Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биоэлектретные свойства биологических структур

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Биоэлектретные свойства биологических структур"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЕЮЕ'ЗИКИ

На правах рукописи

Суханов Арелан Саятович ЕЮЭЛЕКТРЕШЕ СВОЙСТВА Е10Л01ЯЧЕСКК СТРУКТУР

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученоя степени кандидата фиэико-иатеуатическкх наук

Красноярск 1991

Работа Енполкена ка кафедре медицинской к биологической физики Туркменского ордена Дружбы народов государственного меди-синского института к в Институте неорганической хелш СО АН СССР.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор С.П.Габуда кавдвдат физико-математических наук Е.Г.Сальман

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор А.Г.Лундин доктор биологических наук Р.И.^узьмина

Ведущая организация: Государственный университет г.Санкт-Петербург

Защита состоится "_"_1991г.

в_часов на заседании Специализированного совета

Д.003.45.01 по биофизике при институте биофизики СО АН СССР (€60036, г.Красноярск, Академгородок).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО АН СССР.

Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученья секретарь

специализированного совета__

кандидат физ.-мат. наук ^^^

Г I

I-'.Зурртаций I

.Косолапова

иЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Способность биологических тканей накапливать и сохранять электрические заряды и поляризацию лежит в основе биоэлектретного эффекта. На образиах приготовленных из кератина млекопитающих наблюдали токи термостимулированной деполяризации с максимумами, характерными для электретов и в некоторой степени аналогичных термолюминесценции. Важность изучения электретного эффекта для биологических систем обусловлена как их биомедицинс-кши приложениями, так и возможной ролью в биофизических процессах, протекающих в живом организме.

Макромолекулы коллагена и кератина образуют внеклеточный матрикс различных тканей. Исследование их поляризованного состояния актуально как косвенный метод изучения электрической активности клеток. Важно также исследование макроскопических свойств биоэлектретов и молекулярной подвижности, обусловливающих природу биоэлектретного эффекта. Для этой цели целесообразно использование метода ЯМР, который является одним из информативных методов изучения малых структурных искажений и молекулярной, подвижности в твердом теле и биополимерах. . •

Целью данной работы являлось изучение взаимозависимости макроскопического электретного эффекта с молекулярной подвижностьп в биополимерной ткани на примере кератина, а также изучение электретного эффекта в костной и дек&льцинированной костной ткани, спектров ЯМР протонов и ядерной спин-решеточной релаксации в кератине.

Научная новизна. Впервые обнаружены токи термостимулированной деполяризации, характерные для электретов на кератине, костной * декальцинированной костной ткани рога Sat^a iahzfiea , на компактном веществе трубчатой кости hen ж установлено, что спонтанные токи термостиаулированной деполяризации, связанные с биоэлектретньы эффектом, имеот место также для ископаемой костной и декальцинированной костной ткани (возраст ~ 2000 лет); приведено сопоставление кривых токов термостимулированной деполяризации, спектров КМР и спин-решеточноГ релаксации, позволяющие дать молекулярную интерпретации электретного эффекта в ткани рсга; обнаружено, что измельчение образцов ткани рога влияет на ыолекулярнуэ подвижность, существенно меняет спектр ЯИР Н и вызывает появление некоторых особенностей спиновой релаксации Т|(Т) в области 220 К. _ J _

Основные положения выносимые на защиту:

I. Результаты измерений спонтанных токов тер.лостлчулированной деполяризации, свидетельствующие о биоэлэктрзтнцх свойствах кератина, костной и декалытикированной костной ткани рога Saiga ¿aûxriaz и he-n .

?.. Результаты измерений токов терлостимулирсванной поляризации на кератине, костной и декальиинированной костной ткани Saiga. taîcwLca y. hen , свидетельствующие о существовании внутреннего электрического поля.

3. Результаты измерений спектров ВДР H и ядерной спин-решеточной релаксации в кератине в интервале температур от 120 до 430 К.

4. Интерпретация кривой температурной зависимости спин-решеточной релаксации Tj(T) на основе модели, сочетающей мелкомасштабное (вращение СНд-групп) и крупномасштабное движения сегментов полипептидных цепей макромолекул.

5. Доказательство связи низкотемпературного пика ТСД в кератине при 370 К с удалением водь; и других низкомолекулярных веществ при нагреЕе.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на УШ Республиканской конференции молодых ученьэс и специалистов (Ашхабад, 1986); III Научной конференции молодых ученых ТГШ (Алгхабад, 1986); 1У Научной конференции молодых ученых ТГМИ (Ашхабад, 1988) Конференции профессорско-преподавательского состава ТГьИ (Ашхабад 1990).

Публиккпки. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Обтем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, проиллюстрирована 38 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вгедении обоснована актуальность выбранной те^ы диссертации, определена цель работы и сформулированы основные защищаемые положения.

В первой главе кратко характеризуется электретный эффект, методы приготовления электретов и их использование в современной технике. Описаны экспериментальные исследования электретных свойств на биологических материалах: кости, коллагене, кератине и т.д., и влияние степени гидратации образца молекулами воды йа токи термостимулированной деполяризации. Рассмотрены механизмы образования индуцированной остаточной поляризации в биополимерах. Другое важное направление рассматриваемое в обзоре э,то результаты исследования электретов естественного происхождения, впервые обнаруженных на кератине млекопитающих, в которых электретный эффект обусловлен преимущественной ориентацией спирализованных макромолекул кератина, обладающих электрическим дипольным моментом, а также механизмы разупорядочения полипептидных цепей макромолекул. Приводятся данные по исследование молекулярной динамики кератина методом ШР.

Во второй главе описаны экспериментальные методики. Токи термостимулированной электрической релаксации (поляризации (ТСП) и деполяризации (ТОЦ) измерялись^ в диапазоне 10" - 10 А (ВК 2-16), при температурах 300 - 500 К. Скорость нагревания варьировалась в пределах 0,1 - 0,5 К/с. Спектры-ВДР Н регистрировались на спектрометре широких линий. Времена спин-решеточной релаксации (Т^) измерялись на импульсном спектрометре ИС-3. Дифференциально термический анализ образцов кератина проводился на венгерском дериватографе типа О, -1000. Для регистрации рентгенограмм использовался рентгеновский дифрактсметр типа ДРОН. Определение знака носителей заряда проведена методом терло-э.д.с..

В третьей главе приведены результаты-исследования спонтанных токов термостимулированной деполяризации' и индуцированных токов тер-юстимулированной релаксации. На кератиновых образцах приготовленных из рога Заира. Та1аг1са наблюдаются токи ТСД с пиками, характерными для-электретов.(Рис.1) Низкотемпературный пик вблизи 370 К стимулируется процессом с энергией активации приблизительно 58.7 - 83,8 кдтУмзль. Направление тока высокотемпературного пика (~470 К) зависит от' расположения образца относительно входа электрометра (рис.2) Как было установлено ранее, этот пик обусловлен "плавлением" ОС -спиралей кератина.

Рис.2 Кривые токсв ТСД в зависимости от расположения электрометра относительно направления роста. 1-верхний электрод расположен на поверхности ближней к основания рога; И -верхний электрод расположен на поверхности удаленно» от основания рога

- & -

Механизм образования низкотемпературных пиков в ТСД (при температурах 470 К) остается неясным. Полагая, что при поляризации образца во внешнем электрическом поле произойдет усиление или ослабление этих пиков были измерены токи индуцированной поляризации и деполяризации. Однако использование внешней поляризации привело к стимуляции других релаксационных процессов. Изучение зависимости токов в ТСП и ТСД от условий поляризации (напряженность электрического поля и темпратуры поляризации) позволило заключить, что индуцируемый ток ТСД кератина обусловлен разрушением обьзкно-зарядо зой поляризации в образце. Об этом свидетельствуют симметричность пиксв ТСД относительно оси температур при изменении знака напряжения поляризации, смещение максимума пиков в область более высоких температур с увеличением напряженности электрического поля и форма зависимости запасенного заряда от напряжения поляризации. Согласно данным по измерению терчо-э.д.с. образцов кератина знак носителей заряда положительный. Значения энергии активации тока при индуцированной ТСД (34,8 - 48,3 кДж/моль) близки к величинам, характерным для дрейфа/диффузии ионов водорода, перемещающихся в процессе релаксации в объеме образца. Наблюдаемая несимметричность зависимости перенесенного заряда в от напряжения поляризации ¿¿п связана с существованием внутреннего электрического поля в образце кератина.

Результаты измерений терыостимулированных токов на кератине объясняются на основании модели электрета с "внутренней" остаточной поляризацией (обусловливающей внутреннее электрическое поле) и свободным зарядом. При спонтанной ТСД кератина: первый пик ТСД вблизи 370 К обусловлен нарушением микроскопической электронейтральности, вызванной удалением воды из образца; последующее появление инверсии тока и новых пиков ТСД вызвано экранированием внутреннего электрического поля равновесной проводимостью образца и разрушением этого внутреннего электрического поля.

Спонтанные токи термостимулироваьной деполяризации возникает также на костных образцах, приготовленных из рога 5а¿^а Ха1аг1са , и хомпектнего вещества трубчатоЯ кости Исп . Ьа кривых ТСД костной части рога Лг/ря ¿айтсса присутствуют два пика одиоя полярности в области температур 394 К

и вблизи 500 К (ркс.З). Термодеполяризационный спектр берцовой кости Ь&/7 содержит два пика вблизи 330 К и 354 К. Аналогичные спонтанные токи деполяризации наблюдается з ископаемой костной и декалыншированной костной ткани (возраст ~ 2000 лет). Декад ьцинирование костньа образцов приводит к сложному изменении спектра спонтанных токов ТСД. Однако после полного декальциниро-вания кости спектр тока становится идентичным спектру тока ТСД кератинового образца. Рассмотрено влияние отжига и последующего декаяыдширования на термодеполяризационный спектр костных образцов.

По измерениям зависимости перенесенного заряда в цикле ТСП/ ТСД от напряжения поляризации установлено существование внутреннего электрического поля в костных и декальцинироганных костных образцах. Причем на костных образцах приготовленных из компактного вещества трубчатой кости обнаружена анизотропия электрического поля, его значение в направлении перпендикулярном большой оси кссти ( Е 950 В/сы) приблизительно в. два раза больше, чем в направлении вдоль болыой оси трубчатой кости ( Е я» 400 В/см).

Рис.3 Зависимость спонтанного тока 'ГОД костного образца из рога Saiga íatarico ' - 8 -

Иядуцирозааная тэрмостимулирозанная поляризация я дэпаля-ризация а. костной и декальцинированной костной ткани опрздзля-этся такими жг процессами образования и растзкания объемного заряда, ках это имззт мзсто з кзратянз: индуцированный ток термостимулированной деполяризации обусловлен пэрзмзиэнизм объемного заряда в собствэнном электрическом пола.

3 чзтзэртой глава прздставлэны результаты исследования молекулярной подвижности и надмолекулярных процессов происходящих з каратинз рога Saiga tatarLccr . Формы зкспзримэнтальпых спзк-тров ЯМР Н з иослэдозаннах каратиывых образцах имзот пирокуо составляпауп, сяязаннуп с балками кзратина, и узкул цэнтральяуп лияяо, сзязаннуо с присутствием з образце молзкул воды. Обработка этих спзктроз позволила построить температурные зависимости: полуширин« широкой составляядзй (рис.4), я рассчитанного ьторого момэнта Mg !I интенсивности митральной линии (рис.5) в интзрзале тзкператур от 120 X до 430 К. Из этих: данных следует, что с повыазнизм температуры с образца кератина удаляотся- мола-кула воды и возможно другиа кизкэмэлекулярныз взцэотва. Этот процесс достигает максимума вблизи 370 К. Энергия активация; этого процесса, составила ~53,7 ^Дя/коль. Сопостазланяа этяг данных и спонтанных токов ТСД позволило установить корреляции низкотемпературного пика хризой ГСД вблизи 370 К о зааисги-гостиз , интенсивности центральной линии, спэктра ЯМР % от тзмпзратуры, : Энзргия актизации. процесса , определенная по кривой тока ТСД, ' составляет 53,7 - 83,3 кД*/моль, которая близка к энергии ая- . тивации процесса удаления молекул воды. На основании, этих, данных было сделано заключение о том, что процессом отвзтствзн-, ным за пик ТСД вблизи 370 К,..является процесс удаления малых, электричасхих дипольных молекул воды. Молекулы води могут бить связаны с заряженными центрами з кератина, в их адсорбция приводит к. карупэнио электростатического- равновесия, что, а сзоо очзрздь, способствует уззличзнип элактрзтной поляризации образца и вызывает появление максимум». ТСД вблизи 370 К.

Из анализа зависимостэй л П и Mq и данных по . ядзрной спин-рздзточяоа релаксации (рис.б) слздуат, что з кзратиновон образце с увзличзнизм температуры (;>250 ЕС) воз-

20П

500

ЧОП

Рис.4 Зависимости полуширины широкой составляющей спектра

ЯМР от .температуры: I -целый образец; 2 -измельченный образец

200

заа

ЧОП

» С п Т(К>-

Рис.Ь Зависимости от температуры интенсивности центрального пиха спектра ЯМР ^Н: I -целый образен; 2 -измельченный образец

Рис.6 Зависимости от температуры времен спин-решеточной

релаксации (Tj) целого (I) и измельченного (2) образцов

растает молекулярная подвижность, т.е. увеличивается амплитуда движений сегментов или участков полипетидных цепей макромолекул. При низких температурах (120 - 250 К) в кератине также наблюдается молекулярная подвижность, которая обусловлена вращением СН^-групп. При этом экспериментальные значения Tj хорошо описываются уравнением Кубо-Томиты.

Измерения температурной зависимости спектров ЯМР я времен ядерной сяин-реветочной релаксации Tj(T) образцов кератина позволило -обнаружить, что измельчение образцов отражается на поведении дН(Т) и ilgtT) и приводит к появлении некоторых оссбен-носаей спин-решеточкой рмаксакии Tj(T) в области температуры 320 К (рис.4-6). Измельчение образца кератина отражается на интенсивности центральной линии спектра ЯМР 1К, уменьшаясь приблизь тельно в лесть раз (при комнатной температуре) по сравнения с,

-.И -

ее высотой на цглзи сЗразцс (р::с.С). •

Согласно данньвл ДТА и рентгенографии структура кератина рога Sa.l^a ta ta rica содержит аморфную и кристаллическую компоненты, полипептидные цепи кератина упакованы в жгут вдоль оси рога. Во время нагрева наблюдается убыль массы образна, в области температур 434 - 452 К происходят процессы микроплавления, а при более высокой температуре 469 К наблюдается плавление самого образца.

Таким образом при температурах выше 370 К в образце кератина происходят процессы релаксации на молекулярном уровне, о чем свидетельствуй? данные Я123 Н и ядерной спин-решеточной релаксации, и в то ;.:з время начинается процессы ыикрогиавления (434 -452 К). Эти ДЕа процесса, по-видимому, и стимулируют инверсию знака тока и появление шпса ТСД вблизи 410 К в образце. Последующее плавлгнче кератши: обусловливает высокотемпературный пик большой интенсивности вблизи ~ 470 К.

Основные результаты работы:

1. На кератине, костной и декальцинированной костной ткани рога Saiga tata rica , на компактном веществе трубчатой

кости he.fi обнаружены спонтанные токи термостимулировакной деполяризации с пиками, характерными для элвктрэтов, установлено также, что спонтанные токи тер-юстимулированной деполяризации, связанные с биоэлектретным эффектом, наблюдаются в ископаемой костной и декальцинированной костной ткани (возраст ~ 2000 лет).

2. По результатам измерения токов термостимулированной поляризации и деполяризации установлено, что в кератине, костной и де-кальоинировалкзй костной ткани рога Sai-gci tct ta. г tea

к компактного вещества трубчатой кости hen существует внутреннее электрическое поле. Предложены и рассмотрены возможные механизмы образования токов спонтанной и индуцированной деполяризации, учитывающие присутствие этого поля.

3. В кератине в интервале температур от 120 К - 430 К существует ыолекулярная подвижность,.которая возрастает с повышением температуры. Молекулярная динамика в кератине в интервале температур 120 - 250 К обусловлена вращением CHg-грулп и хорошо описывается уравнением Кубо-Томиты, при более высоких температурах (250 -410 К) характеризуется динамикой сегментов или участков полилеп-

тидных цепей макромолекулы с широким разбросом энергетических параметров.

4. Обнаружено, что измельчение образцов ткани рога Saig а. ta. tar-Lca влияет на молекулярную подвижность молекул

кератина, что отражается на поведении лН, Мд в зависимости от температуры, а также появлению некоторых особенностей спин-решеточной релаксации Tj(T) в области 320 К. 5. По результатам макроскопических исследований ткани рога

Scll^o tct-tar-Lca , установлено, что при нагре-

вании, одновременно с увеличением молекулярной подвижности, в в образце происходят надмолекулярные явления, связанные: с уменьшением массы образцов (удалением малых дипольных молекул воды), что может приводить к нарушению электростатического равновесия в образце кератина, увеличивая электрическую поляризацию образца и вызвать появление максимума на кривой спонтанного тока тер-мостимулированной деполяризации вблизи 370 Н; при более высоких температурах в образце происходят процессы микроплавления (амортизация кристаллической компоненты) и "плавления", стимулирующих спонтанный ток термостимулированной деполяризации в интервале от 380 - 480 К и появление пиков, связанных с этими процессами.

СЛИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Суханов A.C. Биоэлектреты/ 1УркменНИИНТИ.-1983.В.Х1.-С.1-19.

2. Суханов A.C. Результаты исследования токов термостимулированной деполяризации на костных и коллагеновых образцах. -Тезисы III научной конференции молодых ученых ТиДНГМИ.-Ашхабад, 1986.-С.21-22.

3. Суханов A.C. Использование методики ТСД для изучения структуры керагиновой ткани.-Тезисы УШ республиканской научной конференции "Научно - технический прогресс и общество". -Ашхабад, 1986.-С.251.

4. Суханов A.C. Термостимулированные токи деполяризации на биологических образцах// Электрические свойства гидробионтов.

" -U: 1986.-С.199-221.

5.Суханов A.C. Механизмы релаксации естественной электрической поляризации в кератине рогов саРгака.-Тезисы 1У конференции молодых ученых ТОДНМ.-Ашхабад, 1988.-С.22-23.

6. Суханов A.C., Салман Е.Г., Габуда С.П. Игучение механизма термостимулированной деполяризации на кератине.-Тезисы конференции профессорско-преподавательского состава ТОДНГШ. -Ашхабад, 1990.-С.323-324.

7. Суханов A.C., Сальман Е.Г. Токи термостимулированной поляризации и деполяризации кости сайгака.-Тезисы конференции профессорско-преподавательского состава Т0ДН1Ш.-Ашхабад, 1990. -С.324.

8. Суханов A.C., Сальман Е.Г., Табуда С.П. Молекулярная подвижность и электретные свойства кератина: Депонирована в ВИНИТИ № 4400 - В СО от 01.08.90).-C.I-I2.

__ Сирмат 60x84Vi б Тираж jOO Зак.Е

ТуркменНИИНТИ Госплана ТССР, г.Ашхабад.ул.Бородинская,2.