Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 2 (1989), страница 5

Чтобы выяснить механизм биоминераяизации Ге,О, мы исследовали методом мессбауэровской спектроскопии клетки и клеточные фракции, несколько обогащенные мГе. Были также изучены клетки магнитонечувствительных бактерий, накапливающие железо, но не образующие частиц ГезО4, и клетки полученного клонированием магнитонечувствительного штамма, накапливающие железо в меньших количествах. Полученные данные позволяют предположить, что процесс кристаллизации ЕезО4 идет через стадию восстановления предшественника, которым служит гидроксид железа (ггапке! ег а1., 1983). 2.2.

Мессбауэровская спектросковия На рис. 13.9 и 13.10 представлены мессбауэровские спектры плотной влажной массы обогащенных "Бе клеток при 200 и 80 К соответственно. Спектр, полученный при 200 К, можно рассматривать как супер- позицию спектра, соответствующего Ге,О (спектр А), уширенного квадрупольного дублета с параметрами, характерными для трехвалентного железа (спектр Б), и слабо выраженного квадрупольного дублета с параметрами, соответствующими двухвалентному железу (спектр В) (см. табл.

13.1). Спектр А в свою очередь является суцерпозицией спектра, соответствующего структуре с ионами Без' и ге" в вершинах октаэдра (Аз), и спектра структуры с ионами ге'+ в вершинах тетраэдра (А,). Спектр Б наблюдается также в случае препаратов лиофилизованных клеток и характеризуется изомерным сдвигом и параметрами квадру- 24. 1о,о - 5,0 о,а 5,0 Скорость, мм/с - 10,0 Рис.

13.9. Мессбауэровский спектр плотной влажной массы клеток А, мадне- гогаснсим прн 200 К. й Ц95 й о о 0,90 -10,0 -5,0 0,0 5,0 Скорость, мм/е Ю,О Рис. 13.10. Мессбауэровский спектр плотной влажной массы клеток А. мадне- го1асиснм при 80 К. польного расщепления, близкими к соответствующим характеристикам спектра железа, которое содержится в ферритине и в ферригидрите минерального происхождения, что говорит о присутствии атомов трехвалентного железа, координационно связанных с атомами кислорода. Отношение интенсивностей спектров Б и А несколысо колеблется от образца к образцу и зависит от условий вырапншання клеток. При 80 К спектр А соотнетствует спектру РеэОе при температуре вимо перехода Вервен (см.

рис. 13.5), а параметры спектра Б н отношение интенсив- 1, 00 й 0,95 Ф О, 90 Ч. ! К Магниторе1/енция н магнитные зоторины !3. Мееебауэровекая епектроекоаия 25 настей спектров Б и А почти не отличаются от таковых в спектре, полученном при 250 К. Однако при понижении температуры от 80 до 4,2 К интенсивность спектра Б уменьшается настолько, что при 4,2 К наблюдается только небольшой дублет. Аналогичная температурная зависимость спектра Б наблюдается и для лиофилнзованных клеток. Параметры изомерного сдвига и квадрупольного расщепления спектра В соответствуют двухвалентному железу в высокоспиновом состоянии, координационно связанному с атомами кислорода или азота.

В случае лиофнлизованных клеток этот спектр не наблюдался, возможно, нз-за окисления препарата при его приготовлении. Влажная плотная масса клеток, хранящаяся незамороженной в анаэробных условиях, отличается повышенным содержанием материала, ответственного за спектр В, и соответственно меньшим количеством материала с характеристиками спектра Б. Размораживание н аэрирование предварительно замороженной массы таких клеток приводят к увеличению интенсивности спектра Б и-одновременно-уменьшению интенсивности линий спектра В. Зто показывает, что соединения железа, порождающие спектр В„появляются в результате восстановления соединений железа, для которых характерен спектр Б.

В отличие от спектра Б интенсивность спектра В не уменьшается при понижении температуры от 80 до 4„2 К. Уменьшение интенсивности спектра Б прн понижении температуры от 80 до 4,2 К можно объяснить постепенным проявлением магнитных сверхтонких взаимодействий при низкой температуре, которому сопутствует уменьшение интенсивности центрального дублета в спектре поглощения. Подобное явление наблюдается при мессбауэровской спектроскопии ферритина и гемосидерина (рис. 13.6). Однако в данном случае на линии, обусловленные магнитным сверхтонким взаимодействием, накладываются линии спектра магнетита (А, и А,). Чтобы более ~очно выяснить природу материала, ответственного за спектр Б, мы исследовали температурную зависимость мессбауэровских спектров магнитонечувствительных бактерий, у которых отсутствовал магнетит, мешающий проведению таких исследований.

При Т) 80 К основной компонент спектра лиофнлизованных клеток магнитонечувствительных бактерий (рис. 13.11) представляет собой квадрупольный дублет, характерный для трехвалентного железа и обозначенный как спектр Б на рис. 13.9 и 13.!О. Кроме того, наблюдается спектр очень малой интенсивности, обусловленный РезО4 и соответствующий спектральным линиям А, и Аз на рис.

!3.9. Зти слабо выраженные спектральные линии, по-видимому, обязаны своим появлением небольшой фракции клеток магниточувствительных бактерий, имеющихся в образце, или следовым количествам магнетита, возможно, присутствующим в клетках магнитонечувствительных бактерий. Ниже 80 К интенсивность квадрупольного дублета с понижением температуры падает, в то время как интенсивность спектра нз шести линий, расположенных по обе стороны от дублета, растет. При 4,2 К спектр (рис.

13.12) состоит в основном нз шести обусловленных магнитным сверхтонким Ч. 1К Магнитореценцил и магнитные минералы 1,0 л В о й ойв и л о - 10,0 -5,0 0 5,0 СаоРостгч мм/с 10,0 Рис. 13.11, Мессбаузровский спектр клеток магнитонечувствительных бактерий при 50 К. В образце присутствует некоторое количество остаточного Ге,О .

1,0 о о й 0,995 м -Ю,о -5,0 о 5,0 10,0 Скорость,мм/с взаимодействием линий с небольшим дублетом в центре. При зтом спектр из шести линий не дает проявиться спектру РезО4. Наложение продольно ориентированного магнитного поля напряженностью 60 кЭ приводит к уширению спектра из шести линий, но не сопроволщается заметным смещением максимумов нли уменьшением интенсивности какой-либо из линий, Все эти спектральные данные свидетельствуют о присутствии небольших частиц гидрата оксида трехвалентного железа, характеризующихся антиферромагнитными обменными взаимодействиями, подобными тем, которые присущи ферригндриту в ферритовых мицеллах.

Если воспользоваться значениями К и/о для ферритина, то исходя из эксперимен- Рис. !3.12. Мессбауэровский спектр клеток магнитонечуаствительных бактерий при 4,2 К. 73. Мессбауэроеская спекгпроскопия 27 тальных данных можно показать, что диаметр частиц гидрата оксида трехвалентного железа в магнитонечувствительных клетках составляет - 100 А или менее. Однако в отличие от ферритина нли феррнгидрита в спектре клеток как магниточувствительных, так и магнитонечувствительных бактерий при 4,2 К наблюдается небольшой квадрупольный дублет. Интенсивность этого дублета несколько колеблется от образца к образцу, но его наличие наводит на мысль о существовании еше каких-то включений, содержащих трехвалентное железо в высокоспиновом состоянии, со спектральными характеристиками, как у ферригидрита, но с менее плотной упаковкой атомов железа, приводящей к более слабым обменным магнитным взаимодействиям между ними и к отсутствию магнитного расщепления при 4,2 К.

Подобные включения легче изучать в клетках полученного клонированием магнитонечувсгвительного штамма А. аадлеГотасйсиш, накапливающего меньше железа. При Т ~ 4,2 К мессбаузровский спектр поглощения влажной плотной массы полученных клонированием магнитонечувствительных клеток представляет собой квадрупольный дублет (рнс. 13.13). Спектральные характеристики при 80 К близки к параметрам спектра В клеток магннточувствительных бактерий (табл. 13.1), что свидетельствует о наличии включений, содержащих трехвалентное железо в высокоспиновом состоянии.

Наложение внешнего магнитного поля напряженностью 60 кЭ приводит к изменениям в спектре, говорящим об определенном разбросе значений внутреннего магнитного поля. Эти спектральные характеристики свидетельствуют о присутствии трехвалентного железа в высокоспиновом состоянии в виде гидроксида с обменным магнитным взаимодействием порядка 2-3 К, т.

е. с менее плотной упаковкой атомов железа, чем в ферригидрите. Эти включения имеют спектральные ха- .О о О и Ф й ц й -О,О -4,0 О ч,о В,О Скорость, мм/с Рис. !3.!3. Мессбауэровекий спектр полученного клонированием магнитонечувствительного штамма А. пмдпегогаег!еигп прн 4,2 К. 28 Ч, 1Ъ.' Магнипюрецениин и магнитные минералы рактеристики, сходные с таковыми для железосодержащего материала в клетках Е, сод (Ваппппйет е! а!., 1980). Когда влажную плотную массу клеток выдерживали при температуре выше 275 К в анаэробных условиях, помимо дублета, соответствуюшего трехвалентному железу, наблюдались и спектральные линии двухвалентного железа, похожие на спектр В.