Действие биологически активных агентов в сверхнизких дозах на биохимические и физиологические процессы

Мы начнем с цитаты из обзора, опубликованного одной из наи­более активных исследовательских групп, работающих в этой области: «В литературе можно найти огромное, постоянно растущее количество

доказательств чрезвычайно высокой чувствительности биологических объектов к химическим и физическим эндогенным воздействиям*.

Биологические объекты способны реагировать на присутствие пептидов, гормонов и ядов в концентрациях ниже 10”¹² М. Чув­ствительные к запаху клетки реагируют на отдельные молекулы пах­учих веществ. Зрительные рецепторы реагируют на отдельные кванты света.

Само по себе действие агентов, энергия которых на много поряд­ков ниже тепловой, не удивительно. Как было подчеркнуто в первых главах этой книги, в случае кинетически неравновесных систем слабые силы могут вызвать сильный эффект. Мы не удивляемся, когда слабое нажатие пальцем на спусковой крючок ружья приводит к большим последствиям. Большинство биологических объектов и их компонен­тов принадлежат к кинетически неравновесным системам. Описание их поведения в рамках механики часто более адекватно, чем в рамках термодинамики.

Действительно удивительной характеристикой эффектов сверхма­лых доз является немонотонность кривых в координатах доза-эффект. Авторы [81] называют это сложным полимодальным характером дозо- вой зависимости.

В качестве иллюстрации на рис. 5.1 приведены данные из ра­боты Надежды Пальминой и др. [82]. Они исследовали воздействия различных биологически активных соединений (БАС) на активность фермента протеинкиназа С. На рис. 5.1 ясно видно существование двух областей максимальной ингибиторной активности при концен­трациях 10“¹⁷ М и 10“¹² М (для нормальных клеток). При концен­трациях ингибитора 10“^|0-10“¹⁴ М (для нормальных клеток) и 10”¹³- 10”¹⁷ М (для опухолевых клеток) можно видеть широкие области с практически нулевой активностью.

Я не могу обсуждать здесь отношение этих эффектов, достовер­ность которых вне сомнения, к гомеопатии.

ІВІФК]

Рис. 5.1. Типичная кривая «доза—эффект». Зависимость активности протоин- киназы С от концентрации фенозана (активатор): а) нормальные клетки; б) опу­холевые клетки

На самом деле возникают только два главных вопроса.

Первый сформулирован авторами в обзоре [81]. «Трудно понять даже саму возможность встречи отдельных молекул БАС с клеткой за разумный период втрёмени. Казалось бы, эти индивидуальные моле­кулы должны хаотичеок и блуждать в межклеточном пространстве перед контактом с мишенью. И только после сосредоточения их достаточно­го количества в межклеточном пространстве и перехода к равновесию система может реагирошть».

Авторы рассматривают ситуации, возникающие в двух предельных случаях: высокая и оче нь низкая концентрация БАС.

Молекула. БАС должна контактировать с рецептором на поверх­ности клеткт_л Учитывая разумные значения размера клетки (2-10 ми­крон) и коэффициента диффузии БАС (D — 10"³ см²/с), а также

возможность латеральной диффузии молекул БАС по поверхности мембраны [83], авторы г/риходят к выводу, что достаточно рецепции одной-десяти молекул БАС. Время рецепции (50-90) % растворенных БАС не превышают нескольких минут.

Если число молекул очень мало, нельзя предполагать существова­ние концентрационного градиента.

Проведенные автором расчеты в рамках схемы Бернулли «попада­ние-промах» показали, однако, что дл я концентрации 10”¹⁷ М число молекул БАС в реакционном пространстве (0,5 мл) будет достаточно дая регистрации эффекта в течение времени эксперимента.

Второй вопрос касается причины полиэкстремального характера зависимости кинетических параметров исследуемого процесса от кон­центрации БАС. Авторы подчеркивают, что в случае сверхмалых доз сама концепция концентрации теряет свою ясность. Распределение частиц в реакционном объеме становится дискретным, и сильнее проявляется неоднородность распределении БАС в непосредственной близости от мишени. Это неизбежно приво дит к отсутствию воспро­изводимости.

Бурлакова и ее соавторы [81] предложил^ остроумную модель, спо­собную превратить локальные флуктуации концентраций БАС вблизи мишеней, мешающих регистрации эффекта* в механизм, генериру­ющий эффект. Для этого было сделано несколько предположений. Первое заключается в том, что каждый акт рецепции может вы­звать два типа ответа клетки: «+» и «-», существенно превосходя­щие некий порог (это и есть второе предположение). Эти два типа ответа могут быть реализованы, если мишень может существовать в двух состояниях, например, с двумя возможными конформациями рецептора.

Предположив также несколько других характеристик мишени и механи зм их взаимодействия с БАС, авторы сформировали про­стые и в то же время общие схемы, объясняющие действие БАС в области сверхмалых доз.

Рассмотрим теперь другую простую модель, открывающую путь к пониманию эффектов, наблюдаемых при сверхнизких ко?нцентрациях БАС, действующих на клетки и другие мишени [89].

Экспериментальные результаты позволяют предположить, что при достаточно низких концентрациях БАС возникает некий параметри­ческий резонанс, определяемый внутриклеточными процессами, вы­званными БАС, и характеристическим временем поступления БАС (или продуктов их химического взаимодействия с компонентами клет­ки) к специфическим сайтам внутри клетки (мембранные рецепторы, активные центры ферментов).

Разумно предположить, что при сверхмалых концентрациях БАС лимитирующей стадией всего процесса будет диффузия молекул БАС из объема к поверхности клетки. Все другие стадии, например, хи­мическая трансформация БАС, их связывание с активным или ал­лостерическим центром фермента и т.

Z = 4xDRn. (5.1)

Здесь D — коэффициент диффузии молекул БАС, R — радиус клетки а п — число молекул БАС в единице объема.

Учитывая сказанное в главе 4 этой книги, представляется разум­ным выбрать в качестве характеристического параметра времени вну­тримолекулярного процесса, ответственного за наблюдаемый эффект, время конформационной релаксации определенных макромолекуляр- ных структур. Такими структурами могут быть: ферменты, регуляторы биосинтеза, рецепторы, связанные с мембранами, и т. п., локальные возмущения которых приводят к появлению неравновесного состо­яния. В целях упрощения мы в дальнейшем будем называть такие структуры ферментами.

Конкретный механизм суммарного процесса в данном случае не важен. Достаточно предположить, что внешний агент (например, БАС), поступая в клетку со средней частотой Z, определяемой по фор­муле 5.1, приводит к возникновению конформационно неравновесного

На самом деле в уравнении должна быть сумма радиусов сталкивающихся частиц. В нашем случае радиусом второй частицы можно пренебречь.

состояния фермента. Это состояние затем релаксирует с характеристи­ческим временем г к новому состоянию, равновесному для фермента с присоединенным агентом. На определенной стадии релаксации ак­тивность фермента максимальна.

Для очень низких концентраций БАС, когда Z~^x > т, почти все молекулы фермента находятся в начальном, равновесном состоя­нии с низкой активностью. При высоких концентрациях БАС, когда Z~^x < т, почти все молекулы фермента будут в конечном равно­весном состоянии с низкой активностью. Максимальную концентра­цию неравновесных промежуточных состояний фермента с повышен­ной активностью можно ожидать при грубом совпадении значений Я^-1 и т.

Не представляет труда рассчитать молярные концентрации БАС для мишеней с различными значениями R, соответствующие разным величинам Z~^x — т (табл.

с«3-10^-13т^_1Д^-’. (5.2)

Здесь с — молярная концентрация БАС, т — время релаксации (с), Л __ радиус мишени.

Поскольку имеют смысл только расчеты с точностью до порядка величины, можно опустить множитель 3, четыре выбранные размера покрывают мишени от макромолекул до больших клеток.

Легко видеть, что для мишеней с размерами клеток (1 мкм), можно ожидать появления экстремумов на кривых. Концентрация БАС — эффект в интервале 10”¹¹ -10“¹⁵ М.

Естественно, приведенные здесь объяснения могут служить толь­ко указаниями на вероятность адекватности предложенных подходов. Исследования аллостерических ферментов при низких концентрациях эффектора и с параллельными измерениями времени конформацион­ной релаксации белка после присоединения эффектора могут привести к экспериментальному подтверждению концепции.

Во всяком случае, ясно, что проблема странного поведения БАС при сверхнизких концентрациях может быть решена в рамках совре­менной биофизики.

Таблица 5.1

Молярные концентрации (- Igc), соответствующие максимальной активности для различных значений R и т

Я не буду обсуждать здесь сенсационные эксперименты Бенвени- сты и corp. [90], посвященных активности некоторых БАС в растворах при концентрациях ниже 10~²⁴ М.