В. Воейков Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Возможная роль «горения воды» в биоэнергетике. - презентация

1 В. Воейков Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова Возможная роль «горения воды» в биоэнергетике.

2 Жизнь это дыхание Аэробное дыхание – основной источник энергии для ВСЕХ живых организмов

3 «Дыхание – это медленное горение углерода и водорода, сходное во всех отношениях с тем, что протекает в горящей свече; все дышащие животные являют собой активные тела, которые горят и выделяют продукты горения Антуан-Лоран де Лавуазье, 1777 ( )

4 Существующие представления о клеточном дыхании сводятся к митохондриальному дыханию: Пища (глюкоза) горячие электроны & CO 2 O 2 конечный акцептор ofиспользованных электронов H 2 O E (ATP) < 0,5 eV Химический аналог митохондриального дыхания – тление, а не горение

5 Свет ГОРЕНИЕ: восстановление КИСЛОРОДА электронами (водородам), которое сопровождается освобождением энергии высокой плотности (пламенем) 4H 2 O2O2 2H 2 O

6 20-90% всего потребляемого организмами кислорода используется в таких процессах! (Начало любой жизни – оплодотворение яйцеклетки – начинается со «вспышки») ГОРЕНИЕ: последовательное одноэлектронное восстановление кислорода O 2 + (e¯ … + e¯ + e¯ + e¯ )+(4H + ) [HO 2 ; H 2 O 2 ; HO] 2H 2 O + 8 eV Промежу- точные продукты – активные формы кислорода

7 «… дышащие животные являют собой активные тела, которые горят и выделяют продукты горения C 6 H 12 O 6 + 6O 2 –> Energy + 6СО 2 + 6Н 2 О H 2 O и CO 2 – не столько конечные продукты дыхания, сколько его активные участники

8 Участник # 1 ВОДА

9 О Н Н О Н Н С + СO 2 + 4H;4H + O 2 2H 2 O Fulhame Elizabeth. An essay on combustion… London: 1794 ! Сгорание угля ГОРЕНИЕ ВОДЫ? Вода – необходимый участник любого горения. Условие ГОРЕНИЯ – расщепление молекул воды на водород и кислород. Кислород ВОДЫ присоединяется к углероду, образуя углекислоту, а водород – к кислороду ВОЗДУХА, вновь образуя воду, которая расщепляется и … Элизабет Фулхейм,1794; …… Г.Б. Диксон, 1877 …..

10 Горение морской воды при ее облучении радиоволнами (~ MГц) John Kanzius, 2007

11 Вода – доминирующая субстанция в живой материи Она играет ключевую роль и в их жизнедеятельности, и определяет их морфологию

12 «Живая вода» Морская вода: Вода 3% Медуза: Вода 99,9% Твердые в-ва: 0,1%

13 Вода медузы – «живая вода» только благодаря ее взаимодействию с «твердыми» биомолекулами

14 Эритроцит: молекулы гемоглобина разделены слоями молекул воды Кровь: объем воды в плазме ~ 3 литра Площадь поверхности всех эрироцитов – m 2 Состояние воды в крови. Существенная часть воды крови – гидратная (пограничная) вода, а ее свойства сильно отличаются от свойств «обычной» объемной воды. Это же относится и к протоплазме всех живых клеток Следствия для крови: Эритроциты – жидкие кристаллы Кровь не течет, а скользит по сосудам Photo: nanoAnalytics GmbH

15 Гидрогель - ПВА Микросферы (-) или (+), суспендированные в воде Экспериментальный подход G. H. Pollack, выявляющий наличие «толстого» слоя воды в особом состоянии у гидрофильной поверхности (2003).

16 ПВ динамическая структура Ξ жидкий кисталл Ξ квази-полимерная водная фаза Пограничная вода Объемная вода Водная фаза, прилегающая к гидрофильным поверхностям (пограничная вода), отличается от объемной по растворимости в ней различных веществ, вязкости, плотности, температуре замерзания, степени поляризации, … (Jerald H. Pollack, 2003 – 2009)

17 НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ДЛЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ СВОЙСТВА ПОГРАНИЧНОЙ ВОДЫ: * Пограничная вода заряжена отрицательно относительно объемной воды (до -150 мв), * В спектре поглощения пограничной воды обнаружен пик с максимумом при λ=270 нм, * Толщина слоя пограничной воды возрастает при ее освещении светом видимой и особенно ИК-области спектра (пик при 3000 нм).

18 По проводнику, соединяющему пограничную и объемную воду, течет электрический ток. Амперметр Вольтметр 150 мв

19 Электроны в EZ-воде возбуждены значительно сильнее, чем в объемной для их отрыва нужна небольшая энергия активации Тепло (ИК-свет) увеличивает электронно-донорную емкость EZ-воды EZ-вода – источник электронов. Естественный акцептор электронов в воде – кислород. Кислород присутствует в воде всегда

20 Молекулы воды, принадлежащие квази-полимерной фазе, могут расщепляться под действием энергий низкой плотности (замораживание-оттаивание, испарение-конденсация, фильтрация, звук, действие низкочастотных ЭМ-полей) (H 2 O) n (H 2 O..Н- -OH)(H 2 O) m (H 2 O) (n+1) (H) + (OH)(H 2 O) m HO + OH H 2 O 2 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Продукты расщепления воды – водород (электроны) и КИСЛОРОД

21 энергия электронного возбуждения, E* -- энергия электронного возбуждения, эквивалентная энергии ФОТОНОВ видимой и УФ- области спектра Реакции, следующие за расщеплением воды, сопровождаются освобождением энергии H + OH H 2 О + E* H + H H 2 + E* HO + H 2 O 2 + E* 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 + E*

22 4 e + 4H + O 2 ROS 2H 2 O + Energy Принцип «горения воды» Электронно-возбужденная пограничная вода (EZ-water) Объемная вода (B-water)

23 Брутто-реакция 2H 2 O (Погр. вода) + O 2 O 2 + 2H 2 O (Объемная вода) + (Энергия электронного возбуждения) Исходный источник освобожденной энергии – превращение динамически структурированной воды в дезорганизованную объемную воду. nH 2 O (Погр. вода) nH 2 O (Объемная вода) Эта энергия может использоваться для совершения полезной работы

24 Пример горения воды в организме: все антитела (IGs) катализируют окисление воды = ГОРЕНИЕ Antibody catalysis of the oxidation of water. Science 2001 Sep 7;293(5536): О 2 * + 2Н 2 О 2H 2 O 2 1О2*1О2* Н2ОН2О Н2ОН2О Н2О2Н2О2 Н2О2Н2О2

25 Участник дыхания # 2: CO 2

26 Аэробное дыхание «…медленное сгорание УГЛЕРОДА и водорода, сходное во всех отношениях с тем, что протекает в горящей свече… Antoine-Laurent de Lavoisier [2(CO)] + O 2 2CO 2 + E H2OH2O

27 (BI)CARBONATES (CO 2(gas) CO 2(aq.) H 2 CO 3 HCO 3 ) NECESSARY FOR AEROBIC RESPIRATION At the level of the whole organism, At the level of a cell, At the molecular level Bicarbonates support stable long-term water burning

28 (БИ)КАРБОНАТЫ (CO 2(gas) CO 2(aq.) H 2 CO 3 HCO 3 ) необходимы для аэробного дыхания На уровне организма, На уровне клетки, На молекулярном уровне

29 На уровне организма: Причина горной болезни – «акапния» – дефицит в организме карбонатов, а не кислорода. Carbogen – воздушная смесь с 5-10% CO 2 использовался в 1930-е годы, как средство борьбы с отравлением продуктами горения, последствиями эфирного наркоза, для лечения многих заболеваний. Большинство дыхательных гимнастик способствует накоплению в организме карбонатов.

30 На клеточном уровне: Бикарбонатные ионы необходимы для эффективного синтеза ДНК в первичных культурах гепатоцитов крысы» MITAKA Т., SATTLER G.L., PITOT H.C. In Vitro Cell. Dev. Biol. 27A: July 1991 «Бикарбонат защищает мышечные клетки от повреждения статинами » Kobayashi M. et al. J Pharm Pharmaceut Sci 11 (1): 1-8, 2008 Бикарбонат усиливает подвижность сперматозоидов и способствует оплодотворению» Wennemuth G. Ann Anat 186 (2004):

31 КАРБОНАТЫ участвуют в процессах, связанных с производством, трансформацией и накоплением энергии в водных системах т.к. Карбонаты участвуют в свободно-радикальных реакциях Карбонаты «смягчают» окислительные процессы в воде, перехватывая гидроксил-радикал OH HCO 3 + OH CO 3 (сильный окислитель) + H 2 O СО 2 + е CO 2 (сильный восстановитель) КАРБОНАТНЫЕ РАДИКАЛЫ инициируют циклические и цепные процессы, вступают в новые реакции, например: 2 CO 3 + 2Н + органика! + энергия

32 2H 2 O (EZ-water) + O 2 + O 2 + 2H 2 O (Bulk water) + (Энергия электронного возбуждения) CO 2 HCO 3 CO 3 C n O n (H n ) H2O2H2O2 HO H 2 O 3(4) Би(карбонаты) катализируют дыхание воды

33 Сверх-слабое излучение активированных бикарбонатных водных растворов Обработка данных Photo multiplier tube Фото- умножитель 1-5 мМ водный раствор бикарбоната + Люминол (усилитель хемилюминесценции) + 0,01% Н 2 О 2

34 Активированные и герметично закрытые растворы бикарбонатов «горят» и не затухают в течение многих месяцев даже в полной темноте

35 5 мМ бикарбонат, активирован Н 2 О 2 14 октября 2008 г

36 Циркадный ритм люминесценции 5 мМ раствора Na/KHCO 3, активированного Фрагмент непрерывной записи излучения образца, начатой 10 марта 2009 г.

37 Bicarbonate solution activated on November 11, Continuous registration of photon emission started on January 26, 2009 Изменения интенсивности излучения из активированных бикарбонатных растворов во время и после затмения луны. Start of the Moon eclipse – , 17: , 17: hrs after the end of the eclipse

38 Что служит источником энергии, питающей в течение многих месяцев активированные бикарбонатные растворы и поддерживающей их в устойчиво возбужденном состоянии?

39 ЭНЕРГИЯ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ («свет») ЭНЕРГИЯ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ («тепло») Неживая (пассивная) система КПД < 100%

40 Активированный бикарбонатный раствор («КПД» = 100%) АНАЛОГ ЖИВЫХ СИСТЕМ? ЭНЕРГИЯ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ («свет») ЭНЕРГИЯ НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ («тепло»)

41 Необходимые условия для эффективного аэробного дыхания: 1.Должно иметься достаточное количество высоко организованной «пограничной» воды, обладающей восстанавливающими свойствами 2. Оптимальная концентрация карбонатов в воде 3. Некоторая часть кислорода – акцептора электронов должна присутствовать в активированной форме для поддержания автокаталитических реакций полного восстановления кислорода до воды ИТОГ:

42 Из космологического Гимна Ригвед Тогда не было ни того, что есть, ни того, что не есть; не было ни неба, ни небес, которые выше. Что покрывало? Где было это и под чьим покровительством? Была ли вода глубокой бездной (в которой это лежало)? Тогда не было смерти, следовательно, не было ничего бессмертного. Тогда не было света (отличия) между ночью и днем. Этот Единый дышал сам собой, не дыша; другого, кроме этого, тогда не было ничего. Тогда был мрак, в начале всего было море без света; зародыш, который лежал, покрытый оболочкой, этот Единый был рожден силой тепла (тапаса).

43 Спасибо

44 Julius von Sachs – один из основателей физиологии растений «…энергида представляет собой ядро, ассоциированное с его протоплазмой так, что ядро и окружающая его протоплазма образуют органическое целое, как морфологически, так и физиологически. Название «Энергида» должно подчеркнуть основное свойство этой структуры – наделенность внутренней действующей силой, если желательно, жизненной силой. … Индивидуальная энергида способна жить свободно, не будучи окруженной клеточной «кожей», или может быть заключенной в «клетку», но каждая индивидуальная энергида способна строить себе внешнюю оболочку, или же несколько энергид способны вместе окружать себя общей оболочкой» Julius von Sachs, 1892 Элементарная единица живой системы – не клетка, а «Энергида»

45 Биологическая роль СО 2 и продуктов его взаимодействия с водой СО 2 необходим для дыхания F. Miescher, 1897 А это известно меньше!

46 СО 2 – блокатор «жестких» окислительных реакций и «ловушка» агрессивных свободных радикалов: O=N-OO + CO 2 O 2 N-O-COO O 2 N-O-COO + H 2 O CO NO 3 +2H + HCO 3 + OH CO 3 + H 2 O /// CO 3 + OH CO 3 + ОН 2 CO 3 + 2Н + продукты + энергия Карбонат-радикал - более избирательный окислитель, чем гидроксил-радикал. Может ли он окислять воду, которая затем становится либо источником кислорода, либо топливом для него? Но в гидрофобном окружении – много радикальных реакций Карбонатный буфер стабилизирует СОД и резко ускоряет ее реакции Биологическая роль СО 2 Участие в свободнорадикальных реакциях НСО 3 H + СО 3 Карбонатный радикал

47 "Сухие" углекислые ванны. ИБС, в том числе восстановительное (реабилитационное) лечение пациентов, перенесших инфаркт миокарда Гипертоническая болезнь Хронические обструктивные заболевания легких (хронический обструктивный бронхит, бронхиальная астма, эмфизема легких, пневмосклероз) Инфекционно-аллергический риносинусит Облитерирующий атеросклероз периферических сосудов Тромбангиит Сахарный диабет с периферической диабетической ангиопатией («диабетическая стопа») Варикозное расширение вен нижних конечностей в том числе и при наличии посттромбофлебитного вазоспазма Кожные заболеваний ифекционно-аллергической природы Реабилитация пострадавших от радиации Нарушения обмена веществ, в том числе ожирение в период снижения массы тела Соматоформные расстройства (неврозы) Нарушения либидо, потенции, другие проблемы в сексуальной сфере Реабилитация после тяжелых физических нагрузок (спортивная медицина) Улучшение здоровья при синдроме дезадаптации, вызванном тяжелыми условиями проживания, трудовой деятельности (вредные условия труда, тяжелые физические и/или психические нагрузки и т.д.) Профилактика и реабилитация сосудистых заболеваний мозга (инсультов, дисциркуляторной энцефалопатии) у лиц пожилого возраста.

48 Биологическая роль СО 2 СО 2 и функция гемоглобина [HCO 3 в крови = 24 ± 1 мМ]

49 …горение углерода и водорода : A) Восстановление кислорода до H 2 O атомами водорода, принадлежавшими «горючему» (напр., углеводу) 2{CH 2 O} + O 2 2H 2 O + [2(CO)] + E (свет) обеспечивает основную часть произведенной энергии, B) Окисление углерода – реакция, дающая гораздо меньше энергии и «побочный продукт», CO 2, : [2(CO)] + O 2 2CO 2 + E (тепло) «… дышащие животные являют собой активные тела, которые горят и выделяют продукты горения Лавуазье