CC BY
37Физика живого, Т. 18, No 1, 2010. С. 71-75. © Цейслер Ю.В., Мартинюк В. С.
I'hv.sics of tin* Alive; www.pn.M'ieiice-ceiiter.net
УДК 577.3
ВПЛИВ МАГШТНОГО ПОЛЯ НАДНИЗЬКО1 ЧАСТОТИ НА АБСОРБЦ1ЙН1 СПЕКТРИ МЕТГЕМОГЛОБ1НУ В УМОВАХ ЙОГО НЕСПЕЦ1Ф1ЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ
БЕНЗОЛОМ
хЦейслер Ю.В., 2Мартинюк В.С.
1 Ыдкритий м1жнародний университет розвитку людини « Украгна» 2ННЦ «1нститут бюлогп» Кигвського национального университету гменг Тараса Шевченка
e-mail: yuliya.tseysler@gmail.com
Надшшла до редакцп 11.02.2010
Дослщжено вплив магштного поля частотою 8 Гц 25 мкТл (МП НЧ) на абсорбцшш спектри метгемоглоб^ в обласп смуги Соре в умовах неспецифiчного насичення бшка бензолом. Показано, що неспецифiчне навантаження метгемоглобiну бензолом викликае вiдповiднi змши у просторовiй структурi макромолекули, що вщбиваеться у виглядi зсуву спектрально! смуги Соре у червону дшянку, а додатковий вплив МП ННЧ в таких умовах призводить до виникнення нових конформацiйних станiв, яю проявляються на крилах абсорбцшно! смуги Соре. Зроблено висновок, що помггш конформацшш змiни можуть бути шдуковаш МП ННЧ в основному за умов деформацп просторово! структури бшково! молекули, зокрема завдяки !! неспецифiчному навантаженню неполярними сполуками.
Ключовi слова: магштне поле наднизько! частоти, метгемоглобш, змiни конформацп.
ВСТУП
На даний час е актуальным питания щодо визначення мехаиiзмiв впливу змiииих магштних полiв (ЗМП) на оргаиiзм людини i тварин, як одного з глобальних екологiчиих факторiв. Це з одного боку пов'язано зi швидким зростанням аитропогеииого електромагиiтиого фону i небезпекою «електро-магиiтиого забруднення» середовища, а з iишого, - е щкавим вивчення бюлопчно! д11 ЗМП з характеристиками, ям е близькими до природних електромагнiтних варiацiй [1-3]. Ввдомо, що магнiтнi поля наднизьких частот (МП ННЧ) викликають рiзноманiтнi функцiональнi змiни в рiзних системах оргашзму [4,5]. Результати дослiджень первинних механiзмiв впливу МП ННЧ на бюлопчш об'екти сприяли формуванню цшого ряду незалежних гiпотез, як1 намагаються пояснити окремi ефекти впливу МП ННЧ на молекулярному i кттинному рiвиях [5-7]. Проте, слiд ввдмгтти, що молекулярнi механiзми впливу електромагштних полiв на бiологiчнi системи залишаються неясними з причин вiдсутностi единого об'ективного i науково-теоретичного пояснення бiологiчних ефекпв, що спостерiгаються.
Зпдно сучасних уявлень первинними акцепторами впливу даного фiзичного фактору е кттинш i молекулярнi структури (бiлки, хроматин, бюлопчш мембрани, мпохондрп та iншi). Цi структури знаходяться в клпит у постiйному контакт з водною
фазою. Саме роль води в бюлопчних ефектах ЗМП виявляеться суттевою i багатогранною [5,8], завдяки тому, що природш макромолекули i оточуюча !х вода формують едину систему, яка не може бути роздiленою на компонента без руйнування 11 сутi. Загально вiдомо, що за умов сталих температури i тиску в системi «вода-бюполiмер» змiна термодинамiчного хiмiчного потенщалу води неминуче спричиняе змiни хiмiчного потенцiалу бiополiмеру. Це обумовлюе залежнють поведiнки макромолекул вiд дЦ електромагштного поля опосередковано через водну компоненту системи. Внаслвдок цього стае можливою змiна гiдрофобних взаемодiй, як1 ввдграють важливу роль в оргашзацп просторово! структури бшкових молекул, нукле!нових кислот i бiологiчних мембран, формуваннi молекулярних асоцiатiв, що впливае на динамiчну поведiнку i функцiонування бiополiмерiв. Таким чином, можна очiкувати, що внаслвдок МП-iндукованих змiн властивостей водно! фази буде змiнюватися поведiнка неполярних речовин, що знаходяться в не! i розчиняються за гiдрофобним мехашзмом. Одиничнi експериментальнi данi, зокрема з розчинност бензолу в водi i водних розчинах бiлкiв, переконливо сввдчать про можливiсть такого впливу [8]. Це супроводжуеться певними змiнами власно! флуоресценцл бiлкiв i оптичних абсорбцшних спектрiв [9,10]. Враховуючи цi факти, е штересним з'ясування змiн оптичних властивостей бшшв, що мають пдрофобш хромофори небшково!
Цейслср Ю.В., Мартинюк В.С.
природи, в умовах !х навантаження пдрофобними неспецифiчними лiгандами i впливу МП ННЧ. У зв'язку з цим метою щею роботи було визначити i охарактеризувати змiни у спектрах поглинання метгемоглобiну, що викликаш неспецифiчним зв'язуванням бензолу в умовах ди МП частотою 8 Гц.
МАТЕР1АЛИ I МЕТОДИ
У до^дженш використовували лiофiльний препарат метгемоглобiну («Р1ика», Шмеччина).
Насичення води i розчинiв бшку бензолом здiйснювали шляхом напластування 3 мл полярно! фази (вода, бшковий розчин) на 1.5 мл неполярно! (бензол) с подальшою шкубащею системи при тмнаттй температурi протягом встановленого часу без струшування.
Спектри поглинання бiлкових розчишв метгемоглобiну реестрували дiапазонi смуги Соре на спектрофотометрах СФ-16 i Брекхотот 195. Точшсть установки довжини хвил та И вiдтворюванiсть для вказаних приладiв знаходились у межах 0.1-0.2 нм, фотометрична вiдтворюванiсть - 5-10-3 одиниць оптично! густини. Диференцiальнi спектри отримували шляхом розрахунку за формулою ДВ(Х)=В(Х)2-В(Х)1, де ДБ(Х) - рiзниця мiж оптичними густинами насиченого i ненасиченого бензолом розчишв метгемоглобiну, Б(^)2 - оптична густина насиченого бензолом розчину бiлка, - оптична густина ненасиченого розчину.
Розчини метгемоглобiну тддавали впливу МП наднизько! частоти, яке створювали за допомогою кшець Гельмгольца. 1мпульси були прямокутно! форми та рiзноi' полярностi. Частота магштного поля складала 8 Гц, шдукщя - 25 мкТл. Частота магштного поля вибрана на основi !! екологiчноi' та геофiзичноi' значущост [1,2]. Вектор iндукцii' створюваного магштного поля був паралельним вектору геомагштного поля. До^джуваш зразки помiщували в кшьця Гельмгольца. Контрольш проби знаходились в умовах фонових значень електромагшгного поля наднизьких частот, характерних для дано! лабораторп (20-65 нТл). Для ощнки можливого впливу рiзниць у рiвнi фонових магштних полiв в мюцях розташування досл!дних та контрольних зразшв проводили експерименти з уявною дiею магштного поля. В цьому випадку до^джуваш зразки помiщали в кшьця Гельмгольца, не шддаючи дл магштного поля.
Статистичну обробку результатов проводили загальноприйнятими методами варiацiйно!' статистики, використовуючи t-критерiй Стьюдента для ощнки достовiрностi рiзниць мiж статистичними вибiрками.
РЕЗУЛЬТАТИ ТА IX ОБГОВОРЕННЯ
При взаемодп метгемоглобту з бензолом спостер^аеться гiпохромний ефект, який складае
19.4% (р<0,05) шсля 1 i 2 годин шкубацп (рис. А, Б), 8.3% шсля 4 годин (рис. В) i 22% пiсля 24 годин (р<0,05) (рис. Г). Таи змши свдаать про збiльшення впорядкованосп системи на рiвнi мiжмолекулярних взаемодш, скорiше за все, завдяки утворенню асоцiатiв молекул метгемоглобiну. Водночас з цим чгтко спостерiгаеться невеликий «червоний» зсув в середньому на 1-3 нм в залежност вiд експозицл (рис., табл. 1). Такий зсув е очшуваним i е наслвдком неспецифiчного зв'язування неполярних молекул бензолу пдрофобними порожнинами метгемоглобiну, в тому числ! i гiдрофобними i прилеглими до них дiлянками, в яких розташовано гем. З часом насичення бшка бензолом зростае, що призводить до поступового зростання значень Хтах. Таке явище е характерним для насичення гем-вмiщуючих бiлкiв неполярними сполуками [11].
Аналiз впливу МП ННЧ на абсорбщйш спектри метгемоглобiну показав ввдсутшсть достовiрних змiн максимуму смуги Соре i оптично! густини на максимумi поглинання, але, як виявилось, найбiльшi змiни вiдбувались на крилах спектру поглинання гему. Про це сввдчать результати оцiнки основних параметрiв диферендiальних спектрiв, що наведен! в таблищ 2. Сл!д в!дм!тити, що зпдно отриманим даним, саме крила спектру е найбiльш чутливими до р1зних вплив!в, в тому числ! неконтрольованих факторiв, зокрема таких, як електромагштний фон в лабораторi!. Отримаш данi свiдчать, що р!зниця в фоновому електромагнггному оточенн1 в лабораторп для контрольних зразшв i тих, що тддавали ф!ктивному впливу, була окремим фактором, що призводила до протилежних зм!н, пор!вняно з тими, що спричиняла д!я МП ННЧ частотою 8 Гц 25 мкТл (табл. 2). На нашу думку цей факт значно шдвищуе достов1ршсть впливу МП ННЧ на спектри поглинання метгемоглобiну, яш демонструють особливосп структурно! органiзацi! молекули цього бшку. Зокрема, в диференщйних спектрах з часом експозицл МП ННЧ маемо сталу тенденщю до збiльшення значення Хтах, тод! як в умовах фштивно! д!! спостерiгали зменшення цього показника. Подiбна тенденцiя була характерною i для показника X тах-А, тт, а для Хтт такий ефект спостер^ався т!льки для одногодинно! експозицi!. Параметр Бтах-Бт1П у диференщальному спектрi також зазнавав зм!н тд впливом МП ННЧ. В умовах дп МП значення цього показника достов1рно зменшувались протягом 2-х i 4-х годин експозицi!. Встановлеш зм!ни свiдчать про те, що вплив МП 8 Гц 25 мкТл призводить до деформацп спектру на крилах смуги Соре шляхом зсуву ввдповвдних бокових д!лянок спектру в червону область. Але е щкавим той факт, що цей зсув не торкаеться центрального положення смуги Хтах.
ВПЛИВ МАГН1ТНОГО ПОЛЯ НАДНИЗЬКО1 ЧАСТОТИ НА АБСОРБЦ1ЙН1 СПЕКТРИ МЕТГЕМОГЛОБ1НУ В УМОВАХ ЙОГО НЕСПЕЦ1Ф1ЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ БЕНЗОЛОМ_
А
Б
0 1,35 1,20 1,05 £ 0,90
0 0,75 С
ГО 0,60
1
1 0,45 н
о 0,30
0,15 0,00
340 360 380 400 420 Довжина хвипi (нм)
В
440
460
360 380 400 420 440 Довжина хвил (нм) Г
360 380 400 420 Довжина хвил (нм)
340 360 380 400 420 Довжина хвил (нм)
440
460
Рис. Абсорбцшш (1, 2, 3) i диференцшш (4, 5) спектри 0.02% контрольних розчишв метгемоглобшу, i тих, що взаемодтоть з бензолом тд впливом МП частотою 8 Гц шдукщею 25 мкТл протягом 1 (А), 2 (Б), 4 (В) i 24 (Г) годин. Наведет спектри отримано шляхом усереднення окремих спектральних лшш, що зареестрованi у 15 повторних експериментах.
1 - контрольний спектр iнтактного бшка;
2 - бшок, що взаемодiе з бензолом;
3 - бшок, що взаемодiе з бензолом тд впливом МП;
4 - диференцшний спектр бшку, що взаемодiе з бензолом;
5 - диференцшний спектр бшку, що взаемодiе з бензолом тд впливом МП.
Таблиця 1.
Основш параметри спектрiв поглинання метгемоглобшу, що взаeмодie з бензолом при уявнiй дй" ЗМП в
Час експозицй" (години) Параметр Контрольш зразки Ф1ктивна д1я поля Взаемод1я з бензолом Взаемод1я з бензолом при фжтивнш дй" поля
1 Хтах, НМ 404,4±0,3 404,2±0,2 405,6±0,6 405,4±0,4
2 404,2±0,2 404,0±0,0 405,2±0,3* 405,6±0,4*
4 404,4±0,4 404,0±0,0 405,8±0,4* 405,4±0,3
24 404,4±0,3 404,0±0,0 407,0±0,6* 406,5±0,3*
1 Бтах, О. О. г 1,207±0,020 1,197±0,020 1,077±0,058 1,090±0,051
2 1,208±0,022 1,150±0,051 1,116±0,033 1,118±0,038
4 1,239±0,017 1,218±0,085 1,105±0,025 1,107±0,036
24 1,280±0,062 1,258±0,086 1,110±0,112 1,054±0,054
Примтки: *- достов1рш р1зиищ вщиосио контрольних зразкiв (р<0,05).
Цейслср Ю.В., Мартинюк В.С.
ПримШки: *- достовiрнi рiзницi вiдносно контрольних зразгав (р<0,05); ** - достовiрнi рiзницi вiдносно фiктивного впливу (р<0,05).
Таблиця 2.
Основш характеристики диференцшних cneKTpiB поглинання метгемоглобiну, що взаeмодie з бензолом
Час експозицп (години) Параметр Контрольш зразки Вплив магн1тного полем Ф1ктивна д1я Зм1на в1дносно контрольних зразк1в (%) Змша ввдносно фжтивноТ ди (%)
1 ^max, Нм 422,3±1,8 420,2±1,6 419,4±1,4 -0,4 -0,1
2 421,5±1,5 423,0± 1,7 421,9±1,4 +0,3 -0,3
4 419,9±1,3 422,0±1,2 419,1±1,3 +0,5 -0,7
24 422,1±0,9 424,0±1,0** 417,9±1,0* -1,0 -1,4
1 ^mm, Нм 398,1±0,8 400,2±1,3** 394,0±1,6 * +0,5 +1,5
2 399,4±1,0 397,3±0,7 394,5±1,7 * -0,5 +0,7
4 399,3±1,6 399,8±0,6 397,4±1,0 +0,1 +0,6
24 397,9±1,2 398,5±2,0 398,9±1,1 +0,3 +0,1
1 ^ max-^ min, нм 24,2±1,8 20,0±1,8 ** 25,4±1,7 -17,0 -21,0
2 22,1±1,5 25,7±1,7 27,4±2,3* +16,3 -6,0
4 20,6±1,7 22,2±1,9 * 21,7±1,7 +7,7 +2,3
24 23,2±1,6 31,5±1,9*" 22,1±0,9 -4,7 -29,8
1 Dmax-Dmirb O.O.Z. 0,344±0,032 0,344±0,042 0,338±0,051 0,0 -1,8
2 0,283±0,023 0,275±0,028** 0,365±0,029 * -2,8 -24,7
4 0,341±0,020 0,278±0,037** 0,382±0,025 -18,5 -27,2
24 0,461±0,026 0,474±0,038 0,430±0,036 -6,7 -9,2
Виникае законом1рне питания про причину виявлених зм1н. Зпдно з даними 1змайлово! В.Н. [11] насичення бшшв вуглеводнями ввдбуваеться повшьно i виходить на плато приблизно через 12-24 години. Як видно з таблиц 1 в нашому випадку це вiдбиваеться на значенш максимуму смуги Соре, яке зростае протягом часу iнкубацil. Такi змiни, як свiдчать данi лгтератури [12], е характерними для гем-вмiщуючих бшшв. Згiдно з попереднiми даними [8] насичення пдрофобних порожнин бiлку бензолом посилюеться в умовах дп ЗМП. Але це посилення, як показують результати цього дослiдження, у метгемоглобш не позначаеться на значеннi максимуму смуги Соре, але в цшому призводить до невеликого червоного зсуву спектру. Якщо вважати, що спектральш змiни, яки зареестрованi, певним чином ввдбивають конформацiйнi змiни в молекулi метгемоглобiиу, то можна зробити висновки про те, що насичення цього бшку бензолом викликае вiдповiднi змiни у його просторовiй структурi, а додатковий вплив МП ННЧ в таких умовах призводить до виникнення нових конформацiйних станiв, як1 проявляються на крилах абсорбцшно! смуги Соре. Цей факт певним чином тдтверджуе рашше знайденi ефекти селективно! дп МП ННЧ на конформацiйнi стани сироваткового альбумiиу [13]. Водночас з цим знаходить пiдтвердження iдея про те, що у звичайних умовах за ввдсутносп конформацiйних напружень в молекулах бшшв ефекти впливу МП практично не спостер^аються, але можуть бути шдуковаш цим фiзичним фактором в умовах деформацл просторово! структури, зокрема завдяки неспецифiчному навантаженню неполярними сполуками. Саме цей механiзм може бути пусковим моментом МП-
залежно! активацп системи бiлкiв теплового шоку в кттинах, що спостерiгали рiзнi дослiдницькi групи [14,15], i в певнш мiрi може пояснити залежнють вiдповiдi клiтини на вплив МП ввд !! структурного i функцюнального стану [16].
ВИСНОВКИ
1. Насичення метгемоглобiну бензолом викликае вiдповiднi змши у його просторовiй структурi, що ввдбиваеться у виглядi зсуву спектрально! смуги Соре у червону дшянку, а додатковий вплив МП ННЧ в таких умовах призводить до виникнення нових конформащйних сташв, як проявляються на крилах абсорбцiйно! смуги Соре.
2. Помгтш конформацiйнi змши можуть бути шдуковаш МП ННЧ в основному в умовах деформацп просторово! структури бшково! молекули, зокрема завдяки !! неспецифiчному навантаженню неполярними сполуками.
ЛЛература
1. Мартынюк В.С., Темурьянц Н.А., Владимирский Б.М. У природы нет плохой погоды: космическая погода в нашей жизни. - Киев: Издатель В.С. Мартынюк, 2008. -179 с.
2. Пресман А. С. Электромагнитные поля и живая природа. - М.: Наука, 1968. - 288 с.
3. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А. Влияние солнечной активности на биосферу-атмосферу. - М.:Изд-во МНЭПУ, 2000. - 374 с.
4. Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. - М.: Наука, 1982 .-123 с.
5. Бинги В.Н. Магнитобиология: эксперименты и модели. -М.: МИЛТА, 2002. - 592 с.
ВПЛИВ МАГН1ТНОГО ПОЛЯ НАДНИЗЬКО1 ЧАСТОТИ НА АБСОРБЦШШ СПЕКТРИ МЕТГЕМОГЛОБШУ В УМОВАХ ЙОГО НЕСПЕЦ1Ф1ЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ БЕНЗОЛОМ_
6. Леднев В.В. Биологические эффекты кране слабых переменных магнитных полей: идентификация первичных мишеней / Сб.научных работ Объединенного института физики Земли им. О.Ю. Шмидта. - М., 2003- С. 130- 136.
7. Liboff A.R. Geomagnetic cyclotron resonance in living cells // J. Biol. Phys.. - 1985. - Vol. 13. - P. 99 - 102.
8. Мартынюк В.С., Шадрина О.Г. Влияние переменного магнитного поля крайне низкой частоты на растворимость бензола в воде и растворах белка // Биомедицинская радиоэлектроника. - 1999. - № 2. - С. 61-63..
9. Martynyuk V.S., Tseysler Yu. V. The Hydrophobic-Hydrophilic Balance in Water Solution of Proteins as The Possible Target for Extremely Low Frequency Magnetic Fields // In: Biophotonics and Coherent Systems in Biology - Berlin-Heidelberg-New York: Springer, 2006. - Р. 105 -122.
10. Цейслер Ю.В., Мартынюк В.С., Артеменко А.Ю., Мирошниченко Н.С. Влияние магнитного поля разных частот на собственную флуоресценцию сывороточного альбумина // Физика живого. - 2009. - Т. 17, № 1. - С. 95 - 97.
11. Измайлова В.Н., Ребиндер П.А. Структурообразование в белковых системах. - М.: Наука, 1974. - 286 с.
12. Ахрем А.А., Тишенко Е.И., Киселев П.А., Метелица Д.И. Спектральные характеристики взаимодействия цитохрома с и гемоглобина с метанолом и анилином // Биохимия. -1978. - Т. 43., № 11. - С. 2033-2037.
13. Мартынюк В.С., Цейслер Ю.В., Калиновский П.С. Влияние электромагнитного поля крайне низкой частоты на конформационное состояние сывороточного альбумина при его насыщении хлороформом // Таврический медико-биологический вестник. - 2004. -Т.7, № 1. - С. 86-90.
14. Tokalov S.V, Gutzeit H.O. Weak electromagnetic fields (50 Hz) elicit a stress response in human cells // Environ. Res. -2004. - Vol. 94, N 2. - P. 145 - 151.
15. Coulton L.A., Harris P.A., Barker A.T., Pockley A.G. Effect of 50 Hz electromagnetic fields on the induction of heat-shock protein gene expression in human leukocytes // Radiat. Res. - 2004. - Vol. 161, N 4. - P. 430 - 434.
16. Новиков В.В. Биологические эффекты слабых и сверхслабых магнитных полей. - Автореф. дис. ... док. биол. наук, 03.00.02 - «биофизика». - М., 2005. - 43 с.
ВЛИЯНИЕ МАГИНТНОГО ПОЛЯ КРАЙНЕ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА АБСОРБЦИОННЫЕ СПЕКТРЫ МЕТГЕМОГЛОБИНА В УСЛОВИЯХ ЕГО НЕСПЕЦИФИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ БЕНЗОЛОМ
Цейслер Ю.В. , Мартынюк В.С.
Исследовано влияние магнитного поля (МП) частотой 8 Гц 25 мкТл на абсорбционные спектры метгемоглобина в области полосы Соре в условиях неспецифического насыщения данного белка бензолом. Показано, что нагрузка метгемоглобина бензолом вызывает соответствующие изменения в пространственной структуре макромолекулы, что отражается в виде сдвига спектральной полосы Соре в красную область, а дополнительное влияние МП в таких условиях приводит к возникновению новых конформационной состояний, которые проявляются на крыльях абсорбционной полосы Соре. Сделан вывод о том, что заметные конформационные изменения могут быть индуцированы действием МП в основном при деформации пространственной структуры белковой молекулы, в частности вызванной ее неспецифической нагрузкой неполярными соединениями.
Ключевые слова: магнитное поле сверхнизкой частоты, метгемоглобин, конформационные изменения.
INFLUENCE OF EXTREMELY LOW FREQUENCY MAGNETIC FIELD ON ABSORPTION SPECTRES OF METGEMOGLOBIN SATURATED NONSPECIFICALLY BY BENZENE
Tseyslyer Yu.V. , Martynyuk V.S.
The influence of magnetic field with frequency 8 Hz 25 ^T on absorption spectra in the Soret's band of metgemoglobine upon nonspecific saturation of protein by benzene was studied. It was shown that load of metgemoglobine by benzene causes corresponding changes in spatial structure of macromolecules, reflected in a shift of Soret's spectral bands in the red area and the additional effect of ELFMF in this conditions leads to the emergence of new conformation states which are appear on the wings of Soret's absorption bands. The conclusion was made that noticeable conformational change can be induced by ELFMF mainly in terms of deformation of the spatial structure of protein molecules, especially under its nonspecific loading by non-polar compounds.
Key words: extremely low frequency electromagnetic field, metgemoglobin, conformation changes.
