Фундаментальная роль процессов с участием активных форм кислорода в регуляции жизненных функций.

В.Л. Воейков МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва

Активные формы кислорода (АФК) - продукты его одноэлектронного восстановления - представлены супероксид-анион радикалом (02e~), Н2О2, гидроксил-радикалом (ОН»), гидроперекисями (ROOH), и их радикалами (ROO»). Эти частицы in vitro могут инициировать неконтролируемые цепные процессы с участием массы органических молекул. Экзотермичность реакций с участием АФК до 10 раз превышает экзотермичность известных биохимических реакций. АФК неспецифически взаимодействуют с самыми разными молекулами. Такие особенности химических реакций с участием АФК несовместимы с классическими представлениями о требованиях к нормальным биохимическим реакциям. Поэтому считается, что АФК при появлении в клетках должны повреждать клеточные мембраны, биополимеры, нарушать ход метаболических процессов. Полагают, что образование АФК в клетках и тканях -печальное, хотя и неизбежное следствие аэробного дыхания, возникшего в ходе эволюции благодаря появлению в атмосфере кислорода - побочного продукта фотосинтеза растений.
Однако имеется громадный массив данных, свидетельствующих об абсолютной необходимости АФК для нормальной жизнедеятельности. Если воздух лишен супероксидных радикалов («аэроионы А.Л. Чижевского), животные и человек болеют и даже могут погибнуть. С другой стороны, в норме 10-15%, а в особых обстоятельствах -до 30% потребляемого организмом кислорода идет на производство АФК. АФК продуцируют специализированные ферменты, имеющиеся во многих, если не во всех клетках многоклеточного организма, ферменты, выполняющие иные основные функции. АФК непрерывно возникают и в ходе неферментативных процессов. Какую же роль играют АФК в нормальной физиологии?
Живые клетки, как известно, реагируют на внешние сигналы одним из доступных им способов: они либо выполняют свойственную их специализации функцию, либо меняют свою специализацию (дифференцируются или дедифференцируются), либо вступают в цикл деления, наконец, самоустраняются (входят в апоптоз). Выясняется, что АФК определяют конкретную реакцию клетки на тот или иной молекулярный биорегулятор. Они и сами могут имитировать действие многих молекулярных биорегуляторов клеточной активности - гормонов, нейромедиаторов, цитокинов. Последние, в свою очередь, влияют на скорость продукции АФК клетками. Таким образом, АФК выступают в роли универсальных информационных агентов. Но если АФК, в отличие от молекулярных биорегуляторов, не обладают химической специфичностью, как они могут обеспечить тонкую регуляцию клеточных функций?
Притом, что значительная часть потребляемого организмом кислорода идет на производство АФК, текущие уровни свободных радикалов и других АФК в клетках и межклеточной среде очень низки, поскольку так называемые «антиоксиданты» ферментативной и иной природы задают высокую скорость рекомбинаций АФК и их превращений в другие соединения. Отсюда следует, что небольшие изменения в скоростях продукции и/или утилизации АФК могут сопровождаться резкими скачками в актуальных уровнях АФК. Известно, что процессы с участием АФК, в особенности рекомбинации радикалов, сопровождаются* электронным возбуждением продуктов реакций. Результаты наших исследований и данные других авторов свидетельствуют, что благодаря молекулярной и надмолекулярной организованности цитоплазмы эта энергия не диссипирует в тепло. Она может накапливаться в макромолекулах, надмолекулярных ансамблях, излучательно и безизлучательно перераспределяться между ними, в частности, обеспечивая координацию работы исполнительных механизмов клетки. Как может осуществляться подобная координация?
Появляется все больше данных о том, что многие, если не все биологические процессы протекают в колебательном режиме. В частности, как показано нами и другими авторами, осциллируют и процессы с участием АФК. Мы предполагаем, что механизмы биологического действия АФК определяются не столько их средним содержанием в среде организма, сколько структурой процессов, в которых они участвуют. Под структурой процесса мы понимаем частотно-амплитудные характеристики реакций взаимодействия АФК друг с другом или с обычными молекулами. Если эти реакции поставляют энергию активации для специфических молекулярных процессов в клетке, то они определяют ритмы биохимических, а затем и физиологических процессов. Колебательные ритмы, как периодические, так и нелинейные автогенерируются в процессах обмена АФК, но без регулярной внешней стимуляции генерация АФК рано или поздно затухает. Организм должен получать «затравку» в виде АФК извне, например, в форме аэро- или гидроионов, либо путем генерации АФК в водной среде организма фотонами достаточно высоких энергий (УФ- и более коротковолновой диапазон), либо бета-частицами, возникающими при распаде поступающих в организм естественным путем радиоактивных изотопов Си К.
С другой стороны ритмы, возникающие при обмене в организме АФК в той или иной степени зависят от внешних ритмоводителей. К последним относятся, в частности, колебания электромагнитных и магнитных полей, даже если амплитуда этих колебаний очень низка, поскольку реакции с участием АФК - это, по существу, реакции переноса неспаренных электронов, протекающие в электронно-возбужденной среде. Такого рода процессы, как следует '" из современных представлений физики нелинейных автостохастических систем, чрезвычайно чувствительны к слабым резонансным воздействиям.
Рассмотрим Сейчас, как АФК могут регулировать биологические функции на уровне целого организма. Давно известно, что наиболее интенсивно АФК генерируют нейтрофилы, использующие, как полагают, эти оксиданты для непосредственного «сжигания» бактерий и вирусов. Однако выясняется, что АФК продуцируют также й лимфоциты, и тромбоциты, которые не принимают непосредственного участия в фагоцитозе и разрушении микробов'. Ферменты, активно продуцирующие АФК, имеются и у фибробластов, эндотелиальных клеток, гладкомышечных клеток сосудов. Нарушение функционирования таких ферментов, нормального обмена АФК при избыточной их продукции, или при злоупотреблении антиоксидантами приводит к серьезным системным заболеваниям. Продукция АФК в соединительной ткани, к которой относится кровь и собственно соединительная ткань, пронизывающая весь организм, представляет особый интерес с точки зрения энергоинформационной роли процессов с участием АФК. АФК генерируются не только клеточными элементами соединительной ткани, но и, хотя и с весьма низкой интенсивностью, - межклеточным матриксом - белками плазмы крови, а также коллагеном при их гликоксидации (реакция Мейяра). Следует подчеркнуть, что все коллагены  и многие белки плазмы крови являются  спиральными волокнистыми структурами, которые теоретически способны к передаче энергии электромагнитных колебаний на большие расстояния. Можно предположить, что внеклеточные элементы соединительной ткани выполняют не только опорную функцию, а что они представляют собой информационные каналы, связывающие все органы и ткани друг с другом, й выходящие на периферию (возможно, в виде акупунктурных точек). Клеточные элементы соединительной ткани могут выполнять роль ретрансляторов, декодеров и усилителей переносимых по волокнам сигналов. Следует также отметить, что все без исключения живые организмы имеют соединительную ткань и ее аналоги, даже если у них отсутствует кровеносная и нервная системы.
Если АФК выполняют столь фундаментальную роль в организации процессов жизнедеятельности, то эту роль они должны были бы играть на всех этапах эволюционного процесса. Но как быть с общепринятым представлением о том, что свободный кислород возник лишь в результате фотосинтетической активности растений, т. е. длительный этап эволюции был анаэробным? Следует уточнить, что это представление основано на умозрительной гипотезе, тогда как появились надежные факты, говорящие о том, что под действием таких факторов, как звук, фильтрация, замораживание-оттаивание вода может разлагаться с образованием атомарного водорода и кислородных радикалов Последние рекомбинируют, образуя перекись водорода, которая порождает молекулярный кислород. Имеющиеся оценки говорят, что скорость разложения воды океанов под действием абиогенных факторов может обеспечить повышение содержания кислорода в атмосфере до нынешнего уровня всего за несколько сот тысяч лет. Тогда развитие органической жизни на Земле с самого начало шло в присутствии кислорода и на фоне генерации АФК, при том, что структура абиогенного процесса генерации АФК должна была определяться внешними полевыми воздействиями космического и земного происхождения. Безусловно, процессы с участием АФК не являются единственными «антеннами», воспринимающими внешние регуляторные сигналы. Но если у конкретного индивидуума эти процессы по тем или иным причинам дисгармонизируются или угасают, то из-за нарушения внутренних информационных потоков, организующих живую систему в единое целое, исключается возможность восприятия им и внешней информации.