Термодинамический подход к оценке эффективности биологически активных веществ

УДК 547.91:541.124

Термодинамический подход к оценке эффективности биологически активных веществ

 

Ю.А. Тырсин, доктор технических наук,

Д.А. Еделев, доктор медицинских наук, доктор экономических наук,

А.Б.Вишняков, доктор технических наук,

Н.А. Поткин, аспирант

М.Л. Воронцова, аспирант

Журнал «Масложировая промышленность», №1-2014 с. 21-24

 

В настоящее время в условиях по­стоянно ухудшающейся экологиче­ской обстановки, нехватки эссенциальных питательных компонентов в результате чрезмерно глубокой тех­нологической переработки сельхозсырья вопрос о сохранении здоровья и здорового генофонда человеческой популяции приобретает громадное значение, а сба­лансированное питание, ликвидация дефицита незаменимых элементов в пище стано­вятся императивом времени. Именно поэтому многократно вырос рынок биологически активных добавок (БАД), которые могут представлять собой как индивидуальные биологи­чески активные вещества (БАВ), так и их комплексы. Однако не всегда можно оценить их положительное воздей­ствие на здоровье, так как отдельные БАВ в их составе взаимодействуют между собой, усиливая, ослабляя друг друга или давая нулевой результат. В работе предпринята попытка раз­работать объективный метод оцен­ки эффективности воздействия БАВ и БАД сложного состава на организм человека.

 

В 1935 г. советский ученый Э.С. Бауэр в своей работе «Теоре­тическая биология» сформулиро­вал три основные особенности живых систем: самопроизвольное изменение состояния; противодействие внеш­ним силам, приводящее к изменению первоначального состояния окружаю­щей среды; постоянная работа про­тив уравновешивания с окружающей средой. Последнюю - Э.С. Бауэр на­звал «всеобщим законом биологии», который имеет ясный термодинами­ческий смысл: как в неживых системах устойчиво их равновесное состояние, так в живых устойчиво неравновесное. При этом носителем свободной энер­гии, которая может освобождаться при определенных условиях, является структура живых систем - за счет ее из­менения и поддерживается их неравно­весное состояние.

 

В состоянии же равновесия прекра­щаются все процессы, кроме тепло­вого движения молекул, и выравнива­ются все градиенты. В стационарном состоянии идут химические реакции, диффузия, перенос ионов и т.д., но они так сба­лансированы, что состояние системы в целом не изменяется. В стационар­ном состоянии существуют градиенты между отдельными частями системы, но они сохраняют постоянные значе­ния и это возможно только при усло­вии, что система из окружающей сре­ды получает вещества и свободную энергию, а отдает продукты реакции и выделяемое тепло.

 

Разработчиками термодинамики стационарного состояния биообъ­ектов являлись Э.С. Бауэр, Э. Шредингер, Н. Бор. Со­гласно Э.С. Бауэру, отличительным признаком жизни является постоян­ная работа против уравновешивания с окружающей средой. Вопросы устойчивости и неустой­чивости организма человека, являющиеся краеугольными в понимании его здоровья и нездоровья, оценива­ются изменением энтропии. Основной смысл влияния энтропии на устойчивость биосисте­мы высказал Э. Шредингер: «В живой системе имеется устойчивый поток отрицательной энтропии из окружаю­щей среды, компенсирующей непре­рывную положительную продукцию энтропии в биосистеме: организмы питаются отрицательной энтропией (неэнтропией)».

 

По этому вопросу очень своеобраз­но и красиво выразился И.П. Пав­лов в 1918 г. в своем цикле лекций «Об уме вообще и русском в част­ности». Он писал: «Что такое жизнь? Если стоять на фактической стороне дела, то придется выразиться до не­которой степени забавно. Жизнь (по­рядок)- есть сохранение жизни (по­рядка)».  Перефразируя современным язы­ком, можно сказать: «Жизнь - это под­держание структурированности систе­мы, а энтропия - это мера ее структу­рированности. Чем меньше энтропия системы - тем она более структуриро­вана, т. е. более высокоорганизована».

 

Организм человека - это открытая стационар­ная система, и термодинамика этих систем разрабатывалась рядом уче­ных, среди которых особое место за­нимает И. Р. Пригожин (лауреат Нобе­левской премии 1977 г.). Благодаря его работам возникла новая наука, изучающая возникновение и разви­тие структур - синергетика. Основой синергетики применительно к био­объектам является теорема И. Р. Пригожина: «В стационарном состоянии при фиксированных внешних данных продукция энтропии в системе посто­янна во времени и минимальна по ве­личине».

 

БАВ - одно из эффективных средств, которые должны поддержи­вать порядок (структурирован­ность). То, что БАВ должны умень­шать энтропию биосистемы, отмечал Н. Винер, который говорил: «Фермен­ты являются метастабильными демо­нами Максвелла, уменьшающими эн­тропию». В связи с вышеизложенным, по­нятно, что существующее в настоя­щее время деление используемых человеком веществ на пищевые, био­логически активные и лекарственные, не совсем корректно.

 

Для пищевых продуктов и лекарственных препара­тов еще существует какая-то система и обоснование. Для пищевых про­дуктов - это восполнение энергозатрат, для лекарственных препаратов - точечное фиксирование агонистов на рецепторах. В случае БАВ отсутствует обобщающая харак­теристика и научно-теоретическое обоснование, позволяющие позицио­нировать их в качестве биологически активного продукта, а порой отли­чать их от пищи или лекарства. Это связано с недостаточностью наших знаний о биохимическом составе продукта и его влиянии на организм человека. Кроме того, в БАД не учтены синергизм и ан­тагонизм биосоставляющих, хотя БАД, как правило, является комплек­сом различных соединений.

 

Основными аспектами для отнесе­ния БАД к классу биологически активных веществ являются их безвредность, наличие витаминов, микроэлемен­тов, аминокислот и (или) эссенциальных жирных кислот, т.е. незаменимых элементов питания в соответствии с существующими нормами их потре­бления. При таком подходе в класс БАВ, в лучшем случае, попадают без­вредные лекарственные препараты, а в худшем - просто пищевые продук­ты. Однако БАД - это система, а не набор биокомпонентов БАВ.

 

В результате длительной работы в области получения, анализа и кли­нических испытаний мы предлагаем проводить оценку эффективности БАВ и БАД путем анализа термодина­мических параметров (прежде всего энтропии) на биосубстратах. Други­ми словами позиционировать БАД как систему, которая уменьшает эн­тропию биообъекта, т. е. увеличивает порядок в организме.  Мы предлагаем реализацию тер­модинамического подхода анализа эффективности БАВ и БАД проводить

по схеме анализа, которая разработа­на и апробирована нами в области технологии и переработки низко­масличного растительного сырья с целью получения БАД липидного происхождения.

 

Была установлена определенная тенденция - умень­шение масличности растительного сырья приводит, как правило, к уве­личению в липидной части таких классических БАВ, как ингибито­ры окисления (токоферолы, каротиноиды, фенольные соединения, фосфолипиды и т.п.), ненасыщен­ные соединения (ω-3 и <ω-6 жирные кислоты, стеролы, ненасыщенные углеводороды). Было сложно разо­браться в этом наборе данных с по­зиции, какой продукт будет более эффективным, т. е. какому продукту отдать предпочтение. Можно полу­чить информацию о качественных и количественных характеристиках БАВ, но это является только ориен­тиром, а объем этой информации определяется наличием приборно­аналитической базы.

 

 

В связи с этим был организован широкий комплекс клинических ис­пытаний БАД липидного происхождения - масло зародышей пшеницы (МЗП), эффективность дей­ствия которого на человека известна уже более 100 лет. Так, МЗП было испытано в Московском городском ожоговом центре НИИ ско­рой помощи им. Н. В. Склифосовского при лечении ожоговых ран. Действие МЗП на за­живление язвы желудка исследовано в ГосЦНИИгастроэнтерологии, а влияние МЗП на боль­ных, страдающих язвенной болез­нью двенадцатиперстной кишки, - на клини­ческой базе Новосибирской ГосМедАкадемии. При этом было показано, что МЗП значительно усиливает репаративно-регенерирующие свойства организма больных.

Исследования, проведенные на базе поликлиники №230 Москвы на больных, страдающих диабети­ческой ретинопатией, показали, что использование МЗП увеличивает на одну-две десятых остроту зрения с улучшением картины глазного дна и электрофизиологических характе­ристик сетчатки. В НИИ клинической иммунологии проведены исследования влияния МЗП на больных, получающих интен­сивную терапию антибиотиками. По­лученные результаты дают основа­ние для назначения МЗП пациентам, получающим агрессивную фармакотератию с целью профилактики вторичных иммунодефицитных состоя­ний.  Большой цикл работ по исполь­зованию МЗП в клинике внутренних болезней проведен в течение 10 лет в Сибирском регионе на базе Ново­сибирской медицинской академии.

 

При этом установлены показания к применению M3П в различных об­ластях медицины. Наблюдалось ускорение нормализации состава крови, мочи, функционального со­става печени и псевдосубъективных параметров состояния (слабость, раздражительность, утомляемость, одышка).

 

Примечательно, что такой медицинский термин, как «нормализация» несет в себе смысл снижения энтропии, т. е. вос­становление порядка согласно тео­реме И. Р. Пригожина.

 

Введение МЗП, как правило, при­водит к изменению конформационной организации биокомпонентов ор­ганизма и, прежде всего, связанного с понижением энтропийной состав­ляющей:

 

- конформационное изменение гемоглобина НВа с появлением в кро­ви

   эмбрионального гемоглобина НВа² и фетального гемоглобина HBf, что  

   приводит к  увеличению абсорб­ции кислорода кровью;

- увеличение числа Т-лимфоцитов;

- превращение липопротеидов низкой плотности в липопротеиды высокой плотности.

 

Анализируя полученные результаты и теоретические предпосылки термо­динамики, мы пришли к идее позицио­нировать БАВ по энтропийной состав­ляющей при вводе его в биосубстрат. В качестве биосубстрата для жирора­створимых БАВ использовали расти­тельные масла. Для водорастворимых БАВ, как мы предполагаем, лучшим биосубстратом будет кровь. Не де­тализируя процессы, происходящие в субстрате при вводе БАД или от­дельных БАВ, определяли только от­клик системы по такой термодинами­ческой характеристике, как энтропия, но не по абсолютному ее значению, а по ее изменению в сравнении с чи­стым субстратом.

 

Значение и изменение энтропии можно получить различными спосо­бами. Наиболее распространенными способами оценки энтропии в реак­ционной среде является калориме­трия в различных вариантах и анализ кинетических параметров реакции. Нами был выбран кинетический путь определения энтропии путем анали­за зависимости скорости окисления подсолнечного масла (по накоплению перекисей и изменению тиобарбитурового числа) как в чистом виде, так и при вводе в него МЗП в температур­ном диапазоне от 20...60 ^оС.

 

Определение энтропии по кинети­ческим параметрам - наиболее приемлемый мето­д, так как не требует сложного при­борного оснащения, а в качестве кон­тролируемого параметра может быть выбран любой, поскольку речь идет не о получении абсолютных значений энтропии, а ее изменении. Зависи­мость скорости химической реакции от температуры определяется уравне­нием Аррениуса.

 

После обработки графических дан­ных были получены кинетические па­раметры окисления подсолнечного масла в присутствии МЗП, приведен­ные в таблице (изменение энтропии обозначают через «энтропийную еди­ницу» - эе).Анализ полученных данных в основ­ном подтверждает идею о снижении энтропийной составляющей при вво­де в субстрат БАВ. Идея об опреде­ленной взаимосвязи энтропийной составляющей при вводе БАВ в суб­страт и реакции живого организма при его потреблении было подтверж­дено при оценке эффективности масла, полученного из алейронового слоя пшеницы, названного нами «Ви­талол».

 

Предварительный анализ соста­ва «Виталола» по классической схе­ме показал,

что он должен обладать меньшей биологической активностью, чем МЗП.

По содержанию токофе­ролов «Виталол» уступал МЗП в два раза, а по фракционному и жирнокис­лотному составу практически не отли­чался. Был проведен термодинамиче­ский анализ «Виталола» на субстрате по разработанной нами схеме. Ока­залось, что энтропия при вводе «Ви­талола» в подсолнечное масло снизи­лась на 2-3 эе больше по сравнению с МЗП.

 

 

Субстрат	Энергия актива­ции, ккал/моль- ккал/моль	Энтропия актива­ции,эе	Уменьшение энтро­пии активации по отношению к контролю,эе
Подсолнечное масло	18,5	-12,8	0
Подсолнечное масло + 0,5% МЗП	12,5	-7,2	+5,6
Подсолнечное масло + 1% МЗП	11,4	-6,4	+6,4

 

 

Исследования, проведенные в Центральном институте гастро энтрологии по лечению экспери­ментальной язвы у мышей, показа­ли, что скорость заживления язвы при использовании МЗП увеличи­лась в три раза по сравнению с кон­тролем; при использовании «Виталола» она возросла в девять раз. Кроме того, клинические испытания показали, что использование «Виталола» в два - четыре раза ускоряют нормализацию крови и значительно увеличивают абсорбцию кислорода по сравнению с МЗП. В настоящее время можно позиционировать его как мощное средство для иммунной защиты организма. Парадоксальность ситуации заклю­чается в том, что несмотря на пони­мание оценки БАВ по термодинами­ческим параметрам, мы вынуждены проводить многочисленные исследо­вания, чтобы определить, какая со­ставляющая в БАД «Виталол» являет­ся наиболее эффективной (октакозанол, сквален, фосфолипиды, стеролы…).

 

Анализ термодинамических функ­ций в системе БАВ-субстрат оказался весьма

эффективным при создании пищевых продуктов, обогащенных БАВ. Снижение

энтропийной состав­ляющей и энергии активации явилось теоретической

основой для создания липидных пищевых продуктов, устой­чивых к жарке. Также показано, что добавка 1% МЗП к лярду увеличивает его терми­ческую стабильность с 3 до 12 ч, ре­гулируя образование перекисей. До­бавка МЗП к рапсовому маслу заметно уменьшает полимеризацию во время жарки: потеря олеиновой кислоты была полностью подавлена, распад линолевой кислоты был замедлен на 2/3, а линоленовой - на 50%.

 

Поднятые в статье вопросы, безу­словно, требуют более широкой про­верки и уточнения, как в теоретическом, так и методическом плане. Требуется накопление экспериментальных дан­ных, включая установление численных зависимостей между термодинами­ческими функциями БАВ-биосубстрат и откликом воздействия БАВ на челове­ка. Если вопросы, связанные с теорети­ческим обоснованием и практической оценкой БАВ по энтропийной составляющей системы БАВ-субстрат, в основ­ном, ясны, то основной задачей будет медико-биологическое обоснование выбора субстрата для того или иного класса БАВ.

 

При определении назначения продукта в качестве БАВ или БАД нужно переходить от количественной оценки (по нормам) к качественной (по эффективности). Для этого не­обходимы следующие этапы ста­новления продукта (разрешенного к применению в качестве пищевой добавки) как «биологически актив­ного»:

       1. Предварительный - исследование биохимического состава БАД.

       2. Обосновывающий - определение термодинамических параметров (энтропии)

           на субстрате по схеме.

       3. Окончательный - подтверждение эффективности на человеке

 

 

ЛИТЕРАТУРА

Ферми, Э. Термодинамика/Э. Фер­ми. - Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1969. - 140 с.

Шамбадаль, П. Развитие и прило­жение понятия энтропии/П. Шамба­даль. - М.: Наука, 1967. - 280 с.

Волькенштейн, М. В. Энтропия и информация/М. В. Волькенштейн. - М.: Наука, 1986. - 192 с.

Вяткин, В. Б. Синергетическая тео­рия информации. Ч. 1. Синергетиче­ский подход к определению количе­ства информации/В. Б. Вяткин // На­учный журнал КубГАУ. - 2008. - №44 (10)