Το αίμα έχει μαγνητικές ιδιότητες;

Το αίμα περιέχει ένα αρκετά πολύπλοκο μόριο, την αιμοσφαιρίνη. Η αιμοσφαιρίνη βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια και ρόλος της είναι να μεταφέρει οξυγόνο από τους πνεύμονες στο υπόλοιπο σώμα. Το μόριο της αιμοσφαιρίνης περιέχει άτομα σιδήρου, όμως, οι μαγνητικές της ιδιότητες διαφέρουν ανάλογα με το αν μεταφέρει οξυγόνο ή όχι.

Η πρόσδεση του οξυγόνου στην αιμοσφαιρίνη επάγει ουσιαστικές δομικές αλλαγές στις θέσεις σιδήρου της αιμοσφαιρίνης

Η αιμοσφαιρίνη Α, παρούσα στους ενήλικες αποτελείται από τέσσερις υπομονάδες 2 α και 2 β. Οι υπομονάδες α και β είναι ομόλογες και έχουν παρόμοιες τρισδιάστατες δομές.

Η ικανότητα της αιμοσφαιρίνης να προσδένει οξυγόνο εξαρτάται από την παρουσία μιας προσδεδεμένης προσθετικής ομάδας που ονομάζεται αίμη. Η αίμη είναι υπεύθυνη για το χαρακτηριστικό κόκκινο χρώμα του αίματος. Αποτελείται από την πρωτοπορφυρίνη (οργανικό συστατικό) και ένα άτομο σιδήρου που βρίσκεται στο κέντρο τις πρωτοπορφυρίνης και κάτω από κανονικές συνθήκες είναι στην κατάσταση οξείδωσης Fe²⁺.

Το ιόν σιδήρου μπορεί να σχηματίσει δύο επιπρόσθετους δεσμούς έναν από κάθε πλευρά του επιπέδου της αίμης. Αυτές οι θέσεις πρόσδεσης ονομάζονται η 5^η και η 6^η θέση συναρμογής. Στην αιμοσφαιρίνη, η 5^η θέση συναρμογής καταλαμβάνεται από τον ιμιδαζολικό δακτύλιο ενός κατάλοιπου ιστιδίνης της πρωτεΐνης.

Στην δεοξυαιμοσφαιρίνη, η 6^η θέση συναρμογής παραμένει ελεύθερη. Το ιόν σιδήρου βρίσκεται περίπου 0,4 Α έξω από το επίπεδο της πορφυρίνης διότι ο σίδηρος στη μορφή αυτή είναι ελαφρώς μεγαλύτερος για να χωρέσει μέσα στην καλά καθορισμένη οπή του πορφυρινικού δακτυλίου.

Όταν προσδεθεί το μόριο του οξυγόνου στην 6^η θέση συναρμογής του ιόντος σιδήρου ουσιαστικά ανακατανέμει τα ηλεκτρόνια μέσα στον σίδηρο έτσι ώστε το ιόν να γίνεται αποτελεσματικά μικρότερο, γεγονός που του επιτρέπει να κινηθεί μέσα στο επίπεδο της πορφυρίνης.

Πώς αντιδρά το αίμα σε ένα μαγνήτη;

Με τη δέσμευση του οξυγόνου, παράλληλα με την αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή παρατηρούνται αλλαγές στις μαγνητικές ιδιότητες των δύο μορφών της αιμοσφαιρίνης.

Κάθε ένα ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως ένας μικρός μαγνήτης. Τα ηλεκτρόνια που είναι συζευγμένα αλληλοαναιρούν το μαγνητικό τους πεδίο με αποτέλεσμα οι μαγνη­τικές ιδιότητες να οφείλονται μόνο στα ασύζευκτα ηλεκτρόνια δηλαδή σε αυτά που καταλαμβάνουν μόνα τους ένα τροχιακό.

• Ένα άτομο που έχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια είναι παραμαγνητικό, δηλαδή εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες και έλκεται από εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Επομένως, όταν η αιμοσφαιρίνη δεν μεταφέρει οξυγόνο είναι παραμαγνητική, γιατί τα άτομα σιδήρου έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια.

• Ένα άτομο το οποίο έχει όλα του τα ηλεκτρόνια συζευγμένα είναι διαμαγνητικό. Το διαμαγνητικό άτομο δεν έλκεται από το μαγνητικό πεδίο αλλά μάλλον, απωθείται ελαφρά.

Επομένως, όταν η αιμοσφαιρίνη προσδένει το οξυγόνο είναι διαμαγνητική, παρά την ύπαρξη του σιδήρου, γιατί τα άτομα σιδήρου στην οξυαιμοσφαιρίνη σχηματίζουν συζευγμένα ηλεκτρόνια.
Επίσης, το πλάσμα του αίματός μας είναι διαμαγνητικό.

Αν λοιπόν τοποθετούσαμε  ένα μαγνήτη δίπλα σε ένα κυπελλάκι με αίμα θα περιμέναμε ο μαγνήτης να απωθήσει το αίμα. Φυσικά, για να παρατηρήσουμε αυτό το φαινόμενο πρέπει ο μαγνήτης να είναι αρκετά ισχυρός και το κύπελλο να επιπλέει σε μία δεξαμενή με νερό, προκειμένου να μπορεί να κινηθεί (απωθηθεί) από τον μαγνήτη.

Μία φαινομενικώς δευτερεύουσα όψη της βιοχημείας της αιμοσφαιρίνης αποτελεί την βάση της παρατήρησης του εγκεφάλου εν δράσει

Η μαγνητική τομογραφία (MRI) παρέχει εικόνες υψηλής ανάλυσης με καλή αντίθεση μεταξύ διαφορετικών ιστών. Αξιοποιεί το γεγονός ότι ο πυρήνας του ατόμου υδρογόνου συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης. Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), οι πυρήνες υδρογόνου μπορούν να τροποποιηθούν έτσι ώστε να δημιουργήσουν ένα σήμα το οποίο μπορεί να χαρτογραφηθεί και να μετατραπεί σε μια εικόνα.

Όταν ξαπλώνετε στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο ενός συστήματος μαγνητικής τομογραφίας όλοι οι πυρήνες υδρογόνου στο σώμα σας, οι περισσότεροι από τους οποίους είναι σε μόρια νερού, τείνουν να ευθυγραμμίζονται με αυτό το μαγνητικό πεδίο.

Ωστόσο, η χαρτογράφηση της δομής του εγκεφάλου δεν είναι η ίδια με τη χαρτογράφηση της λειτουργίας του εγκεφάλου.

Η ανακάλυψη ότι το MRI είναι ευαίσθητο στη εγκεφαλική δραστηριότητα όσο και στην εγκεφαλική ανατομία, οδήγησε στη δημιουργία της λειτουργικής απεικόνισης με μαγνητικό συντονισμό (fuctional Magnetic resonance imaging) fMRI.

Στην fMRI δε βλέπουμε απλά μια φωτογραφία του εγκεφάλου αλλά τον παρακολουθούμε καθώς δουλεύει

Η ουσιώδης παρατήρηση για την ανακάλυψη του fMRI ήταν ότι όταν χρησιμοποιούμε ένα συγκεκριμένο τμήμα του εγκεφάλου, τα αιμοφόρα αγγεία διαστέλλονται για να επιτρέψουν μεγαλύτερη ροή αίματος στην ενεργή περιοχή. Συνεπώς, μία πιο ενεργός περιοχή του εγκεφάλου θα είναι πλουσιότερη σε οξυαιμοσφαιρίνη.

Η fMRI χρησιμοποιεί ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει αυτή τη διαφορά στις μαγνητικές ιδιότητες των δύο μορφών της αιμοσφαιρίνης στο αίμα.

Με τη χρήση κατάλληλης τεχνικής μπορούν να δημιουργηθούν απεικονίσεις, οι οποίες αποκαλύπτουν διαφορές στις σχετικές ποσότητες της δεοξυ και οξυ αιμοσφαιρίνης. Αυτό μας επιτρέπει να δούμε τις μαγνητικές διαφορές των περιοχών του εγκεφάλου που βρίσκονται στην κατάσταση ηρεμίας ή στην ενεργή κατάσταση.

 

--

Πηγές:

1. Pauling, L., & Coryell, C. D. (1936). The magnetic properties and structure of hemoglobin, oxyhemoglobin and carbonmonoxyhemoglobin. Proceedings of the National Academy of Sciences, 22(4), 210-216.
2. Stryer, L. (1997). Βιοχημεία. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 3, 46-47.
3. https://www.win.ox.ac.uk/for-the-public/what-is-fmri
4. http://fmri.ucsd.edu/Research/whatisfmri.html