Конформационные переходы в сложных полиэлектролитных системах (1103296), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для того, чтобы промоделировать эффект молекулярноговытеснения in vitro, в растворитель, содержащий ДНК, вводят различныевещества, вызывающие ее компактизацию. Исследования показали, чтокомпактизация ДНК, как правило, происходит как фазовый переход первогорода, однако детали перехода – критическая концентрация осадителя,ширина области сосуществования фаз, структура промежуточной стадии –сильно зависят от конкретной природы компактизующего агента. В случаеполиэтиленгликоля основным фактором, приводящим к компактизацииДНК, является осмотическое давление, возникающее из-за несовместимостиполиэтиленгликоля и ДНК, в случае полиаминов – реакция обмена ионов, апри компактизации хитозаном – обмен ионами и притяжение хитозана кДНК.7Главы 2-3 содержат оригинальные результаты.Вторая глава посвящена интерполимерным полиэелектролитнымкомплексам.Вовторойинтерполимерныхглавевпервомпараграфеполиэлектролитныхпредставленакомплексов,модельсостоящихизпротивоположно заряженных макромолекул с различным сродством крастворителю, в растворах низкомолекулярной соли.Каждыйинтерполимерныйкомплексобразовандвумяпротивоположно заряженными макромолекулами: гидрофильной A игидрофобной C.
Макромолекулы A и C несут одинаковый по величине зарядQ, причем макромолекула A отрицательно заряжена и вдвое длиннее, чемположительно заряженная макромолекула C. Заряженные звенья в обоихслучаях распределены вдоль цепи случайным образом и несут единичныйзаряд е.Пусть N – степень полимеризации положительно заряженноймакромолекулы C, а f – ее степень ионизации: f=Q/N. В соответствии сосказанным выше степень полимеризации N A отрицательно заряженноймакромолекулы A и ее степень ионизации fA равны: N A =2N; fA=f/2.Предполагается, что интерполимерный комплекс имеет сферическуюформу и двухфазную структуру типа ядро-оболочка, как и в случаеотсутствия соли.
Внутренняя часть комплекса радиуса Rin содержит звеньяобеих макромолекул, а внешняя (ее радиус Rout) состоит исключительно иззвеньев более длинной гидрофильной макромолекулы A (Рисунок 1).8Рисунок1.Схематическоеизображениеинтерполимерногополиэлектролитного комплекса, состоящего из макроионов с различнымсродством к растворителю в растворе, содержащем низкомолекулярнуюсоль.В таком случае свободную энергию можно представить в виде суммычетырех слагаемых:F FDH Fci Fint Fel ,где FDH – это энергия электростатического притяжения в приближенииДебая-Хюккеля, Fint – энергия некулоновских взаимодействий мономерныхзвеньев макромолекул A и C с растворителем и между собой, Fci–трансляционная энтропия ионов соли, Fel – энергия упругой деформациимакромолекул.
Равновесные значения внешнего Vout и внутреннего Vinобъемов интерполимерного комплекса, концентрации соли в его ядре иоболочке определяются из условий равенства осмотических давлений ихимических потенциалов сосуществующих фаз.Во втором параграфе представлены результаты вычислений. Врезультате вычислений были определены объемная доля поликатиона в ядре9комплекса C Na 3, объемная доля звеньев полианиона во внутренней частиV inкомплекса Ain ( N A N Ain )a 3N Ain a 3inивнешнейоболочке, а также доляAV inV outмономерных звеньев N A 1 N Ain, образующих оболочку, в зависимости отNAконцентрации соли ns при разных значениях заряда и длины цепей,параметров Флори-Хаггинса взаимодействия с растворителем поликатионаχCS и полианиона χASABРисунок 2. Зависимости объемной доли поликатиона C , объемной долиполианиона внутри ядра Ain и вне него Aout (А) и доли звеньев полианиона ΔNAв оболочке (B) от концентрации низкомолекулярной соли ns при N=1000, f=1,χCS=1, χAS=-1.Пример рассчитанных зависимостей приведен на рисунке 2.
Изрисунка 2 видно, что при относительно небольших концентрациях соли nSобъемная доля полианиона Ain внутри ядра комплекса приблизительно вдвоепревышает объемную долю поликатиона C , и только небольшая долязвеньев образует внешнюю оболочку. Доля звеньев полианиона N A ,образующихзащитнуюоболочку,10линейнорастетсповышениемконцентрации соли, но остается достаточно небольшой, и потому величины Ainи C практически не изменяются вплоть до некой критическойконцентрации соли nScr , когда комплекс скачком меняет свои размеры.
Вэтой точке происходит переход глобула-клубок обеих составляющихкомплекс цепей и “деколлапс” комплекса как целого. После резкогоперехода в клубковое состояние макроионы все еще формируют комплекс,однако доля звеньев полианиона ΔNA, вышедших в оболочку, становитсязначительно выше.
Начиная с концентрации nScr , все больше мономерныхзвеньев полианиона выходят из ядра, в указанной области зависимость ΔNAот концентрации соли более сильная: ΔNA ~ nS4 / 3 , и, наконец, приконцентрации nS* доля звеньев ΔNA становится приблизительно равнойединице. Иными словами, макромолекулы полианиона и поликатионапрактически разошлись, и комплекс разрушился.
Обе макромолекулы приэтом пребывают в клубковом состоянии вследствие полиэлектролитногоэффекта,обусловленногозаряженныхгруппвналичиемкаждойизбольшогоцепей.числаДальнейшееодноименноувеличениеконцентрации соли nS приводит к экранировке полиэлектролитного эффектаи сжатию макромолекул. Поскольку макромолекула поликатиона несетбóльший заряд в расчете на звено (ее степень ионизации вдвое превышаетстепень ионизации полианиона), она сжимается менее значительно, чемимеющий сродство с растворителем полианион.
Исследования показали, чтосвободная энергия комплекса в расчете на звено монотонно увеличивается сростомстепениполимеризациимакроионапривсехзначенияхконцентрации соли, а это означает, что агрегация комплексов не выгодна.С целью сравнения результатов теории с экспериментом быларассчитана зависимость видимых размеров частиц Rcl от концентрации соли(параграф 2.3).
Было предположено, что до критической концентрации солиnS* , т.е. до полного разрушения интерполимерного комплекса, видимый11размер Rсl равен размеру полианиона, формирующего внешнюю оболочку:Rсl=R. После разрушения комплекса средний размер частиц равен:Rcl RC RA2здесь RC и RA размеры независимо двигающихся поликатиона и полианиона.Свободная энергия макроиона в последнем случае (как катиона, так иполианиона) представляется в виде суммы трех слагаемых:F j Fintj Fcij Feljгде Fintj - свободная энергия некулоновских взаимодействий, Fcij - свободнаяэнергия трансляционной энтропии контрионов, Felj - упругая свободнаяэнергия; j = C или A (поликатион или полианион).В равновесии осмотические давления, а также химические потенциалыионов соли равны. Из этих условий равновесия определяются равновесныеразмеры макромолекул.
Уравнения были решены численно с параметрами,соответствующими параметрам, использованными для интерполимерныхкомплексов.Примеры зависимости размеров интерполимерного комплекса Rcl исреднего от размеров отдельных макроионов показаны на рисунке 3.Отметим, что зависимость размеров частиц Rcl от концентрации солинемонотонна. При низкой концентрации соли интерполимерные комплексысжаты, а при некой критической концентрации соли nScr размер комплекса Rclрезко возрастает.При более высоких концентрациях соли размер комплекса (видимыйразмер частиц) остается постоянным вплоть до точки полного разделенияполианиона и поликатиона.12АВРисунок 3.
Зависимости вычисленных размеров частиц Rcl (c) отконцентрации соли ns при fC=0.6, χCS=0.75, χAS= -0.75 и NC=200 (A); 1000 (B).Соответствующие радиусы одиночных поликатиона RC (a) и полианиона RA(b) показаны пунктирной линией.*В этой точке ns nS средний размер частицы Rcl определяется каксреднее размеров полианиона RA и поликатиона RC. Размер макроионавнутри комплекса (кривая c) отличается от его размера в свободномсостоянии (кривые a и b).
Другими словами, размер поликатиона r вкомплексе несколько больше, чем размер свободного поликатиона RC.Напротив, размер полианиона R в комплексе несколько меньше, чем размерRA свободной макромолекулы. Соответственно, можно предположить, чтосредние размеры Rcl частиц в точке nS* определяются относительнойразницей в размерах макроиона в свободном состоянии и в комплексе.Отметим, что при данных параметрах в случае, когда комплекс состоит измакромолекул относительно малой степени полимеризации (NC=200,NA=400) при концентрации соли nS* наблюдается резкое скачкообразноеуменьшение Rcl (Рисунок 3 A). А вот для более длинных макромолекул(NC=1000, NA=2000) изменения в Rcl не столь значительны (Рисунок 3 В).13Отметим, что здесь после распада комплекса Rclплавно уменьшается сростом концентрации соли выше nS* .В четвертом параграфе представлены экспериментальные данные,полученные в лаборатории профессора М.
Верта (Франция), с цельюcопоставления с выводами теории. Были приготовлены интерполимерныеполиэлектролитныекомплексыизбиосовместимыхмакромолекул–положительно заряженных макромолекул полилизина PLL различноймолекулярной массы (PLL12: Mw = 12,700 г/моль, PLL27: Mw = 26,300 г/мольand PLL80: Mw = 73,500 г/моль) и отрицательно заряженных макромолекулполи-(лизина цитрамида) PLCA (Mw = 39,000 г/моль) и поли-(лизинцитрамид имида) PLCAI (Mw = 51,000 г/моль).
Размеры интерполимерныхполиэлектролитныхкомплексовопределялипосредствомизмерениягидродинамического радиуса Rh макромолекулы методом динамическогосветорассеяния.АВ1000700600800Rh (nm)Rh (nm)500600400400300200200100001,E-03///10-21,E-0210-11,E-01001,E-031001,E+00nS in mol/L///10-21,E-0210-11,E-011001,E+00nS in mol/LРисунок 4. Экспериментальные зависимости гидродинамического радиусаRh ИПЭК от концентрации соли nS . А: ■ PLL80-PLCA ; ● PLL27-PLCA ; ▲PLL12-PLCA. B: ■ PLL80-PLCAI; ● PLL27-PLCAI ; ▲ PLL12-PLCAIНа рисунке 4 представлены зависимости Rh от концентрации соли для14комплексов PLL-PLCA и PLL-PLCAI. В чистой воде размер частицы PLLPLCA составлял порядка 100-150 нм (Рисунок 4 А). При увеличенииконцентрации соли от 0 до 0.1 M, частицы интерполимерного комплексаPLL-PLCA начинают набухать, что приводит к резкому увеличению ихразмеров и помутнению раствора.
При концентрациях соли выше 0.2 Mразмеры частиц уменьшаются вначале плавно (Рисунок 4 А). Такпродолжается до некой концентрации соли, при которой наблюдается резкоеуменьшение размеров комплекса. И критическое значение концентрациисоли, и резкость уменьшения размеров также зависят от степениполимеризации PLL.Чем выше молекулярный вес PLL, тем более пологое первоначальноеуменьшение размеров и тем более резкое последующее падение размеров.Концентрация соли NaCl, необходимая для дестабилизации комплекса PLLPLCA увеличивается от 0.85 M до 1 M, а максимальный размер частиц этихкомплексов увеличивается от 725 до 840 нм при увеличении молекулярноймассы PLL от 12,700 до 73,500 г/мол. При высоких концентрациях солизначения Rh для смеси PLL-PLCA были подобны тем, которые былиизмерены для размеров полиионов, взятых отдельно при высокихконцентрациях соли (5-10 нм).Третья глава посвящена исследованию компактизации ДНК врастворах отрицательно заряженных белков на примере белка бычьегосывороточного альбумина.В первом параграфе описаны свойства бычьего сывороточногоальбумина (БСА) – белка плазмы крови крупного рогатого скота,состоящего из 582 аминокислотных остатков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
