книги из ГПНТБ / Замятнин, А. А. Дилатометрия растворов белков

А К А Д Е М И Я Н А У К С С С Р

институт биологической физики

А. А . З а м я т н и н

ДИ Л А Т О М Е Т Р И Я

растворов белков

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А » М О С К В А 197 3

УДК 620.181.428.405 : 532.77 : 547.96

Дилатометрия растворов белков. 3 а ы я т н п н А. А. М., «Наука», 1973 г., стр. 1—101.

В книге проанализированы и обобщены накопленные к настоящему времени

чить сведения о структуре белка. Книга рассчитана на широкий круг чита­ телей: биофизиков, биохимиков, химиков, аспирантов и студентов, специа­ лизирующихся в области физической химии растворов макромолекул.

Табл. 8. Илл. 40. Библ. 245 назв.

Ответственный редактор

академик Г. М. ФРАНК

ОТ АВТОРА

Современный прогресс в области биофизики, биохимии, молекулярной биологии, физической химии макромолекул нераз­ рывно связан с ростом возможностей экспериментальных иссле­ дований. Почти все значительные открытия в физике или химии последних лет так или иначе были использованы при создании новых методов исследования в биологии и смежных н а у к а х . Све­ жие идеи этих открытий позволяли иначе взглянуть на давно изу­ чаемые объекты и явления и решать подчас совершенно новые за­ дачи.

Вместе с тем рост измерительной техники, создание веществ с новыми физико-химическими свойствами, новые конструкции приборов и многое другое способствовали улучшению, а иногда

разнообразных веществ и процессов, получать результаты с боль­

Автор данной книги полагает, что дилатометрия, стаж которой давно перевалил за 100 лет, является методом, переживающим как бы свое второе рождение. Быстрый рост числа публикаций, посвященных дилатометрии растворов, свидетельствует о том, что этот метод завоевывает свое собственное место среди самых совре­ менных способов макроскопической характеристики свойств мо­ лекул и молекулярных процессов.

Поскольку метод существует, должно быть и соответствующее

чающей изучение белков, аминокислот и, частично, пептидов.

руководством акад. Г. М. Ф р а н к а и докт. биол. наук С. Э. Шноля . Многие взгляды, нашедшие отражение в этой книге, сформирова­ лись под влиянием покойного проф. Д . А. Франк - Каменецкого .

3

В В Е Д Е Н И Е

Это объясняет тот большой и неиссякаемый интерес, который у ж е в течение длительного времени вызывает изучение свойств макро­

численные процессы, происходящие в живой клетке. Б е л к и встре­ чаются на всех уровнях иерархии живой материи.

Все эти сведения о белках можно было получить, только при­ менив огромное количество различных физико-химических мето­ дов исследования макромолекул . Использование всего арсенала методов и правильное их сочетание позволяет всесторонне изучить

Слово дилатометрия включает в себя два корня, один из кото­ рых я в л я е т с я основой латинского слова dilato — расширяю, а второй — греческого слова [летресо — измеряю . Обычно дилато­ метрию принято считать разделом физики, посвященным изучению теплового расширения веществ и методам его измерения. Сущность метода состоит в том, что исследуемый образец подвергают иагреву и измеряют изменение его объема.

До недавнего времени дилатометрию большей частью исполь-

5

зовали для изучения только теплового расширения . С помощью дилатометров изучены температурные зависимости и анизотропия теплового расширения большого числа веществ. Именно эти ис­ следования и отражают название метода.

Однако к настоящему времени значение дилатометрии несрав­ ненно возросло, и существенно расширилась область ее примене­ ния . Большие успехи достигнуты в дилатометрическом исследова­

во эффектов (называемых нами в дальнейшем объемными), ха­ рактеризующихся не только расширением, но и сжатием системы. Более того, многие объемные эффекты получены в изотермических условиях, а, следовательно, не могут рассматриваться как тепло­ вые.

Существенные успехи в подобных исследованиях достигнуты после создания дилатометров, способных регистрировать объем­ ные эффекты в двухкомпонеитных системах. Это дало возможность исследоваталям «запускать» физико-химические реакции не толь­ ко с помощью внешних физических факторов (тепла, света и др . ),

полнения одних и тех же измерений — изменений объема системы. Существенная разница, п о ж а л у й , состоит в том, что приборы, именуемые дилатометрами, используют при исследовании кине­ тики сравнительно медленных изменений объема (длящихся более 10 сек.). С помощью ж е волюмометров обычно наблюдают про ­ цессы изменения объема, завершающиеся в пределах 1 сек. (на­

в 1660 году провел волюмометрические измерения системы, кото­ рая содержала в себе сокращающуюся мышцу. Однако замечен-

6

ный им эффект имел знак, противоположный ожидаемому, и, следо­ вательно, гипотеза «живого, духа» не выдержала проверки.

Конечно, эти и ряд других измерений (Борелли, Глиссон п др.) того времени для нас представляют в основном исторический ин­ терес. Современные исследования позволили изучить объемные эффекты при сокращении мышцы гораздо глубже, и им может быть посвящена специальная монография.

Следует отметить, что в процессе рождения новых наук — биофизики и молекулярной биологии, стало возможным изучение многих биологических процессов на молекулярном уровне. Д л я этой цели привлекаются все подходящие физико-химические ме­ тоды исследования макромолекул в растворе, в том числе и ди­ латометрия. И в области исследований, посвященной дилатометрии макромолекул, безусловно первое место следует отвести белкам,

С помощью дилатометрии оказалось возможным получить све­ дения об объемных эффектах, сопровождающих разрыв сильных связей, и при различных конформационных переходах белков. Примером первых с л у ж а т тщательные исследования Линдерштрема - Ланга, посвященные изучению эффектов, сопровождающих разрыв пептидных связей. В частности, дилатометрические иссле­ дования позволили ему установить, что белковая молекула в силу своей специфической структуры занимает больше места, чем про­ стая сумма ее элементов.

Что ж е касается объемных эффектов при конформационных переходах, то литература по этому вопросу непрерывно попол­ няется новыми данными. Это объясняется в первую очередь по­

а т а к ж е единичных сильных связей, что осуществимо с помощью крайпе ограниченного числа методов.

Изменение объема раствора белка отражает изменение состоя­ ния макромолекул и низкомолекулярных соединений в растворе, в том числе молекул воды. Практически любое изменение-хими­ ческого состава и структуры растворенных веществ должно при ­ водить к изменению взаимодействия с окружающими молекула­ ми. Наблюдение изменения объема раствора дает возможность говорить об изменении взаимодействия молекул в растворе, при­ водящем к изменению межмолекулярных расстояний, упаковки

идругих микрохарактеристик .

Вобщем случае изменения объема водного раствора белка могут осуществляться практически при любых конформационных превращениях этого белка, ибо при этом происходят изменения

I

Т Е Р М О Д И Н А М И Ч Е С К И Е В Е Л И Ч И Н Ы О Ь Ъ Е М А М А К Р О М О Л Е К У Л Ы В РАСТВОРЕ

ОБЪЕМ МАКРОМОЛЕКУЛЫ

Структуру макромолекул определяют внутри- и межмолекуляр ­ ные взаимодействия. 13 результате этих взаимодействий при данных условиях макромолекулы принимают определенную фор­ му. Характеристикой полной структуры, служат пространст­ венные координаты всех атомов, составляющих макромоле­

ку л у .

На микроскопическом уровне трудно говорить о заполнении макромолекулой определенной части пространства, т. е. об объе­ ме. Определение этого пространства потребовало бы нахождения поверхности, огибающей макромолекулы, или объемов всех ато­

мов и объемов всех внутримолекулярных полостей. Тем не менее в физико-химии макромолекул существует р я д определений объе­ ма макромолекулы, введение которых чаще всего связано с ис­ пользованием того пли иного метода исследования макромолекул . Т а к , понятие гидродинамического объема характеризует простран­ ство, занимаемое макродюлекулой вместе с «пропитывающим» ее растворителем. Эта величина определяется с помощью гидро­

определении величины объема макромолекулы из результатов измерения малоуглового рассеяния рентгеновских лучей исполь­ зуются сведения о частицах, представляющих собой облас­ ти раствора с электронной плотностью большей, чем у раствори­ теля .

Особый интерес представляют величины объема макромолеку­ лы, которые получены в максимально естественных условиях, т. е. без прохождения через них пучка электронов, без облучения рентгеновскими лучами, без приложения больших гидродинами­ ческих полей (как известно, большую роль в изменении первона­ чальной формы и объема макромолекулы может сыграть у ж е пред­ варительная подготовка объекта перед такого рода обработкой')^ Т а к и е величины объема используют при макроскопической х а р а к ­ теристике веществ, вводя специальные термодинамические па­ раметры — парциальный и к а ж у щ и й с я объемы.

9