Закономерности гидродинамического поведения белков в концентрированных растворах по данным спектроскопии ядерного магнитного резонанса с импульсным градиентом магнитного поля
Введение 3
1. Литературный обзор 6
Молекулярный краудинг 6
Краудинг - основа гидрогелей 8
Взаимосвязь размера молекул растворенного вещества и исключенного объема 11
Влияние молекулярного краудинга на физико-химические характеристики системы 13
Краудинг-агенты 17
Ядерный магнитный резонанс с использованием импульсного градиента магнитного поля 19
Теоретические модели для описания самодиффузии 25
Феноменологические модели 25
Полуфеноменологические модели 25
Гидродинамические модели 26
Фрикционный формализм неравновесной термодинамики 26
2. Материалы и методы 29
Объекты исследования 29
ЯМР эксперименты 31
Спектрофотометрия 33
Электрофоретическое разделение белков в полиакриламидном геле (ПААГ) в денатурирующих условиях 34
3. Результаты и обсуждение 37
Общие замечания 37
Модель жестких сфер 42
Феноменологический подход, основанный на фрикционном формализме неравновесной термодинамики 47
Выводы 54
Список публикаций по теме выпускной квалификационной работы 55
Благодарности 57
Список литературы 58
Одной из отличительных особенностей живых систем является высокая концентрация макромолекул во внутриклеточном и внеклеточном пространствах (50-400 мг/мл) [1-3], при этом молекулы одного типа имеют невысокую концентрацию. Все макромолекулы, присутствующие в клетке, занимают значительную часть общего объема цитоплазмы (около 40%). Следовательно, доступный объем в клетке уменьшается. В литературе такие условия, когда межмолекулярные расстояния сравнимы с линейными размерами молекул называются макромолекулярным краудингом. Краудинг подразумевает наличие неспецифического стерического отталкивания между молекулами, которое присутствует всегда, независимо от других взаимодействий макромолекул, например, электростатических или гидрофобных. Также «молекулярный краудинг» означает эффект
«исключенного объема», обусловленного взаимной непроницаемостью всех молекул растворенных веществ. Рисунок 1 демонстрирует условия скученности макромолекул в цитоплазме клетки Escherichia coli (E.coli.) [4].
Поведение белков в растворах имеет большое значение для биологических систем. С ним связаны транспорт, термодинамическая стабильность, регуляция функциональной активности белков [5]. Трансляционная диффузия является одним из фундаментальных физических явлений, описывающих подвижность молекул [6]. Интерпретация концентрационной зависимости коэффициента самодиффузии (КСД) имеет большое значение для определения вкладов различных взаимодействий.
Целью настоящей работы является поиск закономерностей гидродинамического поведения белков в водных растворах на основе анализа межмолекулярных взаимодействий белок-белок и белок-растворитель в широком диапазоне концентраций, включая высококонцентрированные системы.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Получить концентрационные зависимости коэффициента самодиффузии (КСД) различных белков методом ядерного магнитного резонанса с импульсным градиентом магнитного поля.
2. Проанализировать полученные зависимости в рамках модели жестких сфер (Токуяма, Оппенгейм).
3. Показать возможность использования феноменологического подхода, основанного на фрикционном формализме неравновесной термодинамики (Винка) для описания гидродинамического поведения белков, отличных по форме и размеру.
4. Качественно и количественно оценить межмолекулярные взаимодействия белок-белок и белок-растворитель в изучаемых системах.
В этой работе применен метод ядерного магнитного резонанса с использованием импульсного градиента магнитного поля (ЯМР ИГМП) для поиска гидродинамических особенностей и изучения диффузионного поведения белков в широком диапазоне концентраций: глобулярных, сфероидальных белков – трипсина и α-химотрипсина; фибриногена, имеющего сильно вытянутую форму с глобулярными и неструктурированными участками; α-казеина – белка с неупорядоченной структурой. Полученные обобщенные концентрационные зависимости КСД белков проанализированы в рамках модели жестких сфер и феноменологического подхода, основанного на фрикционном формализме неравновесной термодинамики. Впервые показана возможность использования данного феноменологического подхода для описания трансляционной подвижности белков различной формы и размеров в широком диапазоне концентраций. Получены численные характеристики межбелковых взаимодействий. Планируется, что полученные в ходе выполнения работы результаты послужат фундаментальной основой для инженерии белковых гидрогелей под медико-биологические задачи.
Работа выполнена в лаборатории биофизической химии наносистем Казанского института биохимии и биофизики КазНЦ РАН.
1. Модель жестких броуновских сфер (Tokuyama-Oppenheim) дает удовлетворительное описание концентрационных зависимостей коэффициентов самодиффузии жестких глобулярных белков: трипсина, α-химотрипсина, а также неупорядоченного αS-казеина в широком интервале концентраций, включая условия краудинга.
2. Для описания гидродинамического поведения белков различной формы и размеров в широком диапазоне концентраций апробирован феноменологический подход Винка, основанный на фрикционном формализме неравновесной термодинамики.
3. Показана универсальность феноменологического подхода Винка, обеспечивающего адекватное описание экспериментальных диффузионных данных для всех типов белков.
4. Полученные коэффициенты трения белок-белок и белок-растворитель характеризуют силу межмолекулярных взаимодействий, зависящих от размера, формы и внутренней структуры белков.
5. Показано, что при повышении концентрации белка в растворах αS-казеина проявляются полимерные эффекты, когда белковые молекулы, взаимодействуя между собой, образуют ассоциаты (R~6 нм).
6. Основываясь на полученных коэффициентах трения белок-белок, показано, что молекулы фибриногена испытывают существенно более высокое трение при поступательной диффузии, чем молекулы трипсина, α-химотрипсина и αS- казеина. Это связано с взаимным зацеплением молекул фибриногена гибкими неструктурированными фрагментами.