Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3667
Kelemen, Christina
Analyse des phasensprungartigen Einsetzens der Passage humaner Erythrozyten durch Mikropipetten bei kritischen Temperaturen
97 S., 1999
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Analyse der Temperaturabhängigkeit des
Eintritts- und Passageverhaltens humaner Erythrozyten in Mikropipetten. Die Pipetten haben
dabei einen typischen Innendurchmesser von etwa einem Drittel des Durchmessers der
kleinsten Kapillaren des menschlichen Blutkreislaufes. Der Aspirationsdruck ist von physiologisch
relevanter Größe. Intakte Erythrozyten zeigten einen phasensprungartigen Übergang
von Blockade zu Passage bei der kritischen Temperatur Tc = 36,4±0,3°C. Der Übergang
intakter Erythrozyten wurde als ein Übergang von der Gel- zur Flüssigphase der im Zellinneren
befindlichen hochkonzentrierten Hämoglobinlösung diskutiert. Eine erhöhte intrazelluläre
Calciumkonzentration behinderte die Passage intakter Zellen. Bei Erhöhung der Aspirationskraft
um den Faktor 1,7 wurde der phasensprungartige Übergang erneut beobachtet, und
zwar ebenfalls bei 36,4°±0,3°C. Auch Viskositätsmessungen reiner, hochkonzentrierter
Hämoglobinlösungen im Temperaturbereich zwischen 20°C und 40°C zeigten einen plötzlichen
Viskositätsabfall zwischen 35 und 37°C. Ein ähnlich abrupter Temperaturübergang wurde
auch bei erhöhtem Calziumgehalt der Suspension mittels Viskometrie beobachtet. Das
plötzliche Einsetzen der Passage bei Tc wurde auf einen plötzlichen Abfall der intermolekularen
Wechselwirkungen des Hämoglobins zurückgeführt. Die Einflüsse von Calcium und
Temperatur auf die Viskosität der Hämoglobinlösungen ließen sich durch zwei Modelle
veranschaulichen.
Auch hämoglobinverarmte Ghosts zeigten einen phasensprungartigen Übergang, allerdings
bei einer anderen Übergangstemperatur von Tg = 28,3±2,3°C. Der Übergang versiegelter
Ghosts wurde dem fest an die Innenmembran verankerten Spektrinnetz zugeschrieben und
als ein inverser Temperaturübergang diskutiert, d.h. als plötzliche Abnahme der Entropie des
Spektrinnetzes bei der kritischen Temperatur Tg.
The present work deals with the analysis of the temperature dependence of the defonnational
as well as passage behavior of human erythrocytes in micropipettes. The pipettes used had a
typical inner diameter of about one third of those of the smallest capillaries in the human
circulatory system. The aspiration pressure used was of physiologically relevant magnitude.
A sudden transition from blockage to passage appeared for intact cells at Tc = 36,4±O,3°C.
The transition of intact erythrocytes was interpreted as a gel-to-fluid phase transition of the
highly concentrated intracellular hemoglobin solution. An enhanced intracellular calcium
concentration hindered the cell passage. At an 1.7 fold enhanced aspiration force the
transition occurred again at 36,4°±O,3°C. Low shear viscometry of pure, highly concentrated
hemoglobin solutions in-between 20°C and 40°C also showed an sudden viscosity drop
between 35°C and 37°C. A sudden temperature transition appeared as well when the intracellular
calcium content was increased. The sudden onset of cell passages at Tc was most likely
due to a breakdown of intermolecular hemoglobin bonds. Two distinct models have been
elaborated to explain the effects of calcium and temperature on the viscosity of hemoglobin
solutions.
Hemoglobin depleted red blood cell ghosts (resealed ghosts) showed a phase transition like
passage behavior as well, yet at a distinctly different transition temperature of Tg =
28,3±2,3°C. The ghost transition was explained as a so-called inverse temperature transition
of the spectrin network tightly bound to the erythrocyte's inner membrane site. An inverse
temperature transition is a sudden decrease of the spectrin lattice network' s entropy at Tg
with increasing temperature.
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