронных уровней атомов и молекул.

К возбуждению электронных уровней молекул AB (Y, V) приводят следующие процессы:                                                                                                                          - Столкновения молекул в основном электронном состоянии AB (X, V) с быстрыми электронами или тяжелыми частицами – прямое возбуждение.

- Столкновение уже возбужденных  молекул (в другом возбужденном состоянии AB(Z,V)) с электронами или тяжелыми частицами (ступенчатое и каскадное возбуждение).                                                                                             

  - Столкновения с колебательно-возбужденными молекулами с переходом всей или части энергии колебательного возбуждения на электронное возбуждение                                                                                                               - Столкновения с электронно - возбужденными частицами, в результате которых происходит передача энергии электронного возбуждения.                                                       

- Поглощение квантов света.

       В случае атомарных газов набор процессов сокращается из-за отсутствия колебательных степеней свободы. Вклад разных процессов может сильно различаться. Оценки их соотношений должны производиться для каждого случая отдельно.

        Столкновения с колебательно возбужденными молекулами также могут приводить к электронным возбуждениям. Данные о таких процессах весьма малочисленны. По порядку величины константы скоростей этих процессов могут достигать газокинетических.

 При увеличении температуры газа, константы скорости тушения электронных возбуждений, как правило, медленно уменьшаются. В большинстве случаев K~(T/300)-g, где g=0¸0,16. Однако, возможно и увеличение, как, например, в случае тушения атомов O(1s) молекулами O2 и CO2, что связано, по-видимому, с протеканием химических реакций.

     Мы ранее говорили, что для биологических процессов не характерны энергии ионизации (Довгуша В.В., 20011, 2012). Для них более характерны энергии возбуждения, когда биологические реакции и взаимодействия развиваются при минимальных затратах энергии. Энергия возбуждения 1-го электрона (эВ) инертных и индифферентных газов гораздо ниже энергий ионизации. А образование ионов возможно при энергиях возбуждения. Основные характеристики ряда отрицательных ионов, а также процессов их генерации и гибели приведены в таблицах 8.2.1  и 8.2.2.

                                                                                                                                   Таблица  8.2.1                                                                                                                                       Энергия ионизации и сродство к электрону некоторых газов (отрицательных ионов)

 

 

 

 

                                                                                                                               Таблица 8.2.2

Потенциалы и сечения ионизации молекул и продуктов их распада.

 

 

      Основные характеристики инертных и многоатомных газов приведены в таблицах 8.2.3 и  8.2.4.

 

                                                                                                        Таблица 8.2.3

                   Некоторые физические характеристики инертных газов

Элемент

 

Радиус атома, нм

Первый потенциал ионизации, эВ

Относительная поляризуемость атома, усл. ед.

Энергия возбуждённого электрона, эВ

Гелий

0,122

24,58

1

-

Неон

0,160

21,56

2

16,6

Аргон

0,192

15,76

3

11,5

Криптон

0,198

14,00

12

9,9

Ксенон

0,218

12,13

20

8,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                           Таблица 8.2.4                                                                                                                                    Физические величины некоторых газов, влияющие на величину индуцированного дипольного момента

 

 

- ИДП – индуцированный дипольный момент;                                                                           - выделенные шрифтом показатели аргона и азота отвечают на вопрос - какой газ более наркотичен и почему;                                                                                                                      - поляриземость СО2  составляет  4,05 α٠ 10243 (чуть больше чем у ксенона).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 9. Оксид азота как мессенджер  метаболических процессов и эффектов при различных физико-химических воздействиях

 

9.1.  Биомедицинские свойства ксенона и других инертных газов

 

Наиболее полно биомедицинские свойства ксенона, в основном, представлены в работах С.А. Наумова, И.А. Хлусова с соавторами (2000)  «Влияние ксенона на клетки и рецепторы» и «Биомедицинские свойства и применение ксенона в медицине». Чтобы избежать в данной работе элементарных физико-химических противоречий, во главу изложения материала мы поставим тезис: «не может нейтральная (инертная) молекула (атом) быть наркотиком». Самое серьёзное, к чему может привести повышенная концентрация инертных и неполярных газов – это гипоксия, вплоть до летального исхода.

Мы считаем, что для оценки биологического действия инертных (в том числе и ксенона) и  неполярных газов на живые системы необходимо исходить из ряда положений (принципов):

- рассматривать физико-химические и биологические свойства отдельно  легких (Н2, Не, Nе) и тяжелых (Ar, Kr, Xe) инертных газов, азота, СО2 и других;

- действие инертных газов на биологические системы оценивать с позиции как непосредственного действия – в основном состоянии или с приобретённым индуцированным дипольным моментом (ИДМ), так и  их последействия, когда эффекты остаются, а газ, как элемент отсутствует (элиминирует). Эффекты прямого действия и  последействия  могут отличаться совершенно противоположной направленностью;

- механизм биологического действия инертных и индифферентных газов необходимо рассматривать с позиции образования единого действующего комплекса: газ и ассоциаты воды  биологических жидкостей;                                                                                                          - поляризация и возникновение индуцированного дипольного момента – это  главное во всех физико-химических и биофизических взаимодействиях инертных газов с биосистемами.

Ряд исследователей, пытавшихся объяснить механизм наркотического действия различных веществ химическими или физико-химическими взаимодействиями, пришли к прогрессивным и перспективным выводам:

- окончательный механизм действия наркотических веществ должен быть един;

- данный механизм не сопровождается химическим взаимодействием;

- имеется зависимость от коэффициентов растворимости в воде и жирах, но она не является основной;

- существуют различия в механизмах действия на нервные и соматические клетки, на человека и животных;

- имеется зависимость от степени поляризуемости атомов, молекул газа, наличия или отсутствия дипольного момента, и ряда других физических характеристик;

- способность газов взаимодействовать с водой, создавая принципиально новые молекулярные структуры с физико-химическими характеристиками, характерными только для этих комплексов свойствами.

Ближе всех к объяснению механизмов наркоза подошел Л. Полинг, выдающийся химик современности, Лауреат Нобелевской премии. В 1961 году он выдвинул и частично, с несколькими поправками, обосновал молекулярную теорию наркоза. Логика его мыслей была проста. Сознание и память человека связаны с электрическими колебаниями нервных клеток головного мозга, и эти функции можно заметить на ЭЭГ. Все анестетики снижают активность возбуждающего процесса, вызывают наркоз. Все понятия выстроились в одну линию для познания: память, сознание, сон, аналгезия, амнезия, наркоз.

Используя метод рентгеноструктурного анализа, Л.Полинг заметил, что анестетики в живом организме образуют нестойкие соединения с молекулами воды с образованием решетчатых кристаллов (клатратов), в частности, в виде гидрата ксенона –Xe(Н2О)6. В решетках малые камеры могут заниматься атомами ксенона, большие камеры - другими анестетиками, например, хлороформом, имеющим крупную молекулу. Таким образом, молекулы воды и молекулы анестетиков объединяются и образуют клатраты, где «хозяином» являются молекулы воды, а «гостем» атомы ксенона. Возникает гидрат ксенона – клатрат, образованный не химическими связями, а силами ван-дер-ваальса, силами межмолекулярного сцепления. Клатраты – непрочные соединения, они распадаются под влиянием различных факторов, при изменении термодинамического равновесия, в частности, температуры окружающей среды и давления.

Только теория Миллера выделяет возможность формирования диполя атомом ксенона, что позволяет за счет слабых взаимодействий связывать молекулы воды в виде конгломератов.  

Некоторые закономерности биологического действия тяжёлых инертных газов:

1.       Обладают наркотическим действием в зависимости от внешних факторов.

2.      Одинаково выражены стадии наступления наркоза.

3.      Обладают прямым действием и последействием.

4.     Обладают блокирующим эффектом на возбудимость клеточных мембран.

5.     Ксенон обладает тормозящим действием на клетки, которое может осуществляться через ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами самих клеток-мишеней, через короткоранговые и дистантные механизмы регуляции жизнедеятельности клеток:

-         через обратимую блокаду синаптической передачи медиаторов, возбуждающих клетки (NMDA-рецепторы);

-         через потенцирование эффектов тормозных медиаторов (глицин, ГАМК);

-         через блокаду высвобождения гормонов  стресс - реализующих систем организма (адреналин, глюкокортикоиды);

-         через регуляцию клеток и факторов микроокружения;

-         через изменение скорости кровотока.

        Основной вывод, который напрашивается после оценки этих закономерностей, – полифункциональность эффектов, биологического ответа организма на  действие различных инертных и неполярных газов.
      Прямое действие ксенона. Результаты действия инертных газов на биологические системы необходимо оценивать с позиции как непосредственного действия инертных газов – в основном состоянии или с приобретённым индуцированным дипольным моментом (ИДМ), так и  их последействия, когда эффект остаётся, а газ, как элемент отсутствует (элиминирует). Эффекты прямого действия и  последействия  могут отличаться совершенно противоположной направленностью.

Чтобы произвести  биологическую реакцию ксенон должен подвергнуться биотрансформации, а именно – изменить своё фазовое состояние, из основного перейти в возбуждённое, поляризованное, с приобретением мгновенного индуцированного дипольного момента. В живых системах это происходит только в водных ассоциатах (кластерах) биологических жидкостей и то, не во всех. Поэтому газ в организме может находиться в своём основном состоянии - растворённом, внедрённом (с ИДМ) и свободном, например, в газовых пузырьках.

При исследовании  129Хе – ЯМР спектров растворов миоглобина,  суспензий различных липидных бислоев мембран эритроцитов и мембран Torpedo californica, обогащенных рецептором к ацетилхолину, был установлен быстрый обмен ксенона между жидким и органическим окружением (Miller K.W. et al., 1981). Это свидетельствует  о возможности интегрального механизма действия  газа на клетки  гидрофильными и гидрофобными компартментами.

Ксенон, криптон и аргон могут выступать как протон-связывающие кластеры с образованием комплексов с катионами HCO+, HN2+ и HNCH+ (Botschwina P. et al., 2001). Кроме того, ионы водорода и хлора могут атаковать атом ксенона в оппозитных участках (так как   его молекула может приобретать  диполь) и приводить к перемещению заряда с образованием ионизированного комплекса HХeCl (Cohen A. et al., 2001).

Описанные выше процессы могут лежать в основе разнонаправленного влияния ксенона на возбуждающие и тормозящие ионные каналы с лиганд-зависимыми и потенциал - зависимыми “воротами“, определяющими, в свою очередь,   функциональное состояние клеток.

Miyazaki Y. et al. (1999) изучали влияние ксенона в 70 %-ной концентрации на нейроны задних рогов спинного мозга кошек в сравнении с N2O. Перерезка спинного мозга (устранение эффекта нисходящих ингибиторных систем) не влияла на способность инертного газа, в отличие от закиси азота, подавлять реакцию клеток на раздражители, что позволило авторам сделать заключение о возможности реализации его антиноцецептивного эффекта через прямое воздействие на нервные клетки спинного мозга. А это действие возможно только через водные ассоциаты биологических жидкостей с внедрённым инертным газом с ИДМ.

Смесь Хе/О2 (70/30) приводит к единичному пикнозу ядер в коре и мозговом веществе надпочечников крыс. Однако в случае ингаляции смеси закись азота/кислород(70/30) подобные изменения более выражены, что авторы связывают с постстрессорными явлениями (Natale G.et al., 1998).

По всей видимости, это не так. Ксенон по своим атомным габаритам  - радиус 2,18 Ả - в кубической структуре гидрата имеет ребро около 1200 нм и содержит 46 молекул воды. Такой размер не может пройти  через мембранные каналы клетки. Кислород, азот, СО2 легко проходят через мембрану. Тяжёлые инертные газы могут только блокировать клетку, – для этого нужно 90-120 таких гидратов. Азот и его образования легко проникают в клетку.          

Микроциркуляторное русло (артериола, капилляры, венула) является одним из компонентов клеточного микроокружения, регулирующего питание, пролиферацию и дифференцировку, функционирование клеток различных тканей (Серов В.В., Шехтер А.Б. 1981; Tavassoli M., 1975). В связи с этим клеточные, синаптические, тканевые и органные эффекты ксенона в некоторой степени могут быть опосредованы его гемодинамической активностью. Эта активность в таком объёме может опосредоваться только через влияние оксидов азота, для этого они и существуют.

Действие разных газов, вызывающих анестезию, отличаются по механизму, в основном, благодаря наличию или отсутствию постоянного дипольного момента. Например, прямой эффект ксенона и этилового спирта различаются уже по тому, что ксенон внедряется в водную полость, а молекула спирта встраивается в каркас полости молекул воды. Постксеноновый  эффект и эффект последействия спирта тоже различны, так как в первом случае газ элиминировал, и остались постгазовые водные ассоциаты, с повышенной энергией, а встроенный в водную структуру этиленгликоль продолжает своё угнетающее действие.

На подобные особенности поведения газов обращал внимание ещё П. Бер.  Его данные позднее нашли подтверждение и работе Фальконе с соавторами (1949), которые проводили опыты в барокамере на добровольцах. При барометрическом давлении, равном 2 атм, хирургическая стадия наркоза достигалась при 50% содержания закиси азота во вдыхаемом воздухе, в условиях атмосферного давления для этого была бы необходима 100% концентрация закиси азота. По мнению Бера, преимущества закиси азота как анестезирующего средства заключаются в том, что в противоположность хлороформу и эфиру она не соединяется химически с тканью (кровь, ЦНС), а только в ней растворяется, поэтому действие закиси азота наступает и проходит тотчас же с началом и прекращением вдыхания газа; кроме того, закись азота не вызывает у пациентов возбуждения, тошноты, рвоты, головной боли и других неприятных явлений, которые обычно отмечаются при использовании хлороформа и эфира.

               1. Фармакодинамика и фармакокинетика, токсичность ксенона

1.  Известно, что ксенон слаборастворим в жидких средах организма, однако только СО2 имеет более высокую поляризуемость, чем ксенон (поляризуемость СО2  составляет  4,05 α٠ 1024 cм3 , у ксенона 4,02 соответственно). А это свидетельствует о вполне достаточной для биологических процессов растворимости в воде.

2. Не может инертная молекула обладать острой и хронической токсичностью (кроме вызывания гипоксии) и влиять на метаболические (обменные) и клеточные процессы. Такой способностью обладают, в основном, атомы и молекулы газов, имеющих постоянный дипольный момент.

3. Может образовывать соединения в форме кристаллогидратов с водой [Xe*(H2O)*6] и другие.

4. Ксенон  обладает высокой растворимостью в липидах, которая ещё больше увеличивается при приобретении ИДМ. При этом возрастает и растворимость в воде.

5. Вследствие биохимической инертности ксенон  не обладает тератогенностью и эмбриотоксичностью, не является аллергеном, не нарушает целостность структур мозга. Именно это затрудняет расшифровку эффектов на клеточном и субклеточном уровнях.  Это именно так потому, что время действия и  сила воздействия  индуцированного инертного газа недостаточна, чтобы нарушить ассоциативные связи, отвечающие за эти эффекты. Субхроническое назначение ксенона  (2,5 ч/день в течение 7 дней) не вызывает токсического влияния на системы жизнеобеспечения: мозг, легкие, печень, почки, надпочечники. Не  вызывает токсического влияния длительное нахождение в аргоновой среде, который вообще способен заменить воздух.

2. Гемодинамические эффекты ксенона

1. Ингаляция в течение 45 мин Xe крысам в концентрации 30-70 % не вызывает изменения локального и общего мозгового кровотока. Однако короткое (2 и 5 мин) назначение 70 % инертного газа вызывает увеличение на 48 % и 37 % соответственно кровообращения в коре мозга. В то же время локальная утилизация глюкозы различными отделами мозга падает на 7-18 %. Вывод – эффекты ксенона на кровоток в мозге определяются временем его воздействия на крыс (Frietsch et al., 2000).

2. В наркотической концентрации ксенон вызывает увеличение мозгового кровотока (Lewelt W., et al.,1998). Так, при концентрациях более 60 % кровоток в мозге повышается на 18 % (Marx T. et al., 1998). Метаболизм мозга не меняется (Lewelt W., De Witt D. et al., 1998).

3. У больных инсультом впервые 76 секунд воздействия ксенон  вызывал увеличение регионального мозгового кровотока в пределах 3-7 %, через 190 сек – 12 % и в дальнейшем показатель не менялся. Эти результаты согласуются с экспериментами на крысах.

4. Ингаляционная смесь 70 % ксенона – 30 % кислорода  первые 15 мин реперфузии, после региональной ишемии у крыс, снижает размеры инфаркта миокарда по сравнению с чистым кислородом (Preckel B. еt al., 2000).

        По нашему мнению эти эффекты объясняются следующим образом. Короткое, до 5 мин вдыхание газовой смеси с ксеноном вызывает резкое увеличение образование оксидов азота (азот даже поле кратковременной вентиляции чистым кислородом задерживается в полостях ассоциатов воды биологических жидкостей), которые и вызывают увеличение кровообращения. Возможность увеличения  образования в этот период оксидов азота подтверждаются фактом одновременно  присутствия молекул и атомов О2,  N2,  CO2 и Хе в смешанных полостях ассоциатов воды (Дядин Ю.А., Гущин А.Л., 1998; Довгуша В.В., Довгуша Л.В., 2013). 

3.     Анальгетические и наркотические феномены ксенона

1.     Известно, что смесь ксенон-кислород обладает более мощным анестезирующим и анальгезирующим эффектами, чем смесь закись азота (N2O) – кислород. Стадия наркоза (возбуждение), наступает очень быстро, в течение нескольких секунд (Lewelt W. et al.,1998).   

2.     Ксенон  вызывает полную анестезию у людей и частичную – у крыс, кроликов, мышей и низших приматов (Natale G.et al., 1998).

3.     Ксенон является миорелаксантом  (Годин А.В. с соавт., 1999).

4.     В субнаркотических концентрациях снижает уровень тревожности у людей (Vovk S., et al., 2000). 

         По нашему мнению п/п 2, 3 и 4 легко объясняются опосредованным действием  через образовавшиеся мгновенные оксиды азота.

4. Клеточные эффекты ксенона

1. Известно прямое блокирующее влияние ксенона на нервные клетки.

2. Известно, что ксенон действует на мембраны клеток мозга, в том числе на биохимический состав и электрофизиологические свойства (Natale G. et al., 1998).  

3. Он снижает соматосенсорные потенциалы мозга (Lewelt W., De Witt D. et al., 1998), уменьшает, как и другие анестетики, корковые потенциалы, электрическую активность мозга (Дамир Е.А., с соавт., 1996; Lewelt W., et al.,1998). 

4. Ксенон образует клатраты со свободной водой, что уменьшает подвижность ее молекул, а также белков (Дамир Е.А., с соавт., 1996).

5. При длительной экспозиции (несколько часов) в атмосфере ксенона белые мыши теряют вес (за счет возбуждения и повышения подвижности) в большей степени, чем в обычной атмосфере, при меньшем потреблении кислорода. Растёт температура тела. Авторы исследований эти феномены объясняют за счет усиления процессов анаэробного гликолиза, который может активироваться как шунтовый механизм вследствие инактивации процессов клеточного дыхания, вызванной ксеноновой стабилизацией липидного слоя мембран митохондрий. Переключение на более древний шунтовый механизм анаэробного гликолиза увеличивает энергозатраты при снижении потребления кислорода (Тестов Б.В. с соавт., 2000). Частично, это объяснение можно принять. Однако более просто, а природа это любит, механизм раскрывается исходя из габаритов кластера ксенона и роста образования оксидов азота.

6. Экспозиция белых мышей более 4-5 часов в атмосфере 30 % кислорода, 30 % гелия и 40 % ксенона либо 30 % кислорода и 70 % ксенона приводит к гибели животных, не связанной с гипоксией и перегревом. При удалении ксенона из атмосферы в критических для животных ситуациях, мыши оживали без побочных эффектов (Тестов Б.В. с соавт., 2000). По нашим данным (Довгуша В.В., 2011; Довгуша В.В., Довгуша Л.В., 2013)  наличие в газовой смеси гелия не приводит к увеличению образования оксидов азота.  Эти эффекты можно объяснить следующим образом. 

1. Атомными  габаритами кластера ксенона,  который по размерам не может проникнуть   через мембранные каналы клетки. Кислород, азот, СО2 легко проходят через мембрану. Тяжёлые инертные газы могут только блокировать клетку, – для этого нужно 90-120 таких гидратов.                                                2. Присутствие ксенона способствует возбуждению молекул азота и кислорода (активации), что приводит к увеличению процессов образования оксидов азота. Удаление ксенона из состава газовой смеси прекращает их образование. Эффекты исчезают. 

3. Гиперактивация NMDA-рецепторов высокими уровнями внеклеточных лигандов, нейродегенеративные процессы вызывают избыточную продукцию оксида азота, реализующего свои патологические эффекты на клетку через высокие уровни цГМФ, снижение концентрации АТФ через АДФ-рибозу, образование активных метаболитов, таких как пероксинитрит (ONOO-), гидроксильный радикал (ОН-), супероксиданион (Kobayashi H. Et al., 1997; Tong L. et al., 1998). В свою очередь, они индуцируют перекисное окисление липидов мембран с образованием пероксидов, которые в 100 раз более токсичны, чем сам NO и его активные радикалы, что приводит к разрушению нервных и других типов клеток.

5.     Влияние ксенона на систему крови

   1. Вызывает умеренный лейкоцитоз у людей (Годин А.В. с соавт., 1999).

1.     Не действует на содержание гемоглобина, гематокрит и биохимию крови.

2.     1-часовая анестезия  Хе/О2 (70/30) не влияет на показатели крови у людей и крыс (Буров Н.Е. с соавт., 1993).

3.     Шесть дней в атмосфере ксенона приводят к снижению числа лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови (на 30 % и 18 % соответственно) и содержания гранулоцитов  в костном мозге (действие аналогично другим анестетикам). Ксенон уменьшает в крови уровни тромбоцитов на 30 %, лимфоцитов на 28-36 % в 60 % случаев (Дамир Е.А., с соавт., 1996).

4.     Ксенон несколько увеличивает массу и количество клеток лимфоидных органов.

Указанные эффекты могут иметь полное основание зависеть от повышения в грови оксидов азота.

 

6.     Воздействие ксенона на нейроэндокринную систему

Регуляторная система в живом организме представлена тремя звеньями: иммунными, нервными и эндокринными, взаимодействующими по принципу взаимного дополнения и замещения. Регуляция и управление  обеспечивается нейротрансмиттерами, нейропептидами, гормонами, цитокинами, трофическими факторами через соответствующие рецепторные, сигнальные системы и молекулярное узнавание.

6.1. Рецепторные эффекты ксенона

 Считается, что основной точкой приложения действия ксенона, как и других анестетиков, является постсинаптическая мембрана (de Sousa S.L. et al., 2000).

В работе (Yamakura T., et al., 1999) методом двухэлектродной техники вольтаж-клямпа тестировалось влияние газовых анестетиков закиси азота N2O и Хе на широкий спектр рекомбинантных рецепторов мозга, экспрессированных на ооцитах Xenopus: глициновые, ГАМК-рецепторы типа А и С, NMDA (N-methyl-D-aspartate)-рецепторы, АМРА (alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)-рецепторы, рецепторы каината, 5-гидрокситриптаминовые (серотониновые) и N-ацетилхолиновые рецепторы (N-АХР). Оказалось, что N2O (0,58 атм) и Хе (0,46 атм) имели схожий спектр действия. Авторы отмечали, что наиболее вероятные мишени ингибирующего действия газовых анестетиков - N-АХР (бета2-субъединица) и NMDA-рецепторы. Серотониновые рецепторы подавлялись, а глициновые и ГАМК-А рецепторы потенциировались газовыми анестетиками намного слабее, чем изофлураном  в эквивалентной концентрации (Goto T., 2000).

Наибольшее количество работ посвящено влиянию ксенона на NMDA- рецепторы. Установлено, что он является антагонистом NMDA - рецепторов (Goto T., 2000; Yamakura T., et al., 1999; Nagata A., et al., 2001). В минимальной альвеолярной концентрации (МАК) ксенон  селективно подавляет (на 60 %) возбуждающие постсинаптические токи, вызванные активацией NMDA-рецепторов, но обладает незначительным влиянием на альфа-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты (AMPA)/каинат, рецептор-опосредованный компонент (de Sousa S.L. et al., 2000).

Постсинаптические NMDA- рецепторы реализуют эффекты глутамата, N-метил-D-аспартата, L-аспартата. Располагаются на мембране нейронов, микроглиальных клеток, нейтрофилов и моноцитов/макрофагов (Kobayashi H., 1997), что опосредует эффекты ксенона не только через состояние нервных клеток, но и через клетки микроокружения, обладающие широким спектром регулирующего влияния на клетки-мишени.

В случае NMDA-рецепторов реакция может реализовываться  через увеличение концентрации внутриклеточного мессенджера (оксида азота), запускающего ПОЛ  как самостоятельно, так и совместно с активными формами кислорода (Sies H. et al., 1992; Linn W.S. et al., 1995; Kobayashi H., 1997).

            Активация рецепторов сопровождается повышением уровня внутриклеточного кальция, стимулирующего синтез внутриклеточного мессенджера, оксида азота (NO). Физиологическая роль NO связана с активацией гуанилатциклазы и повышением внутриклеточного уровня цГМФ, что реализуется, например, релаксацией гладкомышечных клеток. В иммунной системе активированные макрофаги высвобождают NO как цитотоксический и цитостатический агент, ингибирующий дыхательную цепь митохондрий, синтез ДНК и активность ферментов (Kobayashi H., 1997).  

NMDA-рецепторы выполняют ноцицептивную функцию - участвуют в образовании нейрональной сети, синаптической передачи импульсов, необходимых для обучения и формирования памяти (Seltzer Z. et al., 1991).

В нормальных и экстремальных условиях жизнедеятельности эффекты ксенона могут быть противоположными, поскольку будут зависеть от активности NMDA-рецепторов (Yamakura T., et al., 1999) и состояния клеток-мишеней. С одной стороны, Xe может блокировать физиологическую функцию нейронов, гладкомышечных и иммунокомпетентных клеток, с другой - предупреждать свободнорадикальные механизмы их  гибели при патологических состояниях.

Для тормозных аминокислот центральной нервной системы (глицин, ГАМК) (Албертс Б. с соавт., 1987) наиболее понятным является действие ксенона на глицинергическую систему, где он   потенциировал на 50 % ингибиторный постсинаптический ток, возникающий в постсинаптической мембране после воздействия глицина (50 микроМ) на альфа1-глициновые рецепторы. Однако его эффект, в клинических концентрациях, был ниже такового у закиси азота (75 %) (Daniels S. еt al., 1998). В свою очередь, оба газовых анестетика действовали хуже по сравнению с изофлураном (Kobayashi H., 1997).Поскольку 11 средств наркоза, включая 4 барбитурата (пентобарбитал, тиопентал, метогекситал, фенобарбитал), 2 других внутривенных анестетика (пропофол, этомидат), 3 летучих (галотан, хлороформ и эфир) и 2 простых газообразных анестетика (закись азота и ксенон), имеют своей точкой приложения глициновые рецепторы.

Менее определенными являются результаты по влиянию ксенона на ГАМК - ергическую систему. Так, согласно (Hapfelmeier G. et al., 2000) ксенон  в 100 %-ной концентрации (3,9 мМ), повышает эффективность ГАМК в рецепторном комплексе и усиливает ГАМК - ергическую синаптическую передачу посредством активации ионных каналов. Методом patch-clamp на клетках эмбриональной почки человека (НЕК 293), инфицированных кДНК для субъединиц ГАМК-А рецепторов, авторы показали, что ксенон обратимо усиливал ГАМК - индуцированные токи через каналы рецептора, подавляющего важнейшие функции головного мозга, например, поддержание сознания.

Некоторые авторы считают потенцирующее действие ксенона на ГАМК-А рецепторы слабым, в сравнении с изофлураном (Kobayashi H., 1997). С другой стороны, ксенон в МАК=60 %, в культуре нейронов гиппокампа крыс (препараты, предотвращающие смешанные эффекты нейрональной сети), не обладал измеримым эффектом на ГАМК - ергические ингибиторные постсинаптические токи (каналы) и не модулировал действие экзогенной ГАМК. Однако заметно подавлял распространение потенциала действия по постсинаптической мембране (de Sousa S.L. et al., 2000). Согласно Goto (2000), ксенон вообще не является агонистом рецепторов, чувствительных к гамма-аминомасляной кислоте.

По мнению большинства авторов, противоболевое действие ксенона не реализуется через опиатергическую систему, поскольку его эффекты не отменяются назначением налоксона (Yagi M. еt al., 1995; Ohara A. et al., 1997).

Одним из органов-мишеней ксенона  являются надпочечники, в которых благородный газ накапливается в большей степени, чем в мозге (Natale G.et al., 1998).

Существование определенного периода последействия ксеноновой анестезии на молекулярном уровне, не выявленного в условиях макроорганизма (Burov N.E. et al., 2000), и не должно быть. Так как  этот период наоборот отличается активацией биологических процессов, за счёт водных ассоциатов с повышенной энергетикой.

6.2. Эндокринные эффекты ксенона

1.     В субнаркотических концентрациях ксенон снижает в плазме крови человека уровень гидрокортизона и повышает содержание инсулина. 

2.     В субнаркотических концентрациях Xe оказывает антистрессорный эффект в отношении систем жизнеобеспечения человека  (Vovk S., et al., 2000).   

3.     Снижает концентрацию сахара и калия (Дамир Е.А., с соавт., 1996).

4.     Ксенон снижает соматосенсорные потенциалы мозга (Lewelt W., De Witt D. et al., 1998), уменьшает, как и другие анестетики, корковые потенциалы, электрическую активность мозга (Lewelt W. et al.,1998). 

5.     Соотношение Хе/О2 (70/30) повышает, по сравнению с аналогичной концентрацией закиси азота, уровень в крови соматотропного гормона (СТГ) и соотношение СТГ/кортизол при оперативных вмешательствах (Буров Н.Е. с соавт., 1995).

6.     Ксенон повышает индекс СТГ/кортизол и снижает АКТГ/СТГ, что свидетельствует о преобладании анаболического эффекта ксенона на организм.

7.     Не влияет на уровни тиреотропного гормона (ТТГ), гормонов щитовидной железы (Т3, Т4) (Годин А.В. с соавт., 1999). Подобное действие Хе позволило  сделать заключение об его антистрессорном эффекте в отношении систем жизнеобеспечения человека с преобладанием в структуре  клеточных эффектов инертного газа толерантной стратегии адаптации, представленной в работе (Vovk S., et al., 2000; Кулинский В.И. с соавт., 1992).

8.     Ксенон в концентрации 30-50-70 % не изменяет концентрацию в плазме крови дофамина и норадреналина (НА), однако уровень адреналина (А) падает во всех группах. В тоже время закись азота и галотан повышают активность эфферентных симпатических нервов, концентрацию норадреналина в плазме (Marx T. Et al., 1998). В других  работах было показано, что при различных оперативных вмешательствах ксенон в МАК 71 % увеличивает содержание НА и снижает уровень А в плазме крови. Концентрация дофамина при этом не меняется (Marx T. et al., 1997; Marx T. et al., 2000). При этом существенную редукцию уровня А при 30 % и 50 % концентрациях ксенона (ниже МАК) авторы объясняли его анальгетическими эффектами.

9.     С другой стороны, (Boomsma F. et al., 1990) показали ранее на 16 пациентах, что как ксеноновая анестезия, так и анестезия закисью азота сопровождалась повышением в плазме крови содержания НА и пролактина при неизменном количестве дофамина. В период действия Хе уровни А и кортизола не менялись, а концентрация гормона роста даже уменьшалась. В послеоперационный период (после отмены Хе) концентрации катехоламинов, кортизола и пролактина оказались повышены с медленным возвращением к контрольным показателям. Отсутствие катехоламинергического влияния Хе отмечено Goto et al. (1999).

10.                  Отмечается ваготонический эффект ксенона, связанный с уменьшением частоты сердечных сокращений  до 55-60 ударов в минуту (Годин А.В. с соавт., 1999).

11.                   Исследование состояния сердечно-сосудистой системы при анестезии пациентов ксеноном в 0,8 МАК (56 %) показало, что он подавляет как парасимпатическую, так, в большей степени, симпатическую периферическую нейротрансмиссию, что позволяет считать его относительным ваготоником (Ishiguro e.a., 2000). По-видимому, мишенью блокирующего действия ксенона может быть аденилатциклазный механизм влияния медиаторов и гормонов на клетки. 

12.                  Стимулирует первичный иммунный ответ (Годин А.В. с соавт., 1999). 

13.                  Как следует из результатов Yoshida H. et al. (2001)  еще одним механизмом  биологического действия ксенона  может быть влияние на такой мультифакторный процесс, как высвобождение метаболитов из нервных терминалей и секреторных клеток нейроэндокринной системы. Оксиды азота при этом играют не последнюю роль.

            В печени биосинтез NO активируется при местном или системном воспалении, он связывается с гемом, активируя либо ингибируя такие ферменты, как гуанилатциклаза, циклооксигеназа, цитохром P450. В иммунной системе активированные макрофаги высвобождают NO как цитотоксический и цитостатический агент, ингибирующий дыхательную цепь митохондрий, синтез ДНК и активность ферментов (Kobayashi H., 1997).

             Рассматривая механизмы имунных, нервных и эндокринных, взаимодействий по принципу взаимного дополнения и замещения, необходимо иметь в виду, что они разные для галотана, изофлурана и ксенона, и сравнивать их нельзя. В данном случае механизм разнится так же, как при сравнении действия этилового спирта и инертных газов. Можно сравнивать ксенон и оксиды азота, они внедряются в полости воды биологических жидкостей, не имеют постоянного дипольного момента и так далее. Галотан, изофлуран, молекулы этилового спирта встраиваются в водородную сеть ассоциатов воды, имеют свой потоянный дипольный момент.

Таким образом, из представленного анализа явно следует противоречивость многих данных о влиянии ксенона на системы жизнеобеспечения организма (нейроэндокринная система, сердечно-сосудистая система, система крови). Недооценка необходимости разграничения прямого действия ксенона и его последействия приводит к получению разнонаправленных эффектов и вводит в заблуждение. Это отчётливо видно по полиморфизму и полифункциональности показателей и эффектов у различных авторов, особенно в нейроэндокринных исследованиях.

 

9.2. Механизм полиморфизма биологических эффектов инертных газов

9.2.1. Образование оксидов азота в технических условиях

       В технических условиях известны следующие реакции и процессы:                                                   1. Результаты  расчетов показывают, что различное содержание О2 и N2 в исходном окислителе и в продуктах сгорания существенно влияет на образование NO. Была разработана цепная схема окисления азота, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:

Образование оксидов азота

При этом концентрация атомарного кислорода остается неизменной, а скорость процесса определяется реакцией 2 схемы. Энергетический барьер этой реакции складывается из двух составляющих :                                                                                                                                                     а) энергии, требующейся на образование одного атома кислорода (Е1);                                                      б) энергии активации реакции атома кислорода с молекулой азота (Е2).                                                     Таким образом,   Е=Е1+Е2=494/2+314=516 кДж/моль. Так как энергия активация этой реакции очень высока, то она предопределяет исключительно сильную зависимость скорости образования оксида азота от температуры. Стоит отметить, что концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры.
2. Образование “быстрых” оксидов азота.     Для получения равновесных концентраций NO при горении стехиометрической метановоздушной смеси требуется период времени около10-2 -10-3 с, однако время горения составляет 10-4 с. Вместе с тем в углеводородных пламенах в отличие от пламен Н2 и СО непосредственно в зоне горения обнаруживается достаточно высокие концентрации NO.  С. Фенимор на основание ряда реакций сделал предположение, что быстрое образование NO объясняется связыванием молекул азота радикалами СН и 2С в реакциях с очень малыми энергетическими затратами:

Образование оксидов азота

       Так же многие учёные проводили опыты и соответствующие измерения по данному вопросу и можно отметить, что быстрое образование оксида азота во фронте пламени - явление, органически связанное с горением и присуще пламенам углеводородов и углесодержащих топлив. С точки зрения минимизации выхода NOx перспективным топливом является водород, в пламенах которого образуется оксида азота на порядок меньше по сравнению с пламенами метана и оксида углерода. Задача снижения “быстрых” NOx пока не решена.
      Анализ работ, проведенные Н.А. Гуревичем, В.Г. Ляскоронским, И.Я. Сигалом, позволяют сделать следующие выводы. Быстрое окисление азота во фронте пламени является достоверным и надежно установленным фактом. Явление хорошо воспроизводится в лабораторных условиях, независимо от разнообразия используемых для его наблюдения горелочных устройств и типов пламени.  Наиболее характерными признаками быстрого окисления азота в пламени служат:                                                                                                                                    а) кратковременность процесса, в результате чего зона образования NO локализована на сравнительно небольшом участке фронта ламинарного пламени;                                                                                                                            б) слабая зависимость выхода NO от температуры горения;                                                                          в) сильная зависимость выхода NO от соотношения топливо-воздух.                                                             Наиболее вероятным механизмом образования “быстрых” NO является механизм С. Фенимора с участием углеводородных радикалов, хотя дополнительная проверка его является необходимой. Характерно то, что в ассоциатах и кластерах воды биологических жидкостей СО и СО
2  всегда присутствует.
      Рассмотрим реакцию:   2NO (г)+ O
2 (г) = 2NO2 (г) 
Реакция гомогенная. Реакция окисления обратима, протекает с уменьшением объема и сопровождается выделением тепла. Следовательно, снижение температуры и повышение давления способствует образованию NO
2. При температурах до 100º С равновесие реакции практически полностью сдвинуто в правую сторону. В реакцию вступили два объема газа NO и один объем О2. В результате реакции образовалось два объема газа NO2. Следовательно, прямая реакция идет с понижением суммарного количества объемов газа. По принципу Ле Шателье при повышении давления равновесие реакции смещается в направлении образования веществ, занимающих меньший объем. Следовательно, при повышении давления равновесие реакции сместится в сторону прямой реакции – образования оксида азота IV NO2. Поэтому рассмотрим отношение прямых скоростей реакции до и после увеличения давления в системе. 
      Скорость прямой реакции до увеличения давления 
                                                     V1 = k1[NO]^2*[O
2
По уравнению Менделеева-Клайперона 
                                                     P*V = n*R*T 
                                                     P = (n/V)*R*T = Cm*R*T 
                                                     х*P = х*Cm*R*T 
       Таким образом, получили, что парциальное давление газа P (при T = const) прямо пропорционально молярной концентрации газообразных веществ. Следовательно, увеличение (или уменьшение) давления в системе в х раз приводит соответственно к увеличению (или уменьшению) молярной концентрации всех газов-участников реакции также в х раз. 
      Пусть давление в системе увеличили в х раз, тогда скорость прямой реакции после увеличения давления: 
                          V1' = k1(х[NO])^2*х[O
2] = х^3*k1[NO]^2*[O2
                          V1'/V1 = (х^3*k1[NO]^2*[O
2])/(k1[NO]^2*[O2]) = х^3 = 1000. 
Отсюда х = 10. При увеличении давления в 10 раза скорость прямой реакции увеличится в 1000 раз.
       Известно, что при стехиометрическом соотношении кислорода и аммиака O
2: NH3 = 1,25 даже при атмосферном давлении выход оксида азота не превышает 60 – 80%. При увеличении соотношения O2: N до 1,7 что соответствует содержанию аммиака в смеси 11,5%, выход NO возрастает. Для получения высокого выхода NO необходим 30% -ный избыток кислорода сверх стехиометрического.
       В технических условиях, применение воздуха, обогащенного кислородом (или чистого кислорода) позволяет получать и увеличить скорость окисления NO в NO
2. Реакция окисления NO в NO2 ускоряется при понижении температуры, а с повышением замедляется почти до полного прекращения. Это объясняется тем, окисление NO в NO2 идет через образование промежуточного продукта – димера оксида азота (II). Уменьшение скорости окисления оксида азота в диоксид с повышением температуры можно объяснить сильным снижением концентрации димера.

9.2.2. Существующие и возможные пути физиологического образавания оксида азота

       Современные представления о регуляции клеточных процессов позволяют особо выделить некоторые химические соединения, обладающие полифункциональным физиологическим действием. В своих работах мы ранее отмечали полифункциональность биологического действия инертных газов, в частности ксенона (Довгуша В.В., 2010-2012). Такое многоплановое действие ксенона, его прямое и опосредованное действие (последействие) связано с возможностью поляризоваться и приобретать ИДМ, а затем возвращаться в своё основное состояние при изменении термодинамического равновесия. Эффекты последействия проявляются уже за счёт ассоциатов воды биологических жидкостей, которые после удаления из них атомов ксенона обладают повышенной энергией.
       К числу соединений, обладающих полифункциональным физиологическим действием, с полным основанием можно отнести и оксид азота. Данный свободный радикал способен оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на различные метаболические процессы, протекающие в организме млекопитающих и человека. Несмотря на многочисленные исследования, значение оксида азота в системной регуляции гомеостаза клеток и тканей, до настоящего времени, не вполне понятны.
           В настоящей работе мы предприняли  попытку проанализировать и найти общие точки соприкосновения ксенона и оксида азота в физиологическом и метаболическом проявлении в организме. По нашему предположению, ряд эффектов ксенона  в полной мере может взять на себя оксид азота, потому, что он способен появиться в полости молекул воды смешанного кластера (ассоциата) инертный газ + азот и кислород. Особенно наглядно это проявляется, когда в смешанном ассоциате присутствует аргон.
        По своей химической структуре оксид азота относится к нейтральным двухатомным молекулам. Благодаря наличию неспаренного электрона на внешней π-орбитали молекула NO обладает высокой реакционной способностью и свойствами свободного радикала.
      Для биологических тканей помимо генерации оксида азота в ходе ферментативных реакций с участием NOS обнаружена возможность неферментативного образования оксида азота, например, превращения нитрит-аниона в NO (Брюне Б., Сандау К., Кнетен А., 1988
). Этот процесс происходит в условиях ацидоза и при наличии восстановленных форм гемсодеращих белков, что характерно для такого патологического состояния как ишемия (Серая И.П., Нарциссов Я.Р., 2002). Так, образование оксида азота из нитрита может происходить в соответствии со следующей последовательностью реакций:

                                NO-2 + H      + HNO2

                                 HNO2              {NOOH}

               {NOOH} + NO-2                  N2O3 + OH-

                                    N2O3             NO + NO2

Кроме того, ионы NO-2 способны восстанавливаться до оксида азота в ходе окислительно-восстановительных реакций, акцептируя электроны с дезокси-форм гемсодержащих белков. Так, при взаимодействии NO с восстановленным гемоглобином происходит окисление Hb2+ до metHb и восстановление ионов NO-2 до NO:

Hb2+ + NO-2 + 2H    + metHb + NO + H2O

       В 1987 г. было обнаружено, что окись азота образуется непрерывно ферментативным путем при окислении атомом кислорода аминокислоты L-аргинина в присутствии специфического фермента (NO-синтазы). L-аргинин это аминокислота натурального происхождения. Приставку L имеют все природные аминокислоты, приставку D - искусственные. Природные аминокислоты являются естественными для организма и лучше усваиваются. L-аргинин участвует в образовании необходимых организму белков, гормонов, ферментов, во множестве обменных процессов и выполняет ряд важнейших функций. И самое главное, L –аргинин является источником образования оксида азота (NO). Факт образования NO в биологических тканях из нитрит-аниона позволил предположить возможность существования и механизма циклического превращения оксида азота в организме:

                    L-Arg        NO           NO-2/NO-3            NO,

а так же другие пути образования.
       Данное положение нашло отражение в концепции цикла оксида азота в организме млекопитающих. При этом NO-синтазная компонента обеспечивает эндогенный синтез NO, NO-2, NO-3 в присутствии кислорода. В условиях гипоксии или функциональной нагрузки, при которой осуществляется активное потребление кислорода, NO-синтазный механизм ингибируется (Зеленин К.Н., 1997). В то же время дефицит кислорода приводит к активации нитритредуктазной компоненты цикла. Считается, что циклизация метаболических путей обеспечивает высокую степень упорядоченности и связанности систем биохимических реакций. Таким образом, механизм циклических превращений для NO и других высокореакционных азотсодержащих соединений гарантирует не только их эффективную переработку, но и достаточно быстрое выведение путем превращения в менее активные вещества, например ионы NO-2 и NO-3 
 (Серая И.П., Нарциссов Я.Р., 2002).
      Физическая нагрузка увеличивает образование оксида азота и препарат, который увеличивает количество оксида азота, повышает также энергию для тренировок. Вероятно нитрозные газы, содержащиеся в  полости ассоциатов воды биологической жидкости, могут содержать «быстрые» NO
2, N2O4, NO, N2O, N2O3.      Относительная доступность и легкость образования свободных радикалов в условиях неполного восстановления кислорода связана с уникальными свойствами его молекул. В химических соединениях атомы кислорода двухвалентны. Простейшей иллюстрацией этого является всем известная формула молекулы воды. Однако в молекуле кислорода оба атома соединены только одинарной связью, а остающийся на каждом атоме кислорода один электрон свободен. Известно, что основной устойчивой формой кислорода является триплетный кислород, в молекуле которого оба непарных электрона параллельны, но их спины (валентности) направлены в одну сторону. При разнонаправленном расположении спинов в молекуле образуется синглетный кислород, который по своим химическим свойствам является нестабильным и токсичным для биологических субстанций.
      Активизация исследований последних десятилетий в направлении раскрытия природы и механизмов образования активных форм кислорода, а также выяснения  их биологической роли в живом организме, связана с феноменом  ключевого звена в проблеме возникновения и передачи сигналов на уровне отдельных молекул и молекулярных комплексов. Для более глубокого понимания процессов передачи сигналов и активизации защитных реакций организма в условиях генерации избыточных форм кислорода, его производных и
NO при стрессе, необходимо рассмотреть новые возможные пути их образования.
      В растительных клетках синглетный кислород (1О2) образуется в хлоропластах в результате взаимодействия молекулярного кислорода с хлорофиллом, возбужденным квантом света и находящимся в триплетном состоянии. Энергия, необходимая для этого перехода, составляет примерно 22 ккал/моль. В результате поглощения избыточной энергии (что часто имеет место в реальных условиях) происходит обращение спина одного электрона и формирование синглетного кислорода (
Asada K., 1999).
       Известно, что под контролем АФК находятся реакции сверхчувствительности и апоптоза. Помимо прямого влияния на клетку токсичных кислородных соединений, возможно и опосредованное их воздействие. АФК и продукты окислительной модификации биомолекул, образующиеся под их воздействием, могут играть роль вторичных мессенджеров в сигнальной трансдукции в геном, в т.ч. при стрессе (
Kaur N., Gupta A.K.,2005; Mitteler R., 2002), что может быть связано с изменением редокс-потенциала различных сенсорных белков. АФК способны окислять редокс-чувствительные белки непосредственно или опосредованно через молекулы, контролирующие окислительно-восстановительное состояние клетки (глутатион, тиоредоксин) (Arrigo A.P. , 1999).
       В настоящее время мало что известно о специфичной сигнальной функции той или иной активной формы кислорода. В научной литературе имеется много фактических данных об участии различных АФК в трансдукции сигналов, приводящих к активации ферментов-антиоксидантов и экспрессии их генов (
Herbette S., 2003).  Существует предположение о том, что так называемая окислительная вспышка (усиленная вне- или внутриклеточная продукция АФК) в первые минуты после воздействия  стресс фактора, - является начальным событием в цепи передачи сигналов, которое запускает (включает) работу других механизмов защиты (Lamb C., Dixon R.A., 1997). Для этого  необходимо как увеличение АФК, так и продукция  NO. Именно активные формы кислорода, образовываясь в полости ассоциата воды биологических жидкостей,  выполняют ряд важных физиологических функций в клетке, в том числе, способны увеличить продукцию NO.
        Наряду с выполнением необходимых сигнальных или иных функций, АФК, как высокореактивные вещества, способны наносить вред биологическим структурам клетки и физиолого-биохимическим процессам, протекающим в ней. Негативные действия могут быть так же многообразными. Чрезвычайно высокая химическая активность АФК позволяет им реагировать с разными структурными и функциональными компонентами клеток, а также - метаболитами (Колупаев Ю.Е. , 2007).  Они вызывают повреждения белков, что проявляется в окислении -SH-групп и др.Одной из основных мишеней действия АФК являются липиды - основные компоненты клеточных мембран. АФК способны инициировать их перекисное окисление (ПОЛ), в результате чего происходит повреждение этих структур, связанное с нарушением функций мембранных белков (Гарифзянов А.Р. с соавт., 2011). При этом, в дополнение к нормальной метаболической активности, производство АФК в клетке в условиях стресса может существенно интенсифицироваться (Махдавиан К. с соавт.,2008). Подобную реакцию вызывает действие самых различных факторов. Избыточную генерацию АФК, сопровождающуюся повреждением клеточного содержимого, называют "окислительным стрессом". Изучению этой проблемы посвящено большое количество исследований (Полесская О.Г. , 2007).  Значительный интерес в этом аспекте представляют данные о том, что разные уровни АФК в клетках могут вызывать качественно различные физиологические эффекты.
       Поскольку с оптимальной скоростью фотосинтез в растительных клетках осуществляется в довольно узком диапазоне интенсивности света, то даже при относительно невысоких потоках не вся световая энергия, поглощенная фотосинтетическим аппаратом, может быть использована в фотохимических реакциях (
Ort D.R., 2001).   Таким образом, возникает дисбаланс между поглощением квантов световой энергии и возможностью ее реализации в фотосинтезе, в результате чего генерация 1О2 и О2•- быстро нарастает (Соловченко А.Е., с соавт.,2008). Аналогичные процессы  могут происходить и в ассоциатах воды биологических жидкостей. Имея в виду то, что в смешанных полостях кластеров  находится повышенное содержание азота (в 2 – 4 раза), имеется полная возможность и для образования NO.
         Несмотря на то, что источником активных форм является молекулярный кислород, к их образованию в клетках может привести и аноксия (полное отсутствие кислорода), и гипоксия (недостаток кислорода)(Колупаев Ю.Е. , 2007),  гипероксия и гипербария (Довгуша В.В., 2013). Избыточное образование активных форм кислорода может индуцироваться и различными газообразными  компонентами, например, озоном О3.
        Таким образом, усиленное образование активных форм кислорода является одной из наименее специфических реакций растений и живых систем на действие биотических и абиотических стрессоров, в результате чего происходит нарушение многих физиолого-биохимических процессов. Фотосинтез и дыхание - два основополагающих биохимических механизма, которые обеспечивают живые объекты энергией. В их основе лежат окислительно-восстановительные процессы, в которых ключевое место отведено молекулярному кислороду, и его неполное восстановление в различных физиолого-биохимических реакциях сопряжено с возможностью образования, как активных форм, так и продуктов окисления.
      В своё время участие оксид азота (NO)  в биологической регуляции функций явилось для биологов и медиков определенной неожиданностью. К настоящему времени выявлены далеко не все регуляторные эффекты NO, но уже сейчас ясно, что достигнутые в этой области успехи имеют фундаментальное значение для понимания молекулярных механизмов многих физиологических и биохимических процессов.
      Биологический ответ на NO в значительной степени определяется условиями его генерации – где, когда и в каком количестве продуцируется это соединение. Действие, оказываемое NO на клетки, во многом зависит от количества газа. В небольших количествах, продуцирующихся обычно конститутивными формами NO-синтазы, эффект NO в основном связан с влиянием на гемовую группу растворимой (цитозольной) формы гуанилатциклазы.
      В больших концентрациях, образующихся, как правило, индуцибельной изоформой NO-синтазы, NO оказывает  на клетки токсический эффект, связанный как с прямым действием на железосодержащие ферменты, так и с образованием сильного окислителя, очень реакционного и токсичного свободнорадикального соединения пероксинитрита. Пероксинитрит (ONOO-) образуется при взаимодействии NO с радикальным супероксид анионом (О2-).
       В химическом отношении NO представляет собой маленькую липофильную молекулу, состоящую из одного атома азота и одного атома кислорода и имеющую непарный электрон, что превращает ее в высоко реактивный радикал, свободно проникающий через биологические мембраны и легко вступающий в реакции с другими соединениями. Это растворимый в воде и жирах бесцветный газ с уникальными физиологическими свойствами. Как соединение с промежуточной степенью окисления азота NO может быть как восстановителем, так и окислителем (Зеленин К.Н. , 1997).  Подбором условий можно превратить NO и в другие соединения со степенями окисления от + 1 до –3. В организме молекула NO может существовать в разных электронных состояниях: относительно стабильный (NO*) нейтрально заряженный радикал; при присоединении одного электрона он восстанавливается до (NO-) нитроксил-аниона. Имеет лишний электрон, с чем связана его высокая (в три раза выше, чем у кислорода) химическая активность; при потере одного электрона он может трансформироваться в ион нитрозония (NO+) (Степанов Ю. М. с соавт., 2004).  Строение молекулы окиси азота, во многом сходной с молекулами кислорода, оксида углерода(II) и HCN, сообщает ей такое общее с ними свойство, как способность к образованию комплексов. Каждая из описанных форм NO имеет свои клеточные мишени и, соответственно, играет различные роли в клеточных процессах. Главная мишень окиси азота — растворимая гуанилат-циклаза, содержащая 4 гема (рецепторы для NO), связывание с которыми, индуцирует гуанилатциклазу и усиливает синтез циклической ГМФ (
Moncada S., Higgs E.A., 1993). Молекула  чрезвычайно легко окисляется под действием кислорода.
       Уровень продукции
NО предопределён гинетически. Эффект NО зависит от его концентрации. В высоких концентрациях NО токсичен, что обеспечивает его цитотоксическое действие на опухолевые и бактериальные клетки. В небольших концентрациях  выполняет регуляторные функции.
       Характер влияния
NO на различные биохимические и физиологические процессы, как и у других неполярных газов,  разделяют на прямые и косвенные (непрямые) (Довгуша В.В., 2012-2013).    Действие NO осуществляется через прямые и опосредованные эффекты: прямые эффекты наблюдаются в тех случаях, когда с биологическими макромолекулами взаимодействует сам NO; опосредованные эффекты реализуются не NO, а продуктами его взаимодействия с другими соединениями, в первую очередь О2 и О2-.
       Ярким примером прямого регуляторного действия NO может служить его вазодилататорная активность. Сосудорасширяющее действие NO связано с активацией растворимой формы фермента гуанилатциклазы.
      Оказалось, что NO – это очень важная сигнальная молекула, она регулирует включение самых разных внутриклеточных процессов. Молекула окиси азота оказалась универсальным биологическим агентом. В настоящее время трудно найти метаболические пути, к которым бы оксид азота не имел отношения. Оказалось, что обнаружена не известная ранее регуляторная система организма, характерная для всех млекопитающих.
      В свете имеемых данных о роли NO в биологическом объекте возрастает интерес к его образованию в организме, особенно при стрессовых ситуациях.       Всё чаще появляются экспериментальные данные об участие оксида азота в механизмах физиологического и нейротоксического действия кислорода под давлением. В последнее время появились данные о возможном участии оксида азота в нейротоксическом действии экстремальной гипероксии. Доказательства участия N0 в нейротоксическом действии кислорода основаны на том, что подавление его синтеза путем ингибирования совместно NOS I и NOS III предотвращало развитие судорог у крыс и мышей, а введение L-аргинина восстанавливало нейротоксический эффект кислорода (Oury et al., 1992; Demchenko et al. 2000, 2001). Следовательно, можно предположить, что экстремальная гипероксия стимулирует продукцию NO-, концентрация которого повышается в мозге, что приводит к развитию кислородных судорог. Однако пути и механизмы вовлечения оксида азота в физиологические и токсические эффекты экстремальной гипероксии остаются неизученными.
       Оксид азота, как известно, является мощным вазодилататором и его гиперпродукция в мозге во время ГБО может привести к увеличению кровотока и, соответственно, к доставке токсической дозы кислорода к нейронам мозга. Вовлечение N0 в развитие нейротоксического эффекта экстремальной гипероксии может реализовываться и другим путем. Известно, что N0 оказывает токсическое действие только при концентрациях более высоких, чем физиологические значения. Поэтому прямой токсический эффект N0 во время ГБО едва ли возможен. Однако, в малых дозах N0, соединяясь с О
2*, формирует высокотоксичный пероксинитрит (0N00*) и последующие интермедианты. Скорость реакции N0 с О2*, в 4 раза выше скорости дисмутации супероксиданионов с помощью супероксиддисмутазы (СОД). Поэтому участие ONOO* в нейротоксическом действии кислорода весьма вероятно, хотя пока нет экспериментальных данных в пользу данного предположения (Москвин А.Н., 2002).
        Другой возможный механизм вовлечения N0 в нейротоксический эффект кислорода непосредственно связан с синтезом и выделением глутамата с последующей активацией НМДА рецепторов. Схожесть синтеза N0 в сосудистой и нейрональной системах предполагает параллелизм активации гипербарическим кислородом N0-образующих систем в нейронах. Имеются данные о том, что активность нейрональной NOS в условиях гипероксии возрастает. Так как глутаматергическая система связана по принципу обратной положительной связи с генерацией N0, можно предположить, что ГБО-вызванная гиперпродукция N0 в нейронах стимулирует выброс глутамата и, соответственно, приводит к гиперактивации НМДА рецепторов и развитию нейротоксичности.
       Большое количество оксида азота может убивать клетки-мишени. То есть чем больше в организме оксида азота, тем лучше иммунитет. Дефицит оксида азота приводит к ослаблению иммунитета.
       В последние годы доказана роль
NО  как физиологического регулятора формирования адаптации к гипоксии.  NO в условиях гиперпродукции, может непосредственно связываться в тканях организма с негемовым железом и парными тиоловыми группами низкомолекулярных лигандов, пептидов и белков, образуя динитрозильный комплекс негемового железа (DNIC). Он является парамагнитным, величина его прямо зависит от уровня NО в тканях.
        Благодаря своим радикальным свойствам NО легко вступает в реакции с железом, О2 и особенно с супероксидом (О2-). Эта реактогенность ограничивает время его жизни до 10 с и радиус действия в тканях, не превышающий от 100 до 500 мкм. Тем не менее, такой протяженности распространения достаточно, чтобы
NO мог принимать самостоятельное участие в коммуникации как внутриклеточной, так и между соседними клетками. Этому способствует его быстрое образование в полостях биологической жидкости. Биологического времени полужизни NO находится в  пределах 0,09-2 с, в зависимости от концентрации О2. NO влияет на уровень О2 в тканях через угнетение клеточного дыхания и тем самым контролирует время собственной полужизни(Абрамов В.В., 1991; Акмаев И.Г., 2003; Арутюнов Г.П., 2001).
        Оксид азота относится к эндогенным регуляторам клеточных функций с широким спектром действия. Он может быть переносчиком сигнала, регулятором метаболизма, а также токсичным агентом.
NO может осуществлять свое действие в организме в зависимости от концентрации либо как медиатор, контролирующий биохимические реакции и функции различных органов и систем (в физиологических концентрациях), либо как токсический агент (при повышенных концентрациях) (Грацианский Н.А., 1997; Tsao P.S. et al., 1997).

Направленность действия NО связана с «судьбой» его химических превращений в различных типах клеток, которая определяется особенностями их обмена, в частности железа, О2, СО2 и редокс - состояния в норме и при патологии.

NО может, как усиливать жизнеспособность клеток, так и оказывать на них цитотоксическое действие, повышает выживаемость В-лимфоцитов, натуральных киллеров, эозинофилов, гепатоцитов, эмбриональных двигательных нейронов и некоторых клеточных линий, пребывающих в условиях, которые способствуют их гибели. Цитотоксическое действие NО даже при его относительно низких концентрациях показано на макрофагах, тимоцитах, фибробластах, кардиомиоцитах, хондриоцитах, нейронах, опухолевых, гладкомышечных, островковых панкреатических и эндотелиальных клетках (Веденский А.Н., 1988; Липовецкий Б.М., 2000).

Учитывая хорошую растворимость окиси азота в липидной среде, и слабую в водной, можно предположить, что липидная компонента организма, в том числе ненасыщенные жирные кислоты, является своеобразным депо для этих молекул. Между тем, поляризуясь и приобретая ИДМ  в полости ассоциатов воды биологических жидкостей, окись азота увеличивает свою способность растворяться в воде и тем самым быть ближе к востребованному участку и скорости реакции.
          Оксид азота является одним из регуляторов транспорта О2 в организме. Образуясь в
NО-синтазных и нитритредуктазных реакциях, этот биорегулятор действует на разнообразные звенья доставки кислорода в ткани (Малахов В.О.  с соавт., 2009). АФК и NO играют в организме млекопитающих важную сигнально-регуляторную роль (Saalu, 2010). Установлено, что их клетки обладают, по крайней мере, одним 02*"-сенсором и двумя типами Н202-сенсоров, направленных на адаптацию организма к окислительному стрессу (Hernandez-Garcia et al., 2010), и большим количеством NO сенсоров.   
        Закись азота содержит две молекулы азота и одну молекулу кислорода. Плотность закиси азота примерно на 50% больше плотности воздуха. Кислорода в ней порядка 36% (против 21% в атмосфере), то есть при разложении определенного объема закиси выделяется почти в 2,5 раза больше кислорода, чем его находится в том же объеме воздуха. Когда закись азота в полости водного ассоциата при нарушении термодинамического равновесия разрушается, выделяется большее количество кислорода.
Молекула N2O плоская, диамагнитная. Атомы азота в молекуле не равноценны и имеют разную степень окисления. Так же как СО2 очень легко поляризуется и приобретает ИДМ.
          Развитие нейротоксического эффекта экстремальной гипероксии проявляется при достижении критического уровня тканевого р0
2 в мозге, который зависит от концентрации кислорода в дыхательной среде и интенсивности мозгового кровотока. Мозговой кровоток модулирует развитие нейротоксического действия экстремальной гипероксии путем NO-опосредованной вазоконстрикции, предохраняющей мозг от избыточного поступления кислорода, или вазодилатации, ускоряющей развитие кислородных судорог.  Величина и направленность NO -опосредованных цереброваскулярных реакций при гипероксии определяются балансом между оксидом азота и супероксиданионами.  
         Таким образом, анализ современного состояния проблемы позволяет сформулировать гипотезу, теоретически и практически доказать  возможные механизмы вовлечения оксида азота в развитие кислородных судорог, одной из  фаз азотного наркоза, а также многих полифункциональных положительных биологических реакций.

         Учитывая вышеперечисленные факты, можно предположить, что оксид азота способен выступать в качестве единого молекулярного интермедиата, реализующего на клеточном уровне эффекты действия различных физико-химических факторов. Важно подчеркнуть, что большинство из перечисленных воздействий опосредует эффект через дополнительные промежуточные звенья, среди которых особое место занимает эндогенный синглетный кислород. Кроме того, принимая в расчет нестабильность оксида азота, в рамках предлагаемой концепции предполагается, что рассматриваемые факторы влияют и на процессы депонирования и высвобождения NO.

        Можно предположить, что кроме механизма фотолиза воды в природе существует и иной мощный механизм диссоциации воды, активации кислорода и последующего образования оксидов азота. К настоящему времени исследованы различные аспекты химических реакций, протекающих в водных растворах разных веществ. В частности, при сонолизе воды в присутствии раствореных азота или СO2, образуются производные азота с кислородом и водородом. Роль диссоциации воды в связывании атмосферного азота также определяющая. Вся вода на Земле содержит азот и СО2. Эти вещества, являясь акцепторами радикалов Н и ОН, образуют, в свою очередь, в естественных условиях целую гамму соединений, без которых жизнь на Земле не могла бы осуществляться. Эти реакции наиболее эффективно происходят, в основном, в нижних слоях атмосферы при испарении и конденсации воды. Все реакции с участием радикалов из воды происходят в жидкой воде, в ассоциатах и кластерах молекул воды, содержащих азот и СО2.

        Кроме того, в ходе радикальной диссоциации воды гидроксил-радикалы и атомарный водород вступают в реакции с азотом атмосферы, растворенным в воде (Маргулис М.А., Диденко Ю.Т.,1985), образуя NOx и NHy - главные источники азота аминокислот. Это реакции подобны фотосинтезу, с раствореным в воде CO2.  Все реакции с участием радикалов воды происходят, по нашим представлениям, в кластерах молекул воды, содержащих азот и СО2 и в каплях атмосферной воды, насыщенной газами атмосферы.

      Отмечено, что в реакциях сонолиза воды, насыщенной азотом и СO2, образуются NO2 и NO3 (Полоцкий И.Г., 1947).  Кроме того, существуют данные о присутствии cоединений Noх(N2O5, NO2, NO, N2O3, HNO3, HNO2) в атмосфере в количестве m(NОx) = 1011 молей. Эти реакции происходят за счет ослабления реакции образования вновь воды. Мы взяли эти данные за основу и попытались рассмотреть другой, по нашему мнению, более реальный механизм образования оксидов азота в биологических жидкостях.
      Таким образом, продукты разложения воды, поляризация и возникновение ИДМ неполярных газов и увеличение дипольного момента полярных газов играют, возможно, определяющую роль в химическом балансе этих веществ живого организма.
      С точки зрения предложенного механизма связывания азота можно рассматривать и дальнейшие процессы трансформации его в оксиды, в их  химических реакциях и превращениях в полостях воды биологических жидкостей.

      Активные формы кислорода и оксиды азота в водной среде биологических жидкостей  живого организма свидетельствуют об их универсальной биорегуляторной роли в нормальной и патологической физиологии. Их роль обусловлена тем, что в ходе образования в полстях ассоциатов воды, реакций с их участием возникают продукты в электронно-возбужденном состоянии, и уже эти порции энергии высокой плотности могут использоваться в качестве энергии активации для протекания широкого круга биохимических процессов.

       Таким образом, можно предположить, что поляризация, приобретение индуцированного дипольного момента, продукты разложения воды в полостях ассоциатов воды биологических жидкостей играют определяющую роль в процессах жизнеобеспечения. Необходимы экспериментальные исследования этих характеристик в более широком диапазоне температур и давлений. Необходимо изучение процессов связывания азота в оксиды при внедрении в смешанные полости ассоциатов воды биологических жидкостей в живых системах Дальнейшее углубленное изучение водного  пути образования NO и его роли в регуляции иммунонейроэндокринных взаимодействий откроет перспективы для новых стратегий в нормальной и патологической физиологии, а также в соматической патологии.
           Кислород и его активные формы, азот и его оксиды, СО
2  и его радикалы в низких концентрациях постоянно присутствуют в  водных ассоциатах биологических жидкостей и поддерживают метастабильные структуры газогидратов.
          Из азота воздуха при взаимодействии с АФК образуются окислы азота, являющиеся универсальными вторичными мессенджерами, активаторами и модуляторами внутри- и межклеточной активности, включая транскрипцию генов и клеточный апоптоз. Системы АФК и окислов азота теснейшим образом связаны и образуют единую сложную нелинейную систему, регулирующую окислительные и восстановительные процессы в клетке. По-видимому, любая патология связана с нарушением динамического равновесия в этой системе. Кроме АФК и окислов азота, в этой системе есть еще и третья важнейшая компонента — углекислый газ. Он не только влияет на pH водной среды, но и реагирует с гидроксильным и супероксидным радикалами, с образованием карбонильных и формильных радикалов, участвующих во вторичных процессах, регулирующих взаимодействие АФК и окислов азота. СО
2 в водных ассоциатах способно поляризоваться, приобретать индуцированный дипольный момент и быть посредником в передаче (активации) некоторых атомов и молекул газа. Физиологическое действие газов, растворенных в водной среде биологических жидкостей, обусловлено коллективными осцилляциями протонов воды в едином комплексе сетки водородных связей  газ - водный ассоциат.
         Из вышесказанного можно заключить, состояние атомов и молекул растворенного в водной среде газа требует качественно нового понимания процессов взаимодействия с молекулами воды. Только за последние несколько лет совершен прорыв в понимании роли АФК и окислов азота в биологии. Реакции с их участием существенно нелинейны и могут протекать по цепным и каскадным механизмам, что и обусловливает высокую эффективность биологического действия.
         В целом, имеющиеся данные позволяют сформулировать гипотезу о молекулярной стереотипии в реализации эффекта физико-химических факторов в отношении биологических систем АФК,
NO и ксенона. В отношении двух последних газов эффекты базируются на универсальной мессенджерской функции оксида азота, содержание которого может возрастать, как при гипербарической оксигенации, так и при наличии в кислородных дыхательных смесях тяжёлых инертных газов. Механизмы нарушения метаболизма при стрессовых воздействиях - едины.

9.3. Медико-биологический аспект молекулярных наноструктур биологических жидкостей

       В целом, NO – газ, способный выступать в биосистемах как свободный радикал, и легко подвергающийся различным химическим трансформациям, который непрерывно продуцируется в организме человека и животных ферментным и не ферментативными путями, оказывая ключевое воздействие на целый ряд принципиально различных физиологических и патологических процессов. Широкий полиморфизм эффектов характерен как для прямого, так и последействия ксенона. Это дает основание предположить возможность стереотипности молекулярного ответа клеток и тканей на  физико-химические воздействия. Чём же   объясняется такая общность?                          

          Разносторонние и сложные биологические функции NO и его двоякая роль зависят от условий среды, что дает ему возможность вести себя как антиоксидант или оксидант  (Каменир В.М., 2009).    

         Вода в биологических объектах представляет собой сложную систему, содержащую растворенные в ней атмосферные газы, различные ионы и другие компоненты. Среди них важная роль принадлежит активным формам кислорода, оксидам азота, инертным и индифферентным газам. По современным представлениям, АФК и оксиды азота  в биологических системах являются как повреждающими, так и сигнальными агентами. Вероятно, именно вода является основным первичным сенсором, а АФК и оксиды азота  - первичными медиаторами при воздействии на организм различных физических факторов. В настоящее время обстоятельно изучено образование АФК в воде при воздействии на нее таких физических факторов, как ионизирующие и ультрафиолетовое излучения. Увеличение внутриклеточной концентрации АФК выше уровня антиоксидантной защиты вызывает «окислительный стресс», который сопровождается негативными для жизнедеятельности клеток процессами, такими как перекисное окисление липидов, окислительная модификация белков и нуклеиновых кислот (Зенков и др., 2001), и увеличение образования NO (Довгуша В.В., 2014).

      АФК играют в организме млекопитающих важную сигналыю-регуляторную роль (Saalu, 2010). Установлено, что клетки млекопитающих обладают, по крайней мере, одним 02*"-сенсором и двумя типами Н202-сенсоров, направленных на адаптацию организма к окислительному стрессу (Hernandez-Garcia et al., 2010). Первичные мишени и физико-химические механизмы генерации АФК и NO  под действием многих физических факторов, возможность инициации окислительного стресса низкоинтенсивными физическими факторами, а также их вклад в поддержание уже развившегося окислительного стресса остаются малоизученными.

      Физико-химический механизм образования оксидов азота в воде и водных растворах при гипербарии, ОБТ, окислительном стрессе давно привлекает внимание исследователей.

      В работе С.В. Гудкова (2012) установлено, что при воздействии ряда неионизирующих физических факторов (тепла, света, видимых и инфракрасных лазерных излучений, а также электромагнитного излучения крайне высоких частот с большой пиковой мощностью) в воде, насыщенной атмосферным воздухом, происходит образование АФК. Показано, что образование АФК в воде под действием видимого и инфракрасного излучений происходит только при воздействии излучения с длинами волн, соответствующими максимумам поглощения молекулярного кислорода. Интенсивность образования наиболее долгоживущей АФК - перекиси водорода - вводе при воздействии исследуемых физических факторов зависит от рН и концентрации растворенного кислорода. Выявлен физико-химический механизм образования АФК в воде под действием тепла, света, лазерных излучений (632,8; 1264 нм). Автором установлена принципиальная возможность образования активных форм кислорода в воде, насыщенной атмосферными газами под действием неионизирующих физических факторов. Пусковым этапом этого процесса является переход кислорода из триплетного, в синглетное состояние. Синглетный кислород восстанавливается до супероксид-ашюн радикала, протонированная форма которого дисмутирует с образовании перекиси водорода. Показано, что образование Н202 в воде под действием видимого и инфракрасного излучений происходит только при облучении длинами волн, соответствующих полосам поглощения молекулярного кислорода. Ряд биологически значимых анионов в воде, насыщенной атмосферными газами, могут выступать в качестве доноров электронов. Показана общность процессов, происходящих в простых системах при воздействии неионизирующих физических факторов различной природы, таких как видимый свет, тепло, видимое и инфракрасное лазерные излучения, а также импульсное электромагнитное излучение крайне высоких частот с большой пиковой мощностью.

      Воздействия на воду исследуемых неионизирующих излучений индуцируют в ней возникновение люминесценции, которая связана с возбуждением растворенного в воде молекулярного кислорода (Гудков С. В., 2012; Домрачев Г. А. с соавт., 2000). 

      В работе предлагается и всесторонне анализируется возможный механизм генерации оксидов азота в биологической жидкости в присутствии атмосферных газов. Понимание этого механизма позволяет с новых позиций оценить роль структур H2O во многих биологических процессах, в частности, увеличение NO при окислительном стрессе.

       Появление H2O2 в атмосферных водных осадках объясняется обычно следствием фотолиза паров воды в атмосфере под действием сравнительно коротковолновой радиации в оптической полосе Шумана-Рунге.

        Исследовались пути образования H2O2 и в жидкой воде при, например, окислении различных водных растворов и суспензий органических веществ на свету. В этом случае H2O2 образовывался только при наличии в воде раствореного кислорода (Шамб У. с соавт., 1956).

       Можно предположить, что кроме механизма фотолиза воды в природе существует и иной мощный механизм диссоциации воды и последующего образования H2O2.

       Обсуждаются также реакции сольватированного электрона e-aq с O2,H+, приводящие к O2-, HO2, H2 и к H2O2+O2 и реакции атома водорода и сольватированного электрона e-aq (Schwarz H.A., 1992).  Эта последняя реакция практически термонейтральна (около 0.05 эВ) (Богородский В.В. с соавт., 1977), т.е. осуществляется при заведомо меньшей плотности потока энергии при активации воды любым способом, чем нужно для разрыва водородной связи в воде (около 0.2 эВ). Пока этот путь образования оксидов азота в природе недостаточно исследован, и нет возможности оценить его продуктивность. В природе и диссоциация молекул воды, и реакции с участием ОН-радикалов и Н-атомов происходят в ассоциированном состоянии жидкой воды, когда появляющиеся при диссоциации радикалы .Н и .ОН присутствуют в воде в сольватированном  виде в "клетках", образованных совокупностями молекул воды (Каргин В.А., Слонимский Г.Л., 1967; Рабинович И.Б., 1968; Домрачев  Г.А. с соавт., 1995).

       Образовавшиеся в клетках структур водных ассоциатов радикалы Н и ОН могут иметь большую продолжительности жизни (десятки секунд и более) (Blough N.N. et al., 1990). Это обстоятельство существенно влияет на характеристики реакций радикалов воды между собой и с веществами, растворенными в воде. Открывается путь для осуществления реакций радикалов с различными акцепторами радикалов, становится возможным протекание реакций, требующих обычно больших затрат энергии. Именно при этом может происходить окисление атмосферного азота с образованием нитратов и аммиачных соединений. Это происходит из-за того, что реакционные способности ОН- радикалов, АФК  и атомов водорода в воде весьма высоки (Домрачев Г. А., Селивановский Д. А. и др., 2000). Как считают авторы, и появление H2O2 при фазовых превращениях воды (вода - лед - вода и вода - пар - вода), и появление H2O2 в воде при поглощении электромагнитной энергии, можно объяснить механохимическими реакциями радикальной диссоциации воды.

     Гипотеза о существовании реакции радикальной диссоциации воды была сформулирована почти тридцать лет назад (Домрачев Г.А., Селивановский Д.А., 1990). В противовес фотолизу или радиолизу воды, диссоциация воды предполагается возможной и в случаях, когда плотность энергии активации заведомо меньше необходимой для диссоциации отдельных молекул воды. Так, например, происходит при действии сил вязкого трения в потоках воды (Гребень В.П. с соавт., 1981; Jarman P.D.,Taylor K.J., 1964, 1965; Peterson F.B., et al., 1967; Вербанов В.С. с соавт., 1990).
    Известно, что вода является глубоко структурированным веществом с двумя энергетически сильно различающимися типами связей: химическими, валентными связями О-Н и межмолекулярными, водородными  (Рабинович И.Б., 1968; Зенин С.В. 2000; Ерёмина В.В., 2008). В воде происходит постоянная перестройка структур ассоциатов. Например, с ростом температуры в воде увеличивается плотность ассоциатов, и уменьшаются их размеры. Специфичность свойств воды, сближающая ее по свойствам с полимерами, проявляется в существовании в воде ассоциатов с льдоподобной структурой, частичным их равновесием и перестройкой этой структуры.  Молекулы и структурные образования  воды являются идеальным растворителем для самой себя. Заполняя свободный объем (полости) в ассоциатах воды, и образуя дополнительные водородные связи, молекулы воды уменьшают энтропию ассоциатной системы в целом. Именно этим обусловливается уменьшение сжимаемости водных растворов и увеличение скорости звука в них.  

       Необходимая для разрыва связи Н-ОН энергия локализуется в микромасштабной области структуры жидкой воды. Локализация мест разрывов Н-О связи в воде связана, видимо, с концентрацией дефектов структуры воды.
       Оказалось, что в "окнах прозрачности", т.е. в областях спектров, далеких от значений собственных частот вращательных движений молекулы H2O, поглощение электромагнитной энергии всегда оказывается больше рассчитанного (обычно в малое число раз, но в некоторых диапазонах радиочастот - почти на порядок) (
Townes C.H., 1955; Довгуша В.В., 2012).  Исследователи пытались объяснить этот эффект существованием в парах воды малых кластеров воды -  димеров или тримеров.
       Молекулы воды электрически поляризованы, и некоторые кластеры воды имеют высокий суммарный электрический дипольный момент. Расположение молекул воды в них, как считается, хаотично, но ориентация молекул, как электрических диполей,  отличается даже большей упорядоченностью, чем в кристалле льда. Другие  кластеры остаются электронейтральными (Ерёмина Уляхина). 
       Фазовые превращения (прямые и обратные) при внедрении молекул неполярного газа в полости ассоциатов воды биологических жидкостей и выходе их из полостей в основном состоянии при изменении термодинамического равновесия, способствуют механизмам адаптации (приспособления) организма к этим процессам.
     Активация и диссоциация воды обнаружена и при воздействии на воду электромагнитным полем  и другими физическими факторами (Домрачеев Г.А. с соавт., 2000, Довгуша В.В. 2012-2013).

      В литературе давно обсуждается реакция взаимного превращения атома водорода и сольватированного электрона в воде при поглощении электромагнитного поля (Schwarz H.A., 1992). Эта реакция практически термонейтральна (около 0,05 эВ) (Богородский В.В., 1977), она требует меньшей плотности потока энергии, чем, например, нужно для разрыва одной водородной связи в воде. Но появление дополнительного количества гидратированных электронов (как следствие появления атомов Н), возможно, является определяющим фактором в механизме аномально высокого поглощения электромагнитной энергии водой.
       К настоящему времени исследованы различные аспекты химических реакций, протекающих в водных растворах разных веществ. В частности, при сонолизе воды в присутствии раствореных азота или СO2, образуются производные азота с кислородом и водородом.

      В модели морской воды, эффективность радикальной диссоциации воды в потоках (для температур воды < 300C) в три раза выше, чем для пресной воды (Диденкулов И.Н. с соавт., 2001), что необходимо иметь в виду применительно к биологической плазме.

      Заметим, что появление анионов ОН- и протонов Н+ из гидратированных водных радикалов ОН и Н может, по-видимому, объяснить существование хорошо известной проводимости воды (рН) через механохимические реакции в жидкой воде. Тепловые движения в воде вызывают диссоциацию воды на радикалы. Гидратированные радикалы воды обмениваются электроном, и уже водные ионы вновь реагируют с образованием воды. Вероятность реакции образования вновь воды при взаимодействии разноименно заряженных ионов Н+aq + ОН-aq-> Н2Оaq во много раз больше, чем для реакции между электрически нейтральными радикалами воды: Нaq +ОНaq--> Н2Оaq .

        Указывается, что в атмосфере время жизни этих соединений на высотах менее 20 км составляет в среднем около 1 месяца (Брасье Г., Соломон С., 1987). В современных источниках связывание азота в атмосфере (прежде всего появление закиси азота) является следствием  действия атмосферного электричества при электрических разрядах в грозах (Чистяков В.А. с соавт., 2005). В настоящее время считается, что искусственные удобрения, вводимые в почву, содержат такое количество связанного азота, которое сравнимо с естественным его образованием   (Arima Y. et al., 1997).
       Таким образом, можно предположить, что продукты разложения воды играют определяющую роль в биологических процессах. Необходимы экспериментальные исследования характеристик механохимического разложения воды в более широком диапазоне температур и давлений. Необходимо изучение процессов связывания азота и углерода при внедрении в полости ассоциатов воды биологических жидкостей с радикалами воды в живых системах.

      Роль диссоциации воды в связывании атмосферного азота также определяющая. Вся вода на Земле содержит азот и СО2. Эти вещества, являясь акцепторами радикалов Н и ОН, образуют, в свою очередь, в естественных условиях целую гамму соединений, без которых жизнь на Земле не могла бы осуществляться. Эти реакции наиболее эффективно происходят, в основном, в нижних слоях атмосферы при испарении и конденсации воды. Все реакции с участием радикалов из воды происходят в жидкой воде, в ассоциатах и кластерах молекул воды, содержащих азот и СО2.
      Из конкретных механизмов такого рода процессов, протекающих в природе, например, сонолиза воды, насыщенной азотом, известно, что в воде, образуются NO2 и NO3 в концентрациях примерно равных концентрации H2O2. Эти реакции происходят за счет ослабления реакции образования вновь воды. Мы взяли эти данные за основу и попытались рассмотреть другой, по нашему мнению, более реальный механизм образования оксидов азота в биологических жидкостях.
      Таким образом, продукты разложения воды, поляризация и возникновение ИДМ неполярных газов и увеличение дипольного момента полярных газов играют, возможно, определяющую роль в химическом балансе этих веществ живого организма.
      С точки зрения предложенного механизма связывания азота можно рассматривать и дальнейшие процессы трансформации его в оксиды, в их  химических реакциях и превращениях в полостях воды биологических жидкостей.

      Рецепторы воспринимают молекулярные сигналы со стороны внешней среды в виде различного рода гормонов, затем включается масса разнообразных регуляторных факторов, механизмов, вплоть до экспрессии генов в клетках.  На наш взгляд (Довгуша В.В. с соавт., 2007), структуры молекул воды биологических жидкостей играют важнейшую роль в процессах, происходящих в живой клетке, и, вполне возможно, является главным рецептором того, что происходит во внешней среде. Цитоплазма пронизана многочисленными «порами», по которым идут организованные потоки метаболитов к местам их переработки. Благодаря такому строению клетка работает как единое целое: сигналы из одной ее части немедленно передаются во все остальные (Насонов Д. Н., 1963). Кластеры воды обладают совершенно удивительными свойствами. В частности, они выступают в роли трансформатора низкочастотных радиоволн в высокочастотные колебания, вплоть до колебаний, которые способны вызывать электронные возбуждения.
        В. Л. Воейков (1999, 2001) утверждает, что информационные процессы в воде определяются главным образом теми процессами с участием свободных радикалов, которые инициируются, управляются и поддерживаются в ней различного рода воздействиями: слабые и сильные физические поля, изменение агрегатного (фазового – авторы) состояния, при растворении/удалении любых соединений.
      Активные формы кислорода в водной среде биологических жидкостей  живого организма свидетельствуют об универсальной биорегуляторной роли АФК в нормальной физиологии. Их роль обусловлена тем, что в ходе образования в полстях ассоциатов воды, реакций с их участием возникают продукты в электронно-возбужденном состоянии, и уже эти порции энергии высокой плотности могут использоваться в качестве энергии активации для протекания широкого круга биохимических процессов.

      При исследовании широкого спектра водных систем было  обнаружено, что все они могут спонтанно или индуцировано излучать фотоны. Интенсивность и характер излучения зависят от контакта воды с кислородом воздуха.
        Многообразие органического мира хорошо известно (около 2 млн синтезированных соединений, и это количество непрерывно растет) — от «полунеорганических» комплексов (углеродные кластеры, металлоорганика) до биологических объектов (ДНК, гены). С нашей точки зрения, для биологии и медицины наиболее существенны взаимоотношения молекулярных  ансамблей (molecular assemblies, self-aggregated systems) и единичные молекулы: последние называются также «умные» или «функциональные» молекулы (smart molecules).
        Супрамолекулярная (то есть надмолекулярная, иерархическая) организация сложна и интересна, ее исследование и связь с (фото-) электрическими свойствами проливает свет на биологические и природные процессы (клеточный транспорт, фотосинтез). Обнаружена чувствительность, а главное — уникальная избирательность таких систем к внешним и внутренним воздействиям (свет, давление, температура, вибрация), что позволяет предположить их роль как  биологические сенсоры узнавания и мгновенной реакции.
        Системы, построенные в основном на ван-дер-ваальсовых или водородных связях, представляют собой очень перспективные структуры для исследования с двумя уровнями свободы: это внутримолекулярная структура, которая может быть изменена и которая ответственна, например, за поглощение или испускание света (излучения); и межмолекулярная структура, которая может быть изменена при росте жидкого кристалла (граничного слоя) и которая ответственна за фазовые явления, транспорт носителей заряда, магнитные свойства. Всё это в полной мере относится к водным структурам биологической жидкости.
        Вода является основным компонентом живых организмов. Сердце  человека содержит воды, — 80% , головной мозг — 75%. Понимание роли воды в жизнедеятельности живых систем необходимо давно понимать с учетом  структурных и радиоволновых свойств водной среды, так как  на нее возложено исполнение фундаментальной функции. Каждая молекула в живом организме представляет собой хорошо организованную квантовую систему. Вода облада