Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
величиной, обратной плотности, и имеет размерность см3 -г-1.
Способы определения Ул известны с древнейших времен. Обычно измеряется
вес образца, а объем определяется погружением его в жидкость, не
взаимодействующую с ним. Объем вытесненной жидкости равен объему образца.
К сожалению, молекулу белка или нуклеиновой кислоты нельзя представить
себе в чистом виде по двум причинам. Во-первых, эти молекулы являются
полиэлектролитами, и для нейтрализации зарядов этих молекул необходимы
противоионы. Второй еще более серьезной причиной является возможность
сильного связывания между молекулами обычного растворителя (такого,
например, как вода) и биополимерами. Фактически объектом исследований в
водном растворе является гидратированная молекула, несущая противоионы.
Обычно большинство белков и нуклеиновых кислот растворяют в 0,1 М
буферных солевых растворах. Такая концентрация соли является достаточной,
чтобы обеспечить избыток противоионов. При значительно более низких
ионных силах возникают сильные злек-тгюстатические эффекты, которые могут
сильно повлиять на гидродинамические измерения. Так, например, вряд ли
заряженная нуклеиновая кислота будет диффундировать отдельно от
положительных противоионов. Для их разделения потребовалась бы огромная
электростатическая энергия. Очевидно, большие макромолекулы и малые ионы
движутся совместно, а наблюдаемые транспортные свойства их комплекса
являются усредненными свойствами большой и малой молекул.
При высоких концентрациях соли, когда она составляет значительную долю
растворителя, раствор макромолекул нужно рассматривать как
трехкомпонентную систему, состоящую из соли, воды и макромолекул.
Термодинамика такого раствора исключительно сложна, поскольку при
рассмотрении взаимодействия любых двух компонентов необходимо учитывать
вклад в эти взаимодействия третьего компонента.
В дальнейшем мы не будем рассматривать трудности, связанные с высокой и
низкой ионной силой. Представим себе раствор макромолекул как
двухкомпонентную систему, состоящую из воды (компонент 1) и макромолекул
(компонент 2). В случае идеального раствора его объем выражается суммой
удельных объемов отдельных компонентов. Полный объем раствора,
содержащего gj граммов воды и g2 граммов макромолекул, равен
^полн =g1VUg2Vi <10-6>
К сожалению, поведение реальных растворов нельзя описать этой простой
формулой. Белки и нуклеиновые кислоты в значительной степени
взаимодействуют с молекулами воды, и поэтому их растворы нельзя назвать
идеальными. Полярные молекулы достаточно прочно связывают заметное
количество молекул воды. Сухие пленки белков прочно ад-
РАЗМЕР И ФОРМА МАКРОМОЛЕКУЛ
189
сорбируют около 0,4 моля воды на моль аминокислот. Кроме того, более
слабо связывается еще от 1 до 2 молей воды. По данным многих методов для
разбавленных растворов характерно сильное взаимодействие вода-биополимер
. Например, данные ЯМР указывают на наличие небольшого числа очень прочно
связанных с белком молекул воды (от 10 до 50 на молекулу белка).
Калориметрические исследования показывают, что при замораживании раствора
белка около двух молей воды на моль аминокислот (0,4 г Н20 иа 1 г белка)
остаются в незамороженном состоянии. Ясно, что состояние этой воды
обусловлено присутствием белка. По данным ЯМР и диэлектрической дисперсии
в белковом растворе при комнатной температуре каждая аминокислота
ограничивает свободу движения нескольких молекул воды. По-вндимому, эти
молекулы воды взаимодействуют с белком либо настолько часто, либо
настолько прочно, что в результате скорость вращательного движения
молекул воды уменьшается. Однако не ясно, тождественны ли эти молекулы
тем, которые по данным калориметрии не кристаллизуются при охлаждении.
Имеются и другие молекулы воды, связывающиеся с макромолекулами более
слабо, но тем не менее вносящие свой вклад в свойства водных растворов
белков. Часть воды может задерживаться в полостях или углублениях
молекулы белка. Даже не будучи прочно связанной, она будет двигаться с
белком, что приведет к увеличению кажущегося размера молекулы белка.
Такая вода будет влиять на гидродинамические свойства, но ее нельзя
выявить как связанную ни методом ЯМР, ни термодинамическими методами.
Кунтц разработал простой метод для оценки количества прочно связанной
воды. Метод основан на исследовании ЯМР замороженного раствора белка при
- 35°С. Закристаллизовавшаяся вода становится невидимой для метода ЯМР-
спектроскопии: поскольку дипольное взаимодействие между замороженными
молекулами воды нельзя исключить усреднением, спектр ЯМР становится
чрезвычайно широким и твердое состояние воды не регистрируется.
Незамороженные молекулы воды еще способны к движению, достаточному для
частичного усреднения своего окружения, что приводит к возникновению
узкого регистрируемого сигнала ЯМР. Количество незамороженных молекул
воды можно вы-
Таблицв 10.1
ГИДРАТАЦИЯ РАЗЛИЧНЫХ БИОПОЛИМЕРОВ: СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ
