Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54836 10.29039/rusjbpc.2022.0499 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИКА ECOLOGICAL BIOPHYSICS ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИКА MODEL SYSTEMS FOR THE ESTIMATION OF INFLUENCE OF THE WATER MEDIUM COMPONENTS ON THE BIOLOGICAL OBJECTS Модельные системы для оценки воздействия компонентов водной среды на биологические объекты Шишкина Людмила Николаевна Shishkina L. N. shishkina@sky.chph.ras.ru

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Дубовик Александр Сергеевич Dubobik A. S. Козлов Михаил Васильевич Kozlov M. V. Повх А. Ю. Povkh A. Yu. Швыдкий Вячеслав Олегович Shvydkiy V. O.

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Москва Россия Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Москва Россия Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Москва Россия N.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Москва Россия N.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Москва Россия N.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Sciences Moscow Russian Federation 25 03 2022 25 03 2022 7 1 160 165 20 03 2022 20 03 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54836/view

На основании анализа ранее полученных данных об однотипности функционирования физико-химической системы регуляции окислительных процессов в биологических системах разной сложности и данных литературы о способности фосфолипидов к спонтанной агрегации в полярных средах предложены четыре модельные системы на основе природных липидов для первичной оценки воздействия компонентов водной среды на биологические объекты. Это низкотемпературное автоокисление лецитина в полярной среде, математическая обработка УФ-спектров лецитина и его смесей с компонентами водной среды по методу Гаусса, спонтанная агрегация лецитина в различных полярных средах, величина ξ-потенциала образованных частиц. В качестве модельных токсикантов использовали тиофосфат натрия и ионы двухвалентной меди. Показано, что масштаб влияния тиофосфата натрия на кинетику окисления лецитина зависит от исходной интенсивности окисления лецитина и состава его фосфолипидов. Это согласуется с ранее полученными данными по влиянию химических токсикантов при поступлении их в организм на состояние процессов перекисного окисления липидов в органах животных. Установлено, что ионы меди участвуют в инициации окисления лецитина и образуют комплекс с его фосфолипидами. Это влияет на способность лецитина к спонтанной агрегации и электрофоретические свойства сформированных частиц. Таким образом, лабильность липидного компонента природных липидов позволяет выявить воздействие компонентов природной среды на биологические системы разной сложности уже на уровне сложных биологических модельных систем.

Following four model systems on the base on the natural lipids to estimate the action of the water medium components on the biological objects were presented by using the earlier obtained data about the similarity functioning of the physicochemical regulatory system of the oxidation processes in the biological objects of varying complexity and the ability of phospholipids to the self-aggregation in the polar medium: the low temperature autoxidation of lecithin in the polar medium, the mathematic analysis of UV-spectra of lecithin and its mixtures with the water medium components by Gauss method, the self-aggregation of lecithin in the different polar medium, the ξ-potential value of the formed particles. As the model toxicants sodium thiophosphate and copper(II) ions were used. Scale of the sodium thiophosphate influence on the lecithin oxidation kinetics is shown to depend on the initial intensity of the lecithin oxidation and composition of its phospholipids. It is agree with the earlier obtained data about the influence of the chemical toxic agents under their intake into the body on the lipid peroxidation state in tissues of animals. In is established that the copper ions participate in the initiation of lecithin oxidation and form complex with its phospholipids. This influences on the ability of lecithin to the self-aggregation and electrophoretic properties of formed particles. Thus, the lipid component lability of the natural lipids allows us to reveal the action of components of the natural medium on the biological systems of various complexity even on the level of the complex biological model systems.

 лецитин автоокисление УФ-спектрометрия метод Гаусса светорассеяние мицеллообразование ξ-потенциал тиофосфат натрия ионы двухвалентной меди lecithin autoxidation UV-spectroscopy Gauss method dynamic light scattering formation of micelles ξ-potntial sodium thiophosphate copper(II) ions

Ло Ш., Ли В. Наноструктуры в очень разбавленных водных растворах. Росс. Химический ж., 1999, т. 43, № 5, с. 40-48. Lo Sh., Li V. Nanostructures in a very dilution water solutions. Rossiysky Kimichesy Zhurnal, 1999, vol. 43, no. 5, pp. 40-48. (In Russ.) Бурлакова Е.Б. Особенности действия сверхмалых доз биологически активных веществ и физических факторов низкой интенсивности. Росс. Химический ж., 1999, т. 43, № 5, с. 3-11. Burlakova E.B. Peculiarities in the action of the biologically active substances at the ultra-low doses and the physical factors of the low intensity. Rossiysky Kimichesky Zhurna,1999, vol. 43, no. 5, pp. 3-11. (In Russ.) Шишкина Л.Н., Полякова Н.В., Мазалецкая Л.И., Беспалько О.Ф., Кушнирева Е.В. Противолучевые свойства феноксана при низкоинтенсивном γ-облучении в малой дозе. Радиац. биология. Радиоэкология, 1999, т. 39, № 2-3, с. 322-328. Shishkina L.N., Polyakova N.V., Mazaletskaya L/I/. Bespal’ko O.F. The radioprotective properties of Phenoxane under low dose and low-intensity γ-irradiation. Radiaz. Biologiya. Radioekologiya, 1999, vol. 39, no. 2-3, pp. 322-328. (In Russ.) Zhernovkov V.R., Roshchina I.A., Zubareva G.M., Shmatov G.P., Lokshin B.V., Palmina N.P. The Study of Thyrotropin-Releasing Hormone Effect in a Wide Concentration Range on the Aquifer System by IR-Spectroscopy Method. Water, 2010, vol. 27, pp. 58-68. Zhernovkov V.R., Roshchina I.A., Zubareva G.M., Shmatov G.P., Lokshin B.V., Palmina N.P. The Study of Thyrotropin-Releasing Hormone Effect in a Wide Concentration Range on the Aquifer System by IR-Spectroscopy Method. Water, 2010, vol. 27, pp. 58-68. Belov V.V., Belyaeva G.P., Shmatov G.P, Zubareva G.M., Palmina N.P. IR spectroscopy of thin water layers and the mechanisms of action α-tocopherol in ultra low concentrations. Doklady Physical Chemistry, 2011, vol. 439, no. 1, pp. 123-126. Belov V.V., Belyaeva G.P., Shmatov G.P, Zubareva G.M., Palmina N.P. IR spectroscopy of thin water layers and the mechanisms of action α-tocopherol in ultra low concentrations. Doklady Physical Chemistry, 2011, vol. 439, no. 1, pp. 123-126. Konovalov A.I., Mal’tseva E.L., Ryzkina I.S., Murtazina L.I., Kiseleva Yu.V., Kasparov V.V., Pal’mina N.P. Formation of Nanoassociates is a Factor Determining Physicochemical and Biological Properties of Highly Diluted Solutions. Doklady Physical Chemistry, 2014, vol. 456, no. 2, pp. 86-89. Konovalov A.I., Mal’tseva E.L., Ryzkina I.S., Murtazina L.I., Kiseleva Yu.V., Kasparov V.V., Pal’mina N.P. Formation of Nanoassociates is a Factor Determining Physicochemical and Biological Properties of Highly Diluted Solutions. Doklady Physical Chemistry, 2014, vol. 456, no. 2, pp. 86-89. Svydlkiy V.O., Shtamm E.V., Skurlatov Yu.I., Vichutinskaya E.V., Zaitseva N.I., Semenyak L.V. Intoxication of the Natural Aqueous Medium Resulting from Disbalance of Redox and Free-Radical Intrabasin Processes. Russ. J. Phys. Chemistry B, 2017, vol. 11, no. 4, pp. 643-651. Svydlkiy V.O., Shtamm E.V., Skurlatov Yu.I., Vichutinskaya E.V., Zaitseva N.I., Semenyak L.V. Intoxication of the Natural Aqueous Medium Resulting from Disbalance of Redox and Free-Radical Intrabasin Processes. Russ. J. Phys. Chemistry B, 2017, vol. 11, no. 4, pp. 643-651. Membrane Lipid Oxidation. Ed. C. Vigo-Pelfrey. Boston: CRCPress, 1991, vol. 3, 300 p. Membrane Lipid Oxidation. Ed. C. Vigo-Pelfrey. Boston: CRCPress, 1991, vol. 3, 300 p. Shishkina L.N., Klimovich M.A., Kozlov M.V. Similarity Functioning of the Physicochemical Regulatory System of the Lipid Peroxidation on the Membrane and Organ Levels. Pharmaceutical and Medical Biotechnology. New Perspective. Eds. R. Orlicki, C. Cienciala, L.P. Krylova, J. Pielichowski, G.E. Zaikov, N.Y.: Nova Science Publishers, 2013, pp. 151-157. Shishkina L.N., Klimovich M.A., Kozlov M.V. Similarity Functioning of the Physicochemical Regulatory System of the Lipid Peroxidation on the Membrane and Organ Levels. Pharmaceutical and Medical Biotechnology. New Perspective. Eds. R. Orlicki, C. Cienciala, L.P. Krylova, J. Pielichowski, G.E. Zaikov, N.Y.: Nova Science Publishers, 2013, pp. 151-157. Isakawa T., Matsushita S. Coloring conditions of thiobarbituricacid test for detecting lipid hydroperoxides. Lipids, 1980, vol. 15, no. 3, pp. 137-140. Isakawa T., Matsushita S. Coloring conditions of thiobarbituricacid test for detecting lipid hydroperoxides. Lipids, 1980, vol. 15, no. 3, pp. 137-140. Биологические мембраны: методы. Под ред. Дж.Б.С. Финдлея, В.Х. Эванза. М.: Мир, 1990, 423 с. Biologicheskiye membrany: metody. Eds. J.B.C. Findley, W.H. Evanz. Moscow, 1990, 423 p. (In Russ.) Шишкина Л.Н., Кушнирева Е.В., Смотряева М.А. Новые подходы к оценке биологических последствий воздействия радиации в малых дозах. Радиац. биология. Радиоэкология, 2004, т. 44, № 3, с. 289-295. Shishkina L.N., Kushnireva Ye.V., Smotryaeva M.A. A new approach to assessment of biological consequences of exposure to low-dose radiation. Radiaz. Biolofiya. Radioekologiya, 2004, vol. 44, no. 3, pp. 289-295. (In Russ.) Шишкина Л.Н., Смирнова А.Н., Мазалецкая Л.И., Дубовик А.С., Швыдкий В.О. Взаимосвязь физико-химических свойств с составом липидов из листьев и сока алоэ древовидного. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2021, т. 6, № 1, с. 148-153. Shishkina L.N., Smirnova A.N., Mazaletskaya L.I., Dubovik A.S., Shvydkiy V.O. Interrelation of the physicochemical properties with composition of lipids from leaves and juice of Aloe arborescens Mill. Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2021, vol. 6, no. 1, pp. 148-153. (In Russ.) Брин Э.Ф., Травин С.О. Моделирование механизмов химических реакций. Химическая физика, 1991, т. 10, № 6, с. 830-837. Brin E.F., Travin S.O. Modeling mechanisms of the chemical reactions. Khimicheskaya fizika, 1991, vol. 10, no. 6, pp. 830-837. (In Russ.) Hielscher R., Hellwig P. Specific far infrared spectroscopic properties of phospholipids. Spectroscopy: An International J., 2012, vol. 27, iss. 5-6, pp. 525-532. Hielscher R., Hellwig P. Specific far infrared spectroscopic properties of phospholipids. Spectroscopy: An International J., 2012, vol. 27, iss. 5-6, pp. 525-532. Marakulina K.M., Kramor R.V., Lukanina Yu.K., Plashchina I.G., Polyakov A.V., Fedorova I.V., Chumicheva I.Yu., Kutchin A.V., Shishkina L.N. Effect of Nature of Phospholipids on the Degree of Their Interaction of Isobornylphenol Antioxidants. Russ. J. Phys. Chem. A, 2016, vol. 90, no. 2, pp. 286-292. Marakulina K.M., Kramor R.V., Lukanina Yu.K., Plashchina I.G., Polyakov A.V., Fedorova I.V., Chumicheva I.Yu., Kutchin A.V., Shishkina L.N. Effect of Nature of Phospholipids on the Degree of Their Interaction of Isobornylphenol Antioxidants. Russ. J. Phys. Chem. A, 2016, vol. 90, no. 2, pp. 286-292. Neumann H., Steinberg I.Z., Katchalski E. Reduced properties of Phosphorothioate. J. Amer. Chem., Soc., 1965, vol. 87, pp. 3841-3848. Neumann H., Steinberg I.Z., Katchalski E. Reduced properties of Phosphorothioate. J. Amer. Chem., Soc., 1965, vol. 87, pp. 3841-3848. Shishikina L.N., Kozlov M.V., Povkh A.Yu., Shvydkiy V.O. Role of the Lipid Peroxidation in the Assessment of Exposure to Chemical Toxicants on Bio-Objects. Russ. J. Phys. Chem. B, 2021, vol. 15, no. 5, pp. 861-867. Shishikina L.N., Kozlov M.V., Povkh A.Yu., Shvydkiy V.O. Role of the Lipid Peroxidation in the Assessment of Exposure to Chemical Toxicants on Bio-Objects. Russ. J. Phys. Chem. B, 2021, vol. 15, no. 5, pp. 861-867. Lyalina E.I., Fokina A.I., Ashikhmina T.Ya., Olkova A.S., Beresneva E.V., Darovskikh I.V., Yarmolenko A.S. Comprehensive chemical-toxicological research of copper (II) sulfate solutions containing reduced glutation. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya, 2018, no. 2, с. 101-107. Lyalina E.I., Fokina A.I., Ashikhmina T.Ya., Olkova A.S., Beresneva E.V., Darovskikh I.V., Yarmolenko A.S. Comprehensive chemical-toxicological research of copper (II) sulfate solutions containing reduced glutation. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya, 2018, no. 2, c. 101-107. Jones C.M., Burkitt M.J. EPR spin-trapping evidence for the direct, one electron reduction of tert-butylhydroperoxide to the tert-bytoxyl radical by copper (II): paradigm a previously overlooked reaction in the initiation of lipid peroxidation. J. Amer. Chem., Soc., 2003, vol. 125, no. 23, pp. 6946-6954. Jones C.M., Burkitt M.J. EPR spin-trapping evidence for the direct, one electron reduction of tert-butylhydroperoxide to the tert-bytoxyl radical by copper (II): paradigm a previously overlooked reaction in the initiation of lipid peroxidation. J. Amer. Chem., Soc., 2003, vol. 125, no. 23, pp. 6946-6954. Шишкина Л.Н., Козлов М.В., Повх А.Ю., Швыдкий В.О. Воздействие химических токсикантов на регуляцию окислительных процессов. Биомедицинский журнал, 2020, т. 21, с. 799-809. Shishikina L.N., Kozlov M.V., Povkh A.Yu., Shvydkiy V.O. Action of the chemical toxicants on regulation of the oxidative processes. Medline.ru, 2020, vol. 21, pp. 799-809. (In Russ.)