Capitolul 2

 

            PRESIUNEA TIMPULUI ŞI FORMELE EI DE MANIFESTARE

  

     Caracterele definitorii ale presiunii timpului

     Structura şi proprietăţile oricărui obiect se modifică pe măsura trecerii timpului.

     După trecerea unui interval de timp, obiectul nu va mai fi identic cu cel de la începutul intervalului, chiar în condiţiile în care el ar fi complet izolat de mediul exterior deoarece, conform principiilor termodinamicii,  chiar şi într-un sistem izolat pot avea loc în mod spontan transformări care conduc la omogenizarea şi la uniformizarea sistemului. Aceste procese se desfăşoară ca urmare a existenţei unor 'tensiuni' în sistem numite forţe termodinamice, reprezentate de gradienţii unor parametri intensivi de stare cum sunt temperatura, presiunea, concentraţia, potenţialul electric etc.

     În sistem  vor avea loc fluxuri termodinamice, adică deplasări de căldură, electricitate, substanţă etc., până când particulele sistemului se vor găsi în acele poziţii care le oferă posibilitatea de a realiza numărul maxim de legături fizico-chimice în condiţiile date. Sistemul se va îndrepta cu o viteză finită către starea în care energia lui liberă (adică acea parte a energiei sale interne care se  poate transforma în lucru util) atinge valoarea minimă. Obiectul se învecheşte sau îmbătrâneşte de la sine, fapt manifestat prin schimbarea în timp a structurii şi a proprietăţilor lui.

     După cum se ştie, corpurile solide sunt afectate întotdeauna de defecte ale reţelei cristaline, fie sub forma nodurilor de reţea neocupate de particule, fie sub cea a unor particule aflate între noduri. Pe măsura trecerii timpului, ca urmare a vibraţiilor reţelei cristaline şi a mişcării de agitaţie termică a particulelor, aceste defecte migrează prin corpul solid şi au tendinţa de a se contopi atunci când drumurile lor se intersectează. După un timp suficient de lung, determinat de dificultăţile deplasării defectelor prin reţea şi de şansele intersectării traiectoriilor lor, obiectul solid va fi brăzdat de linii şi plane de dislocaţie iar proprietăţile lui mecanice vor fi alterate. Obiectul solid va îmbătrâni.

     Materialele plastice tind să se rigidizeze cu timpul datorită creşterii la nivel molecular  a numărului de legături intra şi inter catenare precum şi datorită unei tendinţe spontane de cristalizare.

     Aceste transformări nu sunt instantanee, deoarece ele presupun deplasări de particule precum şi reacţii fizico-chimice care se desfăşoară cu o viteză finită şi necesită timp. Acest timp creşte dacă particulele, în loc să abordeze drumul cel mai scurt, se deplasează pe trasee caracterizate de frecvente schimbări de direcţie (provocate, de exemplu, de coliziuni cu alte particule care se agită termic). Pentru a se angaja într-o reacţie chimică sau pentru a trece dintr-o configuraţie stabilă în altă configuraţie stabilă, o moleculă este nevoită să aştepte până când, printr-un concurs favorabil de împrejurări, va primi din partea mediului înconjurător energia necesară. Cu alte cuvinte, moleculele trebuie să aştepte producerea pur întâmplătoare a unei fluctuaţii termodinamice suficient de intensă chiar în imediata lor vecinătate, care să le transmită energia necesară tranziţiei.

      Acest timp de aşteptare poate fi de ordinul fracţiunilor de secundă, dar şi de ordinul secolelor sau mileniilor şi, aşa cum se va arăta mai departe, poate fi calculat pe baza  legilor fizicii.

     Un bun exemplu care ilustrează cele de mai sus este cel propus de  Schrödinger (1980). Un amestec  alcătuit din doi izomeri ai alcoolului propilic şi anume, izomerul 1 (CH3-CHOH-CH3)  şi izomerul 2 (CH3-CH2-CH2-OH), va sfârşi, cu timpul, prin a conţine numai cel de al doilea izomer, şi aceasta deoarece configuraţia izomerului 2 corespunde unui nivel de energie mai mic în comparaţie cu configuraţia primului izomer, iar sensul în care au loc tranziţiile spontane este cel de la stări cu energie mai mare către stări cu o energie mai mică. Pentru a putea avea loc o astfel de tranziţie este necesar, însă, ca, mai întâi, molecula izomerului 1 să primească din partea mediului înconjurător o anumită cantitate de energie numită energie de activare. Pentru aceasta, molecula izomerului 1 va fi obligată să aştepte până când, în microregiunea în care se află se vor fi întrunit condiţiile favorabile unei fluctuaţii termice pozitive de amploarea necesară procesului de activare.

     Evoluţia sistemelor izolate către stări caracterizate de o energie liberă minimă este previzibilă şi inevitabilă.

     Este de la sine înţeles că nimic din afară nu este în măsură să intervină în evoluţia unor sisteme izolate termodinamic, astfel încât se poate spune că doar timpul este unica variabilă independentă în raport cu care se poate descrie îmbătrânirea ireversibilă a acestor sisteme izolate.

    În acest sens, expresia metaforică de 'presiune a timpului' se justifică, deoarece timpul pare să fie singurul factor ce controlează şi garantează  evoluţia  ireversibilă a sistemului considerat. Acest fapt este într-atât de adevărat încât, aşa cum s-a arătat în capitolul precedent, sensul de evoluţie spontană a proceselor ce se desfăşoară într-un sistem termodinamic este cel care decide sensul curgerii timpului, stabileşte săgeata termodinamică a timpului.

     În cazul sistemelor neizolate lucrurile se complică, deoarece transformările lor pot avea orice sens de desfăşurare, în funcţie de aportul de energie şi de entropie din exterior. Există, astfel, posibilitatea ca sistemul să nu îmbătrânească odată cu trecerea timpului sau chiar să 'întinerească'.

     De asemenea, în cazul sistemelor neizolate, presiunea timpului (aşa cum va fi definită în acest capitol) se poate realiza nu numai prin fenomene intrinseci obiectului ci şi prin acele influenţe exterioare pe care obiectul considerat nu le poate evita în condiţiile date în care se află (de exemplu, câmpul gravitaţional, radiaţiile cosmice etc.).

     În cazul sistemelor vii, la toate acestea se adaugă  efectele atacului chimic declanşat de numeroase specii moleculare reactive (printre care un loc de frunte îl ocupă radicalii liberi) şi efectele unor substituţii izotopice înăuntrul unor biomolecule. Inevitabilitatea unor asemenea efecte provine din faptul că organismele sunt obligate să preia din mediul înconjurător substanţe (alimente, apă şi oxigen) care sunt surse potenţiale de radicali liberi şi de izotopi grei, pentru a nu vorbi de faptul că viaţa nu este posibilă fără desfăşurarea miilor de reacţii chimice care alcătuiesc metabolismul celular de pe urma cărora apar, printre altele, numeroşi produşi intermediari de reacţie foarte agresivi.

     Presiunea timpului are ca rezultat uzura inevitabilă a obiectelor, chiar dacă acestea se mulţumesc doar să existe, imobile şi inactive  în timp. Această uzură este mult mai accentuată dacă obiectul considerat este o parte a unei maşini aflată în funcţie; creşterea gradului de uzură devine exponenţială din momentul în care se instalează un cerc vicios în care alterarea funcţiei provoacă alterări ale structurilor iar acestea generează, la rândul lor, noi alterări ale funcţiei.

     Este de la sine înţeles că obiectele, în general, şi structurile vii în particular, sunt expuse şi riscului de a deveni victime ale unor accidente grave care duc la distrugerea lor parţială sau totală. Printre astfel de accidente se numără rupturi sau zdrobiri, incinerări, otrăviri, inaniţie, atacuri biologice (din partea viroizilor, a viruşilor, a bacteriilor, a paraziţilor), mergând până la uciderea fiinţelor vii de către agresori sau animale de pradă. Organismele care supravieţuiesc, totuşi, unor astfel de accidente rămân marcate de sechele, iar ritmul lor de îmbătrânire creşte. Cu toate acestea, accidentele astfel definite nu pot fi incluse în rândul proceselor care realizează presiunea timpului, deoarece ele au caracter conjunctural şi pot fi evitate cu mai multă sau mai puţină uşurinţă.

     Din cele de mai sus rezultă că presiunea timpului exercitată asupra unei anumite clase de obiecte (vii sau nevii) se realizează prin  procese care trebuie să respecte următoarele criterii:

     a) să afecteze, fără excepţie, toate obiectele aparţinând acelei categorii, indiferent de momentul şi de locul în care s-ar afla aceste obiecte

     b) să acţioneze la nivel molecular, în mod difuz şi aleatoriu, atât în spaţiu cât şi în timp

     c) să se soldeze cu modificări ireversibile ale compoziţiei, conformaţiei sau configuraţiei moleculelor afectate precum şi a modului de aranjare al  acestor molecule în structuri supramoleculare

     d) să favorizeze acumularea în timp a moleculelor alterate, a impurităţilor, a defectelor etc.

     e) să fie inevitabile, în sensul că atât procesele în discuţie cât şi efectele lor să fie de neînlăturat (la nivelul cunoştinţelor şi al tehnicii zilelor noastre)

     În cazul structurilor vii nu este exclusă (ba chiar, după unii, este foarte probabilă) posibilitatea  desfăşurării unor procese controlate genetic, care duc la senescenţă; aceste procese nu pot fi incluse în rândul celor care alcătuiesc presiunea timpului, deoarece nu respectă cel de al doilea criteriu menţionat mai sus, fiind neîntâmplătoare (ca urmare a predeterminării lor spaţiale şi temporale).

 

     Principalele forme de manifestare a presiunii timpului

     a) agitaţia termică a moleculelor

     Se ştie că la temperaturi mai mari de zero absolut (-273,16°C), moleculele sunt animate de mişcări care pot fi de translaţie (de-a lungul celor trei direcţii ale spaţiului),  de rotaţie (în jurul a două axe) precum şi de   vibraţie în jurul unei poziţii fixe (în total, şase grade de libertate de mişcare). Energia acestor mişcări depinde de temperatură.

     Conform principiului echipartiţiei energiei, energia cinetică medie care măsoară mişcarea moleculei de-a lungul unui  grad de libertate este kT/2 unde k este constanta lui Boltzmann (1,38.10-23 J/K) iar T este temperatura absolută a sistemului din care face parte molecula. Valoarea produsului kT este, pentru temperatura de 37°C (310 K), 4,3.10-21 J sau 0,0267 eV (un electron-volt fiind energia cinetică de  1,6.10-19 J pe care o dobândeşte un electron sub influenţa unei diferenţe de potenţial electric de 1 volt).

     Într-un corp aflat la această temperatură există şi molecule care au energii superioare sau inferioare  valorii calculate mai sus (care este o valoare medie). Moleculele care participă la realizarea presiunii timpului sunt mai ales acelea care au energii mai mari (sau mult mai mari) decât energia medie şi aceasta în ciuda faptului că ele sunt cu atât mai puţine  cu cât au  energii mai mari. Desigur, nu este vorba de mereu aceleaşi molecule  ci de molecule care dobândesc la un  moment dat energii mari iar acestea sunt mereu altele ca urmare a transferului de energie de la moleculă la moleculă, prin ciocniri neîncetate.

     O structură biologică normală presupune o compoziţie atomică şi o configuraţie normale (în conformitate cu instrucţiunile genetice) a moleculelor care intră în alcătuirea ei precum şi o dispunere a acestor molecule în conformaţii tridimensionale corecte.

     Schimbările care pot surveni, atât la nivelul configuraţiei stabile a unei molecule cât şi la cel al conformaţiei unei (sau unor) macromolecule, necesită, pentru a fi iniţiate, energii de activare constând în creşterea energiei moleculei sau a macromoleculei cu un număr W de jouli şi având ca rezultat atingerea unui nivel superior de energie.

     Probabilitatea ca molecula să fie ridicată la acest nivel superior de energie, ca urmare a ciocnirilor ei cu alte molecule, depinde de surplusul necesar de energie W precum şi de temperatura medie a sistemului T. Această probabilitate poate fi exprimată şi prin 'timpul de aşteptare' care reprezintă intervalul mediu de timp necesar pentru ca în vecinătatea moleculei să apară o fluctuaţie termică în măsură  să ofere surplusul cerut de energie. Acest timp de aşteptare este cu atât mai mare cu cât raportul W/kT este mai mare; de fapt, timpul de aşteptare depinde exponenţial de acest raport conform relaţiei t = t e W/kT  unde t este o constantă având valoarea cuprinsă între 10-13 şi 10-14 s.

     O asemenea funcţie exponenţială este  folosită pentru a evalua probabilitatea  ca o cantitate de energie W să se acumuleze accidental într-un punct din sistem.

     Se poate calcula că, de exemplu, pentru W=30 kT, timpul de aşteptare este de 0,1 s dar creşte la 16 luni pentru W=50 kT şi la 30.000 de ani pentru W=60 kT (Schrödinger, 1980).

     Pentru ca asemenea salturi energetice să contribuie cu adevărat la realizarea presiunii timpului este necesar ca ele să fie suficient de mari pentru a putea produce o schimbare semnificativă a configuraţiei moleculelor (şi nu numai vibraţii, capabile doar să le anime pentru un timp).

     În al doilea rând, schimbarea de configuraţie trebuie să fie stabilă; cu alte cuvinte, revenirea la vechea  configuraţie să fie imposibilă sau foarte dificilă. Numai în acest mod efectele presiunii timpului se pot menţine şi acumula în timp. Pentru aceasta este nevoie, aşa cum s-a arătat mai sus, de egalarea sau depăşirea unui prag energetic, iar aceste creşteri de energie pot fi realizate doar dacă molecula dobândeşte energia necesară dintr-o sursă exterioară ei (agitaţie termică, radiaţii, reacţii chimice etc.).

     Toate trecerile fără prag de la o configuraţie la alta se realizează în mod continuu, sub forma unor simple fluctuaţii, şi nu pot avea un efect durabil, deoarece sunt urmate imediat de revenirea la starea iniţială,  sistemul alunecând spontan de la o stare de energie mai mare la o stare caracterizată de un nivel inferior de energie.

 

     b) Bombardament fotonic şi corpuscular

     Orice formă de viaţă are de suportat efectul radiaţiilor ionizante şi neionizante, provenite fie din  mediul înconjurător, fie din însăşi substanţa care alcătuieşte structura vie.

     În cazul în care particulele incidente au energii cinetice mai mici de 10 eV, ele vor reuşi doar să ridice unii dintre electronii moleculei bombardate pe nivele superioare de energie, fără a putea, însă, să-i scoată din edificiile atomice şi moleculare cărora le aparţin, şi aceasta deoarece energia minimă de ionizare a principalelor specii atomice care compun materia vie (H,O,N,C,P,S etc) este de ordinul a 10 eV.

     Aceste radiaţii se numesc radiaţii neionizante; energia lor este, însă, suficientă pentru a putea declanşa reacţii fotochimice (îndeosebi, polimerizări, depolimerizări şi izomerizări ale macromoleculelor). Un caz special îl constituie dimerizarea bazelor azotate ale acizilor nucleici, mai cu seamă dimerizarea timinei sub acţiunea razelor ultraviolete, proces care are consecinţe grave asupra celulelor afectate deoarece împiedică desfacerea lanţurilor complementare ale acidului dezoxiribonucleic (ADN) şi replicarea ulterioară a acestuia.

     Radiaţiile ionizante, alcătuite din fotoni sau din alte particule care transportă o energie cinetică mai mare de 10 eV, sunt capabile să producă efecte mult mai grave asupra structurii şi funcţiei materiei vii decât radiaţiile neionizante.

     În majoritatea cazurilor, impactul radiaţiilor ionizante cu structurile vii se face prin transfer de energie de la particulele incidente către moleculele de apă, deoarece moleculele de apă au cea mai mare şansă să fie nimerite, fiind cele mai numeroase şi mai răspândite molecule din sistemul viu. în urma acestui transfer de energie, molecula de apă pierde un electron şi devine ionul pozitiv H2O+ care se va descompune curând în ionul de hidrogen H+ şi în extrem de periculosul oxidril neutru OH, socotit ca fiind cel mai nociv radical liber (prin radical liber se înţelege un atom, un grup de atomi sau o moleculă care au în învelişul lor electronic un electron cu spinul necompensat).

     Electronul smuls moleculei de apă are o importantă energie cinetică şi, parcurgând câţiva nanometri, produce pe traseu o agitare violentă a moleculelor întâlnite, prilejuind acumulări locale de energie capabile să antreneze macromoleculele în reacţii chimice.

     Când energia electronului ajunge comparabilă cu energia  agitaţiei termice, el devine un electron hidratat sau un polaron, deoarece se înconjoară cu molecule de apă pe care le atrage electrostatic. în cele din urmă, electronul se va ataşa uneia dintre moleculele de apă iar aceasta va deveni ionul negativ H2O- care se va descompune curând în OH- şi radicalul liber H .

     Cei doi radicali liberi H şi OH proveniţi din radioliza apei sunt foarte reactivi din punct de vedere chimic şi au tendinţa de a se combina atât între ei cât şi cu alte molecule întâlnite în cale, cărora le modifică, astfel, compoziţia atomică, prejudiciind tot odată structura şi funcţia sistemului biologic în care se află  moleculele lezate. În prezenţa oxigenului, radicalii liberi menţionaţi se angajează în reacţii care duc la apariţia radicalului liber HO2 şi a moleculei de apă oxigenată H2O2 care au, la rândul lor, efecte distrugătoare asupra materiei vii.

     Macromoleculele importante pentru structura şi funcţia celulelor vii, cum sunt acizii nucleici şi proteinele enzimatice sau citoscheletale, pot fi victime directe ale radiaţiilor ionizante dacă absorb ele însele (şi nu prin intermediul moleculelor de apă) energia acestora.

     Interacţiunea materiei vii cu radiaţiile ionizante ce fac parte din fondul natural  de radiaţii este inevitabilă, deoarece printre sursele de iradiere se numără nu numai surse aflate în spaţiul cosmic şi nuclizi radioactivi tereştri exteriori structurii vii ci chiar nuclizi radioactivi aflaţi în compoziţia acestor structuri vii, ajunşi acolo prin alimentaţie, respiraţie sau pe alte căi. Dezintegrându-se, aceste nuclee produc o iradiere internă deosebit de periculoasă, iar prin transmutarea lor în elemente chimice ce nu există în mod obişnuit în acea structură vie, produce în continuare daune acesteia.

 

     c) Atacul chimic al radicalilor liberi

     Pentru a dispune de energia chimică necesară sintezelor, diviziunii celulare, contracţiei, excitaţiei etc., celulele vii sunt obligate să găzduiască reacţii chimice exoenergetice în care principalul element implicat este oxigenul.

     Dintr-un anumit punct de vedere, oxigenul biatomic O2 este o moleculă neobişnuită. După cum se ştie, electronii atomilor şi moleculelor au un moment cinetic de spin care poate lua două valori numerotate cu numerele cuantice 1/2 şi -1/2. In termeni mai puţin riguroşi dar mai sugestivi, electronii se rotesc în jurul propriei lor axe (mişcare de spin) şi o pot face în sensul convenţional al acelor de ceasornic sau în sens contrar.

     Conform principiului de excluziune al lui Pauli, doi electroni pot ocupa acelaşi nivel energetic numai dacă spinii lor sunt diferiţi sau antiparaleli sau, cu alte cuvinte, dacă îşi compensează reciproc spinii.

     În învelişul electronic al oxigenului molecular există, însă, doi electroni cu acelaşi număr cuantic de spin, adică doi electroni cu spini paraleli. Pentru a putea oxida o altă moleculă (adică pentru a-i putea provoca o pierdere de electroni), oxigenul trebuie să primească din partea acesteia tot doi electroni cu spini paraleli, ceea ce este foarte puţin probabil să se întâmple. Dificultatea unui astfel de transfer simultan de electroni este depăşită, însă, prin realizarea unui transfer în trepte, cei doi electroni fiind acceptaţi de oxigen în etape succesive. 

     Reducerea oxigenului în trepte succesive dă, însă, naştere la produşi intermediari cu mult mai reactivi decât oxigenul molecular şi care se pot dovedi nocivi pentru materia vie. Se poate vorbi despre 'paradoxul oxigenului', care se referă la  acest posibil rol nociv, în contrast cu principalul rol benefic jucat de oxigen, acela de a participa la reacţii ce oferă energia necesară  sintezei de ATP.

     Prima treaptă a reducerii oxigenului duce la apariţia radicalului liber superoxid O2-• şi are loc prin acceptarea de către oxigen a unui prim electron. Deşi nu foarte reactiv, superoxidul poate pune în pericol alte molecule cărora le sustrage cel de-al doilea electron necesar unei reduceri complete.

     Superoxidul este neutralizat cu ajutorul unei enzime numită superoxid-dismutază (SOD) care converteşte superoxidul la apă oxigenată ( 2 O2-• + 2 H+ SOD H2O2 + O2 )

     La rândul ei, apa oxigenată este neutralizată fie cu ajutorul catalazei (2 H2O2 catalază H2O + O2), fie cu participarea glutationului redus (GSH) şi a glutation-peroxidazei (GPx) (2 GSH + H2O2 GPx 2 H2O + GS-SG).

     Precauţia celulei de a se debarasa de H2O2 este justificată, deoarece apa oxigenată poate sta la baza producerii celui mai reactiv metabolit cunoscut în sistemele vii şi anume, a radicalului liber OH. Acest radical liber  apare printr-un mecanism de tip Fenton, care implică ioni feroşi chelaţi (XFe++) ce intervin în reacţia: XFe++ + H2O2 --- XFe+++ + OH- + OH

     Superoxidul se dovedeşte a fi periculos şi prin faptul că participă la refacerea rezervei de ioni feroşi chelaţi prin reacţia: XFe+++ + O2- --- XFe++ + O2

     Reacţia globală de producere a OH. se poate scrie :

 

     O2- + H2O2 --- O2 + OH- + OH

 

     Radicalul liber oxidril este produs cel mai adesea în imediata vecinătate a unor membrane fosfolipidice (mitocondriale, peroxizomale etc.) astfel încât primul său atac la adresa altor molecule se efectuează împotriva acizilor graşi polinesaturaţi, cărora le sustrage un hidrogen (adiţia ulterioară a unei molecule de oxigen soldându-se cu formarea de radicali peroxizi).

     Şi proteinele au reziduri de amino-acizi care sunt foarte sensibile la atacul prooxidanţilor (adică al speciilor reactive de oxigen menţionate mai sus); unele dintre efectele acestor atacuri sunt ireversibile, aşa cum este clivarea inelelor triptofanului şi histidinei. Proteinele astfel 'marcate' sunt, apoi, recunoscute ca atare de proteaze, distruse şi eliminate din celulă şi din organism.

 

     d) Interconectarea lanţurilor macromoleculare ('cross-linkage')

     Într-o structură biologică în care abundă lanţurile macromoleculare, în special cele ale proteinelor, acizilor nucleici sau ale hidrocarbonaţilor, producerea unei legături transversale între lanţuri (aşa numita 'cross-link') este, după cum afirmă Bjorksten (1974), reacţia chimică ce generează cel mai amplu efect nociv plecând de la cel mai mic nivel de interacţiune chimică.

     Mediul celular conţine o mare varietate de agenţi capabili să realizeze asemenea legături. Moleculele de acest tip dispun de două locuri de legare, fiecare ataşându-se la câte un lanţ macromolecular (sau la două porţiuni diferite ale aceluiaşi lanţ).

     Cel mai simplu agent de legare intercatenară este aldehida formică CH2O. Sunt identificate cel puţin opt reacţii care au loc în contextul metabolismului celular normal şi care dau naştere la formaldehidă (de exemplu, dimetilglicina + O2, sarcozina + flavin adenin dinucleotid, serina + aldolaza etc.) (Bjorksten, 1974).

     În cazul macromoleculei de ADN, legarea transversală a două lanţuri complementare este de natură să compromită  viaţa celulei, deoarece o reparaţie prin excizie a celor două regiuni de ADN aflate faţă în faţă şi legate între ele duce la pierderea definitivă a informaţiei necesare pentru reconstituirea moleculei de ADN. Dacă excizia nu are loc, rezultă un ADN în formă de Y, ceea ce face, de asemenea, neviabilă celula, pentru că despiralarea ADN nu mai este posibilă.

     Nu numai formaldehida poate iniţia legături intercatenare. S-a amintit de faptul că radiaţiile ultraviolete pot produce dimerizarea timinei. Radiaţiile ionizante pot şi ele declanşa interconexiuni ale lanţurilor macromoleculare.

     Se ştie că în procesul de tanare (tăbăcire) apar legături transversale între macromolecule ca urmare a prezenţei unor acizi graşi nesaturaţi, a unor gliceride sau a unor oxidanţi lipidici de tipul speciilor reactive de oxigen, aldehide, acroleină şi peroxizi. De asemenea, se ştie că în gelatina tratată cu acizi graşi nesaturaţi şi iradiată cu radiaţii ultraviolete apar numeroase legături transversale care duc, printre altele, şi la o creştere marcată a temperaturii de topire a gelatinei.

     Grăsimile nesaturate sunt ele însele predispuse la interconectare prin legături transversale (ceea ce le face extrem de folositoare în industria de lacuri şi vopsele dar nu reprezintă nimic bun pentru celulele vii).

     Aşa cum se va arăta mai departe (capitoul 8), glicaţia sau glicosilarea neenzimatică a proteinelor se soldează adesea cu producere de legături intercatenare.

    Tendinţa de realizare a legăturilor transversale este încurajată şi din punct de vedere termodinamic, dacă se ia în considerare principiul al doilea al termodinamicii, conform căruia un sistem tinde în mod spontan să ajungă în starea căreia îi corespunde cel mai mic  nivel al energiei libere.

     Scăderea energiei libere a unui complex macromolecular se poate realiza prin producerea numărului maxim de legături între diferitele situri ale acestor macromolecule. Printre aceste legături se numără legăturile de hidrogen, legăturile hidrofobe, legăturile electrostatice între grupări diferit ionizate, legăturile disulfidice precum şi legături intercatenare mediate de aldehide sau de alţi agenţi tananţi.

     Proteinele astfel legate pot deveni reziduri insolubile. în general, prin procesul de tanare apar complexe moleculare şi macromoleculare care conţin grupe prea mari sau prea polare pentru a se putea dizolva în faza lipidică precum şi grupe prea hidrofobe pentru a se dizolva în faza apoasă. Acest fapt poate pune mari probleme în homeostazia celulei, care este silită să asiste neputincioasă la acumularea în timp a unor astfel de reziduri.

     Evoluţia în timp a sistemelor macromoleculare poate fi identificată cu ceea ce, în tratatele mai vechi de chimie fizică, era definit ca proces de 'îmbătrânire a coloizilor'.

     Se pot face, de asemenea, comparaţii cu procesele lente şi aparent spontane de cristalizare ale unor mase plastice. 

 

     e) Substituţia izotopică

     Un număr de 71 de elemente chimice din totalul celor 92 existente în tabelul lui Mendeleev manifestă proprietatea de izotopie, în sensul că fiecare din aceste elemente există în natură sub forma unui amestec a cel puţin doi izotopi stabili (prin izotopi înţelegându-se atomi care ocupă acelaşi loc în tabelul periodic dar au mase atomice diferite ca urmare a unui număr diferit de neutroni în nuclee).

     Izotopii stabili nu se dezintegrează radioactiv (sau, dacă o fac, au un timp de înjumătăţire atât de mare încât nu poate fi determinat prin mijloacele tehnice actuale).

     În tabelul următor este prezentată compoziţia izotopică a patru dintre elementele chimice mai des întâlnite în materia vie.

 

Izotop

Abundenţă

naturală (%)

1H (protiu)

99,985

2H (deuteriu)

0,015

12C

98,9

13C

1,1

14N

99,65

15N

0,35

16O

99,76

17O

0,04

18O

0,2

 

    Se remarcă faptul că abundenţa naturală a izotopilor uşori este, în cazurile menţionate în tabel, net superioară celei a izotopilor mai grei.

     Diferenţele dintre proprietăţile fizico-chimice ale izotopilor aceluiaşi element sunt cu atât mai mari cu cât raportul dintre masa atomică a unui izotop greu şi cea a unui izotop mai uşor este mai mare.

     Valoarea egală cu 2 a raportului dintre masa atomică a deuteriului şi cea a hidrogenului uşor este o valoare maximă în comparaţie cu cele întâlnite în cazul izotopilor carbonului (1,08), ai azotului (1,07) sau ai oricărui alt element chimic. Rezultă că şi diferenţele între proprietăţile izotopilor hidrogenului sunt mai mari decât diferenţele dintre proprietăţile izotopilor altor elemente.

     Din aceleaşi motive, efectul izotopic produs prin substituirea hidrogenului uşor cu deuteriu în moleculele ce participă la reacţii chimice este mult mai mare decât cel observat în cazul altor elemente chimice.

     Prin efect izotopic se înţelege modificarea vitezei unei reacţii chimice ca urmare a înlocuirii unor atomi aflaţi în compoziţia moleculei respective cu izotopi ai acestor atomi. Dacă atomul substituit este el însuşi  transferat în cadrul reacţiei, atunci efectul izotopic poartă numele de efect izotopic primar. Dacă este vorba de substituirea unor atomi care nu sunt implicaţi direct în reacţia chimică respectivă, atunci modificarea vitezei de reacţie este mai mică şi poartă numele de efect izotopic secundar.

     Pentru ca substituirea izotopică să poată fi considerată o formă de manifestare a presiunii timpului este necesar fie ca rata substituirii să crească pe măsura trecerii timpului, în condiţiile în care sunt afectate macromoleculele cu turnover lent, fie ca moleculele care au suferit substituţia izotopică să-şi încetinească din această cauză turnoverul şi să se acumuleze cu timpul în structurile vii. Aşa cum se va arăta în cap.8, există unele dovezi care sprijină ipoteza conform căreia substituirea izotopică ia parte la realizarea presiunii timpului asupra structurilor vii. Pe de altă parte, substituirea izotopică este inevitabilă deoarece sistemul viu este, prin definiţie, un sistem deschis din punct de vedere termodinamic, care schimbă atât energie cât şi substanţă cu mediul extern.

 

     Efecte hormetice ale unor factori fizico-chimici

     Conform dicţionarului medical Stedman (1966), prin hormesis se înţelege un domeniu şiinţific care se ocupă cu efectele stimulante ale dozelor subinhibitorii de toxine; el face parte din hormologie, adică ştiinţa care studiază factorii stimulanţi şi excitanţi. Conform dicţionarului francez de medicină şi farmacie (Manuilo et al., 1971), termenul de 'hormese' este definit ca o proprietate particulară a unor substanţe care, administrate în cantităţi mici au o acţiune stimulantă iar în doze mari, o acţiune inhibitoare. Hormesis provine etimologic de la cuvântul grecesc hormao, al cărui sens este acela de a pune ceva în mişcare sau de a determina ceva să crească.

     Un exemplu de hormesis este cel al fluorurii de sodiu care, în doze mari, inhibă fluxul axoplasmic (transportul de substanţă de-a lungul axonilor celulelor nervoase) iar în doze mici îl accelerează (probabil prin determinarea creşterii cantităţii de ciclic-AMP în neuron) (Frolkis et al., 1985).

     Van Ewijk & Hoekstra (1993) se referă la hormesis ca la acţiunea subtoxică stimulatoare a unor factori fizico-chimici care în doze mari sunt toxici. Modelul logistic standard utilizat în toxicologie nu mai poate fi folosit atunci când intervine fenomenul de hormesis şi, de aceea, autorii dezvoltă un model special, aplicabil acestui domeniu.

     London & Feinendegen (1993) se referă la acţiunea hormetică a radiaţiilor, acţiune care nu mai poate fi ignorată, aşa cum demonstrează numeroase dovezi ştiinţifice acumulate în ultimul timp. Faptul că nivelele joase de radiaţii ionizante pot fi considerate ca benefice organismelor şi nu detrimentale are, printre altele, şi o importanţă de ordin economic. Acceptarea valorii hormetice a acestor doze de radiaţii ar face inutilă cheltuiala de fonduri băneşti pentru protecţia împotriva acestor radiaţii iar îngrijorarea produsă de extinderea poluării radioactive ar putea fi micşorată. După cum se ştie, principala sursă de iradiere din cadrul fondului natural de radiaţii este radonul, care este un gaz radioactiv emanat din sol ca urmare a dezintegrărilor şi care poate fi inhalat de vieţuitoare. în încăperile plasate la parterul sau subsolul unor clădiri care nu sunt prevăzute cu planşee de beton, radonul atinge concentraţii relativ mari, mai ales în condiţiile neaerisirii. Autorii conchid că a sosit timpul să se renunţe la două dintre paradigmele gândirii biomedicale :(i) toate radiaţiile ionizante sunt dăunătoare şi (ii) efectele dozelor joase de radiaţii ionizante pot fi deduse prin extrapolare, plecând de la efectele biologice ale dozelor mari şi mijlocii ale aceloraşi radiaţii.

     Neafsey et al. (1988) dezvoltă un model similar celui bazat pe funcţia lui Gompertz (capitolul 4) şi conform căruia logaritmul ratei mortalităţii specifice vârstei înaintate este o funcţie liniară a intensităţii medii a injuriilor pe care le suportă o populaţie omogenă. Autorii introduc în calcul şi o componentă care are ca efect micşorarea ratei mortalităţii, aşa numitul efect hormetic asupra longevităţii ('longevity hormesis'). Autorii consideră că, în timp ce efectele hormetice sunt reversibile, cele toxice se acumulează ireversibil. în acest sens, se poate aprecia că factorii hormetici ai mediului nu se constituie în forme ale presiunii timpului.

     Administrarea cronică în doze mici a unor substanţe toxice poate duce la prelungirea duratei vieţii chiar în prezenţa unei toxicităţi concomitente. Ca şi London & Feinendegen (1993), autorii menţionaţi pun la îndoială faptul că studiile legate de toxicitatea unor doze mari de substanţe administrate cronic pot furniza estimări realiste ale riscului expunerii la doze mici ale aceloraşi substanţe.

     Yakovlev et al. (1993) construiesc un model stochastic al hormesisului, menit să descrie efectele de prelungire a duratei vieţii, şi aparţinând unor agenţi fizico-chimici care se dovedesc dăunători în doze mari. Autorii consideră că există, concomitent, leziuni la nivel molecular şi celular produse de aceşti factori precum şi fenomene reparatorii, de asemenea la nivel molecular şi celular. Acestea din urmă pot înclina balanţa în favoarea lor şi devin, astfel, responsabile pentru efectele hormetice. Modelul permite interpretarea unor date experimentale legate de efectele hormetice ale iradierii prelungite şi ale administrării de procaină asupra longevităţii unor animale.

     Kopylov et al. (1993) constată că administrarea unor toxine (quinoid) în concentraţii apropiate acelora care se realizează în sângele şoarecilor după o iradiere cu 10 cGy de radiaţii gamma, face ca efectele unei iradieri de 7,5 Gy administrată două ore mai târziu să fie mult mai puţin grave, rata supravieţuirii crescând de la 10 - 20% la 80% iar pierderea în greutate fiind minimă.

     Calabrese & Baldwin (1993) publică un articol în care prezintă numeroase exemple de hormesis chimic.

     Nagaya et al. (1993) constată că expunerea cronică a omului la doze joase de tricloretilen, în loc să producă leziuni hepatice, influenţează pozitiv funcţiile hepatice legate de metabolismul colesterolului. Creşterea nivelului colesterolului din lipoproteinele de mare densitate, provocată de expunerea la nivele joase de tricloretilen, este considerată de autori ca un exemplu de hormesis chimic la om.

     Se pare că şi apa grea, care este toxică în concentraţii mari, are efect hormetic în concentraţiile mici apropiate ca valoare de concentraţia naturală (0.015 %).

     Somlyai et al. (1993) aduc dovezi conform cărora concentraţia naturală de deuteriu influenţează puternic rata de creştere a liniilor celulare animale in vitro. în concentraţie de 30 ppm  (părţi pe milion), deuteriul inhibă creşterea fibroblaştilor din linia L929, pentru ca în concentraţii puţin mai mari decât cea naturală să crească rata proliferării.

     Mai mult încă, administrarea de apă sărăcită în deuteriu pare să inhibe proliferarea tumorală în cazul şoarecilor cărora li s-au transplantat celule adenocarcinomatoase provenite de la cancer de sân.

     Asemenea efecte sunt asemănătoare celor produse de apa grea în concentraţii mari care, de asemenea, inhibă dezvoltarea tumorală; foarte probabil, însă, mecanismul de acţiune diferă mult în cele două cazuri.

     Faptul că abundenţa naturală a deuteriului pare a fi esenţială pentru declanşarea şi menţinerea ratei normale de creştere a celulelor, permite atribuirea calificativului de hormetic unor concentraţii mici de deuteriu, în contrast evident cu efectele dăunătoare sau chiar mortale ale deuteriului administrat în concentraţii mari.

 

Cuprins

Capitolul 3