Известен также ряд работ по изучению ЭМП миллиметрового диапазона слабой мощности на солевые растворы молекул ДНК [11 - 13]. В работах Ю. С. Бабаяна и соавторов исследованы плотность и термостабильность водно-солевых растворов ДНК, облученных не тепловыми миллиметровыми электромагнитными волнами с резонансными и не резонансными частотами. Показано, что на частоте резонанса увеличивается термостабильность молекул ДНК. Авторы объясняют наблюдаемый эффект дегидратацией молекул ДНК.
Исследование волокон ДНК показали, что ДНК гидратирована и ее конформации зависят от содержания воды в образце. Не только общее водное окружение, но и отдельные молекулы воды важны для конформационного состояния и функционирования ДНК. Гидратация оснований нуклеиновых кислот, т.е. взаимодействие оснований с отдельными молекулами воды, играет важную роль в стабилизации двойной спирали. Доказательством данного предположения служит расчеты по вычислению минимумов энергии взаимодействия азотистых оснований ДНК с молекулами воды, произведенные в работе [14]. Данные расчеты гидратированных комплексных оснований ДНК показали, что геометрия этих комплексов очень чувствительна к взаимодействиям с одной или несколькими молекулами воды. Так, одной молекулы воды достаточно, чтобы изменить структуру комплекса оснований ДНК. Для аденина - одного из азотистых оснований - приведенные расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными для моно и триметилированных производных.
Последние данные, опубликованные в работе [15], свидетельствуют о том, что ЭМП НЧ вмешиваются в процесс репарации ДНК, приводя к образованию повреждений (разрывов) ДНК в клетках. Одновременно с этим увеличение количества разрывов ДНК при экспозиции клеток в ЭМП НЧ может быть объяснено активацией свободно радикальных процессов [16].
Однако есть и противоположные сообщения в литературе [17, 18], указывающие на отсутствие воздействия электромагнитных полей низких частот на клеточную ДНК. Исследования, проведенные с бесклеточной ДНК при нарушении репарации показали, что основные процессы, связанные с передачей генетической информации (активность ДНК-полимеразы, транскрипция и репарация) устойчивы к воздействию ЭМП НЧ (60 Гц, на 0,25 - 0,5 Тл) [19]. Точно так же, магнитные поля экологического уровня (10, 50 и 100 мкТл) не оказывали влияния на транскрипцию в бесклеточной системе [20].
Несмотря на многочисленные исследования,
посвященные воздействию электромагнитных излучений различной частоты на
биообъекты, до сих пор остается до конца не изученным механизм взаимодействия
ЭМП НЧ на нуклеиновые кислоты, не решен вопрос, является ли ЭМП НЧ нетеплового
уровня воздействия стрессором для биологических систем, и соответственно, может
ли такое воздействие запускать адаптивные реакции в клетках. Нет четкой
математической модели, описывающей процессы, происходящие в ДНК при таком
воздействии. В связи с этим данный вопрос представляет большой интерес для
нашего исследования.
.2.2 Изменение флюоресценции в растворах белков
В работе [21] исследовали конформационные состояния белков, под действием слабых комбинированных постоянного и переменного магнитных полей при помощи спектрофлуориметрического анализа, а также была дана попытка объяснить процессы изменения в структуре воды.
Индукция B = 42мкТл, B = 40 нТл При обработке образцов суммарным сигналом, формально соответствующим циклотронным частотам ионных форм свободных молекул аминокислот: тирозина, аспаргина, глутаминовой кислоты, лизина и аспаргиновой кислоты. Также обработка растворов на моночастотах из суммарного сигнала, и на частотах 1, 3, 5, 10 Гц, и при отсутствии постоянного магнитного поля, и воздействии на образцы только переменной компонентой поля, при температуре 18 - 22 °C.
Цитохром C имеет слабую триптофановую флуоресценцию, как полагают, вследствие тушащего эффекта со стороны гематопорфирина, ковалентно прикрепленного к белковой части молекулы. После обработки магнитными полями, с суммарной переменной компонентой водного раствора цитохрома C, с концентрацией белка 100 мкг/мл собственная флуоресценция белка возрастает приблизительно в два раза [21]. Известно, что при денатурации гуанидинхлоридом в концентрации выше 6 М наблюдается возрастание собственной флюоресценции цитохрома С в 5 - 6 раз.
При обработке МП раствора БСА с концентрацией 30 мкг/мл происходит уменьшение собственной флуоресценции белка, что также можно объяснить его частичной денатурацией, поскольку гуанидинхлорид при концентрации выше 2 М вызывает снижение интенсивности флюоресценции.
Таким образом, при анализе действия МП на водные растворы двух белков, отмечены разнонаправленные изменения их собственной флуоресценции. Эти изменения совпадают с изменениями флуоресценции при действии хорошо изученного денатурирующего агента гуанидинхлорида, в частности, с изменениями, сопровождающими переход от нативного состояния белка к состоянию расплавленной глобулы. Величина эффекта действия магнитных полей на собственную флуоресценцию БСА зависит от концентрации белка в растворе. Зависимость интенсивности собственной флуоресценции БСА от времени его обработки магнитным полем носит нелинейный характер.
Зависимость спектральных характеристик раствора БСА от частоты пере-менного магнитного поля при фиксированной величине постоянного магнитного поля показывает наличие максимума изменения интенсивности флуоресценции, по сравнению с контролем частоты 3,7 Гц, входящей в диапазон поличастотного сигнала. Воздействие суммарным сигналом, в котором присутствует данная частотная гармоника, дает такой же эффект, как и одна частота 3,7 Гц. Действие магнитного поля на водный раствор БСА является обратимым.
Магнитная обработка водных растворов ферментов (щелочная фосфатаза, пероксидаза хрена), и добавление к маточному раствору этих белков обработанных полем растворителя, также приводит к структурным изменениям этих белков (увеличение флюоресценции на 3 - 5%), которые сопровождаются изменениями их ферментативной активности. Следовательно, можно говорить об универсальном биологическом действии слабого переменного и постоянного магнитных полей, регулирующих функциональную активность белковых макромолекул, через структурные изменения.
В зависимости от времени обработки растворителя магнитными полями возможно как усиление, так и ослабление флуоресценции. В течение нескольких часов после смешивания растворов, интенсивность флуоресценции снижается. Происходит постепенное накопление конформационных изменений в белках. Подобное усиление флуоресценции БСА и последующее её ослабление наблюдается при последовательных добавках к раствору гуанидинхлорида в зоне низких концентраций, подобные эффекты при действии гуанидинхлорида были описаны на растворах пероксидазы хрена [22].
В качестве критерия оценки измерений в структуре растворителя при маг-нитной обработке можно использовать собственную флуоресценцию воды [23]. После относительно длительной (2 - 4 ч) обработки растворителя магнитными полями, интенсивность как коротко волновой, так и длинно волновой флуорес-ценции возрастает в 2 - 4 раза по сравнению с исходным фоном и с контрольным образцом.
Изменения флуоресценции воды при обработке магнитными полями, можно объяснить появлением в воде свободных радикалов или перекиси водорода. Перекись водорода снижает интенсивность флуоресценции БСА на 2 -3%
Перекись водорода снижает интенсивность
флуоресценции БСА на 2 - 3%, при концентрации порядка 10ˉ⁴
М. Процесс образования перикиси в растворах БСА и цитохрома С ничтожно мал.
Изменение конформации белков под влиянием магнитных полей, также связано с
процессом формирования водных кластеров, которые приводят к изменению
микроокружения белковой молекулы [24].
.2.3 Действие СМП на белки и аминокислоты
В работе [25] обнаружено при действие на растворы аминокислот определенного переменного магнитного поля параллельного постоянному магнитному полю оказывает значительное влияние на силу ионного тока, при определенной частоте для раствора каждой аминокислоты. В итоге [26 - 29] была получена формула в какой-то степени объясняющая закономерности наблюдаемого явления, как циклотронную частоту, вычисляемую по формуле:
ц = q B/2 π
m, (1)
где Vц - циклотронная частота;- заряд иона кальция;- масса иона кальция;₀ - переменное МП.
В результате действия на группы ионов аминокислоты электрических и магнитных полей образуется коллективное полиионное молекулярное образование - кластер [30], который взаимодействует с внешними полями как отдельная структура. С увеличением числа ионов в кластере его суммарная энергетика превышает уровень kT, необходимый для стабилизации структуры. В результате время жизни кластера превысит циклотронный период. Электрическая энергия, аккумулирующаяся в кластерах, обеспечит образование межмолекулярных связей. Циклотронная частота кластера равна циклотронной частоте отдельного иона.
Первичной мишенью сверхслабого магнитного поля могут служить магнитные моменты [31], создаваемые ядерными спинами атомов. В рамках предложенной модели внешнее магнитное поле вызывает намагниченность среды, состоящей из частиц, обладающих ненулевым ядерным спином.
Намагниченность среды может влиять на ход ряда биохимических реакций, в том числе на реакцию кислорода c различными радикалами. Это существенно (на 30 - 60 %) увеличивает скорость реакций. Действие слабых комбинированных магнитных полей объяснено в работе [32]. В ней было рассмотрение водной среды как комплекса когерентных и некогерентных доменов. В этом случае слабые комбинированные магнитные поля в когерентных доменах воды, включающих молекулы аминокислот, могут оказывать эффекты по типу циклотронного резонанса, так как трение внутри этих доменов на порядок меньше, чем в неструктурированной водной фазе. В [33] биологическая активность переменного магнитного поля равного 50 мкТл в составе СКМП замечена на плантациях, диатомовых водорослях, лимфоцитах и т.д. Подобные явления связывают с действием слабых магнитных полей на ионы Са 2+. Это казалось вполне очевидным в связи с тем, что ион кальция участвует во многих биохимических реакциях и обладает магнито - чувствительностью.
Отсутствует строгая зависимости локализации сайтов гидролиза белков от частоты переменного магнитного поля, и непосредственное участие водной фазы в реализации эффекта. При действии слабых магнитных полей водная среда изменяет свои свойства, что приводит к изменению гидратных оболочек белков и/или генерации перекисей. В этих условиях пептидные связи в большей степени становятся подверженными атакам окружающих белков молекул воды или перекисей.
Универсальный механизм, который объясняет действие слабых магнитных полей возможно связан c продукцией АФК. Также возникновение эффектов слабых комбинированных магнитных полей вполне может быть связано с увеличением генерации перекисных радикалов [34].другой стороны, известно, что даже высокоочищенная вода содержит фоновые концентрации (десятки нм) перекисей. Эти обстоятельства затрудняют экспериментальный анализ данной ситуации.
Другая теория взаимодействия магнитных полей
объясняется посредством намагниченности среды, окружающей реакционный комплекс
[35], показано что низкочастотное слабое МП может влиять на вероятность
образования пероксирадикалов в биологических системах. Теоретически обоснована
связь между экспериментально наблюдаемыми эффектами и параметрами внешнего
поля. Найдены оптимальные параметры магнитного поля, приводящие к повышению
концентрации пеpокcиpадикалов.
.2.4 Образование радикальных пар под действием МП
На протяжении многих лет, эффекты магнитного поля в химических системах были исследованы [21 - 23], и была создана теория радикального механизма образования пар. В частности, исследования птичьей магниторецепции стимулировало большой интерес в прошлом десятилетии, Ritz и др. [36], доказал что роль биологического рецептора может исполнять фоторецептор криптохрома. Было установлено, что криптохром и фотолиаза белки обладают необходимыми физическими свойствами, и могут участвовать в физико-химических процессах. [37].
Исследование криптохромных белков, показало, что магнитные поля могут изменять скорость и выход химических реакций с участием спин-коррелированных радикальных пар в качестве промежуточных ступеней взаимодействия. Такие эффекты были подробно исследованы экспериментально и теоретически в различных химических системах. Однако возможность протекания таких процессов в биологических системах еще не определена. В частности синий свет фоторецепторов криптохрома и фото возбуждение его связанного флавиным кофактором, действительно было показано, что приводит к образованию РП.
Процесс образования РП состоит в том, что распад электронно-возбужденных молекул происходит достаточно быстро, так что спины электронов не успевают изменить свое состояние, они наследуют то состояние, которое они имели в молекуле - предшественнице. Следовательно, если молекула распадается из электронно - возбужденного синглетного состояния на два свободных радикала, то рождается пара радикалов, у которой неспаренные электроны находятся в синглетном состоянии. Если же молекула распадается из электронно-возбужденного триплетного состояния на два свободных радикала, то рождается пара радикалов, у которой неспаренные электроны находятся в триплетном состоянии. В обоих случаях оказывается, что радикальные пары образуется в квантовом когерентном состоянии. Радикальные пары образованные с поверхностей подвергшихся воздействию остатков белка, как правило, используются чтобы дать избирательные улучшения сигнала ЯМР. Первое более детальное исследование использования такого белка поверхности опубликовал Mohtat и др. [38], они показали действие МП на бычий сывороточный альбумин, человеческий сывороточный альбумин и ДНК тимуса теленка, с образованием РП. Изменение скоростей рекомбинации радикальных пар является одним из нескольких механизмов, посредством которых статистические магнитные поля могут взаимодействовать с биологическими системами.
Условия, при которых возникает спиновая когерентность в элементарном химическом акте:
. Процесс должен быть неадиабатическим с точки зрения спинов, т.е. это означает, что за время движения атомов вдоль координаты реакции на расстояние порядка 0.1 нм, т.е. время порядка 10-12 секунды, магнитные взаимодействия не должны успеть заметно, изменить состояние спинов.
. Спин-гамильтонианы системы в состоянии
реагентов и в состоянии продуктов, т.е. в начале и в конце элементарного
химического акта не должны коммутировать. В общем случае эти операторы могут
коммутировать только в результате случайного стечения обстоятельств.
.2.5 Воздействие статических МП на образование радикалов
Взаимодействие СМП с живыми организмами быстро развивающейся области исследований. Воздействие СМП может повысить активность, концентрацию и время жизни парамагнитных свободных радикалов, которые могут вызвать окислительный стресс, генетические мутации, а также раковые опухоли. Есть четыре параметра СМП соответствующие взаимодействия с биологической системой: ткань-мишень, магнитные характеристики, доза облучения, и градиент поля , все четыре параметра играют важную роль в изучении биологических эффектов СМП [39]. Генотоксические последствия воздействия статических магнитных полей были в основном рассмотрены в клеточных культурах. Биологически свободные радикалы обычно кислород или азот с неспаренным электроном, что приводит к образованию АФК, таких как супероксид-аниона (O2-), гидроксильных радикалов и синглетного кислорода, или оксид азота (NO). Активные формы азота и кислорода играют важную роль в иммунологической защиты, внутриклеточной сигнализации, и межклеточной коммуникации [40, 41]. Предполагается, что СМП может изменить жизни радикальных пар. СМП влияет на спин электронов у свободных радикалов, которые могут привести к изменениям в химической кинетики реакции [42].и др. [43] исследовали влияние облучения СМП на функции яичек и антиоксидантного порога у крыс. Воздействие СМП (128 мТл; 1 ч / день в течение 30 дней) не имеет никакого влияния на количество придатка спермы, подвижности сперматозоидов и половых веса органов, но вызывает увеличение малонового диальдегида в семенниках. В гонадах, СМП уменьшает каталазу, глутатионпероксидазу, и митохондриальную Mn - СОД активность, и не влияет, на цитозольную Cu Zn - СОД активность. Активность Cu Zn - СОД, каталазы, и малонового диальдегида, в лобной коре мозга крысы уменьшается под действием СМП. Такие же воздействия СМП уменьшили Cu Zn - СОД и Mn - СОД активность в гиппокампе, т.е. создали окислительный стресс. СМП повышает концентрацию и время жизни свободных радикалов что в последствии вызывает повреждение мембраны и лизис клеток. Таким образом, существует возможность повреждения ДНК свободными радикалами, которые образуются внутри клеток. M. Berk, S. Dodd, и др. [44] показали, что СМП повышает активности свободных радикалов в клетках с помощью реакции Фентона. Реакция Фентона - это процесс катализации железа, в котором пероксид водорода, продукт окисления в митохондриях, преобразуется в гидроксильные свободные радикалы, которые являются сильными цитотоксическими молекулами.