Биологически науки./ 9.Биохими и биофизика.
Комова Н.Н.^*, Никольская Т.А.^**
ВЛИЯНИЕ УПРУГО-ЭЛАСТИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ КЛЕТКИ НА СВЕТОРАССЕЯНИЕ В ПРОЦЕССЕ СЕДИМЕНТАЦИИ.
^*Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В.Ломоносова (МИТХТ), Москва, Россия.
^**Институт биохимической физики РАН им. Н.М. Эмануэля, Москва, Россия.

Полноценное функционирование клетки определяется целым рядом факторов [1]. Одной из наиболее важных характеристик в процессе жизнедеятельности клетки занимает эластичность её мембраны [2]. Изменение эластичности свидетельствует о нарушении нормального функционирования клетки. Так в работе [3] сообщалось о снижении эластичности эритроцитов при заболевании диабетом и восстановлении этого параметра при инкубации изолированных эритроцитов in vitro с инсулином. Поэтому определение и контроль состояния эластичности клеток организма является весьма актуальным в процессе диагностики заболеваний.
Наиболее распространенным до недавнего времени методом определения вязкоупругих характеристик клеток был механический метод втягивания части мембраны клетки в микропипетку, что обеспечено перепадом давления в устье микропипетки [2]. Метод является трудоёмким и предполагает возникновение достаточно больших погрешностей. В настоящее время получили развитие бесконтактные методы определения эластических свойств клеток [3].

В работе [4] показано, что скорость оседания клеток в изотоническом солевом растворе Хенкса непосредственно определяется состоянием их мембран. В процессе облучения клеток, приводящего к нарушению мембранной структуры, скорость их оседания уменьшается. Оценка скорости оседания проводилась с помощью измерения интенсивности светорассеяния кюветы, в которой происходил процесс седиментации. Применяя основные принципы светорассеяния в работе, учитывали модельные представления или аппроксимации, используемые при решении обратной задачи светорассеяния в рамках проводимого эксперимента. Такой подход вызван тем, что реальная, используемая в работе клеточная структура являлась в определённой степени прозрачной для светового потока. В результате рассеяние света происходило не только на поверхности самой частицы, но и на элементах внутренней структуры клетки. Поскольку размеры частиц внутренней структуры клетки значительно меньше размеров самой клетки, то и соотношение дифракционного параметра рассеивателя kd ( где k - волновое число дисперсионной среды, зависящее от длины волны проходящего света, d- характерный размер рассеивателя) имеют разное соотношение: kd<<1 для мелких частиц и kd>>1 для клеток, которые имеют гораздо больший размер. Оба сорта частиц являются оптически мягкими, поскольку для них выполняется условие: |m-1 |<<1, где m-относительные показатель преломления.

Для частиц, отвечающих условию kd>>1 при |m-1 |<<1 (большие клеточные структуры) используются аппроксимации аномальной дифракции (АД) или приближения высоких энергий ( аппроксимация Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ИКБ) и приближение эйконала) [5]. Для таких частиц принимают, что падающий на них луч не меняет своего направления и амплитуды, а изменяется только его фаза. В результате процесс светорассеяния сводится к прямолинейному распространению световой волны. Если произошло уменьшение эластичности клеточной мембраны, то при оседании клетки происходит необратимая деформация её мембраны и изменение формы клетки, что приводит к изменению скорости оседания из-за увеличения сил сопротивления движению новой формы и объёма. Представим взвешенную в растворе клетку, на которую действуют силы. В результате клетка начинает оседать. Обозначим ось её перемещения z и направим её вдоль перемещения. Если размеры клетки были неизменны, то скорость её оседания - v_o- равна dz/dt. В результате деформации относительную скорость оседающей клетки можно представить как: (1),
где dδ/dz - градиент обобщенного параметра деформации. Выражение для градиента обобщенного параметра деформации из уравнения (1) имеет вид:
dδ/dz =1+ v_кл/v_o . (2)
Скорость оседания все клеточной структуры v_кл можно определить с помощью относительной интенсивности светорассеяния при длине волны, превышающей размеры клетки ( приближение АД). А скорость, определяющую оседание недеформированной клетки, в соответствующем приближении можно определить по скорости оседания недеформированных элементарных клеточных структур, принимаемых за мелкие сферические частицы.

Таким образом, изменение скорости оседания клеток в определенном смысле отслеживает изменение эластичности клеточных мембран. Если сравнить скорости оседания клеток с разным состоянием мембран, относительная разность скоростей может служить характеристикой относительной скорости деформации клеток.
Литература
1.Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-ое, переработанное. — М.: Мир, 1993. — Т. 2. — 539 с.
2. Ивенс И., Скейлак Р. Механика и термодинамика биологических мембран.- М.: Мир, 1983.- 215 с.

3. Бакиров Т.С., Генералов И.М., Топорков И.С. Измерение вязко-упругих характеристик клеток с помощью неоднородного переменного электрического поля.//Биотехнология, 1998, №5, С.88-96.

4. Комова Н.Н., Никольская Т.А. Применение метода светорассеяния для оценки первичных повреждений в клетках в процессе сенсибилизированного фотолиза / Ин-т биохим. физики РАН -М., 2005.-16 с.- Деп. в ВИНИТИ 04.08.05, №1124-В2025.

5. Ван де Хюст Г. Рассеяние света малыми частицами.: Пер. с англ.- М.: Иностр. лит., 1986.- 536 с.