дискуссионная группа

Выпускники биологического (биолого-почвенного) факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

http://scipeople.ru/group/438/topic/6640/

На этой страничке публикуются сообщения о шагах вперед, сделанных выпускниками. Примером являются публикации. Вот одна из них:
 
Свободно-радикальные процессы в биологических системах при воздействии                                факторов окружающей среды: [Текст] / К.Н. Новиков, С.В. Котелевцев, Ю.П.Козлов. – М.: РУДН, 2011. – 199 с.: ил.
 
ISBN 978-5-209-03659-3
 
Рассматриваются вопросы, связанные со сравнительной оценкой свойств и механизмов действия активных форм кислорода (АФК) и других свободных радикалов на биологические структуры и процессы, с диагностикой, тестированием и корректировкой состояния живых объектов при их отклике на воздействие факторов окружающей среды. Основное внимание уделяется выяснению условий инициации и протекания свободно-радикальных процессов на разных уровнях организации биосистем. Особую роль АФК и другие свободные радикалы играют при поддержании жизнедеятельности организмов в окружающей среде, в адаптивных реакциях, в обеспечении надежности работы защитных систем организма. Экологические факторы такие, как вода, воздух, свет, температура, пища помогают организму, во-первых, все время поддерживать определенный уровень свободных радикалов, а, во-вторых, корректировать функциональные нарушения в организме. Ионизирующая радиация и химическое загрязнение существенно модифицируют уровень свободных радикалов в биосистемах и могут приводить к необратимым изменениям в клетке, организме, экосистеме. В книге обсуждаются конкретные экспериментальные и клинические материалы и результаты, которые предлагаются к рассмотрению в качестве определенных моделей и методических подходов, позволяющих разрабатывать комплексные биологические тест-системы на основе реакций с участием свободных радикалов. Предложено рекомендовать эти тест-системы для выявления патологических состояний организмов и их коррекции, для эколого-токсикологического анализа водных экосистем, для выделения групп риска среди населения и прогноза развития нарушений на неблагополучных по состоянию окружающей среды территориях.
Для экологов, биофизиков, биохимиков и медиков, специалистов в области экологической токсикологии, а также студентов и аспирантов.
 
ISBN 978-5-209-03659-3                                                                            ББК 28.081 + 24.213.7
 **
 
ВВЕДЕНИЕ
 
Кислород – основа существования и развития жизни на нашей планете. В отсутствие фотосинтеза жизнь «белковых тел» возможна только в некоторых экосистемах, например, в глубинах океана за счет растворенного в воде кислорода (VoeikovandDelGiudice, 2009) и где происходят выбросы серы и органических веществ из земной коры (Kochetkova, 2011). Жизнь невозможна без процессов окисления и, естественно, восстановления.
Действительно, кислород и его активные формы (АФК), являются не только основой метаболизма, но и фактором, определяющим старение и гибель – в основном за счёт развития свободно-радикальных цепных реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембранных структур клетки.
Антропогенные факторы окружающей среды: радиоактивное излучение, интенсивное световое излучение (в первую очередь лазеры), электромагнитные волны, а также ряд химичеких веществ способны индуцировать свободно-радикальные процессы в клетке и не только влиять на здоровье людей, но и модифицировать подвергающиеся воздействию этих факторов экосистемы.
Некоторые исследователи (Скулачев, 2000;Skulachev, 2002) считают, что основным факторам борьбы со старением является защита клеточных структур от АФК с помощью антиоксидантов. Антиоксидантные свойства химических соединений лежат в основе громадного количества лекарственных препаратов.
Природные антиоксиданты зарекомендовали себя как вещества, продлевающие активную жизнь. Они являются факторами, защищающими нас от самых опасных заболеваний: нарушений в сосудистой системе (включая атеросклероз), предотвращают развитие аллергий, онкологических заболеваний, болезней, связанных с радиоактивным и электромагнитным облучением (Rebrov et al., 2011; Huttunen et al., 2011).­­­­­­ С другой стороны свободно-радикальные реакции с участием АФК, протекающие как в растениях, в том числе и при фотосинтезе, так и в тканях животных, зависят от антропогенных факторов окружающей среды и являются одним из важнейших биоиндикаторов, позволяющих оценивать состояние экосистем.
Таким образом, живые организмы в своей жизнедеятельности не могут обходиться без потребления кислорода, за счет которого они способны выполнять разнообразные энергоемкие метаболические процессы: производить субстраты, богатые энергией, т.е. осуществлять реакции ассимиляции и диссимиляции, поддерживая устойчиво-неравновесное состояние гомеостаза организмов, а также осуществлять функции детоксикации (Бауэр,1935; Воейков, 2003; Котелевцев, 2010).
Самые разнообразные свойства животных связаны с трансформацией поступающего при дыхании жабрами, кожей или легкими кислорода в его активные формы и образующегося при этом электронного возбуждения, которое преобразуется в фонд энергии. На протяжении уже более чем полувека внимание исследователей привлекает изучение окислительно-восстановительных процессов, протекающих в организме с участием АФК.
АФК – это высокореакционные химические частицы, возникающие в результате последовательного одноэлектронного восстановления молекулы кислорода и представляющие собой свободные радикалы (О2^·-, НО2^·, НО^·, NO^·, ROO^·). К АФК можно отнести и другие соединения, легко продуцирующие свободные радикалы (О3, ¹О*2, ОNOOH, H2O2, HClO, ROOH, ROOR).
АФК запускают цепные свободно-радикальные реакции, приводящие к химической модификации важных биологических структур, таких, как нуклеиновые кислоты, белки, липиды (Pattison et al., 2002). За эти модификации, как полагают, прежде всего ответственно ПОЛ, радикальные и молекулярные продукты которого обладают выраженным повреждающим действием, приводящим к развитию патологических состояний (Beckman and Ames, 1998 и др.). При этом оставались незамечанными некоторые особенности ПОЛ. Так, например, почти не обсуждалось, имеет ли физиологическое значение тот факт, что в липидах клеточных мембран, различных тканях и органах нормально функционирующего организма всегда можно обнаружить значимые количества первичных и вторичных продуктов ПОЛ без выраженных нарушений гомеостаза. Не придавали должного значения возможной роли малонового диальдегида (МДА) и других так называемых «ТБК-активных продуктов», как карбонильных соединений, в аккумуляции и трансформации энергии электронного возбуждения и таким образом поддержании процессов «горения» в организме (Cilento and Adam, 1995; Баскаков и Воейков, 1996). Наряду с реакциями дисмутации и распада перекиси, катализируемых СОД и каталазой, протекающими с выделением энергии (не менее 1 – 2 эВ), происходят реакции окисления карбонильных соединений. Эти реакции обладают еще более высоким энергетическим эффектом и катализируются пероксидазами, которые выступают здесь в роли оксидаз. Так, например, при катализировании пероксидазой (POX) окисления альдегидов образуется очень неустойчивый (а, значит, энергонасыщенный) диоксиэтан, который быстро распадается до ацетона в триплетном состоянии и муравьиной кислоты (Adam et al., 1986):

Такому окислению могут подвергаться многие природные органические соединения, в том числе, по-видимому, и МДА. При их переходе из триплетного возбужденного в основное синглетное состояние наблюдается люминесценция в области 375-420 нм, что соответствует энергии квантов 2,9-3,3 эВ.
Еще в конце XIX века русский биохимик А.Н. Бах указал на важную роль перекисных соединений, именно как продуктов реакций АФК, в процессах медленного окисления различных соединений, а также в нормальной жизнедеятельности организмов (Бах, 1897). К настоящему времени появилось значительное число экспериментальных работ, показывающих, что практически во всех клетках и тканях организмов присутствуют ферментные системы оксидазного типа, продуцирующие АФК (Babior, 1999; Jones et al., 2000), и что многие физиологические нормореакции организмов коррелируют с интенсификацией продукции АФК (Sauer et al., 2001). По минимальным оценкам, в состоянии покоя при дыхании у животных и человека на продукцию АФК уходит от 10 до 30% молекулярного кислорода (Лукьянова и др., 1982). Однако в норме стационарный уровень АФК в органах и тканях весьма низок (порядка 10^-10 – 10^{-11M) за счет распространенности в них мощной ферментативной и неферментативной систем регуляции накопления и устранения АФК.}
Биологические системы, в которых происходит образование супероксиданион радикала и других продуктов восстановления молекулы кислорода, ответственны за генерацию энергии электронно-возбужденных состояний (ЭВС) (Шляпинтох и др., 1966; Владимиров и Арчаков, 1972). Эта энергия может передаваться от мест генерации к местам реализации как с некоторой потерей в виде излучения, так и путем безызлучательного переноса и играть физиологическую роль. За счет накопления электронно-возбужденных частиц и молекул (например, карбонильных соединений) и освобождения энергии ЭВС при их релаксации в клетке могут осуществляться энергоемкие процессы (Рид, 1960; Журавлев, 1972; Campbell, 1988; Cilento and Adam, 1995). Происходить это может только в определенных условиях. Основа таких условий лежит в том, что ЭВС само по себе – колебание. Только когда колебания молекул организма совпадают с энергией ЭВС, тогда и возникает резонанс, запускающий всевозможные биохимические процессы (Баскаков и Воейков, 1996; Воейков, 2003).
В организме энергии ЭВС запасается относительно немного, и она сама не может осуществлять какую-то работу, но может быть функционально важной для процессов жизнедеятельности – играть роль своеобразной искры (специфический сигнал), “свечи зажигания” (энергии активации биохимических реакций), запускающей другие источники энергии. В частности, эти своеобразные процессы “горения” не требуют затрат энергии АТФ. Напротив, как было показано в 90-е годы прошлого столетия, без генерации АФК и образования ЭВС не могут быть осуществлены реакции освобождения энергии, запасенной в молекуле глюкозы, т.е. реакции гликолиза и цикла Кребса (Кондрашова, 1989 и др.). Безусловно, та биоэнергетика, которую связывают с окислительным фосфорилированием в митохондриальных структурах и синтезом в результате этого процесса макроэргических соединений (Скулачев, 1962, 2000), играет важную роль в обмене веществ.
Таким образом, совершенно не умаляя возможных нежелательных последствий от возникновения свободных радикалов и ПОЛ в клетках и тканях, следует иметь в виду их положительную роль в функционировании живых организмов и адаптации к воздействию факторов окружающей среды. В связи с этим важно выяснить, в чем различие механизмов действия АФК в малых и больших дозах под воздействием различных факторов окружающей среды, понять, когда наступает сбой в системах, отвечающих за гомеостаз в клетке и в организме в целом.
Особую роль АФК и другие свободные радикалы играют при поддержании жизнедеятельности организмов в окружающей среде, в адаптивных реакциях, в обеспечении надежности работы защитных систем организма (иммунная система и система детоксикации), т.е. в процессах, которые обеспечивают гомеостаз, физиологический статус и взаимоотношения организмов в биоценозах (Bingham, 1991; Stepanova et al., 2000; Meier, 2001; Wassmur et al., 2010 и др.).
Основное внимание мы хотели уделить выяснению условий инициации и протекания процессов, связанных с участием АФК, на разных уровнях организации биосистем – молекулярном, клеточном и организменном и возникающих в ответ на воздействие разнообразных факторов окружающей среды. Такие экологические факторы, как свет, воздух и вода, продукты питания, помогают организму, во-первых, все время поддерживать возникновение и утилизацию энергии ЭВС, а, во-вторых, корректировать функциональные нарушения в организме. При этом не надо забывать, что каждый организмимеет некий предельный запас адаптивных возможностей, позволяющих ему “подстраиваться” к изменениям в своем экологическом окружении. Важнейшими факторами внешней среды, необходимыми для жизнедеятельности изучаемых нами объектов, прежде всего являются естественные компоненты биосферы – вода, кислород воздуха, отрицательные аэроионы – О2^•-(Н2О)m, свет, температура. Среди повреждающих биологические системы факторов мы в первую очередь рассматривали такие, как ионизирующая радиация и химическое загрязнение.
Мы исходили из информационного единства биосферы, обеспечивающего целостность живых организмов и, на наш взгляд, во многом определяющегося наличием в атмосфере кислорода и его активных форм, а в клетках и тканях присутствием окислительно-восстановительных ферментных систем, приводящих к генерации и превращениям АФК и других свободных радикалов. Они ведут и регулируют реакции, которые необходимы как для нормальной жизнедеятельности, так и для предотвращения возникновения патологических состояний, в частности, под воздействием факторов окружающей среды.