WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 


«МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» В МАКРОМОЛЕКУЛАХ ФЕРРИТИНА И ЕГО АНАЛОГОВ ...»

На правах рукописи

АЛЕНЬКИНА Ирина Владимировна

МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ

РАЗРЕШЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ЖЕЛЕЗНЫХ ЯДЕР» В

МАКРОМОЛЕКУЛАХ ФЕРРИТИНА И ЕГО АНАЛОГОВ

01.04.07 – Физика конденсированного состояния

03.01.02 – Биофизика

АВТОРОФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург – 2016

Работа выполнена на кафедрах «Экспериментальная физика» и «Физические методы и приборы контроля качества» Физико-технологического института ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Научный руководитель – доктор физико-математических наук Оштрах Михаил Иосифович

Официальные оппоненты: Пресняков Игорь Александрович, доктор физико-математических наук ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», ведущий научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета;

Филиппов Валентин Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», профессор кафедры прикладной ядерной физики

Ведущая организация – ФГБУН Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук

Защита состоится «02» декабря 2016 года в 15:00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.285.02 на базе ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19, ауд. И-420 (Зал Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.

Ельцина», http://lib.urfu.ru/mod/data/view.php?d=51&rid=258732

Автореферат разослан « 30 » сентября 2016 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ищенко Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Особенности структуры наноразмерных частиц представляют большой интерес для понимания их физических и функциональных свойств. В частности одним из важных и перспективных направлений является изучение наночастиц, синтезированных в живых организмах, а также их искусственных аналогов.

Примером таких наночастиц служат наноразмерные «железные ядра» в макромолекулах железодепонирующих белков – ферритинов. Эти белки обеспечивают живые организмы железом, необходимым для биосинтеза жизненно важных железосодержащих белков. При этом структура «железных ядер» в ферритинах, как синтезированных в разных органах одного организма, так и в различных организмах, отличается. С другой стороны, в случае недостатка железа в организме и возникающей в результате этого железодефицитной анемии для лечения последней применяются различные железосодержащие препараты, включая железо-полисахаридные комплексы, являющиеся синтетическими аналогами макромолекулы ферритина. В этом случае особенности структуры «железных ядер» аналогов ферритина могут определять эффективность этих препаратов.

Одним из наиболее чувствительных методов диагностики состояния ионов железа в различных объектах является мессбауэровская спектроскопия на ядрах Fe.





В частности, с помощью мессбауэровской спектроскопии можно исследовать связь структуры локального окружения и параметров сверхтонкой структуры ядер Fe. Возможности этого метода существенно возрастают при использовании мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением, т.е. с дискретизацией опорного сигнала скорости допплеровской модуляции на 4096 шагов (см. Oshtrakh M.I., Semionkin V.A. // Spectrochimica Acta, Part A. – 2013. – V.

100. – P. 78–87). Поэтому данный метод впервые применен для более детального изучения особенностей структуры наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его аналогов.

Степень разработанности Физические свойства макромолекул ферритина и его аналогов изучаются более сорока лет во многих лабораториях мира. Тем не менее, эти макромолекулы все еще остаются объектами различных исследований. В частности, это связано с тем, что структура наноразмерных «железных ядер» и особенности их формирования в различных макромолекулах ферритинов, а также их аналогов до сих пор недостаточно изучены ввиду чрезвычайной сложности этих объектов. До настоящего времени ведутся научные дискуссии по поводу особенностей формирования «железных ядер», в результате чего отсутствует общепринятое представление о модели структуры «железного ядра» как в различных ферритинах, так и в их аналогах. Поэтому дальнейшее изучение «железных ядер»

в макромолекулах ферритина и его аналогов различными физическими методами с целью разработки новых подходов к формированию представлений о структуре наноразмерного «железного ядра» остается актуальным.

Цель работы:

Изучение особенностей структуры наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина и его фармацевтически важных аналогов, а также в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови методом мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.

Задачи работы:

1. Характеризация исследуемых объектов (ферритина печени человека, тканей печени и селезенки и фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек) методами трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной спектроскопией, рентгеновской дифракции, электронного парамагнитного резонанса, термогравиметрии и магнитных измерений.

2. Измерение в температурном диапазоне 295–90 К мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в выделенном ферритине печени человека и его фармацевтически важных аналогах

– препаратах Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек.

3. Измерение при 295 К мессбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в ферритине бактерий Azospirillum brasilense (штамм Sp245) и в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки человека и куриц в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови.

4. Измерение в температурном диапазоне 80–20 К мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в выделенном ферритине печени человека и его фармацевтически важных аналогах

– препаратах Мальтофер® и Феррум Лек.

5. Измерение при 40 и 20 К мессбауэровских спектров с низким скоростным разрешением наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках в тканях печени и селезенки человека в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови.

6. Аппроксимация измеренных мессбауэровских спектров с использованием моделей гомогенного и гетерогенного «железного ядра» и получение оценок мессбауэровских параметров.

7. Анализ и интерпретация полученных мессбауэровских параметров во взаимосвязи со структурными особенностями наноразмерных «железных ядер» в исследуемых объектах.

Методология и методы Основным методом диссертационного исследования является мессбауэровская спектроскопия с высоким скоростным разрешением. В качестве дополнительных методов использовались мессбауэровская спектроскопия с низким скоростным разрешением, сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, термогравиметрия, магнитометрия, электронный парамагнитный резонанс и гистохимический анализ. Методология и методы исследования подробно описаны в Главе 2.

Научная новизна Выявлены структурные отличия «железных ядер» выделенного ферритина печени человека, ферритина бактерий Azospirillum brasilense (штамм Sp245), фармацевтических препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек в результате оценки параметров сверхтонкой структуры ядер Fe мессбауэровских спектров этих объектов, измеренных с высоким скоростным разрешением с высоким скоростным разрешением.

Показано, что барьер энергии магнитной анизотропии наноразмерных «железных ядер» в макромолекулах ферритина печени человека ниже, чем в его аналогах – препаратах Мальтофер® и Феррум Лек.

Впервые обнаружены аномальные температурные зависимости некоторых мессбауэровских параметров спектров макромолекул ферритина печени человека и его аналога – препарата Феррум Лек, которые могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».

Предложена новая модель гетерогенного «железного ядра» для аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина печени человека, ферритина бактерий Azospirillum brasilense (штамм Sp245), фармацевтических препаратов Мальтофер® и Феррум Лек, позволяющая связать выявленные компоненты спектров с соответствующими слоями/областями/нанодоменами «железных ядер» и оценить их структурные особенности.

Выявлены отличия в содержании ферритиноподобного железа, а также в долях более и менее плотно упакованных областей наноразмерных «железных ядер», характеризующихся соответственно меньшим или большим значением градиента электрического поля на ядрах Fe, в нескольких образцах тканей печени и селезенки здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови.

Защищаемые положения:

1. Величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах – препаратах Феррум Лек и Мальтофер®.

2. Температура Дебая для атомов железа, оцененная в модели гомогенного «железного ядра», составляет 461±16 К для ферритина печени человека и 502±24 К для его аналога – препарата Феррум Лек.

3. Аномальное поведение мессбауэровских параметров спектров наноразмерных «железных ядер» ферритина печени человека и его аналога – препарата Феррум Лек, обнаруженное в температурном диапазоне 295–90 К, может быть обусловлено низкотемпературными структурными перестройками.

4. Соотношение более плотно упакованных и менее плотно упакованных областей наноразмерных «железных ядер», характеризующихся соответственно меньшим и большим значением градиента электрического поля на ядрах Fe, различно в ферритине исследованных образцов тканей селезенки и печени здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови.

Научная и практическая значимость работы Показаны преимущества применения прецизионного высокостабильного мессбауэровского спектрометрического комплекса с высоким скоростным разрешением для получения новой более детальной информации об особенностях структуры наноразмерных «железных ядер» в различных макромолекулах ферритина и его аналогов – препаратов Феррум Лек и Мальтофер®.

Разработан новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров различных ферритинов и их аналогов на основе гетерогенной модели «железного ядра», который может быть использован в дальнейших исследованиях методом мессбауэровской спектроскопии аналогичных объектов, а также других железосодержащих наночастиц в парамагнитном состоянии.

Полученные данные об особенностях структуры и подходы к исследованию наноразмерных «железных ядер» в аналогах макромолекул ферритина могут быть использованы для разработки и контроля новых, более эффективных фармацевтических препаратов для лечения железодефицитной анемии.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы в учебных курсах для бакалавров и магистров специальностей «Нанотехнологии» и «Биомедицинская инженерия».

Данная работа выполнена в рамках проекта РФФИ 09-02-00055-а «Диагностические тесты для молекулярных болезней на основе данных мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением» (2009– 2011 гг.), госбюджетных тем «Мессбауэровская спектроскопия с высоким скоростным разрешением микро- и наноразмерных железосодержащих структур в объектах живой и неживой природы» (2009–2011 гг.), «Сверхтонкие взаимодействия ядер 57Fe в микро- и наноразмерных железосодержащих объектах живой и неживой природы по данным мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением» (2012–2013 гг.), «Спектроскопия микро- и наноразмерных материалов и биообъектов» (2014–2016 гг.).

Достоверность полученных в работе результатов Достоверность результатов обеспечена использованием современного аттестованного оборудования и соответствующих методов исследований, включая прецизионный высокостабильный мессбауэровский спектрометрический комплекс с высоким скоростным разрешением и малой инструментальной ошибкой по шкале скоростей, приходящейся на одну точку спектра, а также азотный криостат с движущимся поглотителем с ошибкой поддержания температуры менее ±1 К.

Личный вклад автора Формулирование цели и задач исследования, выбор изучаемых объектов и методов исследования проведены автором совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. М.И. Оштрахом. Автором подготовлены различные образцы для исследований, проведено планирование и проведение экспериментов. Автором проведена аппроксимация измеренных мессбауэровских спектров, анализ и интерпретация результатов проведены совместно с научным руководителем.

Обобщение результатов, формулирование выводов и защищаемых положений выполнены автором. В получении ряда результатов, их анализе и интерпретации помимо автора также участвовали E. Kuzmann, Z. Klencsr, S. Dubiel и I. Felner.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях: The XIII European Conference on Spectroscopy of Biological Molecules (Italy, Palermo, 2009), Colloquium Spectroscopicum Internationale (Hungary, Budapest, 2009; Brazil, Buzios, 2011; Portugal, Coimbra, 2015), International Conference on Molecular Spectroscopy (Poland, Krakw – Biaka Tatrzaska, 2009; Poland, Wroclaw – Kudowa Zdroj, 2011; Poland, Krakw – Bialka Tatrzaska, 2013), The 21st International Symposium on Pharmaceutical and Biomedical Analysis (USA, Orlando, 2009), European Congress on Molecular Spectroscopy (Italy, Florence, 2010; Romania, Cluj-Napoca, 2012; Germany, Dsseldorf, 2014), International Biometals Symposium (USA, Tucson, 2010; Belgium, Brussels, 2012), The 5th Central European Conference “Chemistry towards Biology”(Croatia, Primoten, 2010), The 7th Seeheim Workshop on Mssbauer Spectroscopy (Germany, Frankfurt, 2011), European Biophysics Congress (Hungary, Budapest, 2011, Germany, Dresden, 2015), The Joint Meeting of the International Conference on Hyperfine Interactions and the International Symposium on Nuclear Quadrupole Interactions (China, Beijing, 2012; Australia, Canberra, 2014), Международной конференции «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» (Россия, Суздаль, 2012; Россия, Суздаль, 2014), The 3rd International Conference on Analytical Proteomics (Brazil, San Pedro, 2013), International Conference on the Applications of the Mssbauer Effect (Croatia, Opatija, 2013), International Turkish Congress on Molecular Spectroscopy (Turkey, Istanbul, 2013;

Turkey, Antalya, 2015), Mssbauer Spectroscopy in Materials Science (Czech Republic, Hlochovec u Beclavi, 2014; Slovakia, Liptovsky Jan, 2016), The 14th International Conference on Modern Trends in Activation Analysis and The 11th international Conference on Nuclear Analytical Methods in the Life Sciences (The Netherlands, Delft, 2015), 2nd Mediterranean Conference on the Applications of the Mssbauer Effect (Croatia, Cavtat, 2016).

Публикации Основные результаты опубликованы в 50 работах, в том числе 17 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 31 тезис докладов на международных конференциях, 1 книжная глава в коллективной монографии по мессбауэровской спектроскопии, вышедшей в издательстве Wiley, 1 статья в межвузовском сборнике.

Объем и структура диссертационной работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 272 наименований. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц, 111 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, представлены защищаемые положения и апробация работы.

В первой главе «Особенности структуры и некоторых физических параметров наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и их фармацевтических аналогов» описана структура макромолекулы ферритина, содержащей наноразмерные «железные ядра» в виде оксигидроокиси железа в модификации ферригидрита, окруженного белковой оболочкой, а также структура аналогов ферритина, применяемых для лечения железодефицитной анемии, содержащих наноразмерные «железные ядра» в виде оксигидроокиси железа в модификации акагенита, окруженного оболочкой из различных полисахаридов.

Рассмотрены результаты более чем сорокалетнего исследования наноразмерных «железных ядер» ферритина и его аналогов различными физическими методами, такими как трансмиссионная электронная микроскопия (TEM), рентгеноструктурный анализ, рентгеновская дифракция (XRD), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), электронная дифракция и нанодифракция (ED и END), магнитометрия, EXAFS и мессбауэровская спектроскопия. Проведен подробный анализ параметров сверхтонкой структуры ядер 57Fe, полученных при аппроксимации мессбауэровских спектров, измеренных с низким скоростным разрешением. Показано, что, несмотря на существенный прогресс в изучении структуры и свойств этих макромолекул, остается еще много нерешенных вопросов в понимании структурно-функциональной взаимосвязи в этих белках.

На основе проведенного литературного обзора поставлены задачи для исследования с использованием метода мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.

Во второй главе «Объекты и методы исследования» дана характеристика исследуемых в настоящей работе образцов: выделенного ферритина печени человека, его фармацевтических аналогов (Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек), бактерий Azospirillum brasilense (штамм Sp245), содержащих ферритин, тканей печени и селезенки здоровых куриц и больных лимфоидным лейкозом, тканей печени и селезенки здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови – с указанием методов их получения и приготовления.

В этой главе также описаны методы исследования наноразмерных «железных ядер» в изучаемых образцах (рентгеновская дифракция, сканирующая электронная и трансмиссионная микроскопия, гистохимический анализ, термогравиметрия, электронный парамагнитный резонанс, магнитометрия и мессбауэровская спектроскопия) и использованное оборудование и установки. Более подробно обсуждаются характеристики мессбауэровского спектрометрического комплекса с высоким скоростным разрешением, созданного на базе прецизионного мессбауэровского спектрометра СМ–2201 (совместная разработка сотрудников УрФУ, Екатеринбург и Института аналитического приборостроения РАН, СанктПетербург) и модернизированного криостата с движущимся поглотителем с диапазоном температур 295–85 К (криостат – разработка НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону). Аппроксимация спектров осуществлялась с использованием программы Univem-MS (разработка НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону) по методу наименьших квадратов с использованием линий лоренцевой формы.

В результате аппроксимации проводилась оценка следующих мессбауэровских параметров:

ширины линий (), изомерного сдвига (), квадрупольного расщепления (ЕQ), квадрупольного сдвига () для магнитно расщепленных спектров, сверхтонкого магнитного поля (Heff), интенсивности линий, величины эффекта, относительной площади компонент спектров (S) и нормализованного статистического критерия (2). Качество аппроксимации спектров оценивалось по виду дифференциальных спектров, величин 2 и по оценке физического смысла параметров. Для оценки статистически достоверного изменения величины 2 при переходе от одной модели аппроксимации к другой использовалась величина стандартного отклонения 2 (). Также приведены характеристики стандартных поглотителей: Fe и нитропруссида натрия. Все изомерные сдвиги приведены относительно -Fe.

В третьей главе «Мессбауэровская спектроскопия наноразмерных «железных ядер» макромолекул ферритина и их фармацевтических аналогов» сначала рассмотрены результаты характеризации макромолекул ферритина и его аналогов методами TEM, SEM, EDS, XRD, ЭПР, термогравиметрии и магнитометрии.

Затем приведены результаты мессбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением выделенного ферритина печени человека и его аналогов

– препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек, а также бактерий, содержащих ферритин, при 295 и 90 К. Мессбауэровские спектры были аппроксимированы двумя способами в рамках моделей гомогенного и гетерогенного «железного ядра».

При аппроксимации одним квадрупольным дублетом, в предположении гомогенной структуры «железного ядра», были обнаружены отличия параметров сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров исследуемых образцов при 295 и 90 К. В предположении гетерогенной структуры «железного ядра» наилучшая аппроксимация мессбауэровских спектров ферритина печени человека и препаратов Мальтофер® и Феррум Лек была достигнута при использовании согласованной модели аппроксимации с близкими значениями площадей соответствующих компонент спектров, измеренных при 295 и 90 К, которая включала 4 квадрупольных дублета для ферритина и 5 квадрупольных дублетов для его аналогов Далее были измерены спектры выделенного ферритина печени человека и препаратов Мальтофер® и Феррум Лек при 20 и 40 К с низким скоростным разрешением (Рисунки 1 и 2, соответственно). На основании оценки различия в доле магнитных компонент в измеренных спектрах показано, что величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах – препаратах Феррум Лек и Мальтофер®, в то время как для самих аналогов величина барьера фактически одинаковая.

–  –  –

Рисунок 1 – Мессбауэровские спектры ферритина печени человека и препаратов Мальтофер и Феррум Лек, измеренные при 20 К с низким скоростным разрешением (250 каналов) на прямом ходе

–  –  –

Рисунок 2 – Мессбауэровские спектры препаратов Мальтофер® и Феррум Лек, измеренные при 40 К с низким скоростным разрешением (250 каналов) на прямом ходе В четвертой главе «Аномальное поведение параметров мессбауэровских спектров макромолекул ферритина и его аналогов в температурном диапазоне 295–90 к и особенности гетерогенной структуры «железных ядер» описаны результаты измерения мессбауэровских спектров ферритина и препарата Феррум Лек в диапазоне температур 295–90 К (Рисунок 3). В рамках модели гомогенного «железного ядра» этих образцов (грубая модель) были получены температурные зависимости изомерного сдвига (Рисунок 4).

Изменение изомерного сдвига обусловлено эффектом Доплера второго порядка:

(T) = (0) + SOD(T), где (0) – изомерный сдвиг при T=0 K, SOD(T) – доплеровский сдвиг второго порядка при температуре Т, определяемый по формуле:

–  –  –

Кроме этого, результаты аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина и препарата Феррум Лек показали аномальное уширение линии спектров, а также аномальное поведение площади спектров с понижением температуры (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Температурные зависимости ширин линий и площадей мессбауэровских спектров ферритина и препарата Феррум Лек, оцененных в рамках модели гомогенного «железного ядра». Стрелками обозначены значения температуры Т0, ниже которой наблюдается аномальное уширение линий. Пунктирными линиями обозначены линии тренда для значений ширин линий выше () и ниже () Т0 Далее было экспериментально показано, что наблюдаемое аномальное поведение ширины линии и площади мессбауэровских спектров с понижением температуры от 295 до 90 К не является следствием увеличения амплитуд вибраций в криостате и вибраций частиц порошковых образцов при движении в криостате, а также увеличения эффективной толщины поглотителя из-за роста вероятности эффекта Мессбауэра.

Также это аномальное поведение и S не является следствием замедления магнитной релаксации в наноразмерных «железных ядрах» ферритина и препарата Феррум Лек, поскольку, как было показано в Главе 3 (Рисунок 1), энергия барьера магнитной анизотропии для «железных ядер» в ферритине меньше, чем в препарате Феррум Лек. Следовательно, влияние замедления магнитной релаксации на уширение линии для мессбауэровских спектров препарата Феррум Лек должно было бы начаться при более высокой температуре, чем для ферритина, а в эксперименте получен противоположный результат.

Затем для аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина печени человека и препарата Феррум Лек, измеренных в диапазоне 295–90 К с высоким скоростным разрешением и при 83 К с низким скоростным разрешением, в рамках модели гетерогенного «железного ядра», была разработана новая модель, которая также была применена для спектров препарата Мальтофер®, измеренных при 295 и 90 К. В этой модели предположено, что каждая компонента спектра связана с конкретной областью/слоем/нанодоменом «железного ядра» с однородной структурой, в пределах которой локальное окружение ядер Fe одинаково и, следовательно, значения ширин линий этих компонент одинаковы, но могут свободно варьироваться в процессе аппроксимации. При этом структуры разных областей/слоев/нанодоменов «железного ядра» отличаются. Применение нового подхода к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов позволило провести наилучшую аппроксимацию суперпозицией пяти квадрупольных дублетов (Рисунок 6) и получить температурные зависимости мессбауэровских параметров для отдельных компонент спектров, которые могут быть связанны с различными слоями/областями/нанодоменами «железных ядер».

Например, квадрупольный дублет 1 с наименьшим значением EQ (наименьшим значением градиента электрического поля (ГЭП) на ядрах Fe) может быть сопоставлен с внутренней областью «железного ядра», обладающей наибольшей плотностью упаковки. И, наоборот, квадрупольный дублет 5 с наибольшим значением EQ (наибольшим значением ГЭП на ядрах 57Fe) может характеризовать слои с наименьшей плотностью упаковки. Остальные компоненты в зависимости от величины EQ могут быть связаны с промежуточными по плотности упаковки областями/слоями/нанодоменами. В рамках этой модели также были обнаружены аномальные температурные зависимости ширины линии и абсолютной площади спектров (Рисунок 7), а также выявлены аномальные температурные зависимости относительных площадей и изомерных сдвигов отдельных компонент спектров ферритина и препарата Феррум Лек (см. Рисунок 8 на примере препарата Феррум Лек).

В работе Heald et al. (Heald S.M., Stern E.A., Bunker B., Holt E.M., Holt S.L. // Journal of the American Chemical Society. – 1979. – V. 101. – P.67–73) при исследовании замороженного раствора ферритина методом EXAFS в температурном диапазоне 293–80 К авторы обнаружили, что при понижении температуры возникают значительные структурные изменения в «железных ядрах» ферритина, вероятно, из-за низкотемпературного фазового перехода.

Учитывая этот факт, можно предположить, что обнаруженные аномалии температурных зависимостей мессбауэровских параметров могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».

Новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина далее был применен для анализа спектров ферритина двух образцов бактерий A.

brasilense (штамм Sp245), приготовленных в различных средах, который позволил выявить отличия в гетерогенной структуре «железных ядер» ферритина этих образцов. Наилучшая аппроксимация спектров ферритина бактерий A. brasilense (штамм Sp245) была достигнута при использовании суперпозиции четырех квадрупольных дублетов (Рисунок 9). Несмотря на одинаковое количество компонент в модели аппроксимации, были выявлены небольшое отличие

–  –  –

0.458 35 1.600

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПЛОЩАДЬ, %

–  –  –

30 0.438 1.400 1.200 0.418 1.000 0.398 0.800 0.378 0.600 0.358

–  –  –

Рисунок 8 – Температурные зависимости относительной площади, изомерного сдвига и квадрупольного расщепления компонент мессбауэровских спектров препарата Феррум Лек, полученные в рамках новой модели гетерогенного «железного ядра»; компоненты спектров:

–1, – 2, – 3, – 4, – 5 (в соответствии с рисунком 6)

Образец 1 Образец 2

Рисунок 9 – Мессбауэровские спектры ферритина двух образцов бактерий A. brasilense (штамм Sp245), измеренные с высоким скоростным разрешением при 295 К и аппроксимированные в рамках новой модели гетерогенного «железного ядра», и сравнение полученных относительных площадей компонент спектров: – образец 1, – образец 2 В главе 5 «Мессбауэровская спектроскопия тканей, содержащих железодепонирующие белки, в норме и при некоторых злокачественных заболеваниях системы крови» рассмотрены результаты исследования тканей печени и селезенки, содержащих железодепонирующие белки, в норме и при злокачественных заболеваниях системы крови методом мессбауэровской спектроскопии. Поскольку в мессбауэровских спектрах тканей невозможно различить вклады ферритина и гемосидерина, а основным железодепонирующим белком является ферритин, то ферритиноподобное железо в тканях было ассоциировано с макромолекулами ферритина. Мессбауэровские спектры тканей селезенки и печени здорового человека и больных злокачественными заболеваниями системы крови были измерены при 295 К. Оказалось, что величина резонансного эффекта в спектрах существенно отличается для нормальных тканей и тканей больных, за исключением ткани селезенки больного лимфомой мантийной зоны. Это означает, что в тканях селезенки больных первичным миелофиброзом и острым миелолейкозом и печени больных лимфомой мантийной зоны и острым миелолейкозом содержание железа существенно выше, чем в нормальных тканях и селезенке больного лимфомой мантийной зоны.

Проанализированы причины повышенного содержания железа в тканях и показано, что повышение содержания ферритиноподобного железа в ткани селезенки больного первичным миелофиброзом является следствием увеличения количества макромолекул ферритина в ткани селезенки, а не увеличения количества ионов железа в «железном ядре» с ростом размеров последнего, как в

–  –  –

В рамках упрощенной модели гетерогенного «железного ядра» проведена аппроксимация мессбауэровских спектров тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови суперпозицией двух квадрупольных дублетов. Были выявлены небольшие отличия параметров сверхтонкой структуры компонент мессбауэровских спектров образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови. По величине квадрупольного расщепления эти дублеты были соотнесены с двумя областями наноразмерных «железных ядер», имеющих различную плотность упаковки (Рисунок 11).

Для оценки присутствия других соединений Fe(III) в тканях дополнительно были проведены измерения магнитных свойств тканей печени здоровых людей и больных злокачественными заболеваниями системы крови. В результате было показано, что все образцы тканей печени являются негомогенными и состоят из двух фаз: диамагнитной матрицы и магнитной фазы/фаз, которые проявляются в виде

–  –  –

Н Л О Н Л О

Н Л О М Н Л О М 10

БОЛЕЕ ПЛОТНО МЕНЕЕ ПЛОТНО БОЛЕЕ ПЛОТНО МЕНЕЕ ПЛОТНО

УПАКОВАННЫЕ УПАКОВАННЫЕ УПАКОВАННЫЕ УПАКОВАННЫЕ

ОБЛАСТИ ОБЛАСТИ ОБЛАСТИ ОБЛАСТИ

Рисунок 11 – Сравнение относительных площадей компонент мессбауэровских спектров тканей селезенки и печени, полученных при аппроксимации суперпозицией двух квадрупольных дублетов: норма (Н), лимфома мантийной зоны (Л), острый миелолейкоз (О) и первичный миелофиброз (М) Рисунок 12 – Кривые намагниченности ZFC нормальной печени человека (а), ZFC и FC ткани печени больного лимфомой мантийной зоны (б), ZFC и FC ткани печени больного острым миелолейкозом (в) В заключении отмечена возможность дальнейшего развития темы и сформулированы основные выводы диссертации:

1. Обнаружены отличия параметров сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров ферритина печени человека, его фармацевтических аналогов – препаратов Имферон, Мальтофер® и Феррум Лек, а также ферритина бактерий при 295 и 90 К, аппроксимированных в предположении гомогенной структуры «железного ядра».

2. Показано, что величина барьера энергии магнитной анизотропии для наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека ниже, чем в его аналогах – препаратах Феррум Лек и Мальтофер®, в то время как для самих аналогов величина барьера фактически одинаковая.

3. Температура Дебая для атомов железа, оцененная в рамках модели гомогенного «железного ядра», составляет D=461±16 К для ферритина печени человека и D=502±24 К для его аналога – препарата Феррум Лек.

4. Разработан новый подход к аппроксимации мессбауэровских спектров ферритина и его аналогов в рамках гетерогенной модели «железного ядра», предполагающий однородность структуры в пределах соответствующего слоя/области/нанодомена и позволяющий адекватно аппроксимировать мессбауэровские спектры ферритина печени человека и бактерий, а также препаратов Феррум Лек и Мальтофер® при различных температурах в диапазоне 295–90 К. Это позволило получить температурные зависимости мессбауэровских параметров для отдельных компонент спектров, которые были связанны с различными слоями/областями/нанодоменами «железных ядер».

5. В температурном диапазоне 295–90 К обнаружено аномальное изменение некоторых параметров мессбауэровских спектров наноразмерных «железных ядер»

ферритина печени человека и его аналога – препарата Феррум Лек, которые могут быть связаны с низкотемпературными структурными перестройками в соответствующих слоях/областях/нанодоменах «железных ядер».

6. Обнаружены отличия в содержании ферритиноподобного железа в тканях печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови. Показано, что переливание крови могло повлиять на увеличение содержания железа в селезенке больного острым миелолейкозом, в то время как существенное возрастание содержания железа в селезенке больного первичным миелофиброзом обусловлено в основном молекулярной природой патологии. Переливание крови не оказало существенного влияния на увеличение содержания железа в печени больного острым миелолейкозом.

7. В рамках упрощенной модели гетерогенного «железного ядра» проведена аппроксимация мессбауэровских спектров образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови суперпозицией двух квадрупольных дублетов, которые по величине квадрупольного расщепления были соотнесены с более плотно упакованными и менее плотно упакованными областями наноразмерных «железных ядер» в железодепонирующих белках, характеризующихся соответственно меньшим или большим значением градиента электрического поля на ядрах 57Fe.

8. Выявлены небольшие отличия параметров сверхтонкой структуры ядер Fe и отличия в соотношении областей наноразмерных «железных ядер» с различной плотностью упаковки для образцов тканей печени и селезенки здорового человека и трех больных злокачественными заболеваниях системы крови.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК России:

1. Oshtrakh, M.I. Biomedical application of Mssbauer Spectroscopy with a high velocity resolution: revealing of small variations / M.I. Oshtrakh, V.A. Semionkin, O.B.

Milder, I.V. Alenkina, E.G. Novikov // Spectroscopy. – 2010. – V. 24. – P. 593–599 (0,44 п.л./ 0,12 п.л).

2. Oshtrakh, M.I. Structural variations of the iron cores in human liver ferritin and its pharmaceutically important models: a comparative study using Mssbauer spectroscopy with a high velocity resolution / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, S.M.

Dubiel, V.A. Semionkin // Journal of Molecular Structure. – 2011 – V. 993. – P. 287– 291 (0,3 п.л./ 0,18 п.л).

3. Oshtrakh, M.I. Mssbauer spectroscopy with a high velocity resolution in the study of iron–containing proteins and model compounds / M.I. Oshtrakh, I.V.

Alenkina, O.B. Milder, V.A. Semionkin // Spectrochimica Acta, Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2011. – V. 79. – P. 777–783 (0,44 п.л./ 0,12 п.л).

4. Alenkina, I.V., Comparative study of the iron cores in human liver ferritin, its pharmaceutical models and ferritin in chicken liver and spleen tissues using Mssbauer spectroscopy with a high velocity resolution / I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, Yu.V.

Klepova, S.M. Dubiel, N.V. Sadovnikov, V.A. Semionkin // Spectrochimica Acta, Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2013. – V. 100. – P. 88–93 (0,38 п.л./ 0,18 п.л.).

5. Oshtrakh, M.I. Mssbauer spectroscopy of the iron cores in human liver ferritin, ferritin in normal human spleen and ferritin in spleen from patient with primary myelofibrosis: preliminary results of comparative analysis / M.I. Oshtrakh, I.V.

Alenkina, A.V. Vinogradov, T.S. Konstantinova, E. Kuzmann, V.A. Semionkin // Biometals. – 2013. – V. 26. – P. 229–239 (0,7 п.л./0,25 п.л).

6. Oshtrakh M.I. Differences of the 57Fe hyperfine parameters in both oxyhemoglobin and spleen from normal human and patient with primary myelofibrosis / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, A.V. Vinogradov, T.S. Konstantinova, V.A. Semionkin // Hyperfine Interactions. – 2013. – V. 222. – P. 55–60 (0,38 п.л./ 0,18 п.л.).

7. Аленькина, И.В. Сравнительное исследование наноразмерных «железных ядер» в ферритине печени человека и его фармацевтически важных моделях – препаратах Мальтофер® и Феррум Лек, методом мессбауэровской спектроскопии / И.В. Аленькина, М.И. Оштрах, В.А. Семенкин, Э. Кузманн // Известия РАН, серия физическая. – 2013. – Т. 77 (№ 6). – С. 818–823 (0,38 п.л./ 0,18 п.л.).

8. Oshtrakh, M.I. Anomalous Mssbauer line broadening for nanosized hydrous ferric oxide cores in ferritin and its pharmaceutical analogue Ferrum Lek in the temperature range 295–90 K / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, E. Kuzmann, Z. Klencsr, V.A. Semionkin // Journal of Nanoparticle Research. – 2014. – V. 16. – № 2363 (0,5 п.л./ 0,12 п.л.).

9. Alenkina, I.V. 57Fe Mssbauer spectroscopy and electron paramagnetic resonance studies of human liver ferritin, Ferrum Lek and Maltofer® / I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, Z. Klencsr, E. Kuzmann, A.V. Chukin, V.A. Semionkin // Spectrochimica Acta, Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2014. – V.

130. – P. 24–36 (0,8 п.л./ 0,25 п.л.).

10. Alenkina, I.V. Study of the rhizobacterium Azospirillum brasilense Sp245 using Mssbauer spectroscopy with a high velocity resolution: implication for the analysis of ferritin-like iron cores / I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, A.V. Tugarova, B. Bir, V.A.

Semionkin, A.A. Kamnev // Journal of Molecular Structure. – 2014. – V. 1073. – P.

181–186 (0,37 п.л./ 0,12 п.л.).

11. Dubiel, S.M. Evaluation of the Debye temperature for iron cores in human liver ferritin and its pharmaceutical analogue, Ferrum Lek, using Mssbauer spectroscopy / S.M. Dubiel, J. Cielak, I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, V.A. Semionkin // Journal of Inorganic Biocheistry. – 2014. – V. 140. – P. 89–93 (0,3 п.л./ 0,06 п.л.).

12. Alenkina, I.V. Mssbauer spectroscopy of human liver ferritin and its analogue Ferrum Lek in the temperature range 295–90 K: Comparison within the homogeneous iron core model / I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, Z. Klencsr, E. Kuzmann, V.A.

Semionkin // Proceedings of the International Conference “Mssbauer Spectroscopy in Materials Science 2014”; AIP Conference Proceedings, Eds. J. Tuek, M. Miglierini. – AIP Publishing: Melville, New York, 2014. – V. 1622. – P. 142–148 (0,44 п.л./ 0,12 п.л.).

13. Oshtrakh, M.I. The 57Fe hyperfine interactions in iron storage proteins in liver and spleen tissues from normal human and two patients with mantle cell lymphoma and acute myeloid leukemia: a Mssbauer effect study / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, A.V.

Vinogradov, T.S. Konstantinova, V.A. Semionkin // Hyperfine Interactions. – 2015. – V. 231. – P. 123–130 (0,5 п.л./ 0,19 п.л.).

14. Felner, I. Peculiar magnetic observations in pathological human liver / I. Felner, I.V. Alenkina, A.V. Vinogradov, M.I. Oshtrakh // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2016. – V. 399. – P. 118–122 (0,31 п.л./ 0,06 п.л.).

15. Oshtrakh, M.I. The 57Fe hyperfine interactions in the life sciences: application of Mssbauer spectroscopy with a high velocity resolution in the study of iron-containing biomolecules and pharmaceutical compounds / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, A.V.

Vinogradov, A. Kumar, A.L. Berkovsky, A.P. Zakharova, T.S. Konstantinova, E.G.

Novikov, V.A. Semionkin // Journal of Radioanalitical and Nuclear Chemistry. – 2016.

– Р. 317–332 (1 п.л./ 0,19 п.л.).

16. Oshtrakh, M.I. Different 57Fe microenvironments in the nanosized iron cores in human liver ferritin and its pharmaceutical analogues on the basis of temperature dependent Mssbauer spectroscopy / M.I. Oshtrakh, I.V. Alenkina, Z. Klencsr, E.

Kuzmann, V.A. Semionkin // Spectrochimica Acta, Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2016. – DOI: 10.1016/j.saa.2016.06.034 (in press) (0,75 п.л./ 0,19 п.л.).

17. Alenkina, I.V. Iron in spleen and liver: some cases of normal tissues and tissues from patients with hematological malignancies / I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh, I.

Felner, A.V. Vinogradov, T.S. Konstantinova, V.A. Semionkin // Proceedings of the International Conference “Mssbauer Spectroscopy in Materials Science 2016”; AIP Conference Proceedings, Eds. J. Tuek, M. Miglierini. – AIP Publishing: Melville, New York, 2016 (accepted for publication) (0,75 п.л./ 0,15 п.л.).

Другие публикации (глава в монографии):

18. Kamnev, A.A. Mssbauer Spectroscopy in Biological and Biomedical Research.

In: Mssbauer Spectroscopy: Applications in Chemistry, Biology, and Nanotechnology:

First Edition / A.A. Kamnev, K. Kovacs, I.V. Alenkina, M.I. Oshtrakh; Eds. V.K.

Sharma, G. Klingelhofer, T. Nishida. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc©, 2013. P.

272–291.

–  –  –






Похожие работы:

«Купцова Светлана Вячеславовна Психофизиологический анализ произвольного переключения внимания в норме и у больных с речевыми расстройствами. Специальность 03.03.01 Физиология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва – 2017 Работа выполнена...»

«3.2016 СОДЕРЖАНИЕ CONTENTS AGROECOLOGY АГРОЭКОЛОГИЯ Красноперова Е. А., Юлдашбаев Ю. А., Гала Krasnoperova E. A., Yuldashbaev Yu. A., Galatov A. N. тов А. Н. Методологические аспекты экологиза Methodological aspects of agrarian production eco ции аграрного производства РАСТЕНИЕВОДСТВО PLANT RAISING Кибальник О. П., Семин Д. С., Стар...»

«муниципальное бюджетное дошкольное образовательное учреждение "Детский сад комбинированного вида № 61" городского округа Самара Самара–114, пр.Кирова, 397А ~ ds61@samtel.ru ~ Тел.956-67-74. факс 956-44-33 Конспект занятия по экологическому воспитанию в старшей логопедической группе "Лесная поляна"Подготовила:...»

«Песков В.Н., Тарасенко М.О., Франчук М.В. 82 Изменчивость линейных размеров. птенцов обыкновенного жулана УДК 598.292:591.3 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ, ПРОПОРЦИЙ ТЕЛА И ПЕРИОДИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ ПТЕНЦОВ ОБЫКНОВЕННОГО ЖУЛАНА LANIUS COLLURIO COLLURIO L. В.Н. Песков1, М.О...»

«ПРАВИТЕЛЬСТВО САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ ФГБНУ "НИИСХ ЮГО-ВОСТОКА" Заседание Круглого стола по вопросу "Перспективы развития просветительско-экскурсионной деятельности Дендрария НИИСХ Юго-Востока во взаимодейс...»

«№4, 2005 г. © Бородин П.М. Первая любовь Чарльза Дарвина П.М.Бородин, доктор биологических наук Институт цитологии и генетики СО РАН Новосибирск Здесь речь пойдет не о геологии и даже не о собирании жуков и раковин. Я хочу рассказать в...»

«Небанковская кредитная организация акционерное общество "НАЦИОНАЛЬНЫЙ РАСЧЕТНЫЙ ДЕПОЗИТАРИЙ" Руководство пользователя WEB-кабинет Системы управления обеспечением WEB-кабинет Системы упр...»

«Вопросник СОOОН/ЮНЕП по экологической статистике 2006 года Раздел: Водные ресурсы Содержание Введение, порядок заполнения, описание таблиц и таблица перевода единиц Руководство Список определений Определения Возобновляемые пресноводные ресурсы Таб...»

«59 Biological Bulletin УДК 591.526:598.113.6 Ю. В. Кармышев1, А. Н. Ярыгин2 РЕПРОДУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ НАСТОЯЩИХ ЯЩЕРИЦ (LACERTIDAE) УКРАИНЫ 1Мелитопольский государственный педагогический университет имени Богдана Хмельницкого 2Институт Зоологии им. И.И. Шмальгазена НАН Украины В работе представлены сведения об осо...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижневартовский государственный университет" Естественно-геогр...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.