Воздействие хлороформа объяснили квантовыми эффектами

7VBTIvufRn81

Ученые увидели работу анестетиков по данным ЭПР от живых мух.

На фото: Две белковые альфа-спирали до и после присоединения атома ксенона. Видно, что при этом меняются высшие замещенные молекулярные орбитали, показанные розовым цветом. Изображение: Luca Turin et al., PNAS, 2014

Механизм действия летучих анестетиков связан с изменением квантового состояния электронов в белковых альфа-спиралях. К такому выводу пришли исследователи из лондонского Имперского колледжа и Биомедицинского исследовательского центра имени Александра Флеминга в Греции. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of sciences.

Авторы кратковременно парализовывали мух Drosophila при помощи углекислого газа, затем помещали их в атмосферу азота с добавлением одного из исследуемых летучих анестетиков: ксенона, гексафторида серы, закиси азота и хлороформа. Наркотизированных мух опускали в аппарат для измерения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

ЭПР используется в анализе химических реакций и позволяет измерять сигнал от неспаренных электронов. В норме неспаренные электроны в теле животных в основном локализованы в пигменте меланине, концентрация которого в организма хорошо известна, а также присутствуют в свободных радикалах, чей ЭПР-сигнал также изучен.

В ходе эксперимента оказалось, что за введением анестетиков следует резкое увеличение интенсивности сигнала, что говорило об увеличении концентрации неспаренных электронов. При этом их число сильно превышало то значение, которое ожидалось от меланина и свободных радикалов. Процесс этот оказался обратим для всех анестетиков, кроме хлороформа.

Ученые провели контрольный эксперимент с мухами, которые в результате наличия мутаций устойчивы к данным анестетикам. ЭПР-сигнал в этом случае был значительно меньше, хотя для некоторых пар «мутант — анестетик» все же наблюдался. По мнению ученых, из приведенных результатов можно действительно делать выводы о наличии корреляции между действием анестетика и увеличением количества неспаренных электронов в организме.

Ксенон является химически и биологически инертным газом — этим обусловлена его популярность в качестве анестетика. Вопрос, которым задались авторы в дальнейшей работе, заключался в том, как ксенон в принципе может влиять на химию передачи нервного импульса, учитывая тот факт, что даже геометрически он представляет собой идеальную сферу, которая не обладает никаким специфичным сродством к белкам.

Для ответа на этот вопрос ученые при помощи метода функционала плотности провели компьютерное моделирование взаимодействия атома ксенона с белковой альфа-спиралью, образованной девятью аминокислотами. Результаты моделирования показали, что при таком взаимодействии изменяется строение высшей замещенной молекулярной орбитали (ВЗМО) альфа-спирали, что, по-видимому, и приводит к нарушению функции белков как передатчиков нервного импульса.

Механизм действия летучих анестетиков до сих пор остается неизученным. Известно, что они влияют на проводимость клеточных оболочек в нервных клетках. Для хлороформа, например, также известно, что он растворяется в липидных мембранах, из чего ученые делают вывод, что он таким образом нарушает проводимость нервного импульса. Более детального объяснения анестезирующего эффекта от летучих анестетиков сейчас нет.