Молекулярная биофизика. Биологические макромолекулы в растворе,

Молекулярная биофизика. Биологические макромолекулы в растворе, теория Дебая — Хюккеля

Как синтезированная белковая цепь, изначально «одномерная» , принимает уникальную, только ей свойственную, пространственную укладку, обеспечивающую выполнение назначенной этому белку функции? ?

Каким образом молекулы липидов, будучи смешаны с водой, образуют пузырьки и другие структуры, очень напоминающие мембраны живых клеток? ?

Основная «догма» молекулярной биофизики: структура, функция и динамика биологических макромолекул неразрывно связаны между собой

Одним из первых биофизических экспериментов может считаться знаменитый опыт Гальвани — во времена, когда не только о компьютерах никто не слыхивал, но и до открытия молекул, как таковых, оставалось ещё минимум столетие Luigi Galvani 1737—

Одним из первых молекулярных биофизиков может считаться Эрвин Шрёдингер , чья книга «Что такое жизнь с точки зрения физики? » , написанная в 1944 году, и по сей день не утратила своей актуальности (12. 08. 1887 — 4. 01. 1961)

Представление молекулы с точки зрения молекулярной механики Параметры молекулы описываются не уравнением Шрёдингера, а суммой «классических» взаимодействий, самое сложное из которых — формула для упругости, описывающая колебание пружинки. На рисунке схематично показаны лишь три таких слагаемых: валентная связь (R 0 ), валентный угол ( 0 ) и торсионный угол ( 0 ).

Масс-спектроскопия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы

СПЕЦИФИКА БИОМАКРОМОЛЕКУЛ 1. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ПОВЕДЕНИЯ , Т. К. БИОМАКРОМОЛЕКУЛЫ СОСТОЯТ ИЗ БОЛЬШОГО ЧИСЛА ОДНОТИПНЫХ ЗВЕНЬЕВ – МОНОМЕРОВ. 2. НАЛИЧИЕ НЕ ТОЛЬКО ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ, НО И ДРУГИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ РАЗНОГО ТИПА , ЧТО ОГРАНИЧИВАЕТ ЧИСЛО ВОЗМОЖНЫХ КОНФОРМАЦИЙ.

Теория Дебая-Хюккеля • Теория сильных электролитов (1923 г. ) Основные положения: Сильные электролиты в водных растворах практически полностью ионизированы. Ионы – материальные точки с зарядами; При высокой концентрации ионов и малыми расстояниями между ними ионы взаимодействуют между собой (кулоновские взаимодействия); Межионное взаимодействие приводит к тому, что каждый из ионов становится кружен «роем» противоионов, так называемой ионной атмосферой ; Межионное взаимодействие приводит к снижению подвижности ионов и уменьшает степень их участия в процессах, происходящих в растворах.

БММ (белки, НК) содержат большое число ионизированных групп, в результате чего на поверхности ММ имеется заряд. Энергия взаимодействия между заряженными ММ будет зависеть, в том числе, и от наличия ионов в ОС. Задача: на расстоянии Х определим потенциал , который создает заряженная сферическая макромолекула ( М ) в водном растворе с определенной концентрацией соли

Используем для решения уравнение Пуассона, которое связывает плотность заряда ( ) в точке поля с его потенциалом ( ): Также необходимо учесть, что на ориентацию ионов вблизи ММ будут влиять тепловые колебания, в результате чего количество ионов будет подчиняться распределению Больцмана : (2) (1) Обозначим заряд иона i – типа e i и количество ионов в единице объема n’ i Электрическая энергия иона Тепловая энергия иона Подставив в уравнение Пуассона (1) уравнения (2) и (3), получим (3)

Подставив в уравнение Пуассона (1) уравнения (2) и (3), получим Решение этого уравнения имеет вид Таким образом, потенциал ММ уменьшается с расстоянием по экспоненциальному закону. Решение этого уравнения, учитывающее размер ММ радиусом r , имеет вид

Зависимость электрического потенциала , создаваемого макромолекулой, от расстояния Х

Расстояние Х 0 , на котором падает в е раз ( = 0, 37 0 ), называется дебаевской длиной. Это толщина ионной оболочки которая окружает в электролите каждую заряженную молекулу.

Влияние концентрации ионов на взаимодействие заряженных ММ определяется ионной силой раствора ( ): Тогда толщина ионной оболочки Х 0 : Т. е. , при большой ионной силе раствора (высокой концентрации соли) оболочка ионов становится меньше (тоньше) и все ионы прижимаются к поверхности ММ

В разбавленных солевых растворах, когда ионная сила небольшая, а дебаевская длина большая, то между ММ возникают силы отталкивания за счет больших оболочек противоионов. Но при повышении концентрации соли (увеличении ионной силы) дебаевская длина уменьшается и преобладают силы притяжения. При высокой ионной силе белок осаждается в растворе и это явление называется высаливанием. Оно используется для экстрагирования и очистки белков.

Дополнение: При взаимодействии заряженных ММ с дипольными молекулами воды происходит образование гидратных оболочек. Чем меньше радиус иона, тем больше его энергия и тем больше молекул воды к нему присоединится. Поэтому самые маленькие ионы при гидратации превращаются в большие гидратированные. В периодах радиусы уменьшаются (Li Be B…) = большая оболочка В подгруппах радиусы увеличиваются (Li Na … Cs) = малая оболочка

Лекция № 2 «Конформация макромолекул. Виды конформационных перестроек» 16 февраля 2017 г. ауд. 205 13.