Механизм воздействия серебра на биологические объекты
Механизм воздействия серебра на биологические объекты
Ион серебра (Ag+) по своим размерам (эффективный радиус иона) и диффузионным характеристикам (абсолютная подвижность иона) является аналогом иона калия (К+). Эффективный радиус иона калия составляет 1,33 А, а иона серебра — 1,37 А (для сравнения эффективный радиус молекулы воды составляет 1,38 А, а иона натрия – 0,98 А), абсолютная подвижность иона калия в водных растворах при температуре 180С составляет 6,6 10-8 В/м2 сек, а иона серебра – 5,6 10-8 В/м2 сек. Исходя из этих данных, можно ожидать аналогичное поведение ионов калия и серебра при их массопереносе в водных средах, в том числе и в водных средах различных биологических объектов.
С другой стороны, химические свойства серебра резко отличаются от свойств щелочных металлов. Восстановление химических соединений щелочных металлов до металлического состояния возможно только при высоких температурах и в средах, содержащих достаточно сильные восстановители (например, при накаливании соды с углем), или электролизом их солей. Восстановление химических соединений серебра (из аммиакатных комплексов) протекает в водных средах даже при низких температурах в присутствии слабых восстановителей (например, в растворе глюкозы). Следует отметить, что восстановительными свойствами глюкоза обладает только за счет присутствия в ее водных растворах линейных молекул (при нормальных условиях в водных растворах глюкозы преобладают циклические молекулы ~ 63%).
Конкретный механизм дезинфицирующего действия серебра не определен до настоящего времени. В работах академика Л.И. Кульского предложено несколько возможных механизмов:
1. При проникновении химических соединений серебра в клетку происходит нарушение функций клеточной оболочки (бактериостатический эффект) и/или блокада бактериальных ферментов (бактериолитический эффект);
2. Ионы серебра связываются с азотистыми основаниями дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), вследствие чего нарушается стабильность ДНК и, соответственно, жизнеспособность клеток.
Прежде чем предпринять очередную попытку по определению механизма действия химических соединений серебра на живую клетку, необходимо избавиться от общепринятых заблуждений, до сих пор тиражируемых из книги в книгу не только в научно-популярных изданиях, но и в научных трактатах и учебных пособиях.
Согласно современным воззрениям галоиды серебра светочувствительны и при воздействии на них фотонного излучения голубого, синего, фиолетового и ультрафиолетового спектров химические соединения серебра легко восстанавливаются до металла (Ag0). Такая трактовка светочувствительности галоидов серебра недостаточно корректна. Протекание любого восстановительного процесса невозможно без одновременного протекания какого-либо окислительного процесса. Если для иодида и бромида серебра данное условие выполняется, например, Ag+ + e— → Ag0; J— — e— → J0, то для хлорида серебра – нет. При отсутствии в растворе какого-либо дополнительного восстановителя протекание фотохимического процесса восстановления серебра из его хлорида невозможно.
Наблюдаемый на практике эффект почернения белого хлорида серебра при действии на него света объясняется не восстановлением ионов серебра и выпадением мелкодисперсного металлического серебра в осадок (как это трактуется в современной литературе), а образованием черного оксида серебра (Ag2O). Данный вывод подтверждается химическим анализом образующегося под действием света осадка. Осадок абсолютно не растворим в азотной кислоте и легко растворим в водном растворе аммиака:
Ag2O + H2O + 4NH3 → 2[Ag(NH3)2]OH
Следует отметить, что процесс образования черного осадка при действии на хлорид серебра света происходит не в самой толще осадка AgCl под водой, а из раствора над осадком. Данный вывод подтверждается следующим экспериментом. В высокий стакан объемом 200 мл, заполненный дистиллированной водой (150 мл), помещался осадок AgCl с толщиной слоя ~ 10 – 20 мм. После отстаивания осадка стакан помещался вблизи яркого источника света таким образом, чтобы поток света падал на боковую цилиндрическую поверхность стакана снизу — вверх. Почернение осадка происходило только в его верхней части, т.е. именно там, куда лучи света не попадали.
Учитывая все вышеизложенное, можно предположить следующий механизм данного фотохимического процесса. В насыщенном водном растворе над осадком хлорида серебра свободно перемещаются катионы Ag+ и Н3О+ , анионы Cl— и ОН— и истинно-растворенные молекулы AgCl и AgOH. Молекулы AgOH образуются в растворе за счет частичного гидролиза AgCl:
AgCl + Н2О ↔ AgOH + НCl, Кгидр = [AgOН][ НСl]/[AgCl].
Образование оксида серебра (Ag2O) происходит при столкновении молекул AgOH друг с другом или с молекулой AgCl:
AgCl + AgOH → Ag2O↓ + НСl, К1 = [Ag2O][ НСl]/[AgCl][ AgOH],
AgOH + AgOH → Ag2O↓ + Н2О, К2 = [Ag2O]/[AgOH]2,
причем константы равновесия данных реакций (К1 и К2) зависят не только от температуры, но и от интенсивности светового потока (чем больше его сила, тем выше значение констант).
Другими словами, причиной рассмотренных фотохимических реакций являются не акт поглощения фотона света молекулой AgCl, а акты столкновения молекул гидроокиси серебра друг с другом или с молекулой AgCl, при этом вероятность протекания указанных выше реакций тем больше, чем больше сила светового потока. Процесс выпадения оксида серебра из водных растворов его гидроокиси в осадок может протекать только на свету и является отличительной особенностью этих растворов. Следует отметить, что при добавлении в водный раствор AgOH органических спиртов или смеси спиртов и карбоновых кислот процесс выпадения в осадок оксида серебра может протекать и в абсолютной темноте. В результате протекания химических реакций в этих смесях образуются простые (для спирта) или сложные (для смеси спирта с карбоновой кислотой) эфиры. Реакции протекают в полной темноте при комнатной температуре (для сравнения, реакция дегидратации этилового спирта с образованием диэтилового эфира протекает при температуре 100 – 140оС в присутствии концентрированной серной кислоты). Ионы серебра вступают в обратимую реакцию замещения с гидроксильными группами кислот и, частично, спиртов, а те, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом с образованием эфиров и оксида серебра:
R1 — OAg + AgO — R2 → R1 — O — R2 + Ag2O↓.
Аналогичные реакции протекают и в водном растворе AgCl, однако их скорость значительно меньше, вследствие меньшей концентрации в этих растворах истинно растворенных форм гидроокиси серебра. Учитывая вышеизложенное, можно предположить, что при замене в молекуле AgOH водорода на какой-либо органический радикал (с образованием органических соединений серебра типа Ag – O – R) уменьшается энергия активации реакции взаимодействия этих соединений друг с другом, что и позволяет ей протекать в полной темноте при нормальной температуре.
Рассмотрим формы существования серебра в водных средах высокоорганизованных организмов. Из-за относительно высокого содержания в водных средах (кровь, лимфа и пр.) и тканях (цитоплазма клеток) различных организмов ионов хлора (Cl—), концентрация в них ионов серебра мала. Концентрация NaCl в плазме крови человека составляет 0,86% вес. (0,15 моль/л). Произведение растворимости AgCl в водных растворах при нормальной температуре человеческого тела (36,60С) — ПРAgCl = [Ag+][Cl—] = 5 10-10, откуда концентрация ионов серебра в 0,86% растворе хлорида натрия составляет 5 10-10/0,15 = 3,3 10-9 моль/л (~ 0,4 мкг/л). Очевидно, что ионы серебра в такой малой концентрации не могут обладать сколько-нибудь заметным бактерицидным эффектом (нижний предел бактерицидного действия серебра составляет ~ 1 мкг/л). Судя по всему, бактерицидный эффект серебра обуславливается не его ионами, а истинно растворенными молекулярными соединениями (хлоридом серебра и образующейся при его гидролизе гидроокисью серебра).
Произведение растворимости гидроокиси серебра (ПРAgOH) в воде при нормальной температуре (200С) составляет ~ 1,52 10-8. Концентрация ионов серебра в насыщенном растворе AgOH — 1,24 10-4 моль/л. Из справочных данных известно, что растворимость гидроокиси серебра в воде при этих условиях составляет ~ 2 10-4 моль/л. Разница между этими величинами (2 10-4 — 1,24 10-4 = 7,6 10-5 моль/л) определяет концентрацию истинно растворенных молекулярных форм гидроокиси серебра. Таким образом, общее содержание растворенных форм (ионной и молекулярной) серебра в водном коллоидном растворе гидроокиси серебра при нормальной температуре не превышает миллиграммовых количеств (~ 10 мг/л). При добавлении в такой раствор соляной кислоты или ее солей серебро выпадает в осадок с образованием хлорида серебра (AgCl), при этом, как было показано выше, резко уменьшается концентрация ионов серебра. Концентрация растворенных молекулярных соединений серебра остается практически на том же уровне (растворимость AgCl при нормальной температуре составляет ~ 1 10-5 моль/л). Добавление в коллоидный раствор гидроокиси серебра ионов, образующих с ним более труднорастворимые в воде соли (например, иона J—) приводит к заметному снижению концентрации истинно растворимых молекулярных форм серебра (растворимость AgJ при нормальной температуре составляет ~ 3 10-6 г/л). Однако, и в этом случае, концентрация растворенных форм серебра превышает нижний предел его бактерицидного действия и составляет ~ 2 — 3 мкг/л.
Следует отметить, что содержание серебра в цитоплазме живых клеток может значительно превышать его концентрацию во внеклеточных водных средах организма (по аналогии с ионом калия). Клеточная мембрана образует подвижную поверхность клетки, имеет различные выросты и постоянно совершает волнообразные колебательные движения с захватом окружающей водной среды внутрь клетки. В результате таких движений в клетку через мембрану перемещается не только вода с растворенными в ней веществами (соединениями калия, натрия и серебра), но и достаточно большие макромолекулы строго определенной природы. Любые другие молекулы (молекулы «неразрешенных» к массопереносу веществ) задерживаются белками клеточной мембраны. Кроме того, процесс массообмена между цитоплазмой клетки и межклеточной средой протекает и через микропоры клеточной мембраны. Интенсивность данного процесса зависит в первую очередь от геометрических размеров пор клеточной мембраны и эффективного диаметра диффундирующих через нее растворенных веществ и ионов. Так как эффективный диаметр иона натрия значительно меньше диаметра молекулы воды, ионов калия и серебра, можно ожидать, что эти ионы клеточной мембраной не задерживаются и свободно диффундируют через нее как внутрь клетки, так и наружу. Совсем по-другому ведут себя молекулы воды и ионы калия и/или серебра, чьи геометрические размеры значительно больше и, по-видимому, сопоставимы с размерами пор клеточной мембраны. Диффузия этих ионов из цитоплазмы клетки в межклеточную среду – затруднена, причем как показывает практика, если электронейтральные молекулы воды все-таки могут протиснуться в микропоры клеточной мембраны и мигрировать из цитоплазмы в межклеточную среду, то заряженные катионы калия и/или серебра мембраной задерживаются. Именно этим эффектом и объясняется наблюдаемая разница в концентрациях натрия и калия в цитоплазме клетки (содержание калия выше, чем натрия) по сравнению с их содержанием во внеклеточных средах организма (содержание натрия выше, чем калия). Таким же свойством, по-видимому, обладает и наружный белковый слой ядерной оболочки, затрудняющий массоперенос калия и серебра в ядро клетки.
Рассмотрим возможные сценарии воздействия серебра на простейшие и сложноорганизованные биологические объекты.
Все простейшие и элементарные биологические объекты можно разделить на три класса:
1. Неклеточные формы жизни (вирусы). Вирусы являются клеточными паразитами и могут проявлять свойства живых организмов (способность размножаться) только попадая в живую клетку. Простейшие вирусы представляют собой нуклеопротеиды, т.е. состоят из молекулы нуклеиновой кислоты (одной из двух — либо ДНК, либо РНК), покрытых белковой оболочкой. Более сложноорганизованные вирусы имеют дополнительную липопротеиновую оболочку. Их наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус вышел во внеклеточную среду после своего предыдущего акта размножения.
2. Прокариотические клетки (бактерии и сине-зеленые водоросли). Прокариотические клетки являются примитивными, наиболее древними земными организмами и не содержат ядра. Генетический аппарат таких клеток (хромосома) состоит из двухспиральной молекулы ДНК, имеющей кольцевидную форму. Хромосома не защищена ядерной оболочкой и свободно перемещается в цитоплазме клетки. Цитоплазма клетки пронизана мембранами, образующими эндоплазматическую сеть, в ней находятся рибосомы, осуществляющие синтез белков.
3. Эукаритические клетки (животные и растительные клетки сложноорганизованных организмов). Эукаритические клетки, от простейших до клеток высших растений и млекопитающих, отличаются сложностью и разнообразием своей структуры. Важнейшей составной частью клетки является ядро. Ядро клетки выполняет две главные функции — хранение и воспроизведение генетической информации и регуляцию процессов обмена веществ, протекающих в клетке. Ядро окружено оболочкой, которая состоит из двух мембран, имеющих трехслойное строение (белки — липиды — белки). Наружная мембрана покрыта рибосомами, внутренняя мембрана — гладкая. Ядерная оболочка является частью мембранной системы клетки и соединяется с каналами эндоплазматической сети. Обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется по порам ядерной оболочки и за счет отшнуровывания ее выростов. Несмотря на достаточно активный обмен веществ между ядром и цитоплазмой, ядерная оболочка отграничивает ядерное содержимое от цитоплазмы, делая возможным существование особой внутриядерной среды, отличной от окружающей цитоплазмы.
Цитоплазма, и внутриядерная среда обладают буферными свойствами (за счет анионов Н2РО4—, НРО42- и гемоглобина) и имеют слабощелочную реакцию (рН = 7,2 – 7,4).
Питание клеток осуществляется в основном за счет аэробного расщепления пировиноградной кислоты С3Н6О3:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + + 36АТФ + 42Н2О, а также за счет анаэробного расщепления глюкозы С6Н12О6 и жирных кислот:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
Аэробное расщепление пировиноградной кислоты и анаэробное расщепление жирных кислот происходит в специальных органоидах клетки — митохондриях, анаэробное расщепление глюкозы — непосредственно в цитоплазме клетки.
Митохондрии присутствуют практически во всех типах клеток одно- и многоклеточных организмов. Всеобщее распространение митохондрий в животном и растительном мире указывают на важность роли, которую они играют, обеспечивая жизнедеятельность клеток. Основная функция митохондрий — синтез универсального источника энергии (АТФ). Количество митохондрий в клетках различных тканей неодинаково и зависит в первую очередь от функции, которую выполняет данная клетка. Больше всего митохондрий в тех клетках, где интенсивно протекают процессы синтеза, например, в клетках печени, или велики затраты энергии, например, в клетках грудных мышц летающих птиц. Число митохондрий может быстро увеличиться путем деления. Митохондрии — единственные из органоидов клетки, способные к размножению. Эта способность обусловлена наличием в них своей собственной молекулы ДНК. Стенка митохондрий состоит из двух мембран (наружной и внутренней). Наружная мембрана — гладкая, а от внутренней вглубь органоида отходят перегородки (кристы). На мембранах крист находятся многочисленные ферменты, участвующие в энергетическом обмене. Количество крист зависит от функции клетки. В митохондриях мышц крист очень много (они занимают практически всю внутреннюю полость митохондрии), в эмбриональных клетках — их единицы.
Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в клетках при их делении. Деление (митоз) как прокариотических, так и эукаритических клеток, происходит за четыре фазы — профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
В профазе происходит увеличение объема клетки и спирализация хромосом. Вследствие спирилизации хромосом становится невозможным считывание генетической информации с ДНК и прекращается синтез РНК. В конце профазы ядерная оболочка растворяется (распадается на отдельные фрагменты) и образуется вновь только в начале телофазы. Все время между этими фазами деления эукаритической клетки ее хромосомы не защищены ядерной мембраной и свободно перемещаются в цитоплазме.
В метафазе спирализация хромосом становится максимальной, и укороченные хромосомы устремляются к экватору клетки, располагаясь на равном расстоянии от полюсов.
В анафазе хромосомы разъединяются, и с этого момента хроматиды, образовавшиеся из хромосом материнской клетки, становятся самостоятельными хромосомами.
В телофазе хромосомы, собравшиеся у полюсов, деспирализуются, из мембранных структур цитоплазмы образуются две новые ядерные оболочки вокруг образовавшихся в анафазе групп хромосом. После образования поперечной цитоплазматической мембраны клетка разделяется пополам.
В жизненном цикле клетки митоз — относительно короткая стадия. В зависимости от природы клетки митоз продолжается от 0,5 до 3 часов. Совокупность последовательных и взаимосвязанных процессов в период подготовки клетки к делению, а также на протяжении самого митоза называется митотическим циклом, который составляет часть всего жизненного цикла клетки — (митотический цикл, переход в дифференцированное состояние с образованием рабочих, или соматических клеток организма, гибель этих клеток).
После завершения митоза клетка вступает в период подготовки к синтезу ДНК (фаза G1). После завершения фазы G1 клетка приступает к синтезу ДНК, или ее редупликации (фаза S). Каждая из двух дочерних молекул ДНК обязательно включает одну старую спираль и одну новую. Редупликация молекул ДНК происходит с абсолютной точностью (новая молекула абсолютно идентична старой). Под действием химических и физических факторов (ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, повышенная температура и др.) правильность структуры вновь синтезированной молекулы ДНК может нарушиться. Для ликвидации подобных нарушений существует специальный фермент, который выщепляет «неправильные» участки молекулы ДНК и достраивает их в соответствии с исходной матрицей.
Продолжительность синтеза ДНК (фаза S) в различных клетках неодинакова и составляет от несколько минут у бактерий до 6 – 12 часов у клеток млекопитающих и человека. После завершения синтеза ДНК клетка, как правило, начинает делиться не сразу. Период от окончания синтеза ДНК до начала митоза называется фазой G2. В этот период завершается подготовка клетки к митозу, происходит рост клетки, удвоение хромосом и синтез необходимых для митоза белков.
Суммарная продолжительность фаз G1 и G2 составляет от нескольких десятков минут у бактерий до нескольких десятков часов у клеток млекопитающих и человека.
Цикл дифференцированного состояния клетки начинается после окончания ее митотического цикла и заканчивается гибелью клетки. Продолжительность цикла зависит от природы и назначения клеток (например, у клеток костной ткани продолжительность цикла выше, чем у клеток эпителия) и условий существования организма (чем меньше причин для гибели клетки, тем больше продолжительность цикла).
Средняя продолжительность цикла дифференцированного состояния различных рабочих клеток человека закодирована в его генотипе и может достигать:
— нескольких дней (например, у тромбоцитов, чья продолжительность жизни составляет всего 5 — 11 суток);
— нескольких месяцев (например, у эритроцитов с продолжительностью жизни 100 – 120 суток);
— и даже многих лет (например, у нервных и мышечных клеток, которые после завершения эмбрионального периода развития перестают делиться и функционируют на протяжении всей жизни человека).
Лейкоциты живут от нескольких часов до нескольких лет, в зависимости от их деятельности. Различают два вида лейкоцитов:
— гранулоциты или зернистые лейкоциты. Общее количество таких лейкоцитов достигает 75% от всей массы белых кровяных клеток.
— незернистые лейкоциты (лимфоциты и моноциты). Лимфоциты производятся в лимфатических узлах и отвечают за формирование антител, которым принадлежит ведущая роль в сопротивлении организма инфекциям. Моноциты способны поглощать вредные бактерии и старые рабочие клетки организма. Данный процесс называется фагоцитозом. Защитные клетки организма, способные к фагоцитозу, называют фагоцитами или макрофагами.
Формирование кровяных клеток (эритроцитов и тромбоцитов) происходит в красном костном мозге, утилизация отработавших свой ресурс клеток — в печени и селезенке. Лейкоциты (в отличие от эритроцитов и тромбоцитов) способны при необходимости размножаться простым делением (митозом). Хранятся лейкоциты и различные макрофаги в лимфатических узлах и органах человеческого тела (например, в печени, селезенке, миндалинах и аденоидах, зобной железе и др.). Макрофаги утилизируют старые поврежденные клетки организма, например, эритроциты и тромбоциты крови утилизируются макрофагами печени и селезенки.
Совсем иначе происходит обновление клеток кожного покрова (эпидермиса). Клетки базального (наиболее глубокого) слоя эпидермиса способны размножаться митозом. По мере появления новых клеток старые выталкиваются выше к поверхности кожи, видоизменяясь при прохождении каждого из последующих четырех слоев эпидермиса, пока в конце концов не отшелушиваются с поверхности наружного рогового слоя кожи. Продолжительность такого цикла составляет примерно один месяц.
В обновлении различных тканей организма принимают активное участие фибробластовые и примитивные клетки, которые свободно циркулируют в организме человека с током крови и лимфы. Замечено, что при отмирании живых клеток в каком-либо органе человека в жидкой среде этого органа возрастает концентрация фибробластовых и примитивных клеток. Процесс регенерации поврежденных тканей протекает в конкурентной борьбе между ними. Примитивные клетки переходят в дифференцированное состояние непосредственно в объеме поврежденного органа и замещают его поврежденные клетки на такие же, но здоровые. При дифференциации фибробластовых клеток в поврежденном органе образуется соединительная ткань. Различные рубцы и шрамы состоят именно из такой ткани.
Таким образом, на протяжении всей жизни человека происходит постоянное обновление живых клеток. Скорость такого обновления определяется суммарным количеством различных митотических клеток организма, а также производительностью выработки различных гормонов (в первую очередь — тестостерона и соматотропина), ферментов (в первую очередь — ферментов поджелудочной железы) и других биологически активных веществ.
По мнению известного гистолога проф. А.А.Максимова все митотические клетки человеческого организма образуют своеобразный базис (ствол), от которого отходят все остальные уже дифференцированные «рабочие» клетки. В 1908 году он ввел в научный обиход термин «стволовые клетки» для всех митотических клеток организма. Ранее считалось, что деление клетки возможно лишь для кроветворной ткани. Данное заключение основывалось на том факте, что высокодифференцированные клетки, например, кардиомиоциты (клетки мышечной ткани миокарда) и нейроны (клетки нервной системы) практически не делятся. Клетки же менее дифференцированные, например фибробласты (клетки волокнистой соединительной ткани) и гепатоциты (клетки паренхимы печени) частично сохраняют способность к размножению и при определенных условиях могут делиться. Общей закономерностью для этих частично дифференцированных клеток является то, что количество делений, которое она может пройти, ограниченно. Так, например, лимит делений фибробластовых клеток не превышает пятидесяти актов деления, а стволовых клеток крови — ста. Делиться неограниченное количество раз способны все эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) и примитивные клетки взрослого организма. Одним из самых важных свойств этих клеток является их плюрипотентность (возможность превращения при дифференциации в любые «рабочие» клетки организма). К настоящему времени доказано, что стволовые клетки красного костного мозга взрослого организма (мезенхимальные клетки) способны превращаться в гепатоциты, нейроны и нейроглии, остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (клетки хрящевой ткани), адипоциты (клетки жировой ткани), миобласты (клетки поперечно полосатых мышечных волокон) и фибробласты. В общем случае, красный костный мозг содержит два вида стволовых клеток – гемопоэтические и стромальные. Гемопоэтические стволовые клетки отвечают за кроветворение, стромальные (частично дифференцированные клетки соединительнотканной опорной структуры всех органов человека) — за регенерацию тканей организма. Уникальность стромальных клеток состоит в том, что, поступая с кровотоком в область поврежденного органа или ткани, они превращаются в нужные специализированные клетки, которые полностью заменяют погибшие и/или поврежденные клетки взрослого организма.
Из представленных в разделе «Противомикробная и противовирусная эффективность» данных следует, что результаты воздействия серебра на различные биологические объекты зависят в первую очередь от природы этих объектов. Если для вирусов и прокариотических клеток (бактерий) результаты воздействия серебра всегда фатальны (летальная концентрация серебра составляет 0,04 – 1,0 мг/л), то на жизнедеятельность эукаритических клеток серебро действует значительно мягче (летальная концентрация серебра достигает значения 5,0 — 10,0 мг/л).
Принципиальным отличием эукаритических клеток от прокариотических является наличие в них ядра, в котором под защитой ядерной оболочки размещается генетический аппарат клетки (хромосомы). Исходя из этого факта, логично предположить, что губительное действие серебра определяется их воздействием именно на незащищенные ядерной оболочкой хромосомы.
Истинно растворенные молекулярные формы серебра свободно проникают в цитоплазму любых клеток и могут взаимодействовать с хромосомами прокариотических клеток все время их контакта друг с другом, а с хромосомами эукаритических клеток только в период митоза клеток, тогда, когда они не защищены ядерной оболочкой. Именно в этот период возможно одновременное пребывание в среде цитоплазмы клетки всех необходимых составляющих (молекулы ДНК, истинно растворенных соединений серебра и каких-либо полярных молекул, например, молекул глюкозы и/или пировиноградной кислоты) для осуществления процессов, способных привести к сбою в работе генетического аппарата клетки.
Рассмотрим подробнее строение молекулы ДНК. Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух переплетенных полинуклеотидных цепей. Спираль закручена вокруг общей оси, и азотистые основания обеих цепей обращены внутрь спирали. Здесь (внутри спирали) за счет водородных связей адениновые остатки одной цепи связаны с тиминовыми остатками, а гуаниновые — с цитозиновыми. На наружной поверхности спирали располагаются остатки фосфорной кислоты.
Химические соединения серебра обратимо взаимодействуют (по механизму реакции замещения) с остатками фосфорной кислоты. При взаимодействии участка молекулы ДНК с замещенными на серебро остатками фосфорной кислоты, расположенными на различных полинуклеотидных цепях, но рядом друг с другом, с какой-либо полярной молекулой, может произойти реакция «сшивания» полинуклеотидных цепей друг с другом с образованием связи R1 — O — R2 и оксида серебра. Присутствие в растворе сильно полярных веществ значительно увеличивает скорость протекания данной реакции. Механизм явления объясняется притяжением ионов серебра к полярной группе атомов с избыточной электронной плотностью и ориентацией фосфатных остатков ДНК в пространстве гидроксильными группами друг к другу.
Любые попытки исправить создавшееся положение с помощью специального фермента, который выщепляет «неправильные» участки молекулы ДНК и достраивает их в соответствии с исходной матрицей, приводят к повреждению обеих полинуклеотидных цепей. Учитывая, что молекула ДНК является для клетки уникальной (другой такой молекулой клетка не располагает), в результате развития событий по данному сценарию нарушается структура как вновь синтезируемой, так и матричной молекулы ДНК, и клетка обречена на неизбежную гибель.
Для осуществления данного сценария требуется одновременное выполнение сразу нескольких обязательных условий: участок молекулы ДНК, на разных полипептидных цепях которой зафиксированы ионы серебра, должен войти в непосредственный контакт с полярной молекулой, например, с торцом линейной молекулы глюкозы, на котором расположена альдегидная группа. В результате такого контакта должна произойти реакция «сшивания» полинуклеотидных цепей друг с другом с образованием оксида серебра. Очевидно, что вероятность такого развития событий мала. Однако при достаточно большом времени прямого контакта хромосом клетки с цитоплазмой, и достаточно высокой концентрации в ней серебра и полярных молекул, вероятность гибели клетки может достигнуть и вполне заметных значений, вплоть до значений, близких к единице (при воздействии серебра на прокариотические клетки и вирусы в период редупликации вирусного генома).
Очевидно, что подобным образом может происходить и взаимодействие серебра с молекулами РНК, расположенными в рибосомах клетки и отвечающими за синтез белковых молекул — ферментов и гормонов. Однако данный процесс вряд ли сможет привести к необратимым изменениям в структуре синтезируемых белков или к гибели клетки. В цитоплазме клетки осуществляется непрерывный контроль за качеством производимых ей белковых молекул. Любая неправильно собранная белковая молекула расщепляется в лизосомах клетки, а вместо нее синтезируется новая молекула. При повреждении молекулы матричной РНК, она может быть воспроизведена клеткой любое необходимое количество раз.
Рассмотрим подробнее реакцию сшивания фосфатных остатков молекулы ДНК с образованием связи R1 — O — R2 и оксида серебра. Из современной химии известно, что при взаимодействии фосфорного ангидрида (P2O5) c водой возможно образование трех гидратных форм:
P2O5 + Н2О → 2НРО3 (метафосфорная кислота);
P2O5 + 2Н2О → Н4Р2О7 (пирофосфорная кислота);
P2O5 + 3Н2О → 2Н3РО4 (ортофосфорная кислота).
При нагревании ортофосфорной кислоты происходит отщепление воды с последовательным образованием пиро- и мета-форм:
2Н3РО4 + 17 ккал → Н4Р2О7 + Н2О;
Н4Р2О7 + 24 ккал → 2НРО3 + Н2О.
Учитывая отличительные химические свойства ортофосфорной кислоты и гидроокиси серебра, можно предположить, что протекание реакции «сшивания» полинуклеотидных цепей молекулы ДНК в присутствии истинно растворенных молекулярных форм серебра вполне возможно даже при нормальной температуре.
Для проверки данного предположения был поставлен следующий эксперимент. В стакан с 10% (вес.) раствором ортофосфорной кислоты добавлялся свежеприготовленный коллоидный раствор AgОН, содержимое стакана перемешивалось, а стакан помещался в темное место. После полного отстаивания осадка (примерно через каждые 2 часа) содержимое стакана перемешивалось снова. Параллельно, в качестве контрольного опыта использовался второй стакан (с 9% раствором уксусной кислоты). Со вторым стаканом производились те же манипуляции, что и с первым. Каждые два часа (после отстаивания осадка AgОН) производилось сравнение цвета осадка. Если в стакане с уксусной кислотой никаких видимых изменений не происходило, то в стакане с ортофосфорной кислотой наблюдалось потемнение осадка:
H2PO3 — OAg + AgO — H2PO3 → H2PO3 — O — H2PO3 + Ag2O↓
В результате протекания данной химической реакции образовывалась пирофосфорная кислота (H4P2O7) и Ag2O. Данный эксперимент наглядно показывает, что протекание реакции «сшивания» остатков фосфорной кислоты молекулы ДНК гидроокисью серебра вполне вероятно, и эта реакция может происходить в полной темноте и при нормальной температуре.