CC BY
28
4
Биофизика и медицинская физика^
Proc. of the 1-st Intern. Scient. Conf. "Modern Problems of Organic Chemistry, Ecology and Biotechnology". Luga, St. Petersburg region, Russia, June 2001. Luga: University of Luga, 2001. P. 137—139.
14. Ленинджер А. Биохимия. M.: Мир, 1974. 958 с.
15. Moo-Young M., Shimizu T. Hydrocarbon fermentation using Candida Lipolitica. 11: A model for cell growth kinetics 11 Biotech. Bioeng. 1971. Vol. 12, № 6. P. 761-778.
16. Кантере B.M., Лалов В.В., Ефремов Ю.В., Ракитин В.Ю. К вопросу о механизме потребления жидких углеводородов микроорганизмами // Микробиологическая промышленность. 1972. № 4. С. 1-8.
17. Yoshida Е., \amane Т. Continuous hydrocarbon fermentation with colloidal emulsion feed. A kinetic model for two-liquid phase culture // Biotech. Bioeng. 1974. Vol. 16, № 5. P. 635-657.
18. Еанин П.Е. Теоретическая оценка устойчивости адсорбционного взаимодействия частиц твердой и жидкой дисперсных фаз в аппарате с перемешиванием // Сорбционные и хроматог-рафические процессы. 2006. Т. 6, N° 3. С. 486-497.
19. Еанин П.Е. Адсорбционное взаимодействие частиц твердой и жидкой дисперсных фаз в аппарате с перемешиванием. Теоретическая оценка вероятности дробления и устойчивости взаимодействия частиц в одном испытании // Сорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т. 7, № 3. С. 444-455.
20. Еанин П.Е. Адсорбционное взаимодействие частиц твердой и жидкой дисперсных фаз в аппарате с перемешиванием. Теоретическая оценка вероятности устойчивости взаимодействия частиц за время их пребывания в зонах аппарата // Сорбционные и хроматографические процессы. 2007. Т. 7, № 4. С. 618-630.
21. Комаров Е.В., Еанин П.Е. ^-Потенциал капель эмульсии «-алканов и его роль в транспорте субстрата в клетки дрожжей // Прикладная биохимия и микробиология. 2004. Т. 40, N° 3. С. 323-331.
22. Мусил Я., Повакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах. М.: Мир, 1984. 216 с.
23. Кларксон Д. Транспорт ионов и структура растительной клетки. М.: Мир, 1978. 368 с.
24. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекис-ное окисление липидов. М.: Наука, 1972. 252 с.
25. Скулачев В.П. Биоэнергетика. М.: Высшая школа. 1989. 271 с.
26. Карасевич Ю.Н. Экспериментальная адаптация микроорганизмов. М.: Наука, 1975. 178 с.
27. Иванов В.Н., Угодчиков Е.А. Клеточный цикл микроорганизмов и гетерогенность их популяций. Киев: Наукова Думка, 1984. 280 с.
28. Ильченко А.П. Сравнительное изучение окисления глюкозы и гексадекана в клетках дрожжей. Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Пущино: Ин-т биохимии и физиологии микроорганизмов РАН, 1982. 16 с.
29. Hiroco N., Katsuoki S., Minoru N. et al. Importance of Fe2+-ATF and the relative uniportance of OH in the metabolism of mitomijcin e-induced lipid peroxidation // Biochem. Biophys. Acta. Lipids and Lipid Metab. 1984. Vol. 796 (L71), № 3. P. 285-293.
30. Панкова Л.Н., Швинка Ю.Э., Бекер M.E., Слава Э.Э. Влияние аэрации на метаболизм Zumo-monas mobilis И Микробиология. 1985. Т. 54, N° 1. С. 140-145.
31. Лозинов А.Б. Влияние концентрации кислорода в среде на рост и окислительный обмен веществ микроорганизмов // Проблемы биохимии и физиологии микроорганизмов. Матер, межд. конф. Пущино: Наука, 1986. С. 13—25.
УДК 537.632.4/577.322
Е.Б. Шадрин, A.B. Ильинский, В.М. Капралова, В.О. Самойлов
МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА, РАССЕЯННОГО ВЗВЕСЬЮ ЭРИТРОЦИТОВ
Работа посвящена изучению магнитных свойств взвеси эритроцитов, выделенных из цельной крови путем центрифугирования. Эритроциты имеют форму двояковогнутого диска диаметром 7,5 мкм и толщиной на периферии 2,5 мкм,
в центре — 1,5 мкм. Эритроциты, взвешенные в жидкой плазме, которая представляет собой в основном физиологический раствор, собираются в эритроцитарные агрегаты — сверхструктуры в виде "монетных столбиков" или тороидов. Об-
^Научно-технические ведомости СПбГПУ 2'2009
разование сверхструктур, по-видимому обусловлено наличием у эритроцита магнитного момента, существование которого доказано в опытах по электронному парамагнитному резонансу, а также по ориентированию и слиянию эритроцитов в магнитном поле [1—3]. Вид такого эритроцитарного агрегата в виде монетного столбика показан на рис. 1, где представлено атомно-силовое изображение мазка, полученного высушиванием капли жидкой взвеси эритроцитов на воздухе.
Рис. 1. Атомно-силовое изображение эритроцитарных агрегатов
Для магнитооптических экспериментов взвесь эритроцитов, разведенная буферным раствором в отношении 1:100, помещалась в плоскую стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками, изготовленными из покровных стекол. Кювета устанавливалась между полюсами электромагнита. Линейно поляризованный лазерный луч, сфокусированный длиннофокусной (Г= 200 мм) линзой, проходил через отверстие в одном из полюсов магнита, попадал на поверхность кюветы, проникал сквозь ее переднюю
стенку внутрь жидкои взвеси и практически полностью рассеивался этой взвесью по всем направлениям (рис. 2). Заметим, что интенсивность излучения в прямом направлении на выходе из кюветы (ее толщина 2 мм) была ничтожно мала. Свет, рассеянный в обратном направлении под малым (около 0,5°) углом, попадал на призму Вол-ластона. При этом световые блики, зеркально отраженные от наружной и внутренней поверхностей передней стенки кюветы, уводились от входа оптической системы с целью исключения паразитной (не несущей информации о свойствах взвеси) засветки фотоприемников.
Анализируемый свет разделялся призмой Волластона на два луча со взаимно ортогональными линейными поляризациями. Каждый из этих лучей попадал на отдельный фотоприемник, причем последние были электрически включены навстречу друг другу и механически жестко связаны с призмой Волластона. Такая конструкция представляла собой оптический мост, позволявший осуществлять нулевой баланс двух сигналов поворотом всей системы вокруг оптической оси относительно плоскости поляризации входного луча и тем самым добиваться высокой точности угловых измерений. Использование параметрической модуляции (600 Гц), резонансного усиления и синхронного детектирования (на схеме не показаны) дополнительно повышало отношение сигнал/шум. Минимально регистрируемое значение угла поворота плос-
Рис. 2. Блок-схема установки для изучения магнитооптического эффекта Керра: 1 — электромагнит; 2 — кювета; 3 — гелий-неоновый лазер; 4 — длиннофокусная линза; 5 — модулятор; 6 — поляризатор; 7 — призма Волластона; 8 — фотоприемники; 9 — выходной
сигнал
4-
кости поляризации составляло Ю-5 рад. Величина индукции магнитного поля варьировалась в диапазоне от 0 до 0,84 Тл.
На рис. 3 представлены результаты магнитооптических измерений. Из них следует, что поворот плоскости поляризации линейно зависит от индукции магнитного поля (фарадеевс-кийугол вращения):
Аф =УВЬ, (1)
где Ь — глубина проникновения света в эритроцит, V— постоянная Верде.
Кроме того, изменение знака индукции магнитного поля меняет знак угла поворота плоскости поляризации на обратный (наблюдается, таким образом, нечетный магнитооптический эффект), и имеется остаточная намагниченность (т. е. хорошо выраженный магнитный гистерезис). С учетом того, что коэффициент поглощения лазерного излучения (X = 632,8 нм) составляет величину порядка 6*10"' см-1 [4], можно оценить величину Ь\ получаем значение 1,0—1,2 мкм, а это, в свою очередь, позволяет оценить из соотношения (1) постоянную Верде веществ, входящих в состав цитоплазмы эритроцита: V— (3— — 4)-104 мин-ТгГ'-см-1. Величина гистерезиса позволяет оценить значение коэрцитивной силы, оно оказывается равным приблизительно 0,03 Тл. Для сравнения приведем известные из литературы значения постоянной Верде для некоторых материалов, а именно, кварца — 0,017-104мин х х Тл_1'см_1, воды — 0,1*104 мин'Тл_1'См_1, гер-маносилленита (электрооптического кристалла) — 0,26Т04мин-Тл_|-см_| ижелезо-иттриево-го граната ("рекордсмена" в магнитооптическом отношении) — З0'104мин-Тл_|'см_| [6].
Сравнение с литературными данными показывает, что содержимое эритроцита обладает достаточно сильным магнитооптическим эффектом , хотя его постоянная Верде и не приближается к рекордным значениям, которые свойственны кристаллическим веществам. Для длины волны излучения гелий-неонового лазера X = 632,8 нм, руководствуясь соотношением
Аф = пЬ (п+ — п_)/Х,
получаем разность показателей преломления для право- и левоциркулярно поляризованных волн; она равна 0,2-КГ"\
Обнаруженный в данной работе поворот в магнитном поле плоскости поляризации лазер-
Биофизика и медицинская физика,
Аф, град
/ ✓ > /
5
-у £
у /
/ У г
/
0,4 0,3 0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
В, Тл
Рис. 3. Зависимости угла поворота плоскости поляризации света от индукции магнитного поля для крови здорового донора (стократное разведение фосфатным буферным раствором)
но го излучения, рассеянного взвесью эритроцитов, связан, как следует из общепринятых соображений, с расщеплением электронного спектра ионов железа гема во внешнем магнитном поле. Поясним сказанное.
Эритроцит представляет собой безъядерную клетку крови, состоящую из относительно жесткой наружной мембраны и внутренней полости, заполненной на 60 % водой, на 35 % — гемоглобином; на остальные 5 % приходится заполнение различными белковыми молекулами иного типа. Таким образом, основные белковые молекулы внутри эритроцита — это молекулы гемоглобина. Их местоположения фиксированы внутри эритроцита благодаря их связи с эритроцитар-ной мембраной посредством молекул спектрина; в результате фиксации образуется упорядоченная гексагональная структура спектрин-гемог-лобиновых комплексов. Молекула гемоглобина состоит из четырех субъединиц, каждая из которых гомологична миоглобину. Каждая из таких субъединиц содержит один гем и состоит из молекулы гема и сложного белка — глобина, внутри которого гем фиксирован химическими связями с окружением. Сам гем представляет собой органическую структуру, в состав которой входит порфириновое кольцо с ионом железа в центре (рис. 4).
Электронные переходы между внутренними энергетическими уровнями иона железа определяют оптическое поглощение в желто-зеленой области спектра и тем самым определяют крас-
Научно-технические ведомости СПбГПУ 2' 2009
Рис, 4 [5]. Высокоспиновый пятикоординированный атом Fe(ll) в дезоксигемоглобине
ный цвет крови, а свободные электроны, локализованные на молекулярной орбитали, не участвующей в создании связи с молекулой кислорода в случае дезоксигемоглобина, а также связей, фиксирующих положение этого иона в составе порфиринового кольца, определяют суммарный магнитный момент гема, равный 5,5 МБ (магнетонам Бора) [1]. Оксигемоглобин не обладает магнитным моментом.
Приложение внешнего магнитного поля расщепляет электронный энергетический уровень, соответствующий связывающей компоненте этой орбитали (заполненной электронами) на 12 компонент (число проекций суммарного магнитного момента 5,5 МБ на направление внешнего магнитного поля). Линейно поляризованный свет, распространяясь в толще вещества гемоглобина, разлагается на две взаимно ортогональные циркулярно поляризованные компоненты. Взаимодействие каждой компоненты с веществом описывается соответственно показателями преломления для право- и левоциркулярного лучей, смещенных по энергии кванта (величина смеще-
ния пропорциональна величине магнитного поля) друг относительно друга благодаря воздействию магнитного поля. При этом та электромагнитная волна, которая распространяется вдоль магнитного поля, соответствует одной из циркулярных компонент, и показатель преломления для нее оказывается большим по сравнению с таковым для другой циркулярно поляризованной компоненты. Благодаря разности показателей преломления на оптической длине пути создается разность хода право- и левоциркулярных компонент, которая обеспечивает на выходе из материала разность фаз колебаний световых векторов между поляризованными компонентами; эта разность фаз приводит к повороту плоскости поляризации выходящего света, который линейно зависит от величины магнитного поля, а это соответствует экспериментальным данным. Заметим, что наличие магнитного гистерезиса, наблюдавшегося нами, может быть связано с запоминанием молекулой гемоглобина своего состояния в процессе коллективных взаимодействий магнитных моментов четырех гемов внутри молекулы гемоглобина за счет гем-гемного взаимодействия [1].
Таким образом, в настоящей работе обнаружен поворот во внешнем магнитном поле плоскости поляризации света, рассеянного под углом около 180° взвесью эритроцитов в физиологическом растворе, который разбавлен буферным раствором. Определены постоянная Верде и коэрцитивная сила. Результаты интерпретированы с помощью модели, согласно которой магнитные свойства крови обусловлены суммарным магнитным моментом четырех гемов, входящих в состав молекулы гемоглобина и содержащих двухвалентный ион железа в центре порфиринового кольца.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Блюменфельд JI.A. Гемоглобин// Соросовс-кий образовательный журнал. 1998. № 4. С. 33—38.
2. Higashi Т., Yamagishi A., Takeuchi Т. et.al. Orientation of erythrocytes in a strong static magnetic field. Revue // Journ. "Blood" . 1993. Vol. 82. №4. P. 13281334.
3. Kramer I., Vienken K., Vienken J. et al. Magneto-electro-fusion of human erythrocytes // Biochem, Bio-phys. Acta. 1984. Vol. 772. № 3. P 407-410.
4. Sem'yanov K.A., Tarasov P.A., Soini J.T. et al.
Calibration-free method to determine the size and hemoglobin concentration of individual red blood cells from light scattering //Appl, Optics. Vol. 39, No. 31. P 5884-5889.
5. Зигель X.M., Ионы металлов в биологических системах. М,: Мир, 1982. 487 с.
6. Блистанов А.А. Акустические кристаллы. М,: Наука, 1982. 632 с.
