CC BY
176
УДК 577.359
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СВЕРХМАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ РЯДА ПРИРОДНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ - ИНТЕРМЕДИАТОВ ЦИКЛА КРЕБСА
А.Л. Верещагин, В.В. Еремина, Ю.И. Захарьева, А.Н. Хмелева, Л.Л. Кунец
Бийский технологический институт АлтГТУ им. И.И.Ползунова, 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27, val@bti.secna.ru.
На основании экспериментальных данных по применению сверхмалых концентраций природных кислот - интермедиатов цикла Кребса высказаны предположения о механизме их действия. Табл. 3. Библиогр. 19 назв.
Ключевые слова: сверхмалые концентрации, интермедиаты цикла Кребса, механизм биологической активности.
BIOLOGICAL ACTIVITY OF ULTRA-SMALL CONCENTRATIONS OF SOME NATURAL ORGANIC ACIDS - KREBS CYCLE INTERMEDIATES
A.L. Vereschagin, V.V. Eremine, Y.I. Zakhareva, A.N Khmeleva., L.L. Kunets
Biysk Institute of Technology, I.I. Polzunov Altai State Technical University, 27, Trofimov St., Biysk, Russia, val@bti.secna.ru.
On the basis of experimental data on the use of ultra low concentrations of natural acids - citric acid cycle intermediates made assumptions about the mechanism of their action. 3 tables. 19 sources.
Keywords: ultra-small concentrations of Krebs cycle intermediates, the mechanism of biological activity.
ВВЕДЕНИЕ
Работами Бурлаковой Е.Б. и Воронкова М.Г. была показана высокая активность сверхмалых доз (СМД) (10-7-10-15 М/дм3) биологически активных соединений на процессы онтогенеза растений [1-5]. Однако при обсуждении вопроса об их механизме действия было высказано несколько гипотез но, ни одна из них до настоящего времени не стала общепринятой [6-9]. В их основе лежат представления о концентрировании действующего вещества, о наличии высокоэффективных систем усиления сигнала, о формировании ответа в условиях неравновесного связывания лиганда с рецептором. Известна и "теория водных кластеров и памяти воды". Однако следует ожидать, что изолированные водные кластеры при включении их в жидкую среду постоянно изменяются. Целью данной работы является исследование биологической активности сверхмалых концентраций ряда природных органических кислот.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Опыты с редисом сорта «Жара». Исследовалось действие индивидуальных кислот с концентрациями 10-7, 10-11 и 10- 5 М в трехкратной по-вторности при предпосевной и внекорневой обработке (в фазе первых двух листьев). Данные по продуктивности представлены в табл. 1.
Данные по влиянию внекорневой обработки смеси водных растворов лимонной, а-кетоглу-таровой, янтарной, яблочной, щавелевой кислот концентрации от 10-7 до 10-15 М - вариантов цикла Кребса по результатам трехлетнего полевого опыта с трехкратной повторностью представлены в табл. 2.
Представленные данные свидетельствуют о необычно высокой стимулирующей активности смеси кислот в сверхмалой концентрации.
Опыты с одревесневшими черенками винограда сорта «Амирхан». Результаты по ис-
Таблица 1
Урожайность %, к контролю
Концентрация кислоты, М Предпосевная обработка семян Предпосевная и внекорневая обработка
Малоновая кислота:
10-7 338 342
10-11 396 448
10-15 292 348
Янтарная кислота: 10-7 173 318
10-11 200 330
10-15 350 399
Щавелевая кислота: 10-7 105 169
10-11 21 36
10-15 121 129
следованию ризогенной активности растворов янтарной кислоты c концентрацией 10- 1 М в сочетании с ультразвуковым облучением с частой 22 кГц в ультразвуковом аппарате «Волна» представлены в табл. 3.
Приведенные данные свидетельствуют о весьма существенном стимулировании ростовых процессов массы корней черенков винограда до 300% по сравнению с контролем при увеличении скорости роста побегов до 1500-1700%.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На основании представленных данных можно предположить, что повышение активности изученных кислот может быть обусловлено изменением их строения в процессе разбавления.
Из всех применявшихся кислот наиболее подробно изучены свойства янтарной кислоты. Известно, что пространственного расположение карбонильных групп существенным образом сказывается на биологической активности препаратов янтарной кислоты [10]. Для обеспечения требуемой активности было заявлено несколько способов получения конформеров (трансоидных или заслоненных) янтарной кислоты [11,12].
Это обусловлено тем, что в дикарбоновых кислотах, в том числе и янтарной, состав смеси конформеров сильно зависит от рН среды: в кислой среде преобладают скошенные конформеры, а в щелочной - трансоидный конформер. Такая конформация является следствием взаимного отталкивания карбоксилат-анионов в щелочной среде, что делает энергетически невыгодными скошенные конформации [13].
Изученные дикарбоновые кислоты относятся к слабым органическим кислотам и характеризу-
ются константами диссоциации по первой и второй ступени р^ = 4-6 [14]. Из этого, на основании закона разведения Оствальда а = (K/C)1/2 следует, что все изученные кислоты при концентрации 10-7 М продиссоциируют на 100% и в водных растворах будут присутствовать в виде анионов с зарядом -2 в виде трансоидных конформеров.
Сопоставляя эти данные с урожайностью редиса, отметим увеличение урожайности при достижении этого разбавления - т.е. наличия в растворе двухзарядных анионов одного или нескольких видов.
В пользу этого предположения свидетельствуют и данные о повышении урожайности картофеля при использовании комплексонатов биогенных металлов, и повышения энергии прорастания семян льна-долгунца начиная с концентрации 10-11 М [15]. Отметим, что в качестве комплексона-та использовалась этилендиаминтетрауксусная кислота, pKa4 = 10,65, - то есть при концентрации 10-11 М в растворе должны присутствовать полностью ионизированные тетраанионы ЭДТА.
Если допустить, что областью воздействия отрицательно заряженных частиц могут быть ор-ганеллы митохондрий, имеющие области различного заряда и изменяющие свою величину в процессе функционирования, то отрицательные диа-нионы органических кислот, адсорбируясь или замещая существующие анионы на поверхности митохондрий, изменяют величину мембранного потенциала. Это может привести к интенсификации цикла Кребса. Причем коферменты реакций цикла Кребса могут изменяться в результате взаимодействия с анионами в сверхмалых дозах. Возможно, для этого нет необходимости иметь большую кон-
Таблица 2
Влияние внекорневой обработки смесью кислот на урожайность редиса (среднее за 3 года)
Суммарная концентрация кислот, М
раствор №1* раствор №2** раствор №3***
10-7 10 10 10-7 10 10 10-7 10 10
Урожайность, % к контролю 163 157 184 159 180 168 144 215 220
Примечание: использовалась смесь лимонной, а-кетоглутаровой, янтарной, яблочной, щавелевой кислот в мольном соотношении: * - 1 :1 :1 :1; ** - 1 : 2 : 3 :4 : 5; *** - 5: 4 :3 : 2 :1.
Влияние условий обработки на побего- и корнеобразование одревесневших черенков винограда сорта Амирхан
Таблица 3
Побеги Корневая система
Вариант Начало Средняя скорость Отношение Начало Средняя Отношение
обработки образования, недели роста побегов, мм / неделю к контролю, % образования, недели роста корней, мм / неделю к контролю, %
контроль ЯК 5 4 3,0±0,2 6,0±0,2 100 200 9 8 2,0±0,1 10,0±0,2 100 500
ГА (эталон) 4 8,0±0,6 267 8 12,0±0,5 600
УЗ+ЯК, 5 мин 4 8,0±0,6 267 7 30,0±1,3 1500
УЗ+ЯК, 10 мин 3 9,0±0,5 300 7 3,0±1,3 1500
УЗ+ЯК, 15 мин 3 10,0±0,7 333 8 14,0±0,8 700
УЗ+ГА, 5 мин 3 10,0±0,6 333 7 34,0±1,5 1700
УЗ+ГА, 10 мин 4 7,0±0,6 233 7 26,0±1,7 1300
Примечание: ЯК - янтарная ауксин концентрации 0,002 г/дм3,
кислота концентрации 10- М; контроль - вода.
УЗ - ультразвуковое облучение; ГА - гетеро-
центрацию анионов, поскольку митохондрии представляют связанную систему, которая изменяется под воздействием изменений в небольшой части [16]. Использование смеси природных органических кислот (смесь №3) оказалось более эффективным, чем использование этой же смеси кислот в эквимолярном соотношении или одной янтарной кислоты дает основание предположить, что в данном случае имеет место более выгодное для процесса Кребса изменение мембранного потенциала покоя.
Далее, изучая влияние сверхмалых концентраций на хранение картофеля, было обнаружено, что применение СМК смеси интермедиатов цикла Кребса (10-11 М) в 2,5-4,5 раза ускоряют в клубнях картофеля при хранении процессы расходования сухих веществ и крахмала по сравнению с контролем [17]. Это явление с учетом высказанной выше гипотезы может быть объяснено сохраняемостью во времени изменений мембранного потенциала митохондрий и пролонгированным действием эффекта. Вследствие этого повышенные скорости процессов обмена сохраняются и в клубнях картофеля. Помимо этого, СМК способствовали росту
численности ряда штаммов микроорганизмов, земляных червей и повышали фитотоксичность системных гербицидов, что можно объяснить каким-то универсальным механизмом воздействия на биоценоз.
Изменением мембранного потенциала митохондрий, возможно, объяснить и сигнальную роль сукцинат-иона отмеченную в работах М.Н. Кон-драшовой [18] и И.А. Тарчевского [19] и механизм действия гуминовых удобрений.
Не исключено также, что дианионы дикарбо-новых кислот, вследствие свободного вращения карбоксильных групп создают условия и для повышенной проницаемости клеточных мембран, усиливая транспорт препаратов. Полученные нами опыты по усилению фитотоксичности гербицидов и повышения мембранотропной активности изолированных вакуолей не исключают такой возможности.
Таким образом, для проверки высказанной гипотезы необходимы дополнительные исследования по измерению изменения мембранного потенциала покоя in vitro и дальнейших исследований обнаруженного эффекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.Л. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов // Проблемы регуляции в биологических системах / Под общей ред. А. Б. Рубина. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. С. 390-424.
2. Бурлакова Е.Б., Греченко Т.Н., Соколов Е.Н., Терехова С.Ф. Влияние ингибиторов радикальных реакций окисления липидов на электрическую активность изолированного нейрона виноградной улитки // Биофизика. 1986. Т. 31. № 5. С. 921-924.
3. Бурлакова Е.Б., Бойков П.Я., Папина Р.И., Карцев В.Г. Бимодальный эффект производных пиколиновой кислоты на скорость прорастания пшеницы и гороха // Изв. РАН. Сер. биол. 1996. № 1. С. 39-45.
4. Макарова Л.Е., Боровский Г.Б., Булатова А.М., Соколова М.Г., Воронков М.Г., Мирскова А.Н. Влияние производных триэтаноламина на рост корней проростков одно-
дольных и двудольных растений // Агрохимия - № 10, 2006, С. 41-45.
5. Макарова Л.Е., Соколова М.Г., Боровский Г.Б., Ши-гарова А.М., Воронков М.Г., Кузнецова Г.А., Абзаева К.А. Влияние триэтаноламина и силатранов на рост проростков гороха в условиях разных температурных режимов // Агрохимия. 2009. № 1. С. 27-32.
6. Блюменфельд, Л.А. Понятие конструкции в биологической физике. К вопросу о механизме действия сверхмалых доз / Л.А. Блюменфельд. // Российский химический ж. 1999. Т.43. № 5. С. 15-21.
7. Ашмарин, И.П., Каразеева, Е.П., Лелекова, Т.В. К вопросу о развитии проблемы эффективности сверхмалых доз биологически активных соединений // Рос. хим. журнал. 1999. Т. 43. № 5. С. 21-28.
8. Зайцев, С.В., Ефанов, А.М., Сазанов, Л.А. Общие закономерности и возможные механизмы действия биоло-
гически активных веществ в сверхмалых дозах // Рос. хим. Журнал. 1999. Т. 43. № 5. - С. 28-33.
9. Ямсков И.А., Ямскова В.П. Фармакологические препараты нового поколения на основе ранее неизвестных биорегуляторов-гликопротеинов клеточного микроокружения // Рос. хим. ж. (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). 1998. Т. 42, №3. С. 85-90.
10. Кашлинский А., Мясников Д.Н., Маевский Е.И., Кондрашова М.Н., Учитель М.Л. Средство для снижения алкогольного опьянения, предупреждения и снятия алкогольной интоксикации и похмельного синдрома и способ снижения алкогольного опьянения, предупреждения и снятия алкогольной интоксикации и похмельного синдрома с использованием этого средства // Патент РФ 2160.569, А61К31/375, 2000.
11. Конформеры янтарной кислоты и способ их получения / Патент Великобритании № 1063465 от 13 марта 1964 г.
12. Активный сукцинат кальция в цис-форме и способ его получения // Патент США № 3527798 от 8 сентября 1970 г.
13. Потапов В.М. Стереохимия М. : Химия, 1988. с.169.
14. Dawson, R. M. C., Elliot, D. C., Elliot, W. H., and Jones, K. M., Data for Biochemical Research, Oxford Science Publications, Oxford, 1986. 3rd edition 496 p.
15. Цой Т.Л. Влияние сверхмалых доз комплексонов ЭДТА с переходными металлами на урожайность, качество и хранение картофеля / Цой Т.Л. // Ползуновский вестник. - Барнаул. - 2006. - №. 2-1. - С. 323-326.
16. Скулачев В. П. Энергетика биологических мембран. М. : Наука, 1989, 564 с.
17. Кропоткина В.В., Верещагин А.Л. Изучение влияния интермедиатов цикла Кребса на продуктивность и качество картофеля // Производные хитозана и стимуляторы роста в сельском хозяйстве: Материалы 5-й Межрегиональной научно-практической конференции март 2008. - Бийск. - 2008. - С. 69-73.
18. Kondrashova M.N., Volkova S.P., Grigorenko E.V., Babsky A.M., Podoletz A., Kuznetzova G.D. Succinic acid as a physiological signal molecule. In: Winlow W, Vinogradova OS, Sakharov DA, editors. Signal Molecule and Behaviour. Manchester & NY: Manchester University Press, 1991: 295-300.
19. Тарчевский И.А. О вероятных причинах активирующего действия янтарной кислоты на растения // Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве.- Пущино,1997.-С.217-219.
Поступило в редакцию 8 октября 2011 г После переработки 8 декабря 2011 г
