Природата е страхотен химик

Голямата награда „Питагор“ за цялостен научен принос тази година получи проф. д.х.н. Тодор Дудев от Факултета по химия и фармация на Софийския университет „Св. Климент Охридски“. Приносите на учения са основно в две направления – вибрационна спектроскопия и молекулно моделиране на химични и биохимични процеси. В областта на вибрационната спектроскопия той е съавтор на няколко нови теоретични подхода за анализ и предсказване на интензивностите във вибрационните спектри, оценени високо от световната критика.

Проф. Тодор Дудев има редица приноси във вибрационната спектроскопия и молекулно моделиране на биохимични процеси

Всяко тяло с температура над абсолютната нула излъчва в инфрачервената област, която не може да се види с обикновено око, а само с уреди за нощно виждане. Има вид отровни змии (отровници) – роднини на нашата пепелянка, които живеят в пустинята. В предната част на главата си имат специален отвор, който анализира инфрачервеното лъчение на околната среда, включително и на мишките, с които те се хранят. И дори слепи змии лесно се ориентират с помощта на този апарат.

Когато молекулата е облъчена с инфрачервено лъчение, атомите започват да трептят. Те не са строго фиксирани и между тях няма химична връзка, това понятие е измислено от химиците, казва проф. Дудев. Просто има атоми със съответни електростатични сили, които ги държат около съответното равновесно положение. Те трептят, когато погълнат лъчение. И това дава възможност на учените да анализират параметрите на погълнатото лъчение – честота и интензивност. Така се получават инфрачервени спектри.
Анализът на тези спектри позволява да се изследват доста свойства на молекулата, които иначе не са достъпни за експеримент. Примерно как се променят електричните заряди и каква е тяхната флуктуация по време на молекулното движение.

„Разработихме няколко метода – казва проф. Дудев. – А книгата ни Vibrational Intensities („Вибрационни интензивности“) бе обявена за новата класика в областта. В Америка на две-три места дори преподават по нея. Тя позволява да се направи задълбочен анализ на механиката на молекулните трептения и предоставя подходи за предсказване на вибрационни спектри на молекули от интерес за науката и практиката.“
В последните години изследванията, които прави проф. Дудев, са върху био-
логични обекти. Около половината от всички белтъци съдържат метални катиони – калий, калций, желязо, манган, кобалт, мед, магнезий, цинк и т.н. Тези метални катиони обуславят до голяма степен свойствата на т.нар. металопротеини. Например дишането, фотосинтезата, стабилизацията на протеиновата структура, ензимният катализ, предаването на сигнали в клетката, коагулацията на кръвта – нито един от тези процеси не може да мине без участието на металните йони. Всичко е плод на транс-
формация и транспорт на метални йони. Сърдечният ритъм и сърцето, като цяло, мускулите работят с пренос на метали от една част на клетката към друга.

Усещането за болка, за вкус също минава през рецептори/центрове, свързани с метални йони.
„В процеса на еволюцията природата гениално е избрала около 20-ина метални йона, които да участват в тези биопроцеси. Тя е страхотен химик и е нагодила такива механизми, които да регулират концентрацията на тези метални йони и параметрите на съответните центрове на метално свързване в протеините – подчертава ученият. – И всеки протеин много специфично да избира дадения катион, с който да се свързва – примерно магнезиеви протеини определено се насочват към магнезия. А в клетката има цял куп от още много други катиони. Как един прост протеин без мозък може да си избере магнезия от цялата среда? Т.нар. селективност е много важен проблем за изследване. Усилията ни са насочени върху това да разберем как точно съответният протеин си избира правилния катион, за да може да работи. Защото, ако друг катион влезе и се свърже с активния център на белтъка, протеинът ще блокира (дезактивира). От 10 – 15 години изследвам с български и чуждестранни колеги какви са механиз-
мите на този процес на селективност.“

Учените имат изведени доста физически закономерности, които определят селективното избиране на магнезий, на калций или цинк от околната среда. Това са т.нар. биогенни катиони, които природата е избрала, за да участват в биопроцесите.
Останалите (абиогенни) метали от Периодичната таблица са малко пренеб-
регнати от процеса на еволюция, подчертава ученият. Това са живак, кадмий, олово, алуминий, литий, стронций и т.н. Човешкият организъм не е разработил методи, по които да ги отличава и отхвърля. Именно затова някои от тях навлизат в организма, имитирайки други метали. Например алуминият имитира магнезия по редица свойства и навлиза в организма по каналите, които използва магнезият. И това не може да бъде засечено.

„Алуминият навлиза в клетката и се свързва предимно с магнезиевите протеини, като ги инхибира и компрометира тяхното функциониране – обяснява проф. Дудев. – Така че доста голяма част от тези абиогенни метални йони използват такива „хитрини“, за да навлязат в организма, и в голямата си част го увреждат. Това е основният механизъм на токсичното им действие.
Изследваме и какви протеини се атакуват и какви механизми използват
тези вредни йони, за да ги блокират и нанесат вреда.“

Но сред тези абиогенни йони има и „добри“, подчертава ученият. Литият се използва доста широко в терапията на някои психиатрични заболявания, като биполярния синдром, което е много тежко заболяване. Установено е, че някои магнезиеви протеини при хора с това заболяване се натрупват в по-големи количества. И литият, който може да замести магнезия точно в такива протеини, които са в мозъка, и така да ги инхибира, се е нагодил към тези протеини, които са натрупани в по-голямо количество. Ако влезе в тях и измести магнезия, ще блокира тези свръхекспресирани протеини. И състоянието на пациента, страдащ от биполярен синдром, до голяма степен ще се нормализира. Така че част от тези абиогенни йони могат да бъдат полезни за здравето на хората.

„Наистина е цяло чудо, че едно най-просто металче като лития, което, като го йонизираме, остава само с два електрона, и досега е един от предпочитаните лекарствени препарати срещу биполярното разстройство – казва проф. Дудев. – Използват се литиев карбонат, литиев цитрат. На пазара има и доста други лекарства, но лития все още го водят като лекарство от първа линия. Той не може да излекува, но стабилизира ситуацията. Имаме няколко разработки в това направление. Механизмът все още не е изяснен и не знаем как това просто йонче извършва толкова сложна дейност. Но е факт, че още древните римляни, които не са знаели нищо за лития, са препоръчвали на хора с психични отклонения да посещават минерални извори. Те не са знаели какво има вътре, но са знаели, че водата в тях помага. И сега откриваме, че това са богати на литий води. Но все още не знаем кои точно протеини са податливи на литиева терапия и как точно действа целият набор от тях.

Друг пример за „добър“ метал е галият, който се ползва при ракови заболявания. Той може да измести желязото от туморните клетки, които много го обичат, натрупват го в себе си и бързо почват да нарастват, благодарение на няколко ензима, които ползват желязо. Галият, който е тривалентен, много добре наподобява тривалентното желязо и може да го измести. Но при желязото има окислително-редукционни процеси, при които химичният елемент прескача от желязо-2 към желязо-3. Това е каталитичният механизъм на действие. Галият обаче е само галий 3+ и няма тази способност да участва в тези ензимни процеси на базата на оксиредукционни процеси. И свързвайки се веднъж с този ензим, галият го дезактивира. Така нещата се връщат горе-долу в нормално състояние.
Стронцият се прилага за лечение на остеопороза при постменопауза при жените. И механизмът при него е същият – той измества калция от клетките, свързани с остеопорозата. Стронцият имитира калция. И когато навлезе в съответните рецептори, стимулира организма да натрупва повече калций. Но и самият стронций заздравява костите.

Известно е, че среброто има бактерицидно действие и е чудесно средство за борба с тежки патогени. Има едни доста опасни патогени, базирани на никела. И ако среброто ги замести, патогенът умира. За тези негови свойства хората знаят от незапомнени времена. Но учените още не са наясно как точно работи среброто, как убива микроорганизми.

„Когато навлязох в тази област, се изненадах колко бели петна има в нея, колко малко все още знаем – подчертава проф. Дудев. – Изследването на химичните процеси в организма е благодатна област. Много хора работят в нея, но и ние имаме място там. Имаме добри разработки, цитират ни. С вибрационна спектрофотометрия се занимават по-малко хора и цитируемостта е сравнително ниска – 100 – 200 цитата за 30 публикации. Докато в биообластта 20 – 30 публикации за кратко време събраха към
2000 – 3000 цитата.“