Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 2 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001275-3
Скачать (прямая ссылка):
5.4. Химическая регуляция
образования бактериального магнетита
В принципе 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 (Mann, 1983). Вероятно, поэтому окружающая кристаллы магнетита оболочка играет существенную роль в регуляции химического состава среды внутри магнитосомно-го компартмента.
Химические факторы могут влиять на зарождение и рост бактериального магнетита посредством регуляции степени перенасыщенности раствора внутри магнитосомного компартмента системами активного ионного транспорта. В настоящее время известны три механизма транспорта железа у микроорганизмов (Neilands, 1977; Raymond, Carrano, 1979), посредством которых может достигаться различная степень перенасыщенности раствора в магнитосомном компартменте, а следовательно, различная морфология и различные скорости роста образующихся кристаллов. Кроме того, изменяя химический состав раствора в зоне минерализации, можно тонко регулировать 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 Cl , SOj~, Н2РС>4 сильно влияют на реакцию образования магнетита in vitro (Sidhu et al., 1978; Tamaura et al., 1981), из чего следует, что должны существовать системы контроля за концентрациями «посторонних» ионов компартменте с кристаллами магнетита, окруженном оболочкой.
Фазовый переход аморфного гидрата оксида трехвалентного железа в магнетит может происходить при нейтральных значениях pH и при условии, что окислительно-восстановительный потенциал среды в зоне реакции поддерживается в области — 100 мВ. Необходимо подчеркнуть, что величина окислительно-восстановительною потенциала зависит от pH, поэтому небольшие изменения pH сильно влияют на ход фазового перехода. Например, небольшое понижение pH будет сдвигать окисли-тельно-восстановительный потенциал в область более положительных значений, благоприятствующих переходу оксида железа в менее гидратированную и более кристаллическую форму, например в гётит (а-FeOOH). Этот минерал был обнаружен в зубцах, покрывающих радулу у блюдечек (Lowenstam, 1962), в то время как в покрывающих радулу зубцах хитонов обнаружен магнетит (Towe, Lowenstam, 1967).
Скорость превращения гидрата 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 оксидов трехвалентного железа в магнетит в водных средах показали, что определяющей стадией является взаимодействие растворенных в воде ионов Fe2 + с поверхностью оксида трехвалентного железа (Tamaura et al, 1981, 1983). Способность оксидов железа адсорбировать растворенные в воде ионы металлов достаточно высока (Swallow et al, 1980); в процессе адсорбции, как правило, происходят гидролиз катиона и высвобождение протонов в среду (Benjamin, Leckie, 1981). Так, при комнатной температуре и pH выше 7,3 превращение y-FeOOH в магнетит запускается адсорбцией растворенных в воде ионов Fe2 + на поверхности оксида трехвалентного железа, приводящей к образованию растворимого гид-роксокомплекса двух- и трехвалентного железа. Сходным образом превращение ферригидрита в магнетит наблюдали в присутствии ионов Fe2+ (водорастворимых) при pH 7,8 и 25°С в атмосфере азота (Mann, неопубликованные данные).
Тамаура и др. (Tamaura et al, 1983) показали, что при адсорбции одной молекулы FeOH + (водорастворимого) на поверхности аморфного оксида трехвалентного железа высвобождается один протон:
Кинетика реакции адсорбции имеет первый порядок относительно
концентрации ионов Fe2 + 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 гидроксокомплекса со смешанной валентностью ионов железа, кристаллизующегося затем в виде магнетита:
Существенно, что скорость формирования кристаллов магнетита должна иметь первый порядок относительно концентрации образующегося на поверхности оксида интермедиата (Tamaura et'al., 1983). Хотя состав этого переходящего в раствор интермедиата не известен, образование Fe304 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 Fe2+ в водной среде внутри магнито-сомного компартмента. Аналогичный механизм можно постулировать и для роста кристаллов магнетита в магниточувствительных кокковидных клетках.
