Процессы агрегации макромолекул белков в водных растворах (1104331)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 577.32Тен Дмитрий ИльичПроцессы агрегации макромолекул белков в водныхрастворах, содержащих ионы тяжелых металлов03.00.02 – биофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2003Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Петрова Галина ПетровнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Караваев Владимир Александровичдоктор биологических наук,профессор Замятнин Александр АлександровичВедущая организация:Институт биохимической физикиим.
Н.М. Эммануэля РАНЗащита диссертации состоится ____________ 2003 года в _____ на заседаниидиссертационного совета К 501.001.08 в МГУ им. М.В. Ломоносова поадресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, Физический факультет, аудитория _____.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ.Автореферат разослан __ сентября 2003 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.08,кандидат физико-математических наукГ.Б.
Хомутов2ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыИзучение белков как основного составного элемента живой природы, атакже влияния внешних факторов на белковые системы представляет собойодну из наиболее актуальных проблем физики конденсированного состояниявещества.Межмолекулярныевзаимодействияидинамикабелковыхмакромолекул играют чрезвычайно важную роль в функционированииразличных биосистем.
В условиях современной жизни особенно интереснымпредставляется изучение неизбежного влияния на эти системы различныхотрицательных факторов и токсических воздействий, среди которых особоевнимание следует уделить воздействию тяжелых металлов (ТМ), т.е.металлических ионов, обладающих большими ионными радиусами.Сравнительно недавно было обнаружено новое явление – образованиемакромолекулярных кластеров в растворах белка в присутствии солейтяжелых щелочных металлов RbCl и CsCl.
Поведение белков в растворах,представляющихопределяетсясобойсильнымлиотропныежидкокристаллическиеэлектростатическимвзаимодействиемсистемы,междузарядами на поверхности макромолекул. Однако оказалось, что приопределенных условиях (когда силы заряд-зарядового взаимодействияэкранируются ионами ТМ) в таких системах, как и в термотропных жидкихкристаллах,существеннуюрольначинаютигратьдиполь-дипольныевзаимодействия, что приводит к изменениям как статических, так идинамических параметров молекул. Таким образом, несомненный интереспредставляло детальное исследование механизма подобного поведениябелковых молекул при наличии в растворе ионов металлов с различнымизначениями заряда и ионного радиуса.3Исследуемаяпроблемапоявляетсянастыкетакихобластейестествознания как физика, химия, биология, медицина и экология, а потомупредставляет интерес как для фундаментальной науки, так и дляпрактическогопониманиямеханизмовпатологическихизмененийвбиологических объектах при токсических воздействиях.
С другой стороны,именно поэтому исследования носят преимущественно поисковый характер,аполученныерезультатыпокавесьмасложныдляоднозначнойинтерпретации в рамках существующих теорий или построения собственнойпоследовательной теории.Цели и задачи работыЦелью данной работы было исследование молекулярно-динамическихпроцессов,происходящихвжидкихсистемахрастворовбелковыхмакромолекул, содержащих ионы тяжелых металлов. Для этого ставился рядпрактических задач:1.Исследоватьэкспериментальноявлениевозникновениямакромолекулярных кластеров в растворах яичного и сывороточныхальбуминов, содержащих ионы тяжелых нещелочных металлов: свинца, медии кадмия.2.Изучить влияние концентрации ионов ТМ в растворе и величиныповерхностного заряда белковых молекул на такие параметры системы какмассарассеивающихчастицикоэффициентмежмолекулярноговзаимодействия.3.Изучить влияние температуры на структуру макромолекулярныхкластеров, формирующихся в белковом растворе, содержащем ионы ТМ, вобласти изоэлектрической точки белка.4.Показать, что поляризационные свойства макромолекул белков враствореопределеннымобразомсвязанысвеличинойизнакомповерхностного заряда на белке и концентрацией ионов ТМ в растворе.5.Предложитьфизическуюмодель,явление.4объясняющуюобнаруженноеНаучная новизнаСпомощьюсистематическоеметодасветорассеянияисследованиеновоговпервыеявленияпроведенообразованиямакромолекулярных кластеров в водных растворах яичного и сывороточныхальбуминов в присутствии солей свинца, меди и кадмия при изменении рядапараметров среды, таких как концентрация макромолекул, водородныйпоказательраствора(поверхностныйзарядчастиц)иионнаясила(концентрация ионов ТМ).Впервые экспериментально исследовано влияние температуры наструктуру макромолекулярных кластеров, формирующихся в белковомрастворе, содержащем ионы ТМ.Впервые показано, что поляризационные свойства макромолекулбелков в растворе: электронная поляризуемость, оптическая анизотропия,коэффициент деполяризации, – существенным образом связаны с величинойи знаком поверхностного заряда на белке и концентрацией ионов ТМ врастворе, и имеют экстремумы в изоэлектрической точке.Предложена физическая модель, объясняющая явление агрегациибелковых макромолекул на основании модели сильных диполь-дипольныхвзаимодействий.
Сделано предположение о том, что обнаруженный эффектобусловлен началом фазового перехода в упорядоченную мезофазу,связанного с преобладанием диполь-дипольных взаимодействий над силамикулоновского отталкивания.Практическая ценностьИзученное в работе поведение биополимерных макромолекул врастворах и их взаимодействие с ионами различных солей позволяетустановитьмолекулярныймеханизмпатологическихизмененийвбиологических объектах, связанный с токсическим воздействием тяжелыхметалловнаживыеобъекты.Материалыдиссертациимогутбытьиспользованы при разработках способов контроля качества органическихжидкостейифизическихметодовдиагностикираспространенныхзаболеваний, а также для создания диагностических приборов.5Защищаемые положения1.Впервые обнаружено и детально исследовано явление возникновениямакромолекулярных кластеров в растворах яичного и сывороточныхальбуминов, содержащих ионы тяжелых нещелочных металлов: свинца, медии кадмия.2.Изучено влияние концентрации ионов ТМ в растворе и величиныповерхностного заряда белковых молекул на такие параметры системы какмассарассеивающихчастицикоэффициентмежмолекулярноговзаимодействия.3.Гипотеза об аномальной сорбции металлов с большим ионнымрадиусом на заряженной поверхности белка подтверждена на основаниифизической модели агрегации макромолекул вследствие сильных дипольдипольных взаимодействий.4.Впервые экспериментально исследовано влияние температуры наструктурунадмолекулярныхрастворе,содержащемионыагрегатов,ТМ,иформирующихсяподтвержденовбелковомсуществованиетемпературного эффекта в области изоэлектрической точки белка, связанногос процессом разрушения кластеров.Апробация работы и публикацииОсновные результаты работы были доложены на конференциях«Физические проблемы экологии» (Москва, 2001), «Ломоносовские чтения2002» (Москва, 2002), «Conference on Lasers, Applications and TechnologiesIQEC/LAT’2002» (Moscow, 2002), а также представлены на конференцияхALT-99, LALS-2002, ALT-02, ALT-03.По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ: 7 статейи 8 тезисов.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения,выводов и списка литературы, содержащего 112 источников.
Работаизложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 39рисунков.6СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВоВВЕДЕНИИдаетсяобщаяхарактеристикаработы,обосновывается актуальность, новизна и практическое значение исследуемойпроблемы,говоритсяобэкспериментальномметодеиобъектахисследования, использованных в работе.ГЛАВА 1 диссертации содержит общие сведения о химическомсоставе и строении белковых макромолекул, их физических свойствах иметодах исследования.Изложены основные положения теории Дебая-Хюккеля, описывающейповедение полиэлектролитов в растворе в свете простейшей модели твердыхсфер, погруженных в сплошную среду и взаимодействующих по законуКулона. Согласно этой теории, каждая молекула оказывается окруженнойатмосферойпротивоионов,чтоприводиткчастичнойэкранировкекулоновских взаимодействий.Введены понятия ионной силы, водородного показателя среды иизоэлектрической точки, определена связь водородного показателя споверхностным зарядом макромолекулы.ГЛАВА2посвященаописаниюметодаисследования,использованного в работе.Приведены основные положения теории интегрального рэлеевскогорассеяния света на флуктуациях плотности и флуктуациях концентрациирастворенноговеществадлярастворовмалыхчастиц.Освещеныособенности влияния анизотропии рассеивающих частиц на деполяризациюрассеянного света и ослабления света в растворах.Согласно теории Дебая с помощью экспериментально измеренногокоэффициента рэлеевского рассеяния2R 902 π 2 n 02 ⎛ dn ⎞I 90 r 2==⎜⎟ cM = cHMI 0Ωλ 40 N A ⎝ dc ⎠можно определитьмассурассеивающихчастицМ и коэффициентмежмолекулярного взаимодействия В для неидеальных разбавленных7растворов с учетом вириального разложения осмотического давления постепеням концентрации с, поскольку в этом случае⎛ cHK⎜⎜⎝ R 90⎞1⎟⎟ =+ 2 Bc + K ,M⎠где коэффициент К – фактор Кабанна – связан с величиной коэффициентадеполяризации рассеянного света в случае поляризованного по оси Zвозбуждающего луча ∆ v =IxzIzzформулой K ( ∆ v ) =3 + 3∆ V.3 − 4∆VКроме того, соотношение Лорентц-Лоренца позволяет получитьсреднюю поляризуемость молекулыα =1(α xx + α3yy+ α zz ) =n 0 M ⎛ dn ⎞⎜⎟.2 π N A ⎝ dc ⎠Коэффициент деполяризации можно связать с анизотропией тензораполяризуемости γ, для вертикально поляризованного падающего света:∆v=3γ45 α22+ 4γ2.Если предположить, что рассеивающие молекулы имеют только дверазличные компоненты тензора поляризуемости, то последние выраженияпозволяют рассчитать значения анизотропии тензора поляризуемости и егокомпонент.ГЛАВА3представляетсобойобзорлитературныхданных,отражающий современные представления о трехкомпонентных растворахполиэлектролитов, и состоит из двух разделов.В первом разделе изложены особенности взаимодействия макроионов врастворе, содержащем кроме низкомолекулярного растворителя еще итретью компоненту – сильный электролит.
Согласно теории Скэтчарда,парные взаимодействия в таких растворах описываются вторым вириальнымкоэффициентом в разложении для свободной энергии, выражение длякоторого имеет вид:8V1B =M 22⎛ Z2β 232 m 3β 22⎜⎜+−4m24 + 2 β 33 m 33⎝⎞⎟⎟ .⎠Коэффициент взаимодействия меняется с ростом суммарного заряда набелке Z по параболическому закону (эффект Доннана) с минимумом визоэлектрической точке (Z=0) и может принимать отрицательные значенияпри существенных взаимодействиях (β23) между макроионом и ионом соли.При возрастании ионной силы (m3) вокруг заряженной молекулы белка врастворе возникает облако противоионов, экранирующее кулоновскиевзаимодействия; коэффициент В уменьшается и стремится к величине,характерной для полностью незаряженных молекул и определяемой ван-дерваальсовыми силами, однако параболический вид зависимости В(Z)сохраняется.Второй раздел освещает результаты работ, посвященных исследованиюбелковых растворов методами светорассеяния.
Особое внимание уделеноработе Эдсолла, подтверждающей теорию Скэтчарда и серии недавних работ,основнымрезультатомформированиякоторыхсталомакромолекулярныхоткрытиекластероввновогобелковыхявления–растворах,содержащих ионы тяжелых щелочных металлов. Отмечаются качественныеизменениязависимостивтороговириальногокоэффициентаотповерхностного заряда белка и характерный скачок массы рассеивающихчастицвобластиизоэлектрическойточкибелкадлярастворовсывороточного и яичного альбуминов, содержащих соли рубидия и цезия.Приведены также результаты экспериментов по изучению анизотропиирассеивающих частиц, их средней поляризуемости и деполяризациирассеянного света.ГЛАВА 4 содержит подробное описание эксперимента и результатыисследования водных растворов белков, содержащих ионы тяжелыхнещелочных металлов, и включает в себя несколько разделов.9Объекты исследования и подготовка образцовВ работе были исследованы следующие белки (на базе препаратов"Sigma" и "Serva"): яичный альбумин (Egg), бычий сывороточный альбумин(BSA) и человеческий сывороточный альбумин (HSA).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
