<<
>>

Многомерный анализ результатов ИК-спектроскопии

На основании ковариационных матриц был проведен многомерный анализ и рассчитан критерий Бартлетта, который позволил при наличии эталона (бидистиллированной воды) определить степень различия дисперсий анализируемых систем на основании математического выражения:

W=b*(-2lnv), где параметры b и -2lnν определяются по формулам: b=1-(Z2J=1(nJ-1))-1/-Z2J=1(nJ-1))*3,13;

-2lnv=-(Z2j=1(nj-1))*ln|S|-Z2j=1(nj-1)*ln|Sj|, где nj - число строк в таблице данных, Sj - объединенная ковариационная матрица.

Величина многомерного критерия Бартлетта сравнивается с χ2α, v (Хи-квадрат распределение) при a=0,05; v= n1+ n2-2. Данный показатель характеризует состояние системы с позиций его динамичности.

Для учета характера изменений абсолютных показателей пропускания исследуемых модельных растворов применялся целостный критерий - расстояние Махаланобиса, который рассчитывался при сравнении исследуемого объекта с эталоном. В данном случае анализировали средние значения показателей пропускания инфракрасного излучения двух многомерных выборок модельных систем по формуле: Do, э= (Mo- M3)*S3^ 1*(Mo- Мэ) ,, где Moи Мэ - векторы средних выборок «образца» и «эталона» соответственно, S√1- обратная ковариационная матрица «эталона», ,- знак транспонирования.

Таким образом, критерии Махаланобиса и Бартлетта позволили оценить статические и динамические свойства состояния. Использование диаграммы рассеивания в координатах этих показателей для графической и аналитической интерпретации полученных результатов позволило определить

на основе дистанционного анализа степень близости модельных систем друг к другу и оценить эффекты воздействия вещества на изменения водной составляющей.

Результаты исследования и их обсуждение. ИК-спектроскопия биологической системы- сыворотка крови подростков

а) ИК-спектроскопия сыворотки крови подростков здоровых и с задержкой психического развития

В ИК-спектре сыворотки крови подростков с задержкой психического развития относительно здоровых установлено изменение ширины полос и высоты пиков всех основных характеристических групп (рис.1).

Так, в диапазоне длины волны 3462 см-1, относящейся к симметричным валентным колебаниям групп -OH, -NH, значительно снижена высота пика, что говорит о меньшем содержании веществ с данными функциональными группами (пептиды, липиды). Поглощение в области 3207 см-1, смещенное к 3190 см-1 и менее интенсивное, может быть приписано симметричным валентным колебаниям связанных групп -OH, -NH.

Для валентных колебаний -СН ненасыщенных жирных кислот и эфиров холестерина, определяемых в области полосы 3020-3000 см-1, отмечено уменьшение интенсивности и смещение в сторону более длинных волн (3013­3030 см-1). В ИК-спектре сыворотки крови детей с ЗПР не обнаружены полосы, относящиеся к ассиметричным (2990-2950 см-1) и к симметричным колебаниям метильной группы эфиров холестерина, триглицеридов, глицерола (2880-2860 см-1). Установлено изменение ширины полосы ассиметричных валентных колебаний группы -СН2 жирных кислот и фосфолипидов с 2950-2880 см-1 до 2957-2870 см-1.

Определено незначительное уширение диапазона (с падением интенсивности поглощения), характеризующего симметричные валентные

колебания -СН3 групп жирных кислот и фосфолипидов, от 2870-2830 см-1 до 2870-2825 см-1.

Рис. 1. ИК-спектр сыворотки крови подростков здоровых (А) и с задержкой психического развития (В)

Отличие в интенсивности пиков деформационных колебаний -CH3и -CH2 (2996-2819 см-1) указывает на различное количество жирных кислот, фосфолипидов и триглицеридов, т.е.

на изменение соотношения липиды/белки в сыворотке плазмы крови больных детей. Отмечается значительное увеличение площади диапазона валентных колебаний группы -С=О, определяемой в липидах, эфирах холестерина и триглицеридах (1739-1732 см- 1). В диапазоне 1200-1000 см-1, где основными являются колебания групп -О- Р=О фосфолипидов, фосфорилированных белков, полоса поглощения для сыворотки плазмы крови группы № 1 ниже контрольной, что говорит о меньшем содержании вышеназванных веществ.

В области 3600-3450 см-1 обнаружены пики, которые можно отнести к валентным колебаниям -OH групп, что говорит о наличии воды в составе гидратных оболочек биологически активных веществ крови. Область

деформационных колебаний молекул воды сыворотки плазмы (1645 см-1) исследуемой группы по сравнению с контрольной достоверно ниже.

б) ИК-спектр сыворотки крови подростков с ЗПР в процессе лечения

Обнаружено, что применение препарата «Кортексин» приводит к понижению значений пропускания в области ИК-спектра, характеризующего полосы поглощения групп: -С=О связи (фосфолипиды), а также связей групп -Р-О-С и -Р-ОН, присущих фосфатидилинозитолу, фосфатидилэтаноламину и фосфатидилсерину (1750-1610 см-1 и 1067-930 см-1 соответственно), что свидетельствует об активации метаболизма фосфолипидов и увеличении концентрации основных представителей данного класса соединений в сыворотке. Это подтверждает взаимосвязь метаболических процессов аминокислот и липидов [Лунева Е.В., 2007; Кильчевская М.А., 1976].

Для оценки влияния препарата «Кортексин» на водную составляющую сыворотки крови рассчитали площадь полос поглощения ИК-спектра, характерных для воды (валентные, деформационные и либрационные колебания). Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Величина полос поглощения ИК-спектра водной основы сыворотки крови при воздействии лекарственного препарата «Кортексин» (1М) (р < 0,05)_________________ ι

Вид колебаний Н-ОН связей Величина полосы для сыворотки крови у детей с патологией, у.
е.
Величина полосы поглощения модельного раствора (сыворотка крови больных детей с лекарственным препаратом), у. е.
Валентные 26,67* 44,77*
Деформационные 2,64* 3,096*
Либрационные 0,0174* 0,085*

Представленные экспериментальные данные свидетельствуют об

увеличении измеряемого признака во всех анализируемых диапазонах, что

связано с изменением структурного состояния водной основы исследуемой модельной системы.

ИК-спектроскопия модельных систем

а) Фурье ИК-спектроскопия водных модельных систем, содержащих нейтральные (Гли и Ала), кислые (Глу и Асп) аминокислоты и их двухкомпонентные смеси

На ИК-спектре 1М растворов исследуемых аминокислот определяются характеристические пики всех функциональных групп, входящих в состав этих веществ. При длине волны 1620 см-1 для всех растворов наблюдаются деформационные колебания связи Н-ОН, которые незначительно отличаются по интенсивности, что говорит о сходном действии веществ на водную основу модельных растворов.

В ИК-спектре двухкомпонентной смеси происходит наложение спектральных полос исследуемых аминокислот, при этом не обнаружено исчезновение полос поглощения, отвечающих одному из компонентов, и не определено новых спектральных полос, подтверждающих образование новых связей.

б) Широкополосная ИК-спектроскопия растворов, содержащих малые и сверхмалые количества нейтральных (Гли и Ала) и кислых (Глу и Асп) аминокислот

Исследование растворов проводили с помощью АПК «ИКАР» и анализировали дисперсии показателей пропускания свежеприготовленных 1М растворов в разведении от 101 до 1016 раз.

Установлено, что сверхмалые количества глицина (10-11М) и аланина (10-14 М) вызывают наибольшую флуктуацию показателей пропускания в диапазонах 1127-1057 см-1 и 1710-1610 см-1 соответственно (либрационные и деформационные колебания воды), а наименьшую - при разведении 1016 раз в диапазоне 1600-1535 см-1 для первой аминокислоты и 105 раз в области ИК-

спектра 3085-2832 см-1для второй (валентные и деформационные колебания молекул воды соответственно).

Для растворов глутаминовой и аспарагиновой кислот в концентрации 10­10М и 10-15М соответственно максимальная величина дисперсии показателей пропускания определена в диапазоне 3085-2832 см-1, а минимальная - в области спектра 1600-1535 см-1 при разведении в 101 и 1010 раз соответственно (валентные и деформационные колебания молекул воды соответственно).

Многомерный анализ полученных данных позволил установить для нейтральных аминокислот следующее: одинаковые разведения (10-5, 10-14, 10-16) вызывают разнонаправленное изменение величины критерия Махаланобиса (рис. 2).

Рис. 2. Влияние глицина и аланина (разведение 1М растворов в 101-1016раз) на величину флуктуации показателей пропускания ИК-излучения тонких слоев воды. Количественная оценка дана в величине критерия Махаланобиса

Для растворов кислых аминокислот показатель целостного состояния изменяется волнообразно с достижением максимальных значений при разведении в 109 раз. Установлено, что равное количественное содержание кислот вызывает сходное изменение критерия Махаланобиса (рис. 3).

15

Рис. 3. Влияние глутаминовой и аспарагиновой кислот (разведение 1М растворов в 101-1016раз) на величину флуктуации показателей пропускания ИК-излучения тонких слоев воды. Количественная оценка дана в величине критерия Махаланобиса

в) ИК-спектроскопия растворов лизина

В спектре 1 М раствора лизина, полученного с помощью Nicolet IS10, установлены характеристические полосы всех химических связей данной аминокислоты.

В исследуемом растворе увеличивается интенсивность полосы слабосвязанной воды, о чем свидетельствует возрастающая по интенсивности в область высоких частот полоса с максимумом 3500 см-1. Уширение спектральной полосы в область низких частот (до 2700 см-1) свидетельствует о проявлении взаимодействия ОН-групп воды с аминогруппами аминокислоты [Стрельникова О.Ю., 2002].

Анализ данных, полученных при помощи АПК «ИКАР», показал, что лизин вызывает наибольшую флуктуацию показателей пропускания в концентрации 10-2 М диапазона 1710-1610 см-1, а наименьшую - при разведении 1012 в области ИК-спектра 1600-1535см-1, где определяются связи N-H и амидные группы.

Многомерный анализ полученных данных позволил установить, что лизин практически не влияет на значение расстояния Махаланобиса, которое при разведении 1М раствора в 16 раз колеблется в пределах 8 у.е. и существенно не отличается от эталона (рис. 4).

Рис. 4. Изменение расстояния Махаланобиса водного раствора лизина (при разведении 1М раствора) и его аппроксимация

Этот факт можно объяснить наличием дополнительной аминогруппы в радикале аминокислоты, которая снижает ее кислотные свойства и уменьшает эффект влияния на структурное состояние водной основы раствора.

Таким образом, исследуемые аминокислоты оказывают влияние на структурное состояние водной основы растворов, что соответствует данным литературы, согласно которым аминокислоты по силе данного воздействия можно представить в виде ряда: аспарагиновая кислота ≈ глутаминовая кислота> глицин ≈ аланин> лизин [Бейлина Д.С., 2003]. При этом установлено: в концентрации 10-4 М исследованные аминокислоты оказывают сопоставимое по силе воздействие на водную основу, в то время как в концентрациях 10-3, 10-13 М характер этого воздействия отличен.

г) ИК-спектроскопия водной модельной системы препарата «Кортексин»

Фурье спектроскопия 1М раствора Кортексина позволила установить наличие всех функциональных групп, соединений, входящих в его состав. Незначительное изменение их положения относительно справочных данных

связано с их взаимодействием с водной основой раствора. В спектре не обнаружены связи новых веществ, образованных в результате взаимодействия соединений, составляющих препарат.

Анализ растворов, полученных путем разведения исходного раствора от 101 до 1016 раз с помощью АПК «ИКАР», показал, что наибольшая величина дисперсий показателей пропускания определена для концентрации 10-2 М в диапазоне 3085-2832 см-1, а наименьшая - при разведении 1010 в области ИК- спектра 1430-1210 см-1.

По сравнению с растворами отдельных аминокислот целостный критерий Махаланобиса для разведений препарата «Кортексин» имеет более низкие значения (рис. 5), что можно объяснить его стабилизирующим воздействием на водный компонент.

Рис. 5. Изменение расстояния Махаланобиса водного раствора препарата «Кортексин» (при разведении 1М раствора в 1016раз) и его аппроксимация

На основании полученной методом инфракрасной спектроскопии информации о показателях пропускания и их дисперсиях была построена диаграмма рассеивания в целостных критериях для модельных растворов аминокислот и препарата «Кортексин» (рис. 6).

На рисунке видно, что исследуемые вещества образуют обособленные для каждого из них области.

Обнаружено, что нейтральные и кислые аминокислоты располагаются на диаграмме вдоль оси Махаланобиса, в то время как Лиз формирует область, расположенную преимущественно вдоль оси Бартлетта, что может характеризовать способность вещества влиять на динамические свойства раствора.

Рис. 6. Диаграмма рассеивания модельных растворов аминокислот и препарата «Кортексин»

При этом препарат «Кортексин», в котором присутствуют все исследованные аминокислоты, оказывает специфическое влияние на водный компонент, компактно располагаясь на диаграмме. Данный факт, видимо, связан с гидрофобным взаимодействием всех молекул препарата, при этом создается высокая локальная концентрация при низкой общей концентрации. В этом случае концентрация, необходимая для проявления эффекта лекарственного вещества, будет достигнута при соотношении: чем выше склонность к образованию гидрофобных связей между компонентами, тем меньше концентрация вещества в растворе.

<< | >>
Источник: Бутавин Никита Юрьевич. ВЛИЯНИЕ ЭНДО- И ЭКЗОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ИНФРАКРАСНЫЙ СПЕКТР СЫВОРОТКИ КРОВИ ПОДРОСТКОВ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Тверь - 2014. 2014

Еще по теме Многомерный анализ результатов ИК-спектроскопии:

  1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  2. НЕКОТОРЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКИ
  3. ЛИТЕРАТУРА
  4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  5. Многомерный анализ результатов ИК-спектроскопии
  6. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
  7. Введение
  8. Лучевая диагностика злокачественных опухолей у детей
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -