Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию парамагнитных свойств меланопротеиновых волокон, входящих в структуру человеческого волоса
Актуальность темы: Человеческий волос представляет собой природное органическое волокно, в состав которого входит белок кератин и биополимер меланин Учитывая, что данные две подсистемы имеют непосредственную связь с процессами, протекающими в организме, волос является важным объектом для научных исследований Сегодня можно с полной уверенностью утверждать, что метод Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР) позволяет более детально изучить специфику этих процессов, проходящих как при формировании волоса (непосредственно в коже), так и процессов проходящих в организме человека в целом До настоящего времени исследования волос традиционно проводились в двух основных направлениях косметологическом и медицинском Терминальные волосяные волокна, являющиеся с точки зрения биологии мертвым клеточным материалом, не рассматривались как объект для полномасштабных физических исследований Отметим, что волос, представляя собой высокоупорядоченное биоволокно с постоянной скоростью роста, является, по существу, ретроспективным датчиком биохимических процессов в организме за период от недель до нескольких лет Разумно предположить, что современные резонансные методики в состоянии различить более тонкие изменения Несомненным достоинством самого объекта с точки зрения ЭПР является, в отличие от других биологических тканей, отсутствие в его составе воды Мощным стимулом к дальнейшему изучению волоса явилась серия работ австралийских и американских исследователей Ими в рентгеновских дифрактограммах волос пациентов с онкопатологией молочной железы были обнаружены характерные диффузные кольца, свидетельствующие о структурных нарушениях в белках Поздние эксперименты с использованием синхротронного излучения подтвердили наблюдаемую аномалию Возникла задача о выявлении подобной аномалии методом ЭПР Кроме того, в последние десятилетия значительно возрос интерес к использованию природных полимеров, в частности биополимеров Материалы на их основе являются экологически чистыми и легко утилизируются Меланопротеиновые волокна являются широко распространенными природными полимерами, в которых существуют супрамолекулярные наноструктуры Такие материалы рассматриваются как перспективная база современной нанотехнологии В этой связи человеческий волос представляет особый интерес Химическое модифицирование протеиновых волокон открывает разнообразные возможности для создания новых биосовместимых материалов, которые в настоящее время уже востребованы медициной
Таким образом, изучение магнитных свойств меланопротеиновых волокон является актуальным с научной и практической точки зрения
Целью работы явтялось разработка методологической основы и выявление информативных параметров для применения ЭПР в качестве метода медицинской диагностики онкологических заболеваний по изменениям парамагнитных свойств человеческого волоса Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи
Поиск и идентификация всех вкладов в спектр ЭПР пигментной и белковой подсистем при нормальных условиях
Исследование эволюции спектральных характеристик при внешних воздействиях (высокие, низкие температуры, механическое растяжение, ультразвуковое воздействие, у-облучение, растворение и д р.)
Выявление диагностически перспективных спектральных характеристик, чувствительных к структурным изменениям меланопротеиновой системы, обусловленным онкопатологией
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использован известный и хорошо апробированный метод экспериментальных исстедований - ЭПР-спектроскопия Достоверность результатов работы определялась хорошим совпадением экспериментальных спектров с некоторыми данными других авторов
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих оригинальных результатах
Впервые показано, что ЭПР сигнал меланопротеинового волокна имеет дополнительные компоненты, обусловленные иерархической структурной организацией филаментов а-кератина Проведено изучение эволюции параметров этих компонент при химическом и механическом воздействии и внешнем у-облучении
Проведена идентификация ЭПР спектров белковой подсистемы волоса Наряду с линией, характеризующейся неразретенной тонкой структурой (ДВ=15-70 Гс, g!=2,00, g2=2,03, g3=2,06), обусловленной цистеиновыми радикалами, выделены две дополнительные компоненты спектра узкая - с ДВ(300К)=200-500 Гс, g=2,38 и широкая компонента с ДВ(300К)=400-1000 Гс, g=2 20, которые обусловлены комплексами с переносом заряда на базе аминокислотных остатков
Впервые систематически изучена температурная эволюция сигала ЭПР белковой подсистемы волоса (серосодержащие радикалы и КПЗ) Из параметров спектров определены температуры стеклования плавления, дегидратации и обугливания а-кератина
Впервые проведено экспериментальное изучение зависимости спиновой концентрации в природном меланине при высокой температуре (300-550 К) Результаты исследования позволили определить энергию активации триплетного состояния Еа~0,15 эВ
Предложен метод количественного определения относительной доли эумеланинов и феомеланинов в пигменте человеческого волоса с помощью ЭПР-спектроскопии
Впервые представлен сравнительный анализ параметров ЭПР спектров белковой и пигментной подсистем волос здоровых доноров и доноров с
клинически выявленным раком молочной железы Экспериментально обнаружена корреляция между интегральной интенсивностью сигналов ЭПР меланина и кератина
Практическая значимость результатов исследования состоит в
1 Классификации спектральных компонент ЭПР сигнала и формулировании
модели для парамагнитных центров на базе аминокислотных остатков
2 Разработка метода подготовки образца человеческого волоса для ЭПР
исследований и опредетения биологически информативных спектральных
параметров
3 Разработке оригинальной методики извлечения кератинового материала из
кортекса человеческого волоса
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Утверждение о том, что белковый и пигментный подсистемы
человеческого волоса обладает парамагнетизмом
2 Утверждение о том, что данные подсистемы взаимодействуют и должны
рассматриваться как единый меланопротеиновый полиассоциат
3 Утверждение о том, что ЭПР характеристики надежно регистрируют
морфологические состояния кератиновой подсистемы температуры
стеклования, плавления, дегидратации, карбонизации
3 Утверждение о том, что парамагнитные центры, ответственные за широкий ЭПР сигнал от протеинового волокна, обусловлены иерархической филаментарной структурой а-кератина
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и школах IX международный семинар «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2002 г ), «Modern Development of Magnetic Resonance» (Kazan, 2004), VIII международная школа молодых ученых «Актуальные проблемы магнитного резонанса и его применение» (г Казань, КГУ, 2005 г), III Международная конференция «Высокоспиновые молекулы и молекулярные магнетики» (Иваново, 2006)
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах Список публикаций приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержит 131 страницу текста, включая 63 рисунка и 3 таблицы Библиография содержит 70 наименований