4.5.5. Ядерный магнитный резонанс

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) заключается в переориентации магнитных моментов ядер некоторых веществ: при поглощении в постоянном магнитном поле и при определенной частоте электромагнитных волн. Если имеется четное количество протонов и нейтронов, ЯМР не наблюдается. Ядра нуклона атома обладают магнитными свойствами, и их рассматривают как маленькие магнитики - диполи. Это связано с наличием у нуклонов спина. При наложении на такие ядра постоянного магнитного поля наблюдается явление, которое получило название «прецессия» (подобно названию "волчка"), то есть вращение вокруг оси, отклонение от вертикального положения. Такое движение определяется частотой ν, которая индивидуальна для каждого типа ядер, не зависит от напряженности постоянного магнитного поля. При действии на ядра, кроме постоянного, переменного магнитного поля собственной частотой прецессии ядерных диполей будет наблюдаться возбуждение данных ядер, что и считается как явление ЯМР. Возбуждение ядер сопровождается поглощением энергии до "насыщения", затем, после прекращения действия ВЧ-импульсов, возбужденные ядра излучают ранее поглощенную энергию в виде переменного магнитного поля, которое регистрируется. В индуктивной катушке (рис. 4.23) при этом регистрируется сигнал, который определяется как ЯМР-сигнал от объекта.

Рис. 4.23. Схема спектроскопа ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 - полюса с магнитом; 3 - ВЧ-генератор; 4 - усилитель; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушка модуляции поля В; 7 – осциллограф

ЯМР наблюдается в том случае, когда на образец действуют магнитные поля: сильное, постоянное (с вектором индукции В) и слабое, радиочастотное с B₁ (10-100 Гц), то есть при таком излучении происходит переход ядра с одного энергетического уровня на другой.

4.5.6. Физическая характеристика клеточных мембран. Искусственные мембраны

На основе рассмотренных физико-химических методов доказано, что фосфолипиды в мембране клетки ведут себя подобно жидким кристаллам, то есть наблюдается строгая упорядоченность, текучесть и стабильность системы. Именно это сочетание обеспечивает выполнение мембранами их важнейших функций.

Фазовые переходы связаны с изменением энергии и потому могут быть обнаружены, в частности, по увеличению теплоемкости с изменением температуры.

Жидкокристаллические состояния бислоя имеют липидную вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердые состояния. Толщина жидкокристаллического бислоя меньше, чем твердого.

Структура молекул в жидком и твердом состоянии различна, в чем можно убедиться с помощью рентгеноструктурного анализа. Доказано, что в жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать так называемые «клинки», в которые внедряются вещества. Перемещение «клинка» в этом случае приводит к диффузии молекулы. Строение биомембран и изучение их свойств оказалось возможным при использовании искусственных мембран (их физико-химических моделей).

Наибольшее распространение получили три таких модели.

К первой модели относится монослой фосфолипидов на границе раздела «вода – воздух» или «вода – масло». На таких границах молекулы фосфолипидов расположены так, что гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофобные «хвосты» - в воздухе или масле. Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, то, в конце концов, удастся получить монослой, в котором молекулы расположены так же плотно, как и в одном из бислоев мембраны.

Второй моделью является бислойная липидная мембрана (БЛМ). Данная модель была создана в 1962 году Н. Мюллером. Сущность ее заключается в следующем: в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, находящихся в стеклянном сосуде, сделали малое отверстие (d=1мм), которое заполняется фосфолипидом, растворенным в гептане. После того, как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько нанометров и диаметром около 1 мм. Расположив по обе части мембраны два электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый на ней потенциал. Если по разные стороны перегородки поместить различные по химическому составу растворы, то можно изучать проницаемость мембраны для различных агентов.

К третьей модели относятся липосомы. Это мельчайшие пузырьки (визикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипидов ультразвуком.

Липосомы представляют собой как бы биологическую мембрану, полностью лишенную белковых молекул. На липосомах проводят эксперименты по изучению влияния различных факторов на свойства мембраны. Как отмечалось, двойной фосфолипидный слой уподобляют конденсатору. На искусственных мембранах показано, что электроемкость 1 мм² мембраны составляет 5…13 нФ. Доказано, что мембраны выполняют две очень важные функции - матричную и барьерную, то есть мембраны являются основой удержания белков и защиты клетки от проникновения нежелательных элементов внутрь ее. Если эти функции мембран нарушаются, то происходит изменение нормального функционирования клеток и, как следствие, заболевание организма.

Таким образом, современное представление о клеточных мембранах базируется на физико-химических методах исследования. К таким методам относятся электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, поляриметрия, ЭПР, ЯМР.

Жидкостные свойства мембраны клеток доказаны с помощью парамагнитных и флюорисцирующих меток, используемых при ЭПР и ЯМР. С помощью этих методов было доказано, что микровязкость клеточных мембран на три порядка выше вязкости воды и соответствует вязкости растительного масла. Как известно, с помощью рентгеноструктурного анализа и ЭПР доказано, что белки как бы плавают в «липидном море». Их молекулы погружены с двух сторон мембраны на разную глубину в двойной слой подвижных углеводородных «хвостов» - липидов. Имеются белки, проходящие через всю мембрану. В мембранах существуют каналы, по которым происходит транспорт малых ионов и молекул.

С помощью ЭПР и ЯМР доказано наличие конформационных переходов в мембранах. Структурные изменения обнаруживаются с помощью парамагнитных меток. В мембранах наблюдаются фазовые переходы и плавление липидов. Обнаружены продольные перемещения липидов и «флип-флоп», то есть перемещение вдоль и поперёк мембраны.