Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические



Скачать 303.31 Kb.
страница1/3
Дата03.01.2013
Размер303.31 Kb.
ТипОтчет
  1   2   3
Регистрационный номер НИР: 1. 3.03

АННОТИРОВАННЫЙ ОТЧЕТ

о научно-исследовательской работе за 2005 год

1. Тема НИР: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические

2. Номер государственной регистрации НИР:

3. Характер НИР: фундаментальное научное исследование
4. Исполнитель (руководитель) НИР: Аганов А.В., проф., д.х.н.

5. Вуз (организация), в котором проводится НИР: Казанский государственный университет
6. Наименование структурного подразделения вуза (организации), в котором проводится НИР: Кафедра ОФ, кафедра молекулярной физики

7. Телефон исполнителя: 2315189

8. E-mail исполнителя: amutina@ksu.ru

9. WWW адрес (для ссылки на информацию о результатах НИР):

10. Сроки проведения: начало - 01.01.2003 , окончание - 31.12.2005

11. Наименование годового отчетного/ завершающего этапа НИР: Внутри-и надмолекулярная структура и динамика биомолекулярных систем биомедицинского назначения.

12. Плановый объем средств на проведение годового отчетного / завершающего этапа НИР:

Плановый объем средств на проведение НИР с начала ее проведения, включая отчетный этап НИР:

13. Фактический объем средств, выделенных на проведение годового отчетного / завершающего этапа НИР:

Фактический объем средств на проведение НИР с начала ее проведения, включая отчетный этап НИР:

14. Коды темы по ГРНТИ : 29.19.49,29.19.03

15. Полученные научные и (или) научно-технические результаты: Исследования биологических мембран:

Методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля (ЯМР ИГМП) исследовалась самодиффузия воды в плоских ориентированных мембранах, образованных ламеллярной жидкокристаллической фазой ряда фосфолипидов. Диффузионные затухания спинового эхо имели неэкспоненциальный, многокомпонентный вид, зависящий от ориентации постоянного магнитного поля и градиента поля, что свидетельствовало о распределении кажущихся коэффициентов диффузии и анизотропии системы с точки зрения трансляционной диффузии молекул воды. При измерении диффузии в направлении поперек бислоев доминировали две моды с крайними значениями коэффициентов диффузии 10^(-10) и 10^(-13) м2/с. Путем изменения толщины системы бислоев, изменения ориентации образца, сравнения диффузионных затуханий при различных временах диффузии было установлено, что часть сигнала, характеризующаяся коэффициентом самодиффузии наиболее близким к объемной воде, относится к молекулам в дефектах бислоя, пронизывающих всю систему бислоев. Вода в дефектах бислоя, наблюдаемых в поляризационный микроскоп как "трещины" ("cracks"), находится в состоянии медленного обмена в масштабе времен эксперимента ЯМР ИГМП с другой частью молекул воды, участвующей в трансбислойной диффузии, и находящейся между бислоями.
Этот вывод был подтвержден измерениями диффузии в условиях фазового перехода гель-жидкий кристалл в условиях присутствия холестерина и спектральными характеристиками компонент затухания, различающимися коэффициентами диффузии, которые были получены в результате глобального анализа коррелированных спектральных данных. Использование модели диффузии в системе плоских проницаемых мембран позволило оценить проницаемость одно-, двух- и трехкомпонентных бислоев различного компонентного и фазового состава в зависимости от условий эксперимента. Исследование бислоев фосфатидилхолина с эргостерином обнаружило эффекты "пластификации" и "конденсации" бислоя, аналогично системам с холестерином. Предложенный подход к измерению трансбислойной диффузии был использован при исследовании воздействия лекарственного вещества дибуона (дибутиловый эфир 1,1-диметил-3-оксобутилфосфоновой кислоты) на бислой, который, на основании изменения латеральной диффузии липидов, а также диффузии воды вдоль и поперек бислоев, позволил установить особенности взаимодействия молекулы лекарства с липидами, обуславливающие разрыхляющий эффект препарата на мембрану. Измерения, проведенные в условиях жидкокристаллической двухфазности бислоя на двух- и трехкомпонентных системах показали, что наличие доменов упорядоченной фазы понижает как проницаемость бислоя, так и диффузию воды вдоль бислоя. Был проведен предварительный эксперимент по непосредственному измерению диффузии лекарственного препарата в ориентированных бислоях липидов методом ЯМР ИГМП на ядрах 19F, свидетельствующей о перспективности таких исследований. В целом, исследования показали, что ориентированные липидные бислои являются удобным объектом для непосредственного измерения трансмембранной диффузии воды в биомембранах. Метод ЯМР ИГМП - удобен для определения трансмембранной диффузии и оценки проницаемости для молекул воды в ориентированных бислоях, а также для исследования фазового состояния бислоя, его эффектов на диффузию воды и липидов и изучения взаимодействия лекарства с бислоем.

Методиками твердотельного ЯМР проведен структурный анализ состояния пептида (грамицидин "S") в мембране. Для того, чтобы охарактеризовать структуру антибактериального пептида грамицидина "S" и его взаимодействие с липидной мембраной, было произведено замещение двух эквивалентных гидрофобных аминокислот Val в циклической цепи пептида на неприродные аминокислоты CF3-фенилглицины (CF3-Phg). Это обеспечило прямую связь между трифторметиловыми метками и пептидным скелетом. Применение многоимпульсной последовательности КПМГ (Карр-Парселл-Мейбул-Гилл) для ориентированных мембранных образцов позволило различить влияние гомоядерного диполь-дипольного взаимодействия не только между ядрами 19F внутри каждой CF3 группы, но и между двумя CF3 группами. Получены константы диполь-дипольного взаимодействия внутри-CF3 и меж-CF3 группами (~70 Гц и ~15 Гц, соответственно). Из сравнительного анализа нативной структуры грамицидина "S" в растворе и его структуры в составе мембраны (для аналогов грамицидина "S" меченых монофторированными метками) были определены структурные параметры q и r (q - угол, определяющий ориентацию CF3 группы относительно направления внешнего магнитного поля, r - внутримолекулярное расстояние между двумя CF3 группами). В результате были обнаружены существенные различия в структурах нативного и встроенного в мембрану грамицидина "S". Обнаруженные отличия предположительно отражают влияние липидных бислоев на конформацию встроенного в них белка, однако необходимо также принимать во внимание, что эксперименты были проведены с использованием меток.

Установлены существенные различия в спектрах диполь-дипольного взаимодействия для CF3-Phg меченых диастереоизомерных LD и LL аналогов грамицидина "S" в липидных бислоях. Показаны потенциальные возможности применения метода КПМГ для исследования структуры белков.
Агрегация протеинов в растворах:

По результатам работ обнаружено, что в экспериментах по изучению процесса поэтапного образования агрегатов (мономер-димер-олигомер) димерное состояние амилоидного пептида не регистрируется методами ЯМР. В растворах TFE, смеси растворителей TFE-вода, а также в водных растворах наблюдается только коэффициент самодиффузии мономерного A (бета) 1-40-пептида. Отсутствие сигнала от немономерной формы A (бета) 1-40-пептида (димеров и олигомеров) в водных растворах объясняется повышенной скоростью поперечной ЯМР релаксации в агрегатах и других низкомолекулярных олигомерах. В то же время, воздействие ультразвука на образец в процессе растворения A (бета) 1-40-пептида в TFE вызывает процесс олигомеризации пептида с размерами агрегатов от тетра- до гексамера, что указывает на зависимость образования агрегатов в растворе TFE от способа приготовления образцов.

При изучении агрегации лизоцима в предшествующих исследованиях мы наблюдали диффузию димера, тем самым было показано, что димеризация является преагрегационным состоянием при образовании фибрилл. Отсутствие сигнала от димера в наших экспериментах в условиях частичной A (бета) 1-40-пептидной агрегации, где предполагаемый размер димеров намного меньше, чем размер димера лизоцима, еще раз подтверждает, что агрегация A (бета) 1-40-пептида не проходит через стадию образования димеров.

С целью выяснения роли химической структуры на самодиффузию и агрегацию молекул пептидов, способных образовывать амилоидные агрегаты были проведены сравнительные исследования самодиффузии в условиях агрегации A (бета) 1-40-пептида (дикая форма) и в арктической форме. Эти два пептида различаются химическим составом (одной аминокислотой в первичной структуре). Диффузионные эксперименты показали, что A (бета) 1-40-пептид (арктический мутант) присутствует в водно-буферном растворе, так же как и дикий тип A (бета) 1-40-пептида, в мономерной форме. Димеры в диффузионных экспериментах не регистрировались, в то время как сам процесс агрегации визуально наблюдался в спектрах кругового дихроизма. Более того, на всех этапах агрегации регистрировался только сигнал от мономера.

Надо отметить, что временное замораживание и размораживание A (бета) 1-40-пептида (арктический мутант), растворенного в водно-буферном растворе приводит к образованию "мелкокомковатых" агрегатов, которые содержат захваченные молекулы пептидов (вероятно в мономерной форме) внутри своей структуры, которые имеют высокую вращательную подвижность, но ограничены в в диффузии. Эти агрегаты являются проницаемыми для воды.
Исследование лиотропных жидкокристаллических сред на основе хлорид или бромид цетилпиридиния и n-гексанола; n-алкил-поли(этилен)гликолей и нормальных спиртов в воде методом ЯМР:

Известно, что в растворах диполь-дипольное взаимодействие между магнитными ядрами внутри молекулы усредняется вследствие хаотичного движения молекул. Если молекулярная система растворена в лиотропной жидкокристаллической системе, то поступательное и вращательное движение молекул перестает быть изотропным, как результат соударения о магнитно-ориентированные образования. Эта анизотропия в движении молекул приводит к появлению "слабого" диполь-дипольного взаимодействия между магнитными ядрами, что проявляется в ЯМР спектрах, как остаточные константы диполь-дипольного взаимодействия, уширение сигналов ЯМР при этом не наблюдается.

Нематические фазы могут быть созданы на основе смесей хлорид или бромид цетилпиридиния и n-гексанола; n-алкил-поли(этилен)гликолей и нормальных спиртов в воде. При некоторых условиях перечисленные системы формируют ламеллярные жидкокристаллические фазы, обозначаемые как L , в которых плоскости молекулярных образований ориентируются в магнитном поле вдоль его направления. Исследованию ламеллярных жидкокристаллических фаз на основе n-алкил-поли(этилен)гликолей, хлорид или бромид цетилпиридиния и нормальных спиртов в воде методом ЯМР и посвящена данная часть работы. Нужно отметить, что подобные исследования с использованием метода ЯМР в литературе не описаны.

Существование упорядоченной фазы подтверждалось наблюдением квадрупольного расщепления 2H ЯМР сигнала дейтерированной воды (D2O), входящей в состав жидкокристаллических систем. После помещения образца, содержащего лиотропную жидкокристаллическую систему, в магнит при комнатной температуре квадрупольное расщепление величиной от единиц до десятков Гц проявляется в течение нескольких минут. Увеличение температуры раствора не изменяет форму 2H ЯМР сигнала дейтерированной воды (D2O), а при некоторой температуре и выше наблюдается 2H ЯМР Квадрупольное расщепление спектра 2H ЯМР дейтерированной воды в двух лиотропных системах на основе n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 и С12Е5 , где Сn означает число атомов углерода в углеводородной цепи, а Еn число гликольных фрагментов в данной молекулярной системе), и нормальных спиртов (октанол и гексанол).
Жидкокристаллические лиотропные системы на основе n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 и С12Е5) и нормальных спиртов:

Данные жидкокристаллические лиотропные системы представляют собой смеси n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 или С12Е5), нормальных спиртов (гексанол или октанол) и воды. Смеси характеризуются весовым (процентным) содержанием n-алкил-поли(этилен)гликолей в воде и мольным отношением n-алкил-поли(этилен)гликолей и нормальных спиртов. В литературе описаны смеси С8Е5 - октанол и вода а также С12Е5 - гексанол и вода, однако там не приводятся фазовые диаграммы жидкокристаллического состояния для этих систем. Смесь С12Е5 - октанол и вода разработана и описана нами впервые. Здесь мы приведем данные ЯМР исследований двух систем: а) С8Е5 - октанол и вода и б) С12Е5 - октанол и вода и проведем сравнительный анализ фазовых диаграмм жидкокристаллических состояний для двух этих смесей.

Были проведены исследования влияния концентраций n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 и С12Е5) в воде на наблюдаемое расщепление спектра 2H ЯМР дейтерированной воды, когда системы представляли собой жидкокристаллические лиотропные системы. Во всех исследованных случаях зависимости расщепления в спектре 2H ЯМР дейтерированной воды для систем n-алкил-поли(этилен)гликолей и октанола от концентрации С8Е5 или С12Е5 линейны. Это связано с тем, что увеличение концентрации приводит к увеличению числа ламеллярных частиц в растворе, что в свою очередь приводит к увеличению анизотропной части общего объема.

Проведены исследования влияния температуры на наблюдаемое квадрупольное расщепление спектра 2H ЯМР воды в системах n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 и С12Е5) и октанола в воде. В исследованных случаях зависимости квадрупольного расщепления в спектре 2H ЯМР дейтерированной воды от температуры были линейными (как это видно из приведенных примеров). Зависимости для систем (С12Е5) - октанол и вода объяснимы с позиций обратной зависимости магнитной восприимчивости системы от температуры (закон Кюри), тогда как зависимости для систем (С8Е5) - октанол и вода носят противоположный характер. Систематическое исследование поведения систем n-алкил-поли(этилен)гликолей (С8Е5 или С12Е5) - октанол и вода методом 2H ЯМР позволило выявить границы существования ламеллярных L -фаз в координатах температура - концентрация (С8Е5 или С12Е5) в воде.

Сравнивая полученные фазовые диаграммы, необходимо отметить, что предложенная нами система n-алкил-поли(этилен)гликоля (С12Е5) - октанол и вода более удобна, поскольку она "работоспособна" в более широком диапазоне температур и концентраций, нежели система n-алкил-поли(этилен)гликоля (С8Е5) - октанол и вода.

Исследования поведения системы n-алкил-поли(этилен)гликоля (С12Е5) - октанол и вода методом 2H ЯМР позволило выявить границы существования ламеллярных фаз в координатах температура - мольное соотношение (r) С12Е5 к октанолу.
Жидкокристаллические лиотропные системы на основе хлорид (или бромид) цетилпиридиния и нормального спирта (гексанол):

Эти жидкокристаллические лиотропные системы представляет собой смеси хлорид (или бромид) цетилпиридиния (CPCl или CPBr), нормального спирта (гексанол), воды и соответствующей соли NaCl (или NaBr). Эти смеси описаны в литературе, однако там не приводятся фазовые диаграммы жидкокристаллического состояния для этих систем.

Были проведены исследования влияния концентраций хлорид (или бромид) цетилпиридиния в воде и температуры на наблюдаемое квадрупольное расщепление спектра 2H ЯМР дейтерированной воды, когда системы представляли собой жидкокристаллические лиотропные системы. В пределах этих двух систем существенных различий во влиянии концентрации и температуры на квадрупольное расщепление в спектре 2H ЯМР дейтерированной воды не наблюдалось. Зависимости, представленные на рис. 13, принципиально отличаются от подобных зависимостей для описанных выше систем (тоже можно сказать и о концентрационных зависимостях). Это, на наш взгляд, объяснимо иной природой образования ламеллярных частиц данных систем от природы образования ламеллярных частиц у рассмотренных выше систем.
Пространственное строение относительно малых молекул в растворах, полученное анализом остаточных диполь-дипольных констант:

Здесь, в продолжение наших исследований, демонстрируется приложение подхода к определению пространственного строения глутатиона (GSH) (восстановленного), относительно небольшой молекулы, частично ориентированного в лиотропной жидкокристаллической среде. Для определения остаточных величин констант диполь-дипольного взаимодействия между магнитными ядрами в глутатионе, использовалась смесь хлорид цетилпиридиния в воде (5.1 % весовых); молярное отношение (r) хлорид цетилпиридиния к n-гексанолу было равно 1/1.33 при содержании 200 мМ соли NaCl в воде.
  1   2   3

Похожие:

Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Исследование магнитных наноструктур для спинтроники Номер государственной регистрации нир

Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Создание археологических геоинформационных систем (агис) Республики Татарстан Номер государственной регистрации нир
Тема нир: Создание археологических геоинформационных систем (агис) Республики Татарстан
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2004 год Тема нир: Синтез и стереохимия семичленных гетероциклов с атомами O,S,N,P. Номер государственной регистрации нир

Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Исследование колебательных режимов многосвязных распределенных динамических систем
Тема нир: Исследование колебательных режимов многосвязных распределенных динамических систем
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2004 год Тема нир: Анализ физического состояния вещества в атмосферах звезд разных типов. Номер государственной регистрации нир

Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Сложностные свойства детерминированных и вероятностных математических моделей. Численные методы построения алгоритмов
Тема нир: Сложностные свойства детерминированных и вероятностных математических моделей. Численные методы построения алгоритмов
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconОтчет о научно-исследовательской работе за 2005 год
Тема нир: Координационные соединения 3d-переходных, платиновых и редкоземельных металлов: термодинамика и кинетика образования, синтез,...
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2004 год Тема нир: Исследование колебательных режимов многосвязных распределенных динамических систем
Тема нир: Исследование колебательных режимов многосвязных распределенных динамических систем
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Исследование перспективных материалов методами оптической и микроволновой спектроскопии
Тема нир: Исследование перспективных материалов методами оптической и микроволновой спектроскопии
Аннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Структурно-динамические свойства сложных молекулярных систем, включая биологические iconАннотированный отчет о научно-исследовательской работе за 2005 год Тема нир: Математическое моделирование распространения загрязнений в зонах аэрации и атмосфере
Тема нир: Математическое моделирование распространения загрязнений в зонах аэрации и атмосфере
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org