Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под ред. Дж. Киршвинка. Том 2 (1989) (1095848), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Не исключено, что это связано с небольшой анизотропией кристаллической решетки, изменяющей симметрию пространственной группы от кубической до какой-либо иной, В то же время, возможно, что рост шести граней (О!!) ограничен окружающей оболочкой, приводжцей к анизотропному росту кристалла и его характерной морфологии. 5.4. Химическая регуляция образования бактериального магнетита В прннципе структура и морфология минералов биогенного происхождения могут определяться одними физико-химическими свойствами среды, в которой идет кристаллизация, и не зависеть от пространственных ограничений, связанных с имеющимися в клетке поверхностями.
Химическая регуляция биоминерализации возможна, только если этот процесс идет в обособленном клеточном компартменте (Мапл, 1983). Вероятно, поэтому окружающая кристаллы магнетита оболочка играет существенную роль в регуляции химического состава среды внутри магнитосомного компартмента. Химические факторы могут влиять на зарождение н рост бактериального магнеппа посредством регуляции степени перенасыщенности раствора внутри магнитосомного компартмента системами активного ионного транспорта.
В настоящее время известны три механизма транспорта железа у микроорганизмов (Хе!!апфл 1977; йаушопь(, Саггапо, 1979), посредством которых может достигаться различная степень перенасыщенности раствора в мапшгосомном компартменте, а следовательно, различная морфология и различные скорости роста образующихся кристаллов. Кроме того, изменяя химический состав раствора в зоне минерализации, можно тонко ре~улировать процессы роста кристаллов. Например, поддерживая постоянные условия в магнитосомном компартменте, можно добиться образования единичного совершенного кристалла даже из слабо перенасыщенного раствора.
Известно, что небольшие изменения концентрации анионов С!, 804', НзРО» сильно влияют иа реакцию образования магнетита ш чйго (БЫЬп ег а1., 1978; Тапзапга е! а1., 1981). из чего следует, что должны существовать системы контроля за концентрациями ипостороиних» ионов компартменте с кристаллами магнетита, окруженном оболочкой.
80 Ч. )К Магнитареценцин и магнитные минералы Фазовый переход аморфно~о гндрата оксида трехвалентного железа в магнетит может происходить при нейтральных значениях рН и при условии, что окислительно-восстановительный потенциал среды в зоне реакции поддерживается в области — 100 мВ. Необходимо подчеркнуть, что величина окислительно-восстановнтельно~о потенциала зависит от рН, поэтому небольшие изменения рН сильно влияют на ход фазового перехода.
Например, небольшое понижение рН будет сдвигать окислительно-восстановительный потенциал в область более положительных значений, благоприятствующих переходу оксида железа в менее пщратированную и более кристаллическую форму, например в гетит (и- геООН). Этот минерал был обнаружен в зубцах, покрывающих радулу у блюдечек (Ьочеепзгаш, 1962), в то время как в покрывающих радулу зубцах хитонов обнаружен магнетит (Тогее, Ьогеепзшпь 1967), Скорость превращения пщрата оксида трехвалентного железа в магнетит, вероятно, невелика, поскольку этот процесс предполагает последовательность реакций дегидратации, растворения, повторной кристаллизации и частичного восстановления трехвалентного железа. Лабораторные исследования реакций превращения оксцдов трехвалентного железа в магнетит в водных средах показали, что определяющей стадией является взаимодействие растворенных в воде ионов ге'" с поверхностью оксида трехвалентного железа (Таланта ег а1., !981, 1983).
Способность оксидов железа адсорбировать растворенные в воде ионы металлов достаточно высока (Бзеа!1оче е1 а1., !980); в процессе адсорбции, как правило, происходят пщролиз катиона и высвобождение протонов в среду (Веп)аппп, Ьес)г1е, 1981). Так, при комнатной температуре и рН выше 7,3 превращение у-геООН в магнетит запускается адсорбцией растворенных в воде ионов ге" на поверхности рк9ида трехвалентного железа, приводящей к образованию растворимцго г))дроксокомплекса двух- н трехвалентного железа.
Сходным д4разбм превращение ферригидрита в магнетит наблюдали в присутствии ионов ге" (водорастворимых) прн рН 7,8 и 25 С в атмосфере азота (Мапл, неопубликованные данные). Тамаура и др. (Тагпапга ег а1., 1983) показали, что при адсорбпди одной молекулы геОН' (водорастворимого) на поверхности аморфного оксида трехвалентного железа высвобождается один протон: ,, ееи + ге'онЪчее)— о ее'+ и'+ н,о ~~гоп — о Кинетика реакции ндсорбции имеет первый порядок относительно !5. Структура кристаллов бактериального магнетилья концентрации ионов ге~ при условии, что число активных центров на поверхности оксида остается постоянным во время реакции. Следующая стадия-это дестабилизация образовавшегося на поверхности интермедиата, приводящая к переходу в раствор гцдроксокомплекса со смешанной валентностью ионов железа, кристаллизуюшегося затем в виде магнетита: О ге' — Ьге~гв'(о)„!он)г)" квзо, + н'+ н,о Существенно, что скорость формирования кристаллов магнетита должна иметь первый порядок относительно концентрации образующегося на поверхности оксида интермедиата (Ташацга ей а!., 1983).
Хотя состав этого переходящего в раствор интермедиата не известен, образование ГеэО на последующей стадии связано с высвобождением еще одного протона. Таким образом, вероятно, что рост кристалла магнетита, показанного на рис. 15.12, идет благодаря движению фронта раствора на границе между аморфной и кристаллической фазами, в котором происходят растворение аморфного предшественника и образование растворимого гидроксокомплекса двух- и трехвалентного железа, вызванные увеличением концентрации ионов Ре'+ в водной среде внутри магнитосомного компартмента. Аналогичный механизм можно постулировать и лля роста кристаллов магнетита в магниточувствительных кокковндных клетках.
Присутствие ионов Гез' в клетках А. таднвюгасг!сит было показано с помощью мессбауэровской спектроскопии (ггап)ге! е! а1., !983). Хотя происхождение этих ионов и их роль в образовании кристаллов магнетита не ясны, данные мессбауэровской спектроскопии свцлетельствуют о том, что ионы ге'+ тесно связаны с фазой, образуемой гидратом оксида трехвалентного железа. Не исключено поэтому, что ионы ге~+ в магнитосомном компартменте появляются вследствие частичного восстановления гидратированного предшественника из-за локального изменения окислительно-восстановительного потенциала, а не в результате непосредственного переноса из цитоплазмы или периплазматического пространства.
Поскольку связывание ионов ге" с поверхностью оксцла трехвалентного железа сопровождается высвобождением протонов, в ходе реакции должен понижаться рН среды и соответственно сдвигаться в область более положительных значений ее окислительно-восстанови- Ч. 1К Магнпторег!епкин и яшгнитные яшнерилы тельный потенциал. Следовательно, одним из условий образования сколько-нибудь значительных количеств магнетита в бактериальной клетке является существование в той части клетки, где идет минерализация, регуляторных систем, поддерживающих постоянными величины рН и окислнтельно-восстановительного потенциала. 5.5. Структурный контроль за образованием бактериального магнетита Роль клеточных поверхностей в биоминерализацни обсуждалась достаточно широко.
Было высказано предположение (Ьохчепзгаш, 1981), что механизмы опосредованной органическим остовом минерализации обеспечивают высокую специфичность кристаллографических типов и ориентацию кристаллов. Рассматривалась, в частности, роль клеточных поверхностей как подложек при эпитаксин, а также некоторые другие возможные функции клеточных поверхностей при биоминерализации (Мапл, 1983). Кристаллографическая морфология и ориентация граней (111) в частицах магнетита у А.
гладпегогаснсиш позволяют предположить стереотаксическое взаимодействие на границе кристалла и окружающей его мембраны, энергетически стабилизирующее рост кристалла в направлении [11Ц. В кристаллах из магниточувствительных кокковидпых клеток хорошо развиты и стабилизированы грани (011). Окончательная форма этих кристаллов образуется в результате предпочтительного роста граней (011) и последующего роста кристалла в направлениях [01Ц и [1001 (рис.
15.15). Такой механизм вполне возможен, поскольку отмечалось, что эпитаксический рост неорганического магнетита на грани (001) кристалла хлорнда натрия начинартсягна зародыше кристаллизации толщиной примерно 10гч через 'формирование грани (011) и продолжается в направлениях [01Ц и [100) (Япкешагзп е! а1., 1980). Образующиеся зародыши были почти квадратными, из чего следует, что рост в направлениях [01Ц и [100! шел почти с одинаковой скоростью.
Некоторая вытянутость кристаллов биогенного магнетита может, следовательно, быть связана с различной скоростью роста граней (111) и (О11) соответственно. Важно подчерк- Рис. 15.15. Возможный механюм формнровяння грани (011) на органической подложке е последуюшнм ростом в направлениях [0113 н [!00). Зародыши квадратной формы с такой орнентапней наблюдвлнсь прн исследовании эпнтвкснн на примере крнстеллязапнн мвгнегнга в неорганнчеекой системе. (Япкепгагвп ег а1., 1980.) 83 !5. Сшруктура кригтиалков биколгриального жиглетити путь, что поскольку предпочтительная ориентация магнетитового зародыша кристаллизации зависит от энергии взаимодействия граней кристалла с органической подложкой, изменения в химическом составе и структуре окружающей оболочки могут в принципе приводить к различным исходным ориентациям и, следовательно, к образованию кристаллов с различной морфологией. Судя по данным ПЭМВР, некоторым сформировавшимся кристаллам магнетита из обоих видов бактерий не свойственны характерная идеализированная морфология и кристаллографнческая ориентация.
Это может быть связано с высокой чувствительностью биологических механизмов зарождения, роста и организации кристаллов к изменениям физических и химических свойств как внутри- так и внеклеточной среды. Кристаллографическая ориентация может быть существенно искажена при высушиванин образцов на электронно-микроскопической сетке и при внесении их в камеру, где поддерживается глубокий вакуум. 6. Выводы Получение непосредственных изображений кристаллической решетки бактериального магнетита с помощью ПЭМВР значительно расширило представления о структуре, морфологии н механизмах роста этого биогенного минерала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
