научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТИ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В ИЗУЧЕНИИ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХТОНКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЯДЕР 57FE В ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ БЕЛКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТИ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В ИЗУЧЕНИИ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХТОНКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЯДЕР 57FE В ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ БЕЛКАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 3, с. 438-442

УДК 539.172.3:539.2+577.322.9

ВОЗМОЖНОСТИ МЁССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ВЫСОКИМ СКОРОСТНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В ИЗУЧЕНИИ МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СВЕРХТОНКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЯДЕР 57Fe В ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ БЕЛКАХ © 2010 г. М. И. Оштрах, В. А. Семенкин, О. Б. Мильдер, Е. Г. Новиков

Уральский государственный технический университет — УПИ, Екатеринбург E-mail: oshtrakh@mail.utnet.ru

Показаны возможности мёссбауэровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением в выявлении малых различий параметров сверхтонких взаимодействий ядер 57Fe в железосодержащих белках. Выявлены различия квадрупольного расщепления для оксигемоглобинов кролика и человека, квадрупольного расщепления и изомерного сдвига для ферритина печени человека и его модели — препарата Имферон, а также для железодепонирующих белков в тканях куриной печени и селезенки в норме и при лимфоидном лейкозе.

ВВЕДЕНИЕ

Присутствие ионов железа в структуре целого ряда жизненно важных белков позволяет исследовать их методом мёссбауэровской спектроскопии. За 50 лет применения эффекта Мёссбауэра накоплен большой опыт изучения железосодержащих биомолекул (см., например, обзоры в [1—4]). Более того, сформировалась область биомедицинского применения мёссбауэровской спектроскопии [5—10]. Особое внимание было уделено выявлению малых различий параметров сверхтонких взаимодействий ядер 57Ре в белках с малыми различиями в электронной структуре и стереохимии иона железа, как в норме, так и при патологии [11—13]. Это связано с интересом к изучению структурно-функциональной связи в белках и выявлению роли электронной структуры железа. В данном случае под малыми изменениями электронной структуры железа понимаются такие, которые не приводят к изменению валентного и спинового состояния. В этом случае происходит лишь изменение энергий основного и низколежащих электронных термов железа. Поскольку величина квадрупольного расщепления АЕе зависит от величины градиента электрического поля (ГЭП) на ядре 57Бе:

AEq = 1/2eVzQ(1 + n2/3)1/2,

(1)

где К^, Кхх, ¥уу — главные компоненты тензора ГЭП (\узх| < || < |Ку |), п = | Кхх - Куу\/\Узх\ - параметр асимметрии, е — заряд электрона, 0 — ядерный квадрупольный момент 57Бе, а значение компонент тензора ГЭП при данной температуре зависит от энергии основного и низколежащих электронных термов:

Юг = Т/ряехР(-Еа/ехр(-Еа/кТ), (2)

а а

где р, q = х, у, г; индекс а нумерует электронные термы с энергией Еа; к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, то мёссбауэровская спектроскопия может быть использована для выявления таких изменений в электронной структуре железа. Однако обнаружение малых изменений параметров сверхтонкой структуры достаточно сложно, поскольку требует высокой стабильности спектрометра и уменьшения экспериментальной ошибки при оценке этих параметров. Например, ранее при исследовании оксигемоглобина человека в норме и при лейкозе на модернизированной установке ЯГРС-4М с пилообразной формой опорного сигнала скорости и регистрацией спектров в 512 каналах были выявлены различия сверхтонких параметров ядер 57Бе в норме и при патологии [14]. Проведение аналогичных исследований на другом спектрометре с треугольной формой опорного сигнала скорости и регистрацией в 256 каналах не позволило обнаружить такие различия [15]. Для дальнейшего развития биомедицинских исследований были использованы возможности спектрометра СМ-2201, позволяющего проводить измерения мёссбауэровских спектров с высоким скоростным разрешением (с регистрацией в 4096 каналах) [16, 17]. В настоящей работе приведены первые результаты выявления малых различий в параметрах сверхтонких взаимодействий ядер 57Бе в некоторых белках с помощью мёссбау-эровской спектроскопии с высоким скоростным разрешением.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Оксигенированные концентрированные эритроциты кролика и концентрированный раствор оксигемоглобина взрослого человека получены из Гематологического научного центра РАМН, Москва. Ферритин из печени человека в лио-фильно высушенной форме был получен из Российского государственного медицинского университета, Москва (методика описана в [18]). Ткани куриной печени и селезенки, содержащие железодепонирующие белки, в норме и при лим-фоидном лейкозе отмывались от крови и лио-фильно высушивались (подготовлены образцы в Уральской государственной сельскохозяйственной академии, Екатеринбург), затем измельчались до порошкового состояния по аналогии с [19]. В качестве модели ферритина использован фармацевтический препарат Имферон (Fisons, UK) в лиофильно высушенной форме.

Спектры измерялись на мёссбауэровском спектрометрическом комплексе для биомедицинских исследований, созданном на базе прецизионного, высокочувствительного и высокостабильного спектрометра СМ-2201 с рекордно высоким скоростным разрешением (4096 каналов) и модернизированного криостата с температурой в пределах 295—90 К с движущимся поглотителем (разработка НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону) [20]. Опорный сигнал скорости имеет пилообразную форму. Шум сигнала скорости составлял 1.5 • 10-3 мм • с-1, дрейф положения нулевой скорости — ±2.6 • 10-3 мм • с-1, нелинейность сигнала скорости — 0.01%, систематическая ошибка задания сигнала скорости составляет 0.025%, температурный дрейф сигнала скорости — 2.6 • 10—6 (мм • с—1)/°С (данные получены при измерении стандартного поглотителя a-Fe). Источником служил 57Co(Cr) активностью 1.85 • 109 Бк, который находился при комнатной температуре. Измерения проводились в режиме постоянных ускорений в геометрии пропускания с движущимся поглотителем. В данной геометрии нет параболического искажения базовой линии спектра и вклада в спектр от ядер 57Fe в бериллиевом окне детектора. Измерения спектров проводились в 4096 каналах. Затем спектры представлялись на 2048, 1024 и 512 каналов путем последовательного сложения соответственно по 2, 4 и 8 соседним каналам. Выбор представления спектра на 4096, 2048 и 1024 канала определялся требуемым статистическим набором и соотношением сигнал/шум, спектры в представлении на 512 каналов использовались для сравнения низкого и высокого скоростного разрешения в спектре. Измерение спектров длились от нескольких суток до трех недель с набором статистики от 106 до 6 • 106 импульсов в канале. Мёссбауэровские спектры обрабатывались по методу наименьших квадратов по программе

Эффект, %

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

-3 -2

-1

1

2

Скорость, мм • с

Квадрупольное расщепление, мм • с

-1

2.13 г

2.12

2.11

2.10

2.09

2.08

2.07

2.06

б

>-От

0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29

Изомерный сдвиг, мм • с 1

Рис. 1. Мёссбауэровский спектр оксигемоглобина кролика (представление на 1024 канала), Т = 90 К (а) и сравнение параметров сверхтонкой структуры мёссбауэровских спектров оксигемоглобина человека (А, представление на 512 каналов) и оксигемоглобина кролика (♦, представление на 512 каналов; О, представление на 1024 канала), Т = 90 К (б).

UNIVEM-MS (НИИ физики Южного федерального университета, Ростов-на-Дону) с использованием линии лоренцевой формы и оценивались следующие параметры: изомерный сдвиг 5, квадрупольное расщепление AEQ, ширина линии Г, относительная площадь компонент спектра S и статистический критерий %2. Изомерные сдвиги приводятся относительно a-Fe при 295 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Мёссбауэровский спектр оксигемоглобина кролика, представленный на 1024 канала, показан на рис. 1а. Его вид характерен для спектров оксигемоглобинов человека и некоторых животных. Аппроксимация спектров оксигемоглобина кролика и человека, представленных на 512 каналов, одним квадрупольным дублетом показала,

0

440

ОШТРАХ и др.

Эффект, % 0 1 2

3

4

5

6

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0

-1

Скорость, мм • с

Эффект, % 0

2

4

6

8

10

12

14

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0

Скорость, мм • с-1 Квадрупольное расщепление, мм • с-1

0.71

0.70

0.69

0.68

0.67

—Ч^Н!

0.345

0.355

0.365

0.375

Изомерный сдвиг, мм • с 1

Рис. 2. Мёссбауэровские спектры Имферона в представлении на 2048 каналов (а) и ферритина человека в представлении на 4096 каналов (б) при Т = 295 К и сравнение различий параметров сверхтонкой структуры мёссбауэ-ровских спектров Имферона и ферритина в представлении на 512 (■ и ♦ соответственно) и на 2048 каналов (□ и О соответственно), полученных при аппроксимации спектров одним квадрупольным дублетом (в).

что параметры сверхтонкой структуры для двух белков одинаковы в пределах экспериментальной ошибки (рис. 1б). Однако увеличение скоростного разрешения в спектре в 2 раза (представление на 1024 канала) позволяет выявить различие в величине АЕд для оксигемоглобинов кролика и человека. Увеличение значения АЕд связано с возрастанием величины ГЭП на ядре 57Бе в оксигемоглобине кролика, которое может быть обусловлено возрастанием энергий низколежащих триплетных электронных термов иона железа, дающих отрицательный вклад в ГЭП. В свою очередь, это может быть связано с небольшими изменениями в стереохимии иона железа, в частности, в геометрии связи Ре(П)—О2 и в различии сродства к кислороду у гемоглобинов кролика и человека.

Мёссбауэровские спектры Имферона и ферритина человека с высоким скоростным разрешением показаны на рис. 2а, б. Сравнение параметров сверхтонкой структуры мёссбауэровских спектров Имферона и ферритина человека, представленных на 512 каналов, показывает небольшое отличие величины АЕд и одинаковые в пределах экспериментальной ошибки значения 8 (рис. 2в). Однако те же параметры, полученные при аппроксимации спектров, представленных на 2048 каналов, имеют в 4 раза меньшую экспериментальную ошибку. Это позволяет выявить различия не только величины АЕд, но и величины 8. Такие различия параметров сверхтонкой структуры мёссбауэровских спектров могут быть следствием малых отличий в структуре локального окружения ионов железа в Имфероне и феррити-не человека (известно, что в Имфероне "железное ядро" соответствует Р-БеООН, а в ферритине — ферригидриту [21]). Кроме того, величина АЕд может зависеть, например,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком