Термодинамический подход к оценке эффективности биологически активных веществ
08.12.2015 - 1851 просмотрУДК 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)