УДК 621.391.2
К Г. Коротков1, Б. Виллиамс2, Л. А. Виснески3
1 Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики; 2 Университет «Холос», Фэйрвью, Миссури, США; 3 Медицинский центр университета Джорджа Вашингтона, США
Биофизические механизмы метода ГРВ биоэлектрографии
Рассматриваются современные биофизические представления о механизме переноса зарядов в биологических тканях. Для объяснения биофизических механизмов методики ГРВ предлагается использовать концепцию туннельного транспорта электронов между отдельными белковыми молекулами.
На основании достижений квантовой биофизики был развит целый ряд подходов, позволяющих исследовать прижизненную активность биологических систем. Прежде всего, это спектральные методы, среди которых необходимо отметить методику измерения собственной флуоресценции биологических систем, развитую коллективом авторов под руководством В.О. Самойлова. Эта методика позволяет одномоментно измерять флуоресценцию на длине волны λ = 460 нм (синий свет) и λ = 520-530 нм (желто-зеленый свет) при возбуждении ультрафиолетом (λ = 365 нм) [1]. Методика была доведена до практического уровня удобных эндоскопических приборов, что позволило разработать раннюю диагностику злокачественных заболеваний желудочно-кишечного тракта, лимфатических узлов в процессе хирургических операций, кожи. Принципиально важной оказалась оценка степени жизнеспособности тканей в процессе хирургических операций для проведения экономной резекции. Прижизненная флуометрия дает, кроме статических показателей, динамические характеристики биологических систем, так как позволяет проводить функциональные пробы и исследовать зависимость типа «доза-эффект». Это обеспечивает в клинике надежную функциональную диагностику и служит инструментом экспериментального изучения интимных механизмов патогенеза заболеваний.
Подобные же задачи во многом решает и метод газоразрядной визуализации. Стимулирование эмиссии электронов и фотонов с поверхности кожного покрова происходит за счет коротких (10 мкс) импульсов электромагнитного поля (ЭМП). Как показали измерения при помощи импульсного осциллографа с памятью, во время действия импульса ЭМП развивается серия импульсов тока (и свечения) длительностью примерно 10 нс каждый. Развитие импульса обусловлено ионизацией молекул газовой среды за счет эмитированных электронов и фотонов, срыв импульса связан с процессами зарядки диэлектрической поверхности и возникновением градиента ЭМП, направленного противоположно исходному полю [2]. При подаче серии стимулирующих импульсов ЭМП с частотой следования 1000 Гц эмиссионные процессы развиваются в течение времени действия каждого импульса. Телевизионное наблюдение временной динамики свечения участка кожного покрова диаметром несколько миллиметров и покадровое сравнение картин свечения при каждом импульсе напряжения свидетельствует о возникновении эмиссионных центров практически в одних и тех же точках кожи.
За столь короткое время – 10 нс – ионно-деполизационные процессы в ткани развиться не успевают [3], поэтому ток может быть обусловлен транспортом электронов по структурным комплексам кожи или иной исследуемой биологической ткани, включенной в цепь протекания импульсного электрического тока. Биологические ткани принято разделять на проводники (в первую очередь биологические проводящие жидкости) и диэлектрики. Для объяснения эффектов стимулированной электронной эмиссии необходимо рассматривать механизмы транспорта электронов по непроводящим структурам. Неоднократно высказывались идеи применить к биологическим тканям модель полупроводниковой проводимости. В соответствии с современными представлениями [4], полупроводниковая концепция не получила подтверждения для биологических систем. В настоящее время наибольшее внимание в этой области привлекает к себе концепция туннельного транспорта электронов между отдельными белковыми молекулами-переносчиками, отделенными друг от друга энергетическими барьерами.
Процессы туннельного транспорта электронов в молекулярных системах хорошо экспериментально изучены и промоделированы на примере переноса электронов по белковой цепи. Туннельный механизм обеспечивает элементарный акт переноса электрона между донорно-акцепторными группами в белке, находящимися друг от друга на расстоянии порядка 0,5 – 1,0 нм [4]. Однако существует много примеров, когда электрон переносится в белке на гораздо большие расстояния. Существенно, что при этом перенос происходит не только в пределах одной молекулы белка, но может включать взаимодействие разных белковых молекул. Так, в реакции переноса электрона между цитохромами (цитохром - специфическое соединение, которое образует систему переноса электронов, представляющее собой белковую молекулу, к которой присоединена химическая группировка называемая гемом) с и цитохромом-оксидазой (одного из ферментов системы переноса электронов) и цитохромом b5 оказалось, что расстояние между гемами взаимодействующих белков составляет более 2,5 нм [4]. Характерное время переноса электрона составляет 10-11 – 10-6 с, что соответствует времени развития единичного эмиссионного акта в методе ГРВ.
Проводимость белков может носить примесный характер. По данным экспериментов, значение подвижности в переменном электрическом поле составили для цитохрома ~ 1*10-4 м2/(В см), для гемоглобина ~ 2*10-4 м2/(В см). В целом оказалось, что для большинства белков проводимость осуществляется в результате переходов электронов между локализованными донорными и акцепторными состояниями, разделенными расстояниями в десятки нанометров. Лимитирующей стадией в процессе переноса является не движение заряда по токовым состояниям, а релаксационные процессы в доноре и акцепторе.
В последние годы удалось рассчитать реальные конфигурации такого рода электронных траекторий в конкретных белках. В этих моделях белковая среда между донором и акцептором разбивается на отдельные блоки, связанные между собой ковалентными и водородными связями, а также невалентными взаимодействиями на расстоянии порядка Ван-дер-вальсовых радиусов. Электронная траектория, таким образом, представляется комбинацией тех атомных электронных орбиталей, которые дают наибольший вклад в величину матричного элемента взаимодействия волновых функций компонентов [4].
В то же время общепризнанно, что конкретные пути переноса электрона не носят строго фиксированный характер. Они зависят от конформации молекул белка и могут соответственно меняться в различных условиях. При вычислении константы переноса принимались во внимание орбитали целого ряда электронно-взаимодействующих атомов аминокислотных остатков белка между донорной и акцепторной группами, которые дают наибольший вклад в суперобменное взаимодействие. Оказалось, что для отдельных белков получаются более точные линейные зависимости, чем при учете одной-единственной траектории.
Трансформация электронной энергии в биоструктурах связана не только с переносом электронов, но и с миграцией энергии электронного возбуждения, которая не сопровождается отрывом электрона от молекулы донора. Наиболее важными для биологических систем, по современным представлениям, оказываются индуктивно-резонансный, обменно-резонансный и экситонный механизмы переноса электронного возбуждения. Эти процессы оказываются важными при рассмотрении процессов переноса энергии по молекулярным комплексам, как правило, не сопровождающихся переносом заряда.
Рассмотренные представления показывают, что основным резервуаром свободной энергии в биологических системах являются электронно-возбужденные состояния сложных молекулярных комплексов. Эти состояния непрерывно поддерживаются за счет кругооборота электронов в биосфере, источником которого является солнечная энергия, а основной рабочей средой - вода. Часть состояний тратится на обеспечение текущего энергоресурса организма, часть может запасаться впредь, подобно тому, как это происходит в лазерах после поглощения импульса накачки.
Протекание импульсного электрического тока в непроводящих биологических тканях может обеспечиваться за счет межмолекулярного переноса возбужденных электронов по механизму туннельного эффекта с активированным переходом электронов в контактной области между макромолекулами. Таким образом, можно предположить, что формирование специфических структурно-белковых комплексов в толще эпидермиса и дермиса кожи обеспечивает формирование каналов повышенной электронной проводимости, экспериментально измеряемых на поверхности эпидермиса как электропунктурные точки.
Стимулированная импульсная эмиссия также развивается в основном за счет транспорта делокализованных π-электронов, реализуемых в электрически непроводящей ткани путем туннельного механизма переноса электронов. Это позволяет предположить, что метод ГРВ позволяет косвенным образом судить об уровне энергетических запасов молекулярного уровня функционирования структурно-белковых комплексов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самойлов В.О. Электронная схема жизни. Ст. Петербург, Институт физиологии РАН. 2001.
2. Коротков К. Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. Ст. Петербург. СПбГИТМО. 2001.
3. Tiller W. On the evolution of Electrodermal Diagnostic Instruments. J of Advancement in Medicine. 1,1, (1988), pp. 41-72.
4. Рубин А.Б. Биофизика. М. Книжный дом «Университет». 1999.
|
