Молекулярная подвижность в растворах коллагена, содержащих ионы металлов с различными ионными радиусами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА УДК 577.32

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПОДВИЖНОСТЬ В РАСТВОРАХ КОЛЛАГЕНА, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ МЕТАЛЛОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ИОННЫМИ РАДИУСАМИ

Г. П. Петрова, Ю.М. Петрусевич, И. А. Перфильева, М. С. Иванова,

Чжан Сяолэй

(.кафедра молекулярной физики; кафедра медицинской физики) E-mail: petrova@phys.msu.ru; perfilieva@phys.msu.ru

Методом фотонно-жорреляционной спектроскопии определены динамические параметры молекул коллагена в растворах. Получены зависимости коэффициентов трансляционной диффузии от рН в чистых водных растворах коллагена и в растворах, содержащих соли различных металлов: Na, Са, К, РЬ. Обнаружено, что размер ионного радиуса металла влияет на межмолекулярные взаимодействия и подвижность молекул коллагена в растворе.

Введение

Безусловный интерес представляет изучение свойств водных растворов коллагена, принадлежащего к классу фибриллярных белков. Коллаген выполняет главную структурную роль в организме [1]. Около 40% всего коллагена находится в коже, 10-20 — в костях и зубах и 7-8% — в кровеносных сосудах. Необычная структура молекулы коллагена (тройная спираль) приводит к особенностям его оптических свойств и молекулярной подвижности.

Изменения показателя рН или концентрации соли в растворе могут привести к изменениям в структуре молекулы белка. В связи с этим очень важными являются исследования как структурных изменений коллагена в водных растворах, так и процессов, связанных с объединением молекул в коллагеновые цепи — фибриллы, что определяет уникальные свойства костей, кожи и других тканей.

Для изучения межмолекулярных взаимодействий и динамики молекул в растворе могут быть успешно использованы оптические методы. В настоящей работе для исследования динамики молекул коллагена применяется метод фотонно-корреляционной спектроскопии рассеянного света [2]. В этом методе исследуется корреляционная функция флуктуаций интенсивности рассеянного света.

Метод динамического светорассеяния

Динамическое рассеяние света связано с флук-туациями концентрации рассеивающих частиц. Для растворов макромолекул возможно связать корреляционную функцию сигнала g(t) для рассеянного света с коэффициентом трансляционной диффузии D,:

g^(t) = a(E*(Q)E(t)) = с0 exp(-Dtk2t) (а и со — константы).

Соответствующий метод определения корреляционных функций g(t) называется методом корреляции фотонов. При этом могут быть получены значения коэффициентов трансляционной диффузии частиц и их гидродинамических радиусов.

В работе [3] была исследована связь между статическими и динамическими параметрами рассеяния света для растворов макромолекул. Как оказалось, концентрационная зависимость коэффициента трансляционной диффузии Д может быть представлена в виде вириального разложения по концентрации. В соответствии с этим связь между коэффициентом Д, массой молекулы М и характеристической вязкостью белкового раствора [rq] определяется уравнением

Dt=D0{l + (2BM-[v])c}. (1)

Здесь Do — коэффициент диффузии, определяемый по формуле Стокса-Эйнштейна для сферической незаряженной частицы:

_ kT

О п п>

Ьтхщк

где R — радиус частицы.

Согласно формуле (1), в случае заряженных частиц в растворе коллагена коэффициент трансляционной диффузии Д должен зависеть от концентрации макромолекул, их суммарного поверхностного заряда и ионной силы раствора.

Экспериментальные результаты

и обсуждение

При исследовании динамических параметров молекул коллагена в чистом водном растворе и в растворах с добавлением солей CaS04 и NaCl были

рН

1= 10 _ моль/л /= 10 2

Зависимость коэффициента трансляционной диффузии Д коллагена от показателя рН: а — в чистом водном растворе (кривая /), с добавлением соли СаБО-! (кривая 2), с добавлением соли ЫаС1 (кривая 3); б — для водных растворов коллагена с добавлением соли КС1 (для трех ионных сил раствора / = 10™2, 10™3, моль/л); в — для

водных растворов коллагена с добавлением соли РЬ(СНзСОО)2 (для трех ионных сил раствора /=10"2, Ю-3, Ю"1 моль/л)

получены нелинейные зависимости коэффициента трансляционной диффузии от показателя рН с максимумом вблизи изоэлектрической точки рН 6.0 (минимальное значение поверхностного заряда молекулы белка) (рисунок, а). Справа и слева от изоэлектрической точки коэффициент диффузии уменьшается.

В соответствии с формулой (I) коэффициент трансляционной диффузии белка должен уменьшаться, если его характеристическая вязкость превышает произведение массы молекулы на коэффициент межмолекулярного взаимодействия. Действительно, как следует из работы [4], характеристическая вязкость коллагена (1150 см3/г) более чем на два порядка выше, чем вязкость таких глобулярных белков, как, например, альбумин (3.7 см3/г).

Ранее в работе [5] нами было показано, что в водных растворах альбумина и гамма-глобулина коэффициент трансляционной диффузии Д имеет минимум в изоэлектрической точке, а не максимум, как в растворах коллагена. Это определяется тем, что для этих белков произведение ВМ в (1) имеет большую величину по сравнению с коэффициентом характеристической вязкости [г/].

Характер зависимости коэффициента Д коллагена резко меняется при добавлении в раствор солей КС1 и РЬ(СНзСОО)г (рисунок, б, в).

Как было показано в [6], присутствие в растворе ионов с большим ионным радиусом приводит к преобладанию сил диполь-дипольного взаимодействия между молекулами белка по сравнению с силами кулоновского отталкивания и образованию макро-молекулярных комплексов (кластеров) вблизи изоэлектрической точки. Ионный радиус К+ и РЬ2+ гораздо больше, чем у ионов Са2+ и №+ (для сравнения: = 1.33 А, /?РЬ21 =1.2 А, /?Са21 =0.99 А, /?ма1 =0.8 А). Крупные частицы обладают меньшей подвижностью и большой массой. Как можно видеть, зависимость коэффициента диффузии Д от показателя рН в растворах коллагена с ионами калия и свинца аналогична наблюдаемой для глобулярных белков.

Сравнение величин коэффициентов диффузии в водных растворах коллагена, содержащих соли КС1 и РЬ(СНзСОО)г, показывает, что с ростом ионной силы раствора коэффициент диффузии уменьшается (рисунок, б, в). Это указывает на то, что с увеличением концентрации ионов К+ и РЬ2+ в растворе масса рассеивающих частиц также растет.

При ионной силе раствора / = 10^2 моль/л оказалось невозможно измерить Д при показателе рН выше изоэлектрической точки белка (рН 6.0) (рисунок, в). По-видимому, присутствие достаточно большой концентрации соли тяжелого металла свинца РЬ(СНзСОО)г приводит к так называемому «высаливанию» белка (показатель рН раствора больше не растет; в растворе выпадает белый осадок).

Заключение

С помощью метода динамического светорассеяния были исследованы молекулярные параметры коллагена в водных растворах с добавлением солей

СаЭ04, №С1, КС1 и РЬ(СНзСОО)2- Было обнаружено, что размер ионных радиусов металлов сильно влияет на электростатические взаимодействия между макромолекулами белка. Взаимодействие ионов калия, так же как и иона тяжелого металла свинца, обладающих сравнительно большими ионными радиусами (К+ — 1.33 А, РЬ2+ — 1.2 А), в растворах с коллагеном приводят к образованию макромолекулярных комплексов — дипольных белковых наноструктур. При наличии в растворах коллагена ионов кальция или натрия с меньшими ионными радиусами (Са2+ — 0.99 А, — 0.8 А) наноструктуры не образуются.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 05-02-17838).

Литература

1. Ленинджер А.Л. Основы биохимии. М., 1985.

2. Камминс Г.З., Пайк Е.Р. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. М., 1978.

3. Петрова Г.П., Петрусевич Ю.М. // Биомедицинская радиоэлектроника. 2000. № 3. С. 41.

4. Маршелл Э. Биофизическая химия. Т. 1. М., 1981.

5. Бойко А.В., Гаркуша Е.В., Петрова Г.П. и др. Структурные фазовые переходы в растворах белков, содержащих ионы легких и тяжелых металлов. Препринт МГУ № 2/2005. М„ 2005.

6. Петрова Г.П., Петру севич Ю.М., Тен Д.И. // Квантовая электроника. 2002. 32, № 10. С. 897.

Поступила в редакцию 28.03.2008