Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Optical marking of alcohol induced hemoglobin modification
1Vlokh I., 1Nechiporenko I., 1Hul A., 2Moroz O., 2Grinchishin N., 3Dudok K., 4Dudok T., 4Nastishin Yu., 4Vlokh R.

1Department of Psychiatry, Psychology and Sexology, Lviv National Medical University, 95 Kulparkivska St., 79011, Lviv, Ukraine
2Centre of Biological Psychiatry, Lviv National Medical University, 95 Kulparkivska St., 79011, Lviv, Ukraine
3Biochemical Department, Lviv National University, 4 Hrushevsky St., 79005, Lviv, Ukraine 
4Institute of Physical Optics, 23 Dragomanov St., 79005, Lviv, Ukraine

download full version

The goal of this study is to verify whether the conformational modifications in hemoglobin molecules induced by ethanol consumption can be detected by means of optical spectroscopy. Two approaches based on comparative spectral investigations of hemoglobin samples extracted from alcohol and non-alcohol treated rats have been used, namely: we studied 1) hemoglobin oxygenation kinetics and 2) affinity of hemoglobin molecules to Cibacron Blue dye. We found that after four months of alcohol consumption the fractional weight of oxyhemoglobin has decreased whereas methemoglobin amount increased. Further alcohol consumption is accompanied by the recovery of the normal level of hemoglobin derivatives. This is in agreement with well known phenomenon of adaptation to chronic ethanol exposure. Analysis of the spectra for hemoglobin water solution doped by Cibacron Blue dye shows that dye affinity of hemoglobin is better in alcohol treated rats compared to untreated controls. Results of both approaches confirm that structural pathologies in blood protein molecules induced by ethanol and its metabolites can be detected using optical spectroscopy. 

Keywords: alcoholism, optical absorption, spectroscopic and microscopic techniques in biophysics and medical physics, biomolecules: structure and physical properties 

PACS: 42.25.Bs, 87.15.Mi, 87.64.Ni
Ukr. J. Phys. Opt. 10 1-21 
doi: 10.3116/16091833/10/1/1/2009
Received: 25.12.2008

Анотація. Метою даного дослідження є перевірка придатності методів оптичної спектроскопії на предмет виявлення конформаційних змін гемоглобіну, індукованих вживанням етанолу. Для цього використовувались два методи, які базуються на порівняльних спектральних дослідженнях гемоглобіну, взятого з крові групи лабораторних щурів, які примусово вживали алкоголь і контрольної групи, тварини якої не піддавались алкогольній інтоксикації, а саме: 1) метод дослідження кінетики оксигенації гемоглобіну і 2) метод дослідження спорідненості молекул гемоглобіну до барвника Cibacron Blue. Виявлено, що після чотирьох місяців вживання алкоголю фракційний вміст оксигемоглобіну зменшувався, тоді як вміст метгемоглобіну зростав. Подальше споживання алкоголю супроводжувалось відновленням нормального співвідношення похідних гемоглобіну. Цей факт узгоджується з відомим явищем адаптації до хронічного вживання алкоголю. На основі аналізу спектрів поглинання водного розчину гемоглобіну з барвником Cibacron Blue показано, що спорідненість молекул гемоглобіну до даного барвника є більшою в алкогольно інтоксикованих щурів у порівнянні з тваринами контрольної групи. Результати досліджень обома методами підтверджують те, що структурна патологія молекул гемоглобіну, індукована етанолом і його метаболітами може бути виявленою оптичними спектральними методами.
REFERENCES
 
  1. Berggren U, Fahlke C, Aronsson E, Karanti A, Eriksson M, Blennow K, Thelle D, Zetterberg H, and Bielmann J-F, Samana J-P, Branden CI and Eklund H. 1979. X-Ray studies of the binding of Cibacron blue F3GA to liver alcohol dehydrogenase. Eur. J. Biochem. 102: 107-110.

    2. doi:10.1111/j.1432-1033.1979.tb06268.xPMid:520314
  2. Tønnesen H, Hejberg L, Frobenius S, Andersen J. 1986. Erythrocyte mean cell volume-correlation to drinking pattern in heavy alcoholics. Acta Med. Scand. 219: 515-518.
  3. Sharpe PC, McBride R and Archbold GP. 1996. Biochemical markers of alcohol abuse. QJM: An International Journal of Medicine.89: 137-144.
  4. Subir Kumar Das, Prasunpriya Nayak and Vasudevan DM. 2003. Biochemical markers for alcohol consumption. Ind.J.Clin.Bioch. 18: 111-118. doi:10.1007/BF02867376
  5. Petrov AG. The lyotropic state of Matter. New York: Gordon and Breach (1999).
  6. Helamder A, Tabakoff B and Who/Isbra study centers.1997. Biochemical markers of alcohol use and abuse experiences from the pilot study of the Who/Isbra collaborative project on state and trait markers of alcohol. Alcohol and Alcoholism 32: 133-144.
  7. Potter JJ, Mac Dougald OA, Mozey E. 1995. Regulation of rat alcohol-dehydrogenase by cyclic AMP in primary hepatocyte culture. Arch. Biochem. Biophys. 321: 329-335. doi:10.1006/abbi.1995.1402PMid:7646058
  8. Abel EL. 1996. Alcohol-induced changes in blood gases, glucose, and lactate in pregnant and nonpregnant rats. Alcohol. 13: 281-285. doi:10.1016/0741-8329(95)02056-XPMid:8734843
  9. Perutz MF. 1979. Regulation of oxygen-affinity of hemoglobin influence of structure of the globin on the heme iron. Ann. Review of Biochem. 48: 327-386. doi:10.1146/annurev.bi.48.070179.001551PMid:382987
  10. Ngnuyen LB, Peterson CM. 1984. The effect of acetaldehyde concentrations on the relative rates of formation of acetaldehyde-modified hemoglobins. Proc.Soc.Exp.Biol. 177: 226.
  11. Burov YuV, Vedernikova AN. Neurochemistry and pharmacology of alcoholism. Moscow: Medicine (1985).
  12. Dudok KP, Moroz O, Dudok T, Vlokh I, Vlokh R. 2004. Spectroscopic Study of Haemoglobin Ligand Forms and Erythrocyte Membrane Dynamics at Alcohol Intoxication of White Rats. Ukr.J.Phys.Opt. 5: 32-35. doi:10.3116/16091833/5/1/32/2004
  13. Kanitz RD, Wood WG, Wetterling T, Forster J, Oehler G. 1994. New state markers for alcoholism. Comparison of carbohydrate deficient transferrin (CDT) and alcohol mediated (triantennary) transferrin (AMT). Prog. Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 18: 431-446. doi:10.1016/0278-5846(94)90002-7PMid:8078981
  14. Schnitzler CM, Menashe L, Sutton CG and Sweet MBE. 1988. Alcohol abuse in patients with femoral neck and intertrochanteric fractures. Alcohol and alcoholism. 23: 127-132.
  15. Farren CK and Tipton KF. 1999. Trait markers for alcoholism: clinical utility. Alcohol and Alcoholism. 34: 649. doi:10.1093/alcalc/34.5.649PMid:10528806
  16. Stassen HH, Begleiter H, Porjesz B, Rice J, Scharfetter C, Reich T. 1999. Structural decomposition of genetic diversity in families with alcoholism Genet. Epidemiol. 17: S325-330.
  17. Struppe J and Vold RR. 1998. Dilute Bicellar Solutions for Structural NMR Work. J.Magn.Res. 135: 541-546. doi:10.1006/jmre.1998.1605PMid:9878482
  18. Prosser RS, Losonczi JA, and Shiyanovskaya IV. 1998. Use of a Novel Aqueous Liquid Crystalline Medium for High-Resolution NMR of Macromolecules in Solution. J. Am. Chem. Soc. 120: 11010-11011. doi:10.1021/ja982671r
  19. Gaemers S and Bax AJ. 2001. Morphology of three lyotropic liquid crystalline biological NMR media studied by translational diffusion anisotropy. Am. Chem. Soc. 123: 12343-12352. doi:10.1021/ja011967lPMid:11734036
  20. Ru1ckert M and Otting G. 2000. Alignment of biological macromolecules in novel nonionic liquid crystalline media for NMR experiments. J. Am. Chem. Soc. 122: 7793-7797.
  21. Barrientos LG, Dolan C & Gronenborn AM. 2000. Characterization of surfactant liquid crystal phases suitable for molecular alignment and measurement of dipolar couplings. Journal of Biomolecular NMR. 16: 329-337. doi:10.1023/A:1008356618658PMid:10826884
  22. Lukyanova LD, Balmukhanov BS, Ugolev LT. The oxygen dependence processes in the cell and its functional state. Moscow: Nauka (1982).
  23. Sören V. Siegmund, Steven Dooley, David A. Brenner. 2005. Molecular Mechanisms of Alcohol-Induced Hepatic Fibrosis. Digestive Diseases. 23: 264-274. doi:10.1159/000090174PMid:16508291
  24. Savage D, Lindenbaum J. 1986. Anemia in alcoholics. Medicine (Baltimore) 65: 322-338. doi:10.1097/00005792-198609000-00005PMid:3747828
  25. Prahl S. 1999. Optical Absorption of Hemoglobin. Oregon Medical Laser Center [Internet] Available from http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/index.html
  26. Severinghaus JW. 1966. Blood gas calculator. J. Appl. Physiol. 21: 1108-1116. 
  27. Salhany Mitchell J, Mathers Daniel H and Eliot Roberet S. 1972. The Deoxygenation Kinetics of Hemoglobin Partially Saturated with Carbon Monoxide. Effect of 2,3-Diphosphoglycerate. The Journ. of Biol. Chem. 247: 6985-6990.
  28. Strubitsky IV, Korobov VN, Alexevich RV. 1988. Determination of the oxygen dissociation properties of haemoglobin by spectrophotometric method. Lab. Delo 12: 11-13.
  29. Hitelzon II, Terskov IA. 1957. The method of chemical (acids) erythrogram. Biofizika 2: 259-266.
  30. Hale JE, Gelfanova V, Ludwig JR and Knierman MD. 2003. Application of proteomics for discovery of protein biomarkers. Brif.Fun.Gen.Prot. 2: 185-193. doi:10.1093/bfgp/2.3.185PMid:15239922
  31. Thomson ST, Cass KH & Stellwagen E. 1975. Blue Dextran-Sepharose: An Affinity Column for the Dinucleotide Fold in Proteins. Proc.Nat.Acad.Sci. U.S.A. 72: 669-672. 

    32. doi:10.1073/pnas.72.2.669
  32. Rossman MG, Liljas A, Branden CI & Banaszak LJ. Evolutionary and structural relationships among dehydrogenases. in: The Enzymes, Boyer PD, 3rd Eds. New York: Academic Press. pp.61-102 (1975).
  33. Bielmann J-F, Samana J-P, Branden CI and Eklund H. 1979. X-Ray studies of the binding of Cibacron blue F3GA to liver alcohol dehydrogenase. Eur. J. Biochem. 102: 107-110. doi:10.1111/j.1432-1033.1979.tb06268.xPMid:520314
  34. Lydon J. in: Handbook of Liquid Crystals, Demus D, Goodby J. Gray GW, Spiess H-W and Vill V. Eds. Weinheim: Wiley-VCH. pp. 981-1007 (1998).
  35. Shore J. Cellulosics Dyeing. Bradford: Society of Dyers and Colourists (1995).
  36. Datyner A, Flowers AG and Pailthorpe MT. 1980. A study of dyestuff aggregation. I. Determination of dye particle sizes by light scattering. J.Coll.Interf.Sci. 74: 71-79. doi:10.1016/0021-9797(80)90171-X
  37. Shu L, Waite TD, Bliss PJ, Fane A, Jegatheesan V. 2005. Nanofiltration for the possible reuse of water and recovery of sodium chloride salt from textile effluent. Desalination 172: 235-243. doi:10.1016/j.desal.2004.07.037
  38. Schulz GE and Schirmer RH. 1974. Topological comparison of adenyl kinase with other proteins Nature 250: 142-144. doi:10.1038/250142a0PMid:4367212
  39. Nastishin YuA, Liu H, Schneider T, Nazarenko V, Vasyuta R, Shiyanovskii SV and Lavrentovich OD. 2005. Optical characterization of the nematic lyotropic chromonic liquid crystals: Light absorption, birefringence, and scalar order parameter. Phys.Rev.E. 72: 041711-14. doi:10.1103/PhysRevE.72.041711
  40. Maiti PK, Lansac Y, Glaser MA and Clark NA. 2002. Isodesmic self-assembly in lyotropic chromonic systems. Liquid Crystals. 29: 619-626. doi:10.1080/02678290110113838
  41. Rossman MG, Moras D, and Olsen KW, 1974. Chemical and biological evolution of nucleotide binding protein. Nature 250: 194-199. doi:10.1038/250194a0PMid:4368490
  42. Salih B and Zenobi R. 1998. MALDI mass spectrometry of dye-peptide and dye protein complexe. Anal. Chem. 70: 1536-1543. doi:10.1021/ac9708506PMid:9569763
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics