Довгуша В.В.

ВОДОГАЗОВЫЕ СТРУКТУРЫ  в природе,

  БИОЛОГИИ  И  МЕДИЦИНЕ

  

 

 

Санкт-Петербург

 

2011

 

УДК 613.83

         

 

        

 

 

 

В монографии обращается внимание на то, что механизм действия инертных газов на организм основан на взаимодействии атомов инертных газов и водных структур биологических жидкостей.

Книга представляет интерес для специалистов в области биофизики инертных газов, анестезиологии, наркологии, нейрофизиологии, фармакологии, а также для молодых учёных, осваивающих эти науки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ISBN……………..

 

                                                                                          Довгуша В.В., 2011

                                                                                         Издательство ……………...

 

 

 

 

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

                                                                                                                              Стр.

      Вступление ……………………………………………………………….     4     

Часть I. Газогидраты в природе …………………………………………….     7

I.  Существующие подходы к описанию гидратных систем …………..     7     

2.  Структура и свойства водных гидратов ……….…………………….   10

3.  Фазовые состояния систем гидратообразователь – вода и структур,

     образующихся в них ………… ………….…………………………….  16  

4.   Гидратообразование при невысоких давлениях …………………….  18  

Часть II. Водогазовые структуры биологических жидкостей ……………...  20

5.  Структура и свойства газовых структур биологических жидкостей.. 20      

6.   Физико-химические характеристики инертных газов и

      их водных структур …………………………………………………...  28

      7.  Связь физических и биофизических параметров инертных газов и

воды с состоянием биологических жидкостей ……………………...   50

8.   Морфопатогенез изменения физико-химических свойств

      биологических жидкостей ……………………………………………   71

9.   Процесс насыщения и рассыщения организма инертными газами ..   89

10.  Постксеноновые эффекты …………………………………………...   99   

11.  Наркоз инертными газами – поляризация инертных газов и

       возникновение дипольного момента ……………………………………. 102

     Заключение………………………………………………………………….  122    

     Литература ………………………… ……………………………………....  126

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУПЛЕНИЕ

Выяснение механизма действия инертных газов на молекулярно-клеточном уровне может привести нас к по­ниманию механизмов наркоза в целом, поскольку в на­стоящее время существует множество различных гипотез его возникновения, и в недалеком будущем мы можем прийти к пониманию основ создания единой теории наркоза, включающей в себя и дополняющей теорию фазовых переходов газов, липидов, что может приблизить нас к решению целого ряда фундаментальных проблем теоре­тической биологии и практической медицины.

Едва ли не всё многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется физической природой её атомов, их физическими характеристиками, способом их объединения в молекулу, группировкой образовавшихся и близлежащих молекул.

Термин «супрамолекулярная» химия был введён в 1978 г. Ж.-М. Леном. В настоящее время супрамолекулярная химия является междисциплинарной областью науки, посвящённой изучению сложных химических систем, построенных на основе невалентных взаимодействий. Клатраты являются объектами супрамолекулярной химии. Определяющую роль при этом играют размер, форма или геометрическая комплементарность молекул, а не их реакционная способность. «Супрамолекулярные» принципы позволяют объединить координационно-насыщенные молекулы, не вступающие в химическое взаимодействие друг с другом, в новые химические объекты, обладающие индивидуальным набором физических и химических свойств (Лен Ж.-М., 1998; Джонотан В. с соавт., 2007).

Клатратные гидраты – соединения включения с водородносвязанным водным (газовые гидраты) или водно-ионным (ионные клатраты)  тетраэдрическим каркасом хозяина, в полиэдрических пустотах которого размещаются молекулы или ионы-гости. Эти соединения известны более 200 лет, но только в последние десятилетия выяснилось, что они играют важную роль в экологических и биологических системах.

Такой характер фазообразования требует детального и комплексного подхода в исследованиях клатратных гидратов биологических структур, значительное место в котором должна занимать структурная характеристика клатратных гидратов и изучение влияния гидрофобной и гидрофильной гидратации на их особенности, физико-химические и биофизические свойства.

Системы «инертный газ – вода» давно представляют научный интерес для исследования жидких растворов (биологических жидкостей), образующих каркасные структуры из молекул, соединённых прочными водородными связями, и внедрённых в полости каркаса гидрофобных гостей.

Детальное описание модели виртуального кристалла для моделирования термодинамических свойств инертных газов во льду приведено в работах Косякова В.И., Шестакова В.А., (2002, 2006). Авторами отмечено, что растворимость Не и Ne во льду больше, чем в воде, тогда как в системах с Ar, Kr и Хе наблюдается обратное соотношение. Это можно объяснить тем, что молекулы гелия и неона свободно входят в ячейку, а более крупные атомы аргона, криптона, ксенона деформируют ячейки льда (соответственно и воды), когда внедряются в них. Результаты расчёта растворимости газов во льду дают данные, различающиеся на несколько порядков. Возможность локальных деформаций обеспечивает существенное увеличение растворимости.

Ассоциативность биологических жидкостей это наглядный пример возможности осуществления различных фазовых состояний по сравнению с другими жидкостями. Характерно, что при плавлении льда много энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и в шесть раз меньше, чем при испарении воды (а молекулы Н₂О фактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды).

Первыми были синтезированы гидрат диоксида углерода (Вроблевски, 1882), гидра­ты метана, этана, пропана, этилена, аргона, криптона, ксенона и ряда других газов (Вилляр, проводивший многолетние исследования, начиная с 1888 г.). В эти же годы начинается изучение фазовых диаграмм ряда гидратообразующих систем (Розебом) и разрабатыва­ются методы определения состава газовых гидратов (Ле Шателье и др.).

Однако клатратная природа газовых гидратов была понята лишь сравнительно недавно, практически только после рентгеноструктурных исследований Штакельберга и Мюллера (проведённых в период 1949-1958 гг.), а также работ Полинга и Марша (1952) по исследованию структуры гидрата хлора. Значительный вклад внес Клауссен (1951), предсказавший кристаллохимическим моделированием существование гидратных структур КС-I и КС-II.

Задолго до всех этих структурных исследований наиболее близко к пониманию клатратной природы газовых гидратов подошел академик           Б.А. Никитин, cформулировавший так называемое правило аналогий, позволившее ему получить гидрат радона, соосаждая его с гидратами сероводорода и диоксида серы (1936). Никитин обоснован­но полагал, что газовые гидраты представляют собой твёрдые растворы.

Среди российских исследователей современного периода, внесших существенный вклад в термодинамику  газовых гидратов, следует в первую очередь на­звать С.Ш. Быка и В.И. Фомину, а также Л.Ю. Ступина и З.В. Маленко, активно работавших в этой области в 1960-1970 годы. Позже основные исследования газовых гидратов сосредоточились в Якутском филиале СО АН СССР (Н.В. Черский, В.П. Царев, А.Г. Гройсман и др.), а в последующие годы лидирующие позиции в области физико-химических ис­следований занял ИНХ СО РАН (Ф.А. Кузнецов, Ю.А. Дядин. В.Р. Белослудов, В.И. Косяков, В.Л. Бо­гатырев. Т.В. Родионова, Д.В. Солдатов, Е.Ж. Ларио­нов, Ф.В. Журко, В.Г. Мартынец, П.П. Безверхий и др.). Особо следует отметить огромный личностный вклад в становление и развитие газогидратных исследований в Сибирском отделении РАН профессора Юрия Алексеевича Дядина (цит. по Кузнецов Ф.А. с соавт., 2003).

Простейшую термодинамическую модель газовых гидратов впервые разработали Ван-дер-Ваальс (внук) с соавт. и Баррер с сотруд. (1956-1962) с использованием аппарата статистической термодинамики. В этой модели, базирующейся на теориях растворов и адсорбции, фигурирует понятие метастабильной пус­той клатратной решетки, «сорбция» в которую моле­кул газов гидратообразователей соответствует изотерме Ленгмюра.

Построение более полных термодинамических моделей газогидратной фазы выполнено в серии работ В.Р. Белослудова и Ю.А. Дядина с сотруд. (начало работ с 1979 г.). В подобных термодинамических моделях учитывается взаимодействие включенных молекул между собой (взаимодействие типа гость – гость), а также в грубом приближении делается попытка учесть эффекты деформации хозяйской подсистемы при включении в неё молекул-гостей. Теоретическое рассмотрение уточнённой модели даёт возможность понять удовлетворительную работо­способность казалось бы очень грубой модели Ван-дер-Ваальса – Баррера (наличие эффектов компенсации разнонаправленных факторов).

Среди российских исследователей газогидратов, ролью их водных структур в биологии и медицине занимались О.Я. Самойлов, С.П. Габуда, Г.Н. Зацепина, Е.Е. Фесенко, В.В. Довгуша, В.Н. Шабалин, С.Н. Шатохина и др.

Характерно, что специальных исследований по влиянию физико-химических реакций, биофизических взаимодействий газогидратов (кластеров) инертных газов с биологическими системами не проводилось. Исследования в этом направлении напрямую связывались с этиопатогенезом только газовой компоненты, не учитывая фазовых состояний и превращений. Роль биологических жидкостей в системе «газ – вода» при нормальном и повышенном атмосферном давлении рассматривались без взаимосвязи.

В принципе это понятно, т. к. требовало больших экономических вложений, разработки нового аппаратурного и методического подхода.

Поэтому в работе представлены большие наработки по термодинамике газовых гидратов, их физико-химическим характеристикам учёных, работавших в нефтегазодобывающей отрасли.

Конечно, в медико-биологических исследованиях этого направления есть своя большая специфика и особенности. Но начинать с чего-то надо. На наш взгляд, представленные данные во многом могут быть адаптированы под исследования в биологии и медицине. Главное – газогидраты в природе существуют и организм человека им не чужд. 

Заключение

Накопленные к настоящему времени результаты многочисленных исследований по образованию газогидратов (клатратов) в природе и немногочисленные исследования по образованию кластеров (клатратов) в биологических жидкостях позволяют вырабатывать представления о возможности существования таких соединений и вскрывать природу веществ, участвующих в их создании и стабилизации.

Структурные исследования показывают, как реализуется принцип включения молекул-гостей, но пока сам факт существования клатрата (кластера) прямо не говорит о природе и причинах его реализации в той или иной структуре. Принципиальную роль в понимании природы этих процессов играли теоретические исследования, начало которых было положено в работах Ван-дер-Ваальса и Платтеу (1956-1959), Полинга (1961) и др.

         Новые экспериментальные данные позволили снять ограничения на рассмотрение клатратов (кластеров) с неустойчивой в отсутствие молекул-гостей решёткой хозяина в рамках теории для этого случая.

         Выработанные в теории не идеальных твёрдых клатратных растворов представления позволили глубже понять природу клатратообразования, связанную с кооперативным поведением молекул-гостей, а именно: возможность образования двух типов клатратных фаз, имеющих одинаковый каркас, но различную степень заполнения его полостей молекулами-гостями, и теоретическую возможность образования мгновенного дипольного момента у тяжёлых инертных газов в момент попадания последних в пустые полости молекул воды биологических жидкостей.

Можно предполагать, что в биологических лабильных системах, как и в традиционных клатратных соединениях, в отсутствие молекул-гостей сохраняется подсистема хозяина (из-за более сильного взаимодействия хозяин – хозяин, чем гость – хозяин). Различие типов связей в подсистемах и характерных величин энергии взаимодействия ведёт к чёткому разграничению подсистем. Всё это позволяет рассматривать системы с неустойчивым в отсутствие молекул-гостей каркасом хозяина, как традиционные соединения включения, как единый класс клатратных соединений.

Исходя из анализа литературных данных, теоретических и практических исследований нами, на основе передовых идей различных теорий наркоза инертными газами, отмечено, что в механизмах возникновения наркоза основную роль играют водные (гидратные) структуры биологических жидкостей с инертными газами. Физико-химические свойства этих структур кардинально отличаются от атомов и молекул их образующих в основном состоянии.

Какие же физико-химические характеристики способствуют растворению (взаимодействию) инертного газа в водных структурах биологических жидкостей и возникновению наркоза?:

1.     Атомная масса - она у ксенона более чем в 4 раза больше, чем у азота

   (N₂).

2.     Радиус атома (радиус взаимодействия) - у ксенона почти в 1,5 раза больше, чем у азота.

3.     Потенциал ионизации первых пяти внешних электронов - у ксенона он наименьший.

4.     Энергия возбуждения электронов у ксенона в два раза меньше, чем у

     неона.

5.     Сродство к электрону.

6.     Средняя и относительная поляризуемость в 2,5 и в 20 раз у ксенона больше, чем у азота и гелия соответственно. Возникновение дипольного момента.

7.     Электроотрицательность абсолютная - у ксенона наименьшая.

8.     Степени окисления - имеются только у криптона и ксенона.

9.     Атмосферное давление, повышенная концентрация, при которых возникает наркоз:  у ксенона при нормальном давлении (0,1 МПа), у азота в шесть раз больше (0,6 МПа).

10. Содержание инертного газа в теле человека весом 70 кг при наступлении наркоза (л) - у ксенона наибольшее.

11. Содержание в водосодержащих средах (л) у ксенона в 2-4 раза больше, чем у азота и др. газов.

В работе предложен ряд новых методических подходов при изучении механизма действия инертных газов на биологические системы:

1.     Обращается внимание на оценку состояния инертного газа перед поступлением его в организм (увеличение метастабильных атомов и т.п.).

2.     Рассматривать физико-химические свойства отдельно у легких (H₂, He, Ne) и тяжёлых (Ar, Kr, Xe и N₂) инертных газов.

3.     Результаты взаимодействия инертных газов с биологическими объектами, в т.ч. и человеком, оценивать с точки зрения непосредственного действия инертных газов и их последействия.

4.     Механизм действия инертных газов на биологические объекты рассматривать с позиции образования единого действующего комплекса: индифферентный газ и молекулы воды биологических жидкостей (кластеры, клатраты, газогидраты, включения – независимо от синонима).

5.     Оценивать морфопатологическую структуру биологических жидкостей при дыхании различными по составу газовыми смесями и концентрациями.

6.     Возникновение дипольного момента – и это самое главное во всех физико-химических и биофизических взаимодействиях инертных газов с биосистемами и т.д.

         В настоящее время необходимо продолжить экспериментальные исследования кластеров -  газовых гидратов, но на новом методическом уровне, т.е. с использованием современных инструментальных физико-химических методов. Особенно это касается изучения гомеостаза биологических жидкостей, взаимодействия этих структур при нормальном и повышенном давлениях.

Основные фундаментальные задачи в рамках проблемы газовых гидратов состоят сегодня в выяснении механизмов их влияния на клеточный метаболизм, механизмы сатурации и десатурации.

Необходимо дальнейшее уточнение молекулярно-динамических моделей, описывающих физико-химические свойства и термодинамическую устойчивость газогидратных фаз для биологических систем. Возможно при этом потребуется внести существенные теоретические дополнения в термодинамическую теорию устойчивости сложных кристаллов. Более полное теоретическое описание аномальных свойств газовых гидратов (теплопроводность, поверхностные свойства, метаболизм и др.).

Необходимо дальнейшее исследование характеристик клатратных гидратов и изучение влияния гидрофобно-гидрофильной гидратации на их структурные особенности, физико-химические и биофизические свойства.

Серьёзной проработки требуют методы моделирования биологического взаимодействия.

Уже в настоящее время необходимо предусмотреть способы ингибирования образования клатратных гидратов в организме человека (уменьшить фазовый переход).

Например, прослеживается связь между структурой и свойствами клатратных гидратов. Так, анион, который в водных клатратных структурах образует Н-связи с молекулами воды, участвуя в построении каркаса и составляя при этом всего 3-4 % от общего количества каркасных частиц, оказывает существенное влияние на строение, свойства и состав образующихся соединений.

Одним из направлений может явиться снижение активности свободных молекул воды. Так, наиболее активной в организме является вода, находящаяся в состоянии молекулярного вещества, т.е. вода в мономерном состоянии подчиняющаяся действию дисперсионных сил. Вода, находящаяся под действием электрических сил уже снижает свою активность. Такое поведение воде способны придать дополнительные электролиты крови.

Наиболее сильно снижается активность воды при нахождении её в химически связанном состоянии.

Соединения, формирующие растворы замещения (снижающие её активность) должны придавать воде свойства ионно-молекулярного вещества, т.е. должны превращать воду в ионы и молекулы. Растворы внедрения усиливают проявление у воды свойств атомного строения, т.е. они создают пространственный полимер на основе молекул воды. В качестве наполнителей пространственной структуры могут выступать отдельные виды ионов с большим размером, углеводородные соединения, а также соединения с малой полярностью.

Эффективность ингибирования образования ненужных организму клатратных гидратов заметно будет повышаться в случае если углеводородный или малополярный наполнитель, представлен спектром молекул, имеющим значительный разброс по размерам: от водорода до высокомолекулярных циклических изомерных соединений, т.е. на все случаи образования структур водных полостей того или иного размера. Яркий пример этому положению является замена водородом, гелием воздушных смесей в зависимости от глубины. Это гидратонеобразующие структуры.

Клатраты (кластеры, криталлогидраты, гидраты газов) неустойчивые соединения и на эту устойчивость в первую очередь влияют температура и давление. При повышении температуры и понижении давления происходит их разложение на газ и воду.

Гомогенные системы из молекулярно-растворимых (нерастворимых) веществ, размером 10^-2-10^-3 мкм удаляются из крови посредством ассоциации молекул воды и моляризации молекул инертного газа.

Не претендуя на полноту раскрытия проблемы действия инертных газов на организм,  мы попытались обратить внимание исследователей на то, что этот механизм основан на взаимодействии атомов (молекул) инертных газов и водных структур  биологических жидкостей человека, что кластеры инертных газов являются основным внешним, по отношению к клетке, осцилляторам частот, что основные линии в атомном спектре инертных газов имеют непосредственное отношение к механизмам возникновения наркоза, что постксеноновые ассоциаты воды в биологической жидкости оказывают большое активирующее действие на функции и системы организма, способствуя более быстрому лечению ряда соматических заболеваний.

Надеемся, что объединение усилий учёных самых разных областей науки позволит обсудить результаты наших исследований и найти оптимальное решение многих поставленных научных и практических задач, многих дискуссионных вопросов.