Введение к работе
Актуальность. В настоящее время одной из фундаментальных является проблема лекулярно-физических основ жизненных процессов. В данной проблеме одной из кнейших является задача выяснения механизмов функционирования различных ологических макромолекул на основе изучения их атомно-молекулярной структуры, пки - самые сложные из известных молекул. Они выполняют в организме различные икции, например, ферментативные и транспортные, необходимые для обеспечения жизни, еди различных белков особое место занимают металлосодержащие белки, в частности, лезосодержащие. В этих белках ион металла может находиться в активном центре лекулы и обеспечивать ее функционирование либо выполнять пассивную роль, являясь ьектом транспортирования или депонирования. Наиболее яркими представителями этих fx групп железосодержащих белков являются гемоглобины и ферритины. Интерес к этим ткам постоянно растет. Их исследуют специалисты различных областей науки. Такое имание к гемоглобину и ферритину не случайно. Гемоглобин осуществляет транспорт лекулярного кислорода в организме и моделирует ряд ферментативных свойств, условленных элекгрон-конформационным взаимодействием. Ферритин обеспечивает тсание железа в организме в нетоксичной форме, а ряд его моделей - железо-<страновых комплексов - оказались одними из наиболее эффективных препаратов для іения железодефицитных анемий. Состояние ионов железа в обоих белках связано с их нкциональными свойствами. Поэтому выяснение связи состояния иона железа, пекулярной структуры и функции является чрезвычайно важным для понимания нанизмов функционирования белка.
Электронная структура железа может быть своеобразным индикатором каких-либо ленений в структуре белка. Поэтому мессбауэровская спектроскопия является одним из іболее информативных методов изучения. Возможности метода в обнаружении малых іенений электронной структуры железа позволяют получить уникальную информацию. ;сь открываются широкие перспективы использования как самой мессбауэровской жтроскопии, так и фундаментальных подходов к изучению структурно -функциональной имосвязи в биомолекулах не только в биофизических, но и в биомедицинских ледованиях. Поскольку связь изменений молекулярной структуры, состояния иона железа іессбаузровских параметров железосодержащих белков и их моделей еще недостаточно чена ввиду большой сложности проблемы, это направление представляет немалый -ерес.
Цель работы. Настоящая работа посвящена изучению связи молекулярной структуры, состояния иона железа и мессбауэровских параметров железосодержащих биомолекул и их моделей применительно к биофизическим и биомедицинским задачам на примере исследования гемоглобинов и железо-декстрановых комплексов с различной молекулярной структурой.
Научная новизна. В работе впервые проведен комплекс исследований по изучению связи микроструктурных особенностей гемоглобинов и железо-дексграновых комплексов, физических параметров и биологических функций данных биомолекул. Основным методом исследования выбрана мессбауэровская спектроскопия, позволяющая с высокой точностью измерять параметры железосодержащих объектов, характеризующие электронную и магнитную структуру железа. Дополнительными методами исследования являются: квантово-химические теоретические оценки электронной структуры и мессбауэровских параметров, измерение сродства гемоглобина к кислороду и электрон-позитронная аннигиляция (методики измерения угловых корреляций аннигиляционного излучения и времени жизни позитронов). В частности, в работе впервые исследованы нормальные гемоглобины человека с различной молекулярной структурой, в том числе модифицированной; обнаружены отличия параметров мессбауэровских спектров у гемоглобинов с различной молекулярной структурой; исследована форма линий мессбауэровских спектров гемоглобина; впервые проведен учет неэквивалентности электронной структуры Fe(II) в а-, (3- и у-субъединицах гемоглобинов; впервые проведен; теоретическая оценка неэквивалентности электронной структуры Fe(II) и мессбауэровски; параметров для моделей а- и р-субьединиц в дезоксигемоглобине и для дезоксимиоглобина; предложена интерпретация особенностей мессбауэровских спектров оксигемоглобина ка* следствие различия молекулярной и электронной структур активных центров і неидентичных субъединицах белка; впервые исследованы гемоглобины больньп злокачественными заболеваниями системы крови, обнаружены отличия параметрої мессбауэровских спектров здоровых и больных людей; выявлены отличия в молекулярной і электронной структурах и функциональных свойствах гемоглобинов больных лейкозами і эритремией; впервые проведено исследование действия у-излучения, электронов I микроволнового нагрева на оксигемоглобин методами мессбауэровской спектроскопии і спектроскопии времени жизни позитронов; получены новые данные о структурны: изменениях оксигемоглобина при облучении; предложена схема процессов радиолизі оксигемоглобина; впервые проведено комплексное исследование железо-декстрановьп комплексов метолами мессбауэровской спектроскопии и аннигиляции позитронов
іиаруженьї микроструктурные особенности в ряду жслезо-декстрановых комплексов, іладающих различным эффектом в организме.
Научная и практическая ценность. В работе развит подход к изучению методом гссбауэровской спектроскопии железосодержащих биомолекул и их моделей, требующий іета взаимосвязи малых отличий в структуре молекул и в электронной структуре ионов глеза. Полученные экспериментальные и теоретические результаты свидетельствуют о ізможности использования такого подхода при интерпретации мессбауэровских спектров вличных гемоглобинов, ферритинов и их моделей, что позволяет получить новую [формацию об исследуемых объектах.
Автор защищает следующие группы результатов:
-
Результаты исследования нормальных фетального и взрослого гемоглобинов иювека, отличающихся молекулярной структурой и функциями, и нормального взрослого моглобина человека, модифицированного молекулярными эффекторами и путем юфильной сушки. Результаты проведенных квантово-химических расчетов для моделей зоксимиоглобина и субъединиц тетрамерного дезоксигемоглобина. Наличие взаимосвязи хсбауэровских параметров, электронной структуры железа и стереохимии активного :нтра в нормальных гемоглобинах человека с различной молекулярной структурой, связь юбенностей мессбауэровских спектров гемоглобинов и их микроструктурных обенностей.
-
Результаты исследования гемоглобинов больных злокачественными заболеваниями стемы крови (лейкозами и эритремией). Полученные значения мессбауэровских іраметров, характеризующие трансформацию электронной структуры железа в :сигемоглобинах больных и небольшие структурные отличия в области активного центра, торые должны оказывать влияние на функциональные свойства белка. Результаты мерения сродства к кислороду, показавшее его отличие для гемоглобинов больных окачественными заболеваниями системы крови.
-
Результаты исследования процессов структурных нарушений в оксигемоглобине я естественной деградации, действии ионизирующего излучения и микроволнового грева. Определенный по данным мессбауэровской спектроскопии состав продуктов зрушення оксигемоглобина, предложенную схему радиолиза белка, показанное различие йствия на оксигемоглобин излучения разной энергии и типа (у-лучи и электроны), щученные параметры времени жизни позитронов для оксигемоглобина при естественной градации и действии ионизирующего излучения, выявленную их корреляцию с нформационным состоянием гемоглобина, показанную связь изменений параметров с
изменением структуры всей молекулы под действием ионизирующего излучения.
4. Результаты изучения микроструктурных особенностей ряда железо-декстрановых комплексов, являющихся фармацевтически важными моделями белка ферритина. Полученные данные, характеризующие различия в структуре "железного" ядра комплексов, возможное влияние на структуру "железного" ядра эффектов старения и выявленную примесь двухвалептного железа. Проведенный анализ мессбауэровских параметров с учетом известных представлений о мелкодисперсных частицах оксигидроксидов железа. Полученные оценки параметров электрон-позитронной аннигиляции, позволившие выявить структурные особенности в декстрановой оболочке, а именно, ее проницаемости для ионов хлора, плотности и ветвистости декстрана.
Данная работа выполнена в рамках программ МинВУЗа РСФСР "Человек и свет" и "Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы", программы МинВУЗа СССР "Кристалл" ("Взаимодействие мессбауэровского излучения с веществом"), госбюджетных тем "Изучение действия ионизирующего излучения на гемоглобин методами ядерной гамма-резонансной спектроскопии и аннигиляции позитронов", "Закономерности взаимосвязи структуры и функциональных свойств некоторых железосодержащих и мезогенньгх объектоЕ живой и неживой природы", грантов Российского Фонда Фундаментальных Исследований "Исследование гемоглобина и других компонент крови методами мессбауэровскок спектроскопии и аннигиляции позитронов. Биофизический и биомедицинский аспекты" (№ 94-04-13772) и "Исследование гемоглобина, других компонент крови и их моделей методами мессбауэровской спектроскопии и аннигиляции позитронов. Биофизический г. биомедицинский аспекты" (№ 97-04-49482).
Апробация работы. Результаты работы представлены и доложены на: I-oiv Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982); Международных конференциях пс применению эффекта Мессбауэра (Алма-Ата, СССР, 1983; Левей, Бельгия, 1985; Мельбурн Австралия, 1987; Будапешт, Венгрия, 1989; Нанкин, Китай, 1991; Ванкувер, Канада, 1993 Римини, Италия, 1995; Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1997; Гармиш-Партенкирхен, Германия 1999); Европейских конгрессах по ядерной медицине (Хельсинки, Финляндия, 1984; Лондон Великобритания, 1985; Гослар, Германия, 1986; Милан, Италия, 1988; Страсбург, Франция 1989; Вена, Австрия, 1991); Третьем Всесоюзном совещании "Ядерно-физические методь анализа в контроле окружающей среды" (Томск, 1985); Всесоюзном симпозиум! "Механизмы действия ионизирующего излучения на структуру и функции белков" (Львм 1986); Всесоюзном рабочем совещании "Биофизика рака" (Черноголовка, 1987); Школ< молодых ученых "Взаимодействие мессбауэровского излучения с веществом" (Лиманчик
987); Всесоюзном совещании по прикладной мессбауэровской спектроскопии ("Волга", 988); Уральской научно-технической конференции "Применение мессбауэровской пектроскопии в материаловедении" (Ижевск, 1989); Первой Республиканской конференции Новые физические методы в медицине" (Ворошиловград, 1990); IX-ой Юбилейной научно-рактической конференции Уральского политехнического института (Свердловск, 1990); Іатинс—Американской конференции по применению эффекта Мессбауэра (Гавана, Куба, 990); 5-ом Конгрессе Всемирной федерации ядерной медицины и биологии (Монреаль, Канада, 1990); 10-ом Международном биофизическом конгрессе (Ванкувер, Канада, 1990); (семирных конгрессах по медицинской физике и биомедицинской технике (Киото, Япония, 991; Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1994; Ницца, Франция, 1997); Международных онференциях по аннигиляции позитронов (Жомбатели, Венгрия, 1991; Пекин, Китай, 1994; Канзас Сити, США, 1997); Международном симпозиуме "Нестабильные ядра и частицы как онды в физике и химии" (Вако, Япония, 1992); Международных симпозиумах по ромышленному применению эффекта Мессбауэра (Отсу, Япония, 1992; Йоханнесбург, ЭАР, 1996); 4-ом Международном симпозиуме по аналитическим методам, системам и тратегиям в биотехнологии (Нурдвийкерхоут, Нидерланды, 1992); Российско-германском еминаре по мессбауэровской спектроскопии (Сергиев Посад, Россия, 1992); 2-ой (альневосточной конференции по медицинской и биологической технике (Пекин, Китай, 993); Международном научном семинаре "Ядерные методы в структурной химии" Будапешт, Венгрия, 1994); Симпозиумах по радиационной химии (Балатоншеплак, Венгрия, 994; Тата, Венгрия, 1998); Международных симпозиумах по ядерным квадрупольным заимодействиям (Провиденс, Род Айлеид, США, 1995; Пиза, Италия, 1997; Лейпциг, "ермания, 1999); Международных конференциях по бионеорганической химии (Любек, 'ермания, 1995; Иокогама, Япония, 1997); 5-ом Международном семинаре по химии юзитрона и позитрония (Лиллафюред, Венгрия, 1996); 28-ом Польском семинаре по ннигиляции позитронов (Ярнольтовек, Польша, 1996); 12-ой Конференции "Физические іетодьі в координационной и супрамолекулярной химии" (Кишинэу, Молдова, 1996); Деждународных симпозиумах по ионизирующей радиации и полимерам (Гваделупа, Франция, 1996; Вайнбёла, Германия, 1998); Конгрессе по молекулярной медицине (Берлин, ермания, 1997); Конференции с международным участием "Медицинская физика - 97. Іовьіе технологии в радиационной онкологии" (Обнинск, Россия, 1997); Всероссийской внференции "Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении" Ижевск, Россия, 1998); 11-ой Международной конференции по сверхтонким заимодействиям (Дурбан, ЮАР, 1998); XXIV-om Европейском конгрессе по молекулярной
спектроскопии (Прага, Чехия, 1998); 8-ой Европейской конференции по спекгроскопии биологических молекул (Энсхеде, Нидерланды, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 107 работ, включая 42 статьи и 65 тезисов докладов. Основные статьи приведены в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 533 наименований. Она изложена на 277 страницах, включая 100 рисунков и 50 таблиц.