Реферати

Реферат: "Перфторан": революційна комбінація

Інформаційна технологія для роботи маневрового диспетчера наливної станції. Загальна характеристика й особливості діяльності досліджуваної наливної станції, її призначення і виконувані функції, оцінка озброєності. Основні положення, що визначають технологічний процес роботи станції як об'єкт інформаційного обслуговування.

Розрахунок будівельної ноги. Навантаження на квадратний метр перекриття. Схеми снігових навантажень. Статичний розрахунок, підбор перетину елемента. Розрахунок опору на вигин. Перекладні коефіцієнти для заданих параметрів дерева і тепловлажностного режиму. Перевірка твердості (прогину).

Добродійність як соціальний феномен і її відродження в сучасній Росії. Історія становлення добродійності в Росії. Соціально-культурна сутність добродійності. Основні мотиви і можливі напрямки і види благодійної допомоги. Удосконалювання законодавчої бази і стимулювання добродійності.

Сузір'я Плеяди. Сузір'я Плеяди як найближче до Землі зоряне скупчення: історія відкриття, зведення і цікаві властивості. Відбивна туманність сузір'я. Плеяди в різних культурах, міфи про їхнє походження. Сузір'я Плеяд у курганній обрядовій архітектурі.

Ринкова економіка. Різні економічні системи. Загальна характеристика ринкової економіки. Підприємства в ринковій економічній системі. Економічна роль держави.

Андрій Артурович Недоспасов, д. х. н., Наталія Володимирівна Біда, м. н. з., Інститут молекулярної генетики РАН

"Немає нічого більш практичного, ніж хороша теорія" - фундаментальна наука неминуче знаходить вихід в практику. Леле, в рідній вітчизні ця аксіома все частіше виявляється теоремою, проблемою, а те і просто ілюзією. Бути може, фундаментальні дослідження, описані в цій роботі, дозволять відновити статус-кво і мінімізувати збиток від виниклого дисбалансу.

Багато які лікарські препарати і методи лікування, відкриті задовго до "ери NO", в більшій або меншій мірі впливають на метаболізм оксидов азоту, але дія ця часто залишається непоміченою, а лікувальні ефекти пояснюються якимись іншими причинами. Яскравий приклад тому - клінічне застосування штучних кровезаменителей на основі перфторорганических з'єднань (ПФС), відомих в Росії під назвами "Блакитна кров" і "Перфторан" [1-3].

Ідея ПФС-кровезаменителей виникла в кінці 60-х років XX в. Оскільки рідкі ПФС чудово розчиняють кисень, емульсії з них могли б виконувати газотранспортну функцію еритроцитів крові. Дослідження активно велися в Японії, СРСР і США. У 80-е роки, під час афганської війни, досвідчені партії радянських препаратів врятували немало життів пораненим, приреченим на неминучу смерть від втрати крові. У цей час "Перфторан" допущений до клінічного застосування і вільно продається в аптеках.

Згодом з'ясувалося, що застосування "Перфторана", в тому числі в малих дозах, часто дає позитивні ефекти, для яких зв'язок з його газотранспортною функцією не переглядається. Одночасно виявили ряд побічних ефектів, також що не знаходили пояснення. Сьогодні багато хто з них став зрозумілі завдяки уявленням об мицеллярном окислювальному нитрозированії *. Цей термін, запропонований нами для введення радикала ·NO в гетерогенному середовищі, має на увазі, що значною мірою реакції йдуть по радикальному механізму: молекула NO реагує з вільним радикалом, що утворився з молекули-мішені під дією ·NO2 - продукту окислення NO.

* Детальніше див.: Недоспасов А. А., Біда Н. В. Біогенние оксиди азоту // Природа. 2005. №7. С.33-39.

Перфторуглеводороди (ПФУ) - екстремальне гидрофобние речовини з великим коефіцієнтом розподілу Q для кисня і NO в сумішах з водою. Кисень розчиняється в них (в гидрофобной фазі емульсії) набагато краще, ніж у воді або плазмі крові, через що вони і знайшли застосування в складі кровезаменителей. Завдяки мицеллярному каталізу микрокапли емульсії в крові діють як губки для обох газів, саме в них відбувається тепер основна частина окислення NO.

У попередній статті ми розглядали вплив гидрофобних фаз на процеси окислення NO (наприклад, при утворенні холестеринових бляшек на стінці кровоносної судини). При порівнянні з емульсією ПФС-кровезаменителей помітні три істотних відмінності.

По-перше, набагато вище за значення Q. Поськольку прискорення реакції окислення NO при введенні оптимальних кількостей гидрофобной фази пропорціонально QNO в присутності "Перфторана" окислюється набагато швидше [4, 5]. При цьому збільшуються швидкості нитрозирования і інших процесів, залежної від мицеллярного каталізу, - всі вони протікають переважно в штучній гидрофобной фазі або на межі розділу фаз. Концентрація NO у водній фазі спочатку падає, що приводить до активації ферментів NO-синтаз, що постачають NO.

По-друге, краплини емульсії не змочують стінки судин (перфторуглеводороди взагалі нічого не змочують з поверхонь, що є в організмі розділу фаз). Більш того NO з холестеринових бляшек і інших "звичайних" гидрофобних фаз також частково переходить в краплини емульсії. Значить, ушкоджуюча дія продуктів окислення NO на стінки судин меншає.

По-третє, лінійні розміри капіж емульсії в "Перфторане" менше за 0.1 мкм (діаметр еритроцита ~20 мкм, а холестериновой бляшки багато більше); відповідно, відношення поверхні до об'єму оптимальне для протікання реакцій нитрозирования на межі розділу. Якщо в навколишньому просторі присутні тиоли (RSH), краплина емульсії може діяти як мініатюрний реактор по виробництву тионитритов (RSNO). У нормі в плазмі крові досить висока концентрація відновленого глутатиона (трипептида, вмісного залишок цистеина з вільною HS-групою), нитрозоформа якого - прекрасний донор NO.

Таким чином, аналогія краплини перфторуглеводородной емульсії з еритроцитом виявилася набагато глибше, ніж вважали спочатку: обидва переносять і кисень, і вуглекислий газ, і NO/RSNO. Зрозуміло, що навіть малі дози кровезаменителей типу "Перфторана", введені в кров'яне русло, володіють ефектом, характерним для нитроглицерина (основи динаміту і одночасно популярних ліків), т. е. викликають релаксацію судин і відновлюють кровообіг.

У перших дослідах на щурах було наочно продемонстрований вплив емульсій перфторуглеводородов на метаболізм NO: при введенні "Перфторана" спостерігалися передбачені коливання концентрацій нитрита і нітрату в плазмі, зміни частоти серцевих скорочень, звичайні при дії вазодилаторов типу нитроглицерина. Ингибирование NO-синтаз знімало ці ефекти [6]. Декілька років через цю роботу повторили в США [7].

Побічні ефекти застосування кровезаменителей типу "Перфторан" в багатьох випадках виявлялися не відразу, а через значний час після переливання крові. Поверхнево-активні речовини, що використовуються для стабілізації емульсій при створенні ПФУ-кровезаменителей, виводяться з організму набагато швидше, ніж самі ПФУ (характерні часи - доби і місяць відповідно). Якщо в перші години після введення емульсія стає основним місцем окислення NO, то через доби процеси переміщаються головним чином в природні липидние фази організму, в яких розчинилися ПФУ. Ясно, що в організмі вони (у вигляді окремої фази або розчинені в гидрофобних фазах, що є ) будуть впливати не тільки на параметри мицеллярного окислення NO через зростання QO2 і, особливо, QNO, але і на всі подальші процеси, включаючи нитрование і нитрозирование липидов, білків і нуклеїнових кислот. Таким чином, "отруєння" під дією хімічно інертних перфторуглеводородов, в тому числі газоподібних, що розчиняються в липидах, можна пояснити втратою стійкості системи регуляції метаболізму оксидов азоту.

Ріс.1. Схема біосинтезу NO і основні метаболічні шляхи оксидов азоту.

Прискорення окислення NO киснем відбивається на рівновазі вищих оксидов азоту; при цьому їх стаціонарні концентрації міняються. Якщо електрофильное нитрозилирование (освіта RSNO, мал. 1) переважно протікає під дією NO+ (N2O3, N2O4), а радикальні реакції (включаючи нитрование і окислення білків і нуклеїнових кислот) - під дією ·NO2, то при використанні штучних гидрофобних фаз як кровезаменителей бажано змістити рівновагу у бік перших, принаймні не збільшувати стаціонарні концентрації NO2.

Концентрації вищих оксидов азоту при окисленні NO надзвичайно низькі, і виміряти їх звичайними методами не вдається. Ми знайшли простій і чутливий спосіб, заснований на визначенні нітрату в продуктах окислення. Нітрат відновлюється в нітрит з'єднаннями ванадію, швидкість цього процесу вимірюють за допомогою реакції Грісса (з утворенню барвника). Якщо із зразка видалити нітрит, що був спочатку (до відновлення нітрату), весь барвник, що утворився буде відбуватися з нітрату. Оскільки в результаті гидролиза N2O3 виходить тільки нітрит

N2O3 + H2O = 2HNO2, (1)

а при гидролизе N2O4 - еквимолярная суміш нитрита і нітрату

N2O4 + H2O = HNO2 + HNO3, (2)

частка нітрату в продуктах буде мірою стаціонарних концентрацій обох оксидов. Загалом, в малополярних гидрофобних фазах стабілізація N2O3 при сольватації мінімальна, розпад на NO і NO2 посилюється, і частка NO2 повинна зростати:

NO2 + NO = N2O3. (3)

Аналіз системи рівнянь для стаціонарних концентрацій оксидов азоту показав, що можливо зниження [NO2]ст незалежне від змін [NO]ст і загального пулу оксидов азоту [8]. Зокрема, виборче прискорюючи нитрозилирование, ми знижуємо не тільки [N2O3]ст, але і [NO2]ст, т. е. швидкості всіх радикальних реакцій з його участю. У зв'язку з цим пошук каталізаторів нитрозилирования/денитрозилирования стає важливою задачею біохімії.

Ріс.2. Гістограма, що відображає внесок гетерогенності середи і каталізаторів денитрозирования в баланс нітрит/нітрат при окисленні NO. Зліва: в гетерогенному середовищі швидкість окислення NO вище, ніж в гомогенній. Звичайно система рівноваги вищих оксидов азоту зсувається в сторону NO2 і N2O4, і частка нітрату в продуктах зростає. Triton X 100 - детергент (аналог мила), використаний для отримання липосом (по даним Liu et al., 1998). Праворуч: хоч в CF-емульсіях швидкість окислення NO зростає сильніше, ніж в звичайних липидах, сольватация і швидкості гидролиза вищих оксидов азоту змінені. У присутності "Перфторана" частка нітрату в продуктах нижче, ніж в гомогенному водному розчині (ліва пара стовпчиків). Фосфат (PO4- 3), пиро- (P2O7-4) і триполифосфат (P3O10-5) прискорюють гідроліз N2O3 в нітрит. У результаті стаціонарні концентрації NO2 і N2O4 меншають і вихід нітрату падає. Видно, що полифосфат набагато активніше, ніж фосфат. Hepes - компонент буферного розчину.

Порівняємо вплив гетерогенності середи і сольватації на нітрит-нітратний баланс в продуктах окислення NO в присутності звичайних липидов і в "Перфторане" (мал. 2). Видно, що в першому випадку при додаванні гидрофобной фази частка нітрату (а значить, NO2 радикальних реакцій, що викликаються ·!) зростає, у другому виявляється нижче, ніж в гомогенному водному розчині [9]. Частково ефект пов'язаний з каталітичною дією полиефирного стабілізатора емульсії на реакцію нитрозирования. Його можна посилити за допомогою інших знайдених нами каталізаторів. На мал. 2 як ілюстрація показані каталітичні ефекти фосфату і триполифосфата. При збільшенні швидкості гидролиза N2O3 (фактично - нитрозилирования води) меншають стаціонарні концентрації як N2O3, так і NO2 через зсув рівноваги в реакції (3).

Проте, і тут не обійшлося без парадоксів і несподіванок. Перфторуглеводороди і їх гетероаналоги (речовини, вмісні крім З і F інші атоми; наприклад, перфтороктилбромид - ПФБ), близькі по розчинювальній здатності відносно кисня, вважалися однаково інертними. Тому при створенні кровезаменителей вибір конкретних з'єднань був випадковим і визначався значною мірою тиском пари і доступністю в чистому вигляді. (У промисловості ПФУ і їх гетероаналоги отримують для далеких від медицини цілей, зокрема для електротехніки.) Так, основу "Перфторана" складає суміш ізомерів перфтордекалина і перфтор-(4-циклогексил, N-метил) пиперидина (мал. 3). У Японії і США найбільш популярний перфтороктилбромид (C8F17Br, ПФБ; в кровезаменителях "Перфлюброн", "Оксиджент" і інш.).

Ріс.3. Формули перфторорганических з'єднань, що використовуються у виробництві кровезаменителей.

Цікаво, що сьогодні перфтороктилбромид застосовується при штучній вентиляції легких. У легкі пацієнта (частіше в одне) вводять рідкий ПФБ (~1 л) і шланг з распилителем для подачі повітря або кисня. По завершенні процедури шланг віддаляється, а ПФБ залишається в легких і повільно (тижні-місяці) виводиться з повітрям, що видихається, а частина його виявляється в крові.

Неодноразово зазначалося, що фізіологічні властивості і кровезаменителей на основі перфторуглеводородов, перфтороктилбромидов і чистих компонентів різні. Причини цього залишалися незрозумілими. Дійсно, якби ефекти цих з'єднань зводилися лише до транспорту кисня, вони були б однакові для всіх ПФУ і ПФБ, оскільки значення коефіцієнта розподілу NO для перфтороктилбромидов і не вмісних атома брома перфторсоединений, включаючи перфтордекалин (основний компонент "Перфторана"), також виявилися близькими. Таким чином, пояснити різні фізіологічні ефекти тільки різної сольватацией NO не вдалося. У зв'язку з цим ми поставили під сумнів постулат про інтертність перфтороктилбромидов in vivo і почали шукати природні супернуклеофили, здатні реагувати з ним при температурі тіла [10].

Для перфторалкилгалогенидов були відомі реакції перфторалкилирования при каталізі низковалентними комплексами нікеля і кобальту. Найбільш відома форма існування кобальту in vivo - кобаламин (вітамін В12), який у відновленій формі служить кофактором ряду ферментів (мал. 4). Ми показали, що кобаламин активує ПФБ, видимо, з утворенням перфтороктильного радикала і Co(II), який може знов відновлюватися до Co(I). Значить, вітамін В12 в присутності відновників грає роль каталізатора перфторалкилирования під дією ПФБ. Реакцію вдалося "візуалізувати" з використанням флюоресцирующих мішеней. У тих же умовах зв'язок C-F виявився стійким: ми не виявили перфторалкилирования під дією перфтордекалина. Доля гидрофобних перфторалкильних радикалів in vivo залишається невідомою. Ймовірно, вони здатні ефективно реагувати з NO (природним инактиватором вільних радикалів), утворюючи нові токсичні продукти.

Ріс.4. Схема каталізу кобаламином (вітаміном В12) реакцій перфторалкилирования під дією перфторалкилгалогенидов. In vivo кобаламин відновлюється до Зі+1. Цей супернуклеофил здатний "вирвати" атом брома з молекули перфторалкилбромида (показана як CFBr). Перфторалкильний радикал, що Утворюється CF· вступає в реакції з активованими двійчастими зв'язками (показаний заміщений акриламид, Х - флюоресцирующая група), ароматичними з'єднаннями і інш. Радикали (2), що Знову утворилися стабілізуються різними шляхами, приводячи до стабільних CF-вмісних продуктів (3, 4).

Принципова відмінність ПФУ і ПФБ у відношенні до супернуклеофилам типу відновлених форм кобаламина дозволяє пояснити відмінність властивостей кровезаменителей на їх основі: ПФБ в фізіологічних умовах не можна вважати хімічно інертним. Аналогічні пояснення застосовні і до численних отруєнь іншими перфторалкилгалогенидами (ПФГ): крім механізмів, пов'язаних з NO-катастрофами, вони можуть брати участь в реакціях перфторалкилирования звичайних метаболитов. Ясно, що низькі концентрації кобаламина в тканинах роблять їх малопомітними, але не менш неприємними, особливо при великих "періодах напіввиведення" (міра часу життя в організмі) вищих гомологов. Не виключено, що як відновники ПФГ, крім B12, можуть виступати і інші метаболити. Оскільки сучасний рівень знань не дозволяє оцінити віддалені наслідки і міру ризику, експерименти з використанням перфторалкилгалогенидов на людях слід би гранично обмежити.

Загальне число пацієнтів, що отримали великі дози перфтороктилбромидов по медичних свідченнях, і добровольців, учасників випробувань, невідомо, але явно пятизначное. Нижчі газоподібні перфторалкилгалогениди використовуються як розчинники, в тому числі при хімічному чищенні одягу, як фреони (бромтрифторметан), а також у вогнегасниках і автоматичних протипожежних системах - від військової техніки до космічних кораблів многоразового використання ( "Спейс Шаттл"). Описана безліч випадків отруєнь, в тому числі зі смертельним виходом, при вдиханні газоподібних перфторалкилгалогенидов. Очевидно, що і тривалість впливу, і концентрації цих речовин (зокрема, в наших хімчистках самообслуговування) можуть мінятися в широких межах. Відомі приклади, коли серйозні проблеми зі здоров'ям і смерть наступали через значний час після отруєння ПФГ.

Відкриття перфторалкилирования при каталізі відомим вітаміном після 40 років робіт по використанню ПФГ в медицині підіймає серйозні філософські питання. Кореляція між появою озонових дір і попаданням фреонов в атмосферу - факт, встановлений в ході фундаментальних наукових досліджень. Реакція утворення перфторалкильних радикалів при опромінюванні фреонов ультрафиолетом попала не тільки у вузовские, але і в шкільні підручники. Зв'язок алкилирования ДНК і вільно-радикальних реакцій з мутаціями і раком повинен уміти пояснити будь-який випускник середньої школи. Аналогія між озоном і високоактивними метаболитами, що бере участь в реакціях окислення (в тому числі при біосинтезі NO), також здається досить очевидної. Проте тисячам добровольців і пацієнтів вводили і продовжують вводити великі дози ПФГ, які залишаються в організмі на місяці. Залишається загадкою, чому і у учасників, і у організаторів таких експериментів, незважаючи на всі ці знання, ніколи не виникало питання про хімічну інтертність ПФГ in vivo. Негативна відповідь на це питання могла і повинна був бути отриманий багато років тому, до початку масових експериментів на людях.

Сьогодні гостра необхідність у вивченні біохімії ПФГ і методів детоксикації цих з'єднань і їх потенційних метаболитов очевидні, оскільки, незважаючи на попередження екологів, їх як і раніше широко використовують в техніці і в побуті, і випадкові контакти з ними у разі різного роду аварій і форс-мажорних обставин будуть траплятися і надалі навіть при повному припиненні використання перфтороктилбромидов в медицині. Не виключено, що ефективним методом виведення труднолетучих ПФГ і продуктів їх перетворень виявиться короткочасне введення стабілізованих емульсій хімічно інертних перфторуглеводородов (типу "Перфторана") з подальшим видаленням їх гемосорбцией разом з "екстрагованими" перфторалкилгалогенидами.

* * *

На закінчення ми хочемо привести приклади популярних препаратів, механізм дії яких пов'язаний з регуляцией метаболізму оксидов азоту. Нагадаємо, що NO синтезується з аргинина під дією NO-синтаз (NOS) і активує гуанилатциклазу (GC), що постачає цикло-ГМФ, який і служить молекулярним сигналом до розширення судин (мал. 5). Нітрогліцерин і амилнитрит як штучні донори NO при серцевій недостатності забезпечують розширення судин міокарда і запобігають розвитку інфаркту. Більш того вони можуть бути корисні навіть на ранніх стадіях після інфаркту, що трапився або інсульту: крім поновлення кровотока (завдяки активації гуанилатциклази), NO, що утворюється діє як детоксикатор вільних радикалів, концентрація яких різко зростає після інфаркту або інсульту, що і служить причиною загибелі кліток серцевого м'яза або мозку. У останні роки як ефективний екстрений захід пацієнта вміщують в атмосферу з дуже невеликою кількістю NO.

Ріс.5. Популярні фармацевтичні препарати, механізм дії яких пов'язаний з регуляцией метаболізму оксидов азоту.

Розвиток септичного шоку пов'язаний з надмірною активністю NO-синтази, індукованою що попали в кровоток патогенами. Організм, намагаючись забезпечити себе від вторгнення чужеродних кліток, виробляє великі кількості NO для їх знищення. Це приводить до активації гуанилатциклази, дуже сильного розширення судин, як наслідок - до падіння тиску крові. Смерть наступає від зниження ефективності кровообігу. Ингибитори NO-синтази (наприклад, нитроаргинин) або введення в кров аргинази (ферменту, що руйнує аргинин - попередник NO) можуть бути рятівними.

Рівень цикло-ГМФ підтримується балансом активності гуанилатциклази (синтез) і специфічною фосфодиестерази PDE5 (розпад). Ингибирование останньою забезпечує високу концентрацію цикло-ГМФ навіть при нестачі синтезу NO, що активує гуанилатциклазу. Кофеїн - слабий і неспецифічний ингибитор фосфодиестераз, що розщеплюють цикло-ГМФ. Сильденафил ( "Віагра") - могутній і специфічний ингибитор фосфодиестерази PDE5 - виявився ефективним засобом при імпотенції (злі язики затверджують, що саме це відкриття було вирішальним для членів Нобелівського комітету). Той же ефект може бути досягнутий ингибированием аргинази.

"Перфторан" і інші штучні гидрофобние фази можуть виступати і як активатори, і як блокатори різних NO-залежних процесів. Розчинність NO і O2 в емульсії перфторуглеводорода вище, ніж в плазмі крові, що спочатку забезпечує переток NO з плазми в гидрофобную фазу емульсії, де через мицеллярного каталіз швидкість його окислення вище, ніж в навколишньої краплини емульсії плазмі. Загалом, концентрація NO в крові падає (показано червоною стрілкою), одночасно падає безповоротне окислення NO в нітрат під дією гемоглобіну. Зниження концентрації розчиненого NO може активувати NOS. Продукти окислення NO переважно утворяться в емульсії, і саме там вище за нитрозилирующая активність. Подальша доля продуктів окислення може регулюватися; можливий варіант, коли емульсія стає джерелом NO-донорів.

Швидкості накопичення знань, появи нових технологій на початок третього тисячоліття стали буквально фантастичними. У істотній мірі так бурхливе зростання має автокаталитический механізм: він забезпечується успіхами науки в попередні роки і регулюється швидкістю перетворення фундаментальних наукових відкриттів в нові технології, що використовуються як для "споживання", так і для подальшого розвитку досліджень. Для біологічних наук прикладами перших є поява методів діагностики і лікування невиліковних раніше захворювань або виведення високопродуктивних сільськогосподарських культур. До других можна віднести все більш тонкі методи аналізу (речовин, кліток і цілих організмів) або синтезу складних "біологічних" молекул. Загалом, попередні успіхи в фундаментальних дослідженнях зумовлюють нові досягнення як в економіці, так і в самій науці.

Робота виконана при підтримці Російського фонду фундаментальних досліджень.

Проекти 02-04-49530 і 03-04-06492.

Список літератури

1. Шноль С. Е. Герої і лиходії російської науки. М., 1997.

2. Иваницкий Г. Р. // Біофізика. 2001. V.46. P.5-33.

3. Squires J.E. // Science. 2002. V.295. P.1002-1005.

4. Gordin V.A., Nedospasov A.A. // FEBS Lett. 1998. V.424. P.239-242.

5. Рафикова О. В. // Татьянін день. Мицеллярний каталіз окислення оксиду азоту в емульсіях перфторуглеводородов і його вплив на цикл оксиду азоту в організмі ссавців. М., 2000.

6. Rafikova О., Sokolova Е., Rafikov R., Nudler E. // Circulation. 2004. V.110. P.3573-3580.

7. Nedospasov A.A. // J. Biochem. Molecular. Toxicol. 2002. V.16. P.109-120.

8. Біда Н. В., Піменова (Сунцова) Т. П., Недоспасов А. А. // Проблеми і перспективи молекулярної генетики / Ред. Е. Д. Свердлов. М., 2004. Т.2. C.237-301.

9. Біда Н. В., Недоспасов А. А. // Біохімія. 2003. Т.68. С.1697-1704.