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

1. Молекулярная биофизика. Биологические макромолекулы в растворе, теория Дебая - Хюккеля

2.

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

3.

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

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

5.

Luigi Galvani
1737—1798
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

6.

(12.08.1887 - 4.01.1961)
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

7.

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 (R0), валентный угол ( 0) и торсионный
угол ( 0).

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17. Масс-спектроскопия

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

18.

19.

20.

21.

22.

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.

23. 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.

24.

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

25.

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

26.

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

27.

Зависимость электрического потенциала , создаваемого макромолекулой,
от расстояния Х

28.

Расстояние Х0, на котором падает в е раз ( = 0,37 0), называется дебаевской длиной.
Это толщина ионной оболочки которая окружает в электролите каждую заряженную
молекулу.

29.

Влияние концентрации ионов на взаимодействие заряженных ММ определяется
ионной силой раствора ( ):
Тогда толщина ионной оболочки Х0:
Т.е., при большой ионной силе раствора (высокой концентрации соли)
оболочка ионов становится меньше (тоньше) и все ионы прижимаются к
поверхности ММ

30.

31.

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.

32.

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

33.

Лекция №2
«Конформация макромолекул.
Виды конформационных
перестроек»
16 февраля 2017 г. ауд. 205
13.50