Конформационные переходы в сложных полиэлектролитных системах (1103296), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Бычий сывороточныйальбумин часто используется в иммунодиагностических процедурах,химическихисследованияхбелков,благодарянеспецифическомусвязыванию с белками. Свойства молекул БСА определяются состояниемраствора, в частности его кислотностью. В физиологических условиях15размеры БСА (40x40x140 Å) сравнимы с размерами сечения ДНК (20 Å), аего заряд (~ -18е) того же знака, что и заряд макромолекул ДНК. Такимобразом, БСА можно рассматривать как сильно заряженную частицу сразмерами порядка сечения ДНК.Вовторомпараграфепредставленатеориякомпактизацииполиэлектролитной макромолекулы (N – полное число сегментов Куна вмакроионе) в растворе сильно заряженных компактных белковых молекулHCP (HCP - Highly Charged Protein) и низкомолекулярной соли 1-1 сконцентрацией nS (Рисунок 5).Двойная цепь ДНКБСА, заряд –Qодновалентный катианРисунок 5.
Схематическое изображение макромолекулы ДНК в раствореHCP. Пунктирной линией показан эффективный объем ДНК (двухфазноеприближение).Была предложена следующая модель. Пусть Vtot – объем системы,приходящийся на одну макромолекулу ДНК. Можно поделить объем Vtot надве части: объем, занимаемый макромолекулой Vin и внешний объем Vext безмакромолекулы. Введем также следующие обозначения: f - степеньионизации макромолекулы, e - элементарный заряд. Общий заряд16макромолекулы будет равен Nfe. Он компенсируется низкомолекулярнымипротивоположно заряженными контрионами, которые двигаются свободно врастворе, а их общее число равно Nf. Контрионы распределены по всемуобъему системы.
В двухфазном приближении, которым мы воспользовалисьпри построении теории, можно предположить, что каждый контрион можетбыть либо внутри объема, занимаемого макромолекулой (связанныйконтрион), либо свободно перемещаться во внешнем объеме (свободныйконтрион). Чем больше контрионов выходит в раствор, тем вышесуммарный заряд макроиона (области Vin). Обозначим через β долюсвободных контрионов, тогда эффективный заряд макроиона Qeff будетравным Qeff = βNfe.Будем рассматривать сильно заряженные белковые макромолекулыHCP как плотные частицы с отрицательным зарядом Qe и характернымразмером Pd.
Заряд сильно заряженных белковых молекул HCP Qеполностью компенсируется Q противоположно заряженных контрионов,двигающимися в окрестности HCP.Свободная энергия такой системы F может быть записана как суммачетырехвкладов:свободнойэнергииFelупругойдеформациимакромолекулы, свободной энергии взаимодействия Fmix, свободной энергииFtr, обусловленной трансляционной энтропией ионов соли, и свободнойэнергии электростатических взаимодействий Fel-stat макроиона с избыткомзаряда во внешнем растворе:F Fel Fmix Ftr Fel statРавновесное значение свободной энергии F для каждого наборапараметров системы определяется четырьмя условиями равновесия, аименно, равенством осмотических давлений, химических потенциаловмолекул HCP и соли во внутреннем и внешнем объемах и равенством нулюпроизводной свободной энергии F по .17В третьем параграфе представлены результаты вычислений дляразличных параметров макромолекулы (степень ионизации f, длина сегментаКуна l, степень полимеризации N), молекул HCP (заряд Q, относительныйразмер Р) и концентрации соли ns.На рисунке 6 представлены зависимости коэффициента набухания макроиона и доли контрионов во внешнем растворителе от объемной доли p молекул HCP для разных концентраций соли nS.
Коэффициент набухания, как это общепринято, был рассчитан как отношение размера макроиона кневозмущенным размерам его идеального клубка.ABРисунок 6. Зависимость коэффициента набухания (А) и доли контрионовво внешнем растворителе (В) от объемной доли p для различныхконцентраций соли nS = 10-6 (a), 510-6 (b), 10-5 (c).
i – критическаяконцентрация перехода клубок-глобула. f=0.1, l/d=4.0, N=100, Q=10, P=2.0.Видно, что при всех рассчитанных случаях при низком содержанииHCP во внешней среде макромолекула находится в сильно набухшемсостоянии, с увеличением p макромолекула сжимается и претерпеваетскачкообразный переход клубок-глобула. Чем выше концентрация соли ns,тем меньше коэффициент набухания α макромолекулы при малых значениях18 p ; введение низкомолекулярной соли приводит к сжатию макроиона.Однако с увеличением концентрации соли ns переход клубок-глобуласмещается в область более высоких значений p и уменьшается амплитудаизменений размеров макромолекулы в точке перехода.
Т.е. чем большеконцентрация соли ns, тем больше молекул НСР надо ввести в раствор,чтобы вызвать компактизацию ДНК. Этот вывод несколько неожидан,поскольку,какправило,досихпоробщепринятобыло,чтонизкомолекулярная соль способствует компактизации ДНК, т.е. чем вышесодержание низкомолекулярной соли, тем меньше компактизующеговещества нужно добавить.Тот факт, что введение низкомолекулярной соли в раствор,содержащий НСР, противодействует компактизации, означает, что врастворах HCP возможен возвратный переход клубок-глобула-клубок припоследовательном увеличением концентрации соли, если, к примеру,макромолекула ДНК будет помещена в раствор с концентрацией НСР,которая находится в области между A и B .ТакжеувеличениемможновначалеконцентрациииндуцироватьPмолекулпереходHCPприклубок-глобулафиксированнойконцентрации соли nS (или в ее отсутствие), а затем вызвать обратныйпереход глобула-клубок – зафиксировав концентрацию HCP и увеличиваяконцентрацию соли nS.
Такие эксперименты были проведены нашимияпонскими коллегами в лаборатории профессора К. Йошикавы (г. Киото).Результаты этих экспериментов описаны в четвертом параграфе.Исследования процессов компактизации ДНК в водно-солевыхрастворах бычьего сывороточного альбумина (БСА) были проведеныметодом флуоресцентной микроскопии при комнатной температуре (около24 ˚C). При каждом значении концентрации БСА и концентрации NaClопределялась большая ось L образа 50 случайно выбранных молекул ДНК.19Результаты измерений представлены на рисунке 7.Рисунок 7.
Распределения молекул ДНК по большой оси L образа врастворах, содержащих молекулы БСА и низкомолекулярную соль NaCl.Значения концентраций БСА и NaCl указаны на графиках.20На том же рисунке во вставках показаны псевдотрехмерныеизображенияинтенсивностиизлученияотдельныхобразовДНК,полученные с помощью флуоресцентной микроскопии.Видно, что при концентрации [NaCl]=100 mM и маленькойконцентрации БСА [БСА]=1 % (w/v), макромолекулы ДНК имеютвытянутую конформацию, соответствующую клубковому состоянию, приэтом среднее значении L примерно равно 3 µm.
Довольно широкий разбросзначений L объясняется тепловыми флуктуациями клубков ДНК. Сувеличением концентрации БСА среднее значение L уменьшается, и ДНКпретерпевает переход клубок-глобула. Область сосуществования разных фазнаблюдается при 10 % (w/v) объемной доли БСА, при которой наблюдаютсячастично и полностью компактизованные структуры (два максимума нараспределении).
Сосуществование глобулярного и клубкового состоянийозначает, что фазовый переход является переходом первого рода.Таким образом, здесь, в отличие от обычного сценария, наблюдаемогопри компактизации ДНК в растворах различных компактизующих веществ,если раствор содержит сильно заряженные компактные макромолекулы,увеличение концентрации соли приводит не к дальнейшей компактизациимолекул ДНК, а к их деколлапсу.Таким образом, предложенная теория не только описала фазовыйпереход первого рода клубок-глобула макромолекулы ДНК с увеличениемконцентрациисильнозаряженныхкомпактныхмакромолекул,ноипредсказала обратный переход макромолекулы в клубковое состояние приувеличении концентрации низкомолекулярной соли.
Эти результатыполучили экспериментальное подтверждение.Взаключенииперечисленыдиссертации.21основныевыводыирезультатыВ работе были исследованы сложные полиэлектролитные системы,обладающие необычным откликом на введение низкомолекулярной соли:стехиометрическиеинтерполимерныеполиэлектролитныекомплексы,состоящие из макромолекул с одинаковым зарядом, но различнымсродством к растворителю, и молекулы ДНК в растворах одноименно исильно заряженных белков.По результатам работы можно сделать следующие выводы.1)Построенатеория,описывающаяинтерполимерныеполиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различнымсродством к растворителю, в присутствии низкомолекулярной соли.Показано, что при введении низкомолекулярной соли интерполимерныеполиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различнымсродством к растворителю, претерпевают переход глобула-клубок, сохраняяструктуру «ядро – гидрофильная оболочка», и только при дальнейшемувеличении концентрации соли разрушаются.2) Построена теория компактизации ДНК в растворах сильно иодноименно заряженных белковых молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
