CC BY
32
УДК 546.212: 541.123.11 НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СГУСТКА-12 В КАРТОФЕЛЬНОМ АМИЛОПЕКТИНЕ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ КЛУБНЯ. ВЛИЯНИЕ БЕЛЫХ ШУМОВ*
© К.В. Зубова1, А.В. Зубов2, В.А. Зубов1'
1 Компания «A IST H&C», Отд. НИР, PF 520253, D-12592, Берлин (Германия)
E-mail: aist@zubow.de
2Институт информатики, факультет компьютерной науки, университет им. Гумбольда, Д-12489 Берлин,Рудовершоссе, 25, дом III, 3-й коридор, дом Ёохана фон Ноймана (Германия) E-mail: zubow@informatik.hu-berlin.de
Исследован термический распад до 523 К крахмала пишевого картофеля, выращиваемого на севере ФРГ, и чистого амилопектина из генетически модифицированного картофеля методом спектроскопии мерцаний в шумах (СМШ). Представлены СМШ-шектры осцилляций масс кластеров в аморфных частях макромолекул крахмала и амилопектина в процессе созревания картофеля. Периодически повторяющейся субъединицей амилопектина (ППСЕ) является спираль, состоящая из двух витков и 12 звеньев a-D-глюкопиранозы. Кластеры в крахмале и амилопектине дают следующий ряд по числу звеньев: 12; 21; 33; 47; 64; 84; 107; 160 и т.д. Сделано предположение о формировании этого ряда в стоячих волнах белого шума, пронизывающего планету. Амилопектин находится в аморфной части макромолекул крахмала в виде суперклубков, построенных из субклубков макромолекулярных ответвлений. Энергия образования кластера-12 зависит от температуры и изменяется в интервале от -35...-220 Дж/моль звеньев, а энергия активации теплового движения в интервале -6 до 5 кДж/моль. Дано уравнение Зубова, связывающее частоты осцилляций кластеров и их массы.
Ключевые слова: суперклубок, кластеры, амилопектин, энергия активации, шум белый.
Введение
Изучение низкочастотных движений фрагментов цепей биополимеров должно дать ответ на понимание механизма их образования, спектра их конформационных переходов, дать представление об их окружении и характере взаимодействии с этим окружением [1]. Авторы этой работы справедливо отмечают особую важность изучения этой проблемы на уровне кластеров, доменов, надкластерных структур в биополимерах, которые являются одной из центральных проблем современной биологии. Проблемы вирусных заболеваний как результат простого изменения конформации биомолекулы ставят проблему как первоочередную в области биохимии.
Одной из нерешенных проблем в биологии и химии высокомолекулярных соединений является структура природного полимера - амилопектина. Амилопектин с амилозой - составная часть крахмала картофеля, зерна, фруктов. В отличие от линейной амилозы амилопектин характеризуется высокой степенью разветв-ленности. Механизм их образования, развития и разрушения не достаточно ясен. Структура амилопектина на уровне понимания степени разветвлений (СВ), их степеней полимеризации (СП), динамики конформации клубков и их взаимодействия с окружением до конца не понята. Большинство сообщений на эту тему [2-4] опирается на проведенную в конце 70-х гг. ХХ в. Банксом и Маиром работу [5]. Считается что амилопектин в грануле находится в основном в кристаллическом состоянии [2, с. 314]. Однако из физикохимии высокомолекулярных соединений хорошо известно, что разветвленные полимеры не кристаллизуются или кристаллизуются чрезвычайно плохо, тем более сильно разветвленные, к которым относится и амилопектин. Кристаллические структуры таких полимеров имеют много дефектов, а разветвления, как правило, «выбрасываются» из кристалла [6]. Свернутая конформация макромолекулярных ответвлений термодинамически более выгодное состояние, чем развернутое.
* Примечание редакции: Данная статья публикуется в порядке дискуссии. Редакционная коллегия будет благодарна читателям за отклики.
Автор, с которым следует вести переписку.
Моделирование кристаллизации макромолекулы, на каждые 20-30 звеньев которой приходится одно ответвление, крайне сложно. Можно говорить только о некоей упорядоченности на уровне складок фрагментов цепей. Это явное противоречие не подымается в силу сложности вопроса и отсутствия метода подтверждения работы [5]. Считается, что на около 30 звеньев глюкозы в амилопектине приходится одно ветвление [3, с. 496] посредством а-1^6 связи. Там же (на с. 620) справедливо утверждается, что природа выбрала разветвленные биомолекулы (амилопектин и гликоген) для возможности их быстрого разрушения и синтеза. Разрушить же кристаллическую структуру всегда сложнее, чем аморфную или полукристаллическую. Смоделировать кристаллическую структуру амилопектина из фрагментов цепей, состоящих из 30 звеньев, «нагруженных» разветвлением, без применения ЭВМ не представляется возможным. Спорным остается вопрос о том, что такие короткие цепи могут образовывать двойные спирали, как это утверждается в [2] и [4]. К сожалению, большинство работ выполнено не на чистых образцах крахмала или амилопектина, а на их растворах или гелях. При этом факту сильнейшего влияния воды на конформацию биополимера не уделяется достаточного внимания. Одно ясно, что структуры амилопектина и крахмала в геле/растворе нельзя сравнивать или даже брать за основу понимания нативной структуры биополимеров.
В настоящее время отсутствует быстрый и не разрушающий метод регистрации движений больших сгустков масс в макромолекулах твердых полимеров. Описаны попытки с помощью расщепляющих амилопектин энзимов получить представление об этих параметрах [7, 8]. Авторы этих работ обнаружили, что ферментативное расщепление амилопектина ведет преимущественно к образованию цепей со СП, равной 12. Такие цепи, согласно рентгеновскому анализу, могут представлять собой спирали из двух витков, каждый состоящий из 6-ти звеньев а-Э-глюкопиранозы [9]. Валлес с коллегами предпринял интересную попытку исследования процесса термического распада крахмала путем изучения низкочастотных движений цепей биополимера при механическом воздействии и нагревании. Авторы приводят значения энергий активации процессов, которые они декларируют как процессы, связанные с разрушением ответвлений [10]. Обнаружены релаксационные процессы при 383К и 433 К, которые никак не интерпретируются.
С одной стороны, крахмал будет являться базовым сырьем для получения новых пищевых продуктов [11] и сырьем для получения биоразрушаемого упаковочного материала [9, 10], с другой - он, его структура могут стать ключевым индикатором изменений в растениях в результате антропогенного влияния на климат, интенсификацию сельского хозяйства, «нагружению» его генетически измененными видами и трансферами генов. Качество технологического сырья зависит от содержания и свойств амилозы и амилопектина - основных компонентов крахмала. Главные характеристики амилопектина СП и СВ являются предметом многочисленных исследований [7-13]. Имеется ясное представление о механизме синтеза крахмала [14], однако на уровне формирования надмолекулярных структур, сгустков (кластеров) фрагментов цепей макромолекул и их взаимодействия между собой в биоматрице клубня нет ясного понимания [15]. Авторы работы [16] предприняли попытку химическим методом окисления (2% №ОС1) установить длины макромолекулярных разветвлений в амилопектине. Ими получены значения СП от 6 до 50 и выше. Однако такой метод является спорным в силу низкой селективности химического окисления особенно для высокомолекулярных свернутых цепей. Тестер с сотрудниками [17], изучая ультраседиментацию предварительно размолотого на шаровой мельнице крахмала, обнаружил в продуктах разрушения цепи амилозы со степенью полимеризации 12, 14, 24, 50-51, 79. Этот путь анализа степени разветвления амилопектина будет только в очень отдаленной форме отражать реалии и не приемлем из-за неселективности процесса грубого разрушения и возможной агломерации цепей в процессе седиментации. Попытки определить СП и СВ с помощью классических методов химии как-то: ЯМР-, оптической спектрометрии и даже хроматографии - сложны, длительны и трудно воспроизводимы.
Разумно полагать, что макромолекулярные цепи разветвлений в амилопектине будут образовывать за счет сил когезии собственные клубки. Свернутая конформация ответвлений термодинамически более выгодное состояние, чем развернутая в силу возрастания энтропии системы [6]. Движущей силой такого сворачивания являются силы когезии. Множество разноразмерных клубков в такой модели суперклубка-грозди [18] может отражать как степень разветвления амилопектина, так и молекулярные массы ответвлений. При нагревании такой суперклубок должен распадаться на составные части - субклубки макромолекул-разветвлений. Можно предложить следующую модель термораспада суперклубка до отдельных субклубков, образованных ответвлениями, представленную на схеме.
(Заметим, что кластер из 12 звеньев a-D-глюкопиранозы не является субклубком, но он является элементом его построения, на этой схеме он не представлен). Нагрев суперклубка приведет к увеличению колебаний составляющих его субклубков и отрыву их от основной цепи амилопектина. Так как массы субклубков различны, различно их положение в структуре суперклубка, а также различно их взаимодействие друг с другом посредством водородных связей между гидроксильными группами звеньев, поэтапный термораспад амилопектина может дать представление как о структуре суперклубка, так и о характере удерживающих субклубки связей. Если такая модель строения амилопектина верна, то с помощью спектроскопии мерцаний в шумах (СМШ) можно зафиксировать как осцилляции субклубков в исходном суперклубке амилопектина, так и осцилляции субклубков в продуктах термораспада крахмала, определить их массы. СМШ-спектроскопия может также зарегистрировать осцилляции отдельных звеньев в цепях крахмала и их поведение в процессе созревания клубня или нагревании крахмала.
Цель настоящей работы - исследование энергетических характеристик низкочастотных движений молекулярного сгустка, состоящего из 12 звеньев a-D-глюкопиранозы в картофельном крахмале и чистом картофельном амилопектине в процессе их созревания.
Материалы и методы
Чистый амилопектин - изолят материнского (посадка 2005 г.) и дочернего (2006 г) генетически модифицированного (ГМ) картофеля - был любезно предоставлен Баварским институтом растениеводства (LfL) [19]. Использовали крахмал из сортов свежего пищевого картофеля (посадка 27.04.2006), выращиваемого на севере ФРГ : «Калена» (NORIKA Nordring-Kartoffelzucht-und Vermehrungs-GmbH, ФРГ) и «Агрия» (Kartoffelzucht Bôhm KG, ФРГ). Пробы отбирались с участков поля с одинаковым качеством грунта в летний период максимального усвоения зеленой частью растения солнечной энергии [20]. Крахмал из предварительно очищенного картофеля извлекали по стандартной методике (измельчение в водной пульпе, отжим и фильтрация, отстой, декантация и промывание осадка дистиллированной водой трижды, сушка на воздухе при температуре не выше чем 308 К до постоянного веса). Воздушно-сухой крахмал представлял собой порошок белого цвета с содержанием влаги не более чем 11...13 мас. %. Содержание воды в чистом амилопектине не более 1 мас.%. Легкую прессовку пробы крахмала (7-10 мг) помещали в ячейку измерений СМШ-спектрометра (фирмы «Aist Handels- und Consultin» GmbH, www.zubow.de [21]) и нагревали ее со скоростью 6-10 К/мин в отсутствие контакта с воздухом до 338 К, проводилось трехразовое измерение шумов от отраженных от сгустков молекулярных масс в пробе ударных волн спектрометра, очистки и выделения сигналов кластеров. Измерение проб осуществлялось при температурах 373, 393, 433, 473 и 523 К. Точность удержания температуры ± 3 К. Каждое измерение продолжалось 30 с. Первоначально спектры представлялись в координатах массы кластера (m) - его относительная доля f), после чего производилось их калибрование по внутреннему стандарту, в качестве которого использовался тепловой эффект смачивания водой высушенной при 383 К в вакууме целлюлозы (49,324 Дж на один грамм [22, с. 121]), массу навески (~8 мг) и сумму условных единиц «очищенных» электрических сигналов, зависимость которых от температуры при 363-393 К имеет экстремум, интерпретируемый нами как эффект десорбции воды [12, 13]. Найденное таким образом значение энергии образования кластера (H20)J2 (сигнал осциллятора при lgm = 2,28 в спектре крахмала, выделенного из картофеля на 23.06.06) составило 65±10 Дж/моль и удовлетворительно совпало с энергией образования кластера в массе воды ~75±10 Дж/моль [23]. Ошибка в определении масс составляла для интервала до lgm < 3,5 15±7%, для интервала от 4,5 < lgm > 3,5 - до 10±5% и для масс выше lgm > 4,5 - до 20%. Ошибка в определении энергий ±15%. В основе метода лежит цифровая обработка многомерных сигналов [24], исходящих от слабых взаимодействий ударных волн спектрометра с молекулярными сгустками масс (кластерами) в веществе (рис. 1).
Отрицательный сигнал (-f) в СМШ-спектре есть результат выделения энергии плотным кластером при его уплотнении и кристаллизацией, а положительный сигнал (f) - поглощения энергии при взаимодействии ударной волны с рыхлым кластером и его плавлением/разрушением. Долям плотных кластеров условно присвоен знак минус, а долям рыхлых кластеров - плюс. Это сделано также для удобства понимания и разделения кластеров по плотностям на графиках. Доля кластера (f) есть отношение его сигнала к абсолютной сумме всех обнаруженных сигналов кластеров в спектре. Таким образом, значение f является энергетической характеристикой взаимодействия ударной волны с препятствием, роль которого выполняют сгустки молекул - кластеры.
В расчетах использовали уравнение Зубова, связывающего массу кластеров, и их порядковый номер (по мере возрастания массы, А=1; 2; 3; 4...) с частотой их осцилляций.
m = 1011-œ-2, m = (250±20)-Ж (2’2± °’2),
где масса кластера (m) в дальтонах, а частота (ш) в герцах [25].
Описание прибора дано в работе [26].
Рис. 1. Принциписальная схема СШМ-спектрометра: 1 - порошок полимера, пленка или раствор;
2 - СМШ-сенсор; 3 - тефлоновая трубка; 4 - СМШ-спектрометр, включающий микропроцессор, програмное обеспечение по очистке сигнала и его выделению, генератор ударных волн и систему администрации; 5 - интерфейс;
6 - термостат (см. также в www.zubow.de)
Обсуждение результатов
Кристаллизация молекул амилопектина затруднена в силу их разветвленности. В гранулах крахмала он обнаруживается электронно-микроскопически в аморфных ламелях, которые сформированы его клубками [27]. Цепи амилопектина образуют спирали, состоящие из 6-ти звеньев а-Э-глюкопиранозы. Спирали имеют слабовыраженную регулярность [9] и находятся в скрученной конформации. Причинами, побуждающими скручивание спиралей в клубки, являются водородные связи и когезионные взаимодействия (подобное к подобному). Согласно такой, модели осцилляции клубков, состоящих из 2-х, 4-х, 6-ти и 8 спиралей, соответственно содержащих 12, 24, 36 и 48 звеньев а-Э-глюкопиранозы, должны быть зафиксированы СМШ-спектроскопией как осцилляции сгустков масс, сконцентрированных в сферические образования.
Сухой крахмал, по данным термографических исследований, устойчив до 523 К. Дериватограммы не фиксируют уменьшение массы или какие-либо термические эффекты в полимере до этой температуры [12, 13], что позволяет сократить число возможных (побочных) химических процессов при нагревании крахмала и СМШ-методом проследить низкочастотные движения больших молекулярных масс, предшествующие распаду полимера. Тепловое движение сгустков масс можно рассматривать с позиций взаимодействия их со своим окружением, а для описания энергетики такого движения использовать известный математический аппарат для активаций течения полимеров [28].
На рисунке 2 представлены некоторые СМШ-спектры крахмала и чистого амилопектина. Сигналы сгустка масс, эквивалентные 12-ти звеньям глюкозы, обозначены цифрой 12. Моделирование этого сгустка моделями Кохрана приводит к выводу, что он может быть представлен кластером, состоящим из скрученных спиралей, содержащих по два витка каждая. На схеме II дана модель этого кластера (кластер-12).
н
II
Такая спираль стабилизируется внутриспиральными водородными связями между ее звеньями. Стабильность сгустка подтверждается присутствием постоянных сигналов во всем диапазоне исследованных температур. Кластер-12 является плотным образованием и при взаимодействии с ударной волной спектрометра только уплотняется. Схематически его структуру можно представить так:
4
5
6
(III)
А возможные варианты нахождения кластера-12 в крахмале - 4-мя структурами:
IV
Устойчивость структуре обеспечивают, по видимому, сильные водородные связи (а-1,5) между отдельными витками. Моделирование стержневыми моделями Кохрана (КосЬгаие) показало, что этот осциллятор по форме близок к сфере, а его взаимодействия с окружением в основном осуществляются неводородными связями. Чаплин [29] при компьютерном исследовании кластеров воды сделал вывод, что крупные кластеры формируются из более мелких. Так, кластер воды, содержащий 280 молекул, интерпретируется им как собранный из кластеров, содержащих 14 молекул воды. Поэтому можно ожидать развитие такой иерархии и для крупных кластеров в крахмале.
.0
С
О
5
Ü
1=3
LU
Рис. 2. Обзорные СМШ-спектры порошков крахмала выделенных из клубней картофеля сорта Агрия, ГМ картофеля сорта Willi. 294 К. Цифры над пиками - число звеньев a-D-глюкопиранозы с массой эквивалентной массе осциллирующего кластера. Для крахмала первый пик (1) является суперпозицией сигналов инклюдированной воды и осцилляций звена a-D-глюкопиранозы
Как видно из схемы III, энергии образования кластеров в амилопектине ГМ картофеля лежат в интервале -280...+220 Дж/моль. Кластер-12 при повышении температуры становится неустойчивым, энергия его разрушения монотонно приближается к нулю, а кластер-160, наоборот, имеет максимум устойчивости при 393 К. При температуре 294 К (схема III) в области осцилляций масс в амилопектине до lg m < 2,8 отсутствуют видимые сигналы. Но при нагревании уже до 338 К и выше появляется сигнал от осцилляций масс, эквивалентным колебаниям звена a-D-глюкопиранозы в амилопектине. Возможны два вида осциллирующих глюкозных звеньев (кластеров-1) амилопектина (схема V).
(V)
Заметим, что этот сигнал в СМШ-спектре может являться суммой сигналов плотных и рыхлых кластеров-1. Поведение сигнала кластера-1 при нагревании подтверждает это предположение (рис. 3). Увеличение температуры приводит к распрямлению полимерных цепей, и равновесие плотный-рыхлый сдвигается в область доминирования рыхлых кластеров-1. Кластер-1 в линейном состоянии (рыхлый) энергетически не выгоден (водородные мостики скручивают его) и требует больших затрат энергии на образование его в такой форме. Из рисунка 3 видно, что с повышением температуры энергия образования кластера-1 в рыхлой форме возрастает. Так как этот кластер является составной частью кластера-12, то его поведение при нагревании поможет понять структурные переходы в полимерах при нагревании и раскрытие доступа к необходимым функциональным группам при химических процессах. В этой области спектра (lg m < 2,8) осциллиции звена a-D-глюкопиранозы активно маскируют кластеры воды ((H2O)12 [23]), что требует тщательной подготовки образцов [25].
Разумно полагать, что и самый малый кластер-12 в кластерной структуре крахмала может быть базовой структурой его надкластерной организации - периодически повторяющейся структурной единицей (ППСЕ). Можно выделить следующий ряд кластеров по СП (рис. 2, 3): 12; 21; 33; 47; 64; 84; 107; 160 и т.д. С учетом ошибки измерения масс и в пересчете на один ППСЕ ряд будет выглядеть так: 1; 2; 3; 4; 5; 7; 9; 13 и т.д. В этих рядах кластеры, выделенные курсивом, появляются в спектрах не всегда, например из 4-х ППСЕ (рис. 3).
Поведение крупных осцилляторов при нагревании происходит различно. Так, спирали, состоящие из пяти ППСЕ, полностью разрушаются уже к 338 К, спирали, состоящие из 13 ППСЕ (рис. 3 обозначен стрелкой, схема IV), по-видимому, при 294 К находятся в равновесии (плотный-рыхрый), которое при нагревании сначала сдвигается в область доминирования рыхлых кластеров (T~338 K), а затем происходит их термическое разрушение.
(VI)
виноградная гроздь», модель кластера из 13 11L1CE
Кластер-160, состоящий из 13 ППСЕ, термически устойчив. Его сигнал, как рыхлого осциллятора, присутствует на всех спектрах (рис. 2). С увеличением температуры интенсивность сигнала возрастает, что свидетельствует об ослаблении взаимодействия осциллятора с его окружением. Моделирование этих кластеров приводит к пониманию того, что они имеют выраженную сферическую форму и ее формирует расположение ППСЕ. Такая сфера напоминает принудительно свернутую пружину, в которой один виток представлен парами связанных первоначальных витков (схема VI). Заметим, что масса кластера-160 удовлетворительно совпадает с массой кластера полистирола, выделенного Зисманом из разбавленного раствора в ксилоле [30]. Это совпадение подтверждает факт принудительного формирования кластеров в молекулярной материи, в не зависимости от природы вещества, в стоячих волнах белых шумов, пронизывающих планету [25, 36].
Рис. 3. СМШ-спектры чистого амилопектина (#1332) [19] при различных температурах. Нагрев без доступа воздуха
Интегральные распределения кластеров в крахмале и чистых амилопектинах различаются. Для амило-пектина #1332 они хорошо описываются следующим выражением:
Wy=0Д199•ln (ш-10 5)+0,6771,
Для амилопектина сорта : Wy=0,1173•ln (ш*10 )+0,681.
Рис. 4. Изменение параметра взаимодействия кластера-12 с его окружением / в крахмале и амилопектине разных стадий созревания клубня картофеля, представленное в аррениусовских координатах (1/Т, 1п Г)
Интегральные распределения кластеров в крахмале картофеля сорта Агрия аппроксимируются полиномами более высоких степеней, например на 23.06.2006:
Wv= -2Т0-6-х6 + 9-10-5-х5 - 0,0021-х4 + 0,0219-х3 - 0,1157-х2 + 0,3371-х + 0,2027,
где х= да-10" .
На 6.07.2006:
Wv = -2-10-6-х6 + 9-10-5-х5 - 0,002-х4 + 0,022-х3 - 0,1302-х2 + 0,3947-х + 0,22.
На 01.09.2006 удовлетворительно: Wy=0Д058•ln (т*10- ) + 0,7074.
На 29.09.2006 удовлетворительно: Wv=0,1092•ln (да-10-5) + 0,7533.
Температурно-вынужденные движения кластеров можно описать параметром взаимодействия осциллятора с его окружением (/). Поэтому изменение / может быть использовано как характеристика этого процесса, например, для аррениусовского описания энергетики активации движения кластеров в крахмале (/=А-е"Е/ат) [10]. На рисунке 4 представлены температурные зависимости изменения значения / для кластера-12 и различных стадий созревания картофеля.
Из рисунка 4 видно, что термическую активацию движения (Е^) кластера-12 в крахмале и амилопектине можно определить этим способом. Разброс точек, однако, велик, особенно при низких температурах. Можно полагать, что причиной является структурно-связанная вода (10...13 масс. %). Однако принудительное удаление ее исказит дальний порядок в аморфной части крахмала и нарушит корреляцию данных с процессом созревания клубней. Обращает на себя внимание изменение хода тренда для различных стадий созревания картофеля. По мере созревания клубней прямые трендов приближаются к горизонтальным положениям и разброс точек уменьшается. На основании данных рисунка 4 рассчитаны Еай для кластера-12. Результаты расчета представлены на рисунке 5.
Из рисунка 5 видно, что энергетика процесса взаимодействия кластера-12 со своим окружением различна на разных стадиях созревания картофеля. До 27.07.2006 имеется удовлетворительная корреляция роста значений ЕаЛ с увеличением молекулярной массы крахмала в аморфной части полимера. Первый пик и характер хода кривой совпадает по времени с первым пиком на кривой изменения молекулярных масс суперклубков амилопектина для этого сорта картофеля в процессе созревания. Отрицательные значения ЕаЛ могут свидетельствовать о неустойчивом (ме-тастабильном) состоянии кластера-12 в молодом картофеле, отсутствии внешних препятствий для активации движения и даже их стимулирования, например, интенсивными воздействиями основной цепи. К таким пространственным условиям подходят структуры а, й (схема IV). На ранних стадиях созревания картофеля отрицательные значения энергии активации движения кластера-12 вынужденные и напоминают движения конечностей вьющегося растения при ускоренной съемки видеокамерой. На 15.07.2006 ЕаЛ принимает положительные значения. Это означает появление энергетического барьера, препятствующего движению кластера-12. Им может быть исчезновение стимулирующего влияния главной цепи (структуры а, й, схема IV) на движение кластера-12. В аморфной части макромолекулам крахмала становится тесно, и кластер-12 испытывает трудности в своем движении. Этому состоянию могут соответствовать структуры Ь, с (схема IV). Резкое уменьшение Е^ на 25.07.2006 также хорошо коррелирует с резким уменьшением молекулярной массы (ММ) суперклубков амилопектина в результате процессов ферментативного их разрушения [18, 28]. Дебранжинг [27] несколько расчищает окружение кластера-12, и его движения становятся более свободными. Процесс разрушения амилопектина заканчивается сразу после снижения температуры ниже 298 К и инактивиции фермента, что приводит к повторному росту ММ суперклубков с максимумом на 10...20.08.2006. Рост ММ адекватно приводит к росту ЕасЬ и кластер-12 повторно испытывает затруднения в своем
движении внутри аморфной части крахмала. В созревшем клубне ЕаЛ вновь принимает отрицательные значения в силу старения картофеля, возрастания степени уплотнения/кристаллизации амилопектина и выталкивания кластера-
12 на поверхность. В «старом» крахмале движения кластера-12 опять стимулируются движениями главной цепи, а внешнему тепловому движению кластера практически нет препятствий. Так как процесс ферментативного разрушения суперклубков амилопектина протекает на их поверхности, то и свободный кластер-12 будет преимущественно находиться на поверхности суперклубков. Подтверждением этому может являться модель стимулирования движений кластера-12 главной цепью (-Еас). Кластеры-12 в неактивной форме могут находиться и внутри суперклубков, но их движения и осцилляции будут сильным образом ограничены, и зафиксировать их сигналы в СМШ-спектрах будет сложно. Понижение температуры и процессы старения клубня тормозят рост ММ и ведут к усилению процессов кристаллизации амилопектина. Процесс кристаллизации будет выталкивать кластер-12 из кристалла, что и обнаруживается на монотонном уменьшении барьера активации движения после 20.08.2006 (рис. 5). После
1.09.2006 энергия активации движения кластера-12 принимает отрицательные значения, свидетельствующие в пользу структур а и й (схема IV). Процессы, характеризуемые отрицательными энергиями активации, в химии полимеров - хорошо известное явление [31], и они используются для понимания механизмов реакций, к которым относится синтез, структурирование и кристаллизация (старение) амилопектина.
Рис. 5. Изменение энергии активации движения кластера-12 в крахмале в процессе созревания картофеля сорта Агрия
Сгустки масс и частоты их осцилляций под воздействием ударной волны спектрометра обнаруженные в жидкостях, полимерах, биомолекулах (пояснение в тексте). N - порядковый номер кластера
Было замечено, что ряды всех вышеисследо-ванных кластеров, кластеров в природных водах [32], воде [23, 29, 32], полимерах [21, 25, 26, 30], растворах [34], спиртах и углеводородах [23, 35], клубках протеинов и полисахаридов (лизоцим, Ь-аргинин, химотрипсиноген-А, амилопектин [25, 36]) имеют близкие массы. Общим является ряд, состоящий из следующих сгустков масс, в таблице (по порядку (Щ приведены только первые 9 членов ряда. Этот ряд удовлетворительно описывается уравнением Зубова.
Существование такого устойчивого ряда для различных веществ и их состояний нельзя считать случайным. Можно с большой уверенностью полагать, что он формируется, например, в стоячих волнах белого шумового фона, пронизывающего планету Земля [36, 37]. Нарушить устойчивость этого ряда можно, например, нагружением белого, естественного, шума, температурной компонентой и перевода его в цветной шум. Так, при нагревании раствора поваренной соли до 368 К происходит смещение частот и масс осциллирующих сольватных кластеров ионных пар солей [34], а при резком охлаждении наночастиц карбида кремния (~106К/с) в плазме ударной трубы или адиабатической машины [38] - полное нарушение гармонии этого ряда для кластеров неорганического полимера, полученного таким образом.
N а к а кГц
1 0,2±0,02 22,2±0,1
2 1,8± 0,1 7,4±0,1
3 3,1± 0,1 5,5±0,1
4 4,9±0,5 4,4±0,1
5 7,0±0,5 3,7±0,1
6 9,5±0,5 3,2±0,1
7 12,5±0,5 2,8±0,1
8 15,7±0,5 2,5±0,1
9 26±3 2,0±0,1
Заключение
Молекулярный сгусток масс, эквивалентный 12 звеньям a-D-глюкопиранозы, - наиболее стабильное образование в аморфной части макромолекул крахмала. Он представляет собой спираль, состоящую из двух витков, термическая стабильность которой определяется внутривитковыми водородными связями между отдельными звеньями полимера. Сгусток преимущественно находится на поверхности суперклубков амилопектина. Энергия образования этого кластера лежит в интервале от -35...-220 Дж/моль и изменяется в зави-сисмости от окружения кластера и степени созравания картофеля, активация движения кластера-12 лежит в диапазоне от -6 до 5 кДж/моль и изменяется синхронно молекулярной массе суперклубков в процессе созревания клубня.
Благодарности
Авторы выражают свою благодарность за финансовую поддержку работы в рамках инициативы «FNS» компании «Aist Handels- und Consulting» GmbH и компании «Kloke» GbR, Landwirtschaft und Dienstleistunge» за любезно предоставленные образцы картофеля Агрия и Калена, д-ру Михаэлю Райхману, «Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung» (D-85354, Бавария, ФРГ), - чистого амилопектина ГМ картофеля.
Список литературы
1. Мажуль В.М., Зайцева Е.М.. Щербин Д.Г. Внутримолекулярная динамика и функциональная активность белков // Биофизика. 2000.Т. 45. Вып. 6. С. 965-989.
2. Belitz H.-D., Grosch W., Schieberle P. Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 5. Auflage, Berlin, Heidelberg, NY, Barce-
lona, London, Mailand, Paris, Singapur, Tokio, Springer Verlag 2001. S. 863.
3. Lubert Stryer. Biochemie. 4-Aufl. Spectrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford, 1996. S. 690.
4. Химическая энциклопедия. М., 1990. Т. 2. С. 498.
5. Banks W., Mair D.D. In «Biochemistry of plants», (Eds.: Strumpf P.K., Conn E.E.) 1980. V. 3. 321 s.
6. Тюдзе Р., Каваи Т. Физическая химия полимеров. М., 1977. С. 167.
7. Anne J. Kortstee, Angela M.S. Vermeesch, Beja J.de Vries, Evert Jacobsen, Richard G.F. Visser. Expression of Escherichia coli branching enzyme in tubers of amylose-free transgenic potato leads to an increased branching degree of the amylopectin // The Plant Journal. 1996. V. 10. №1. P. 83-90.
8. Hikara Satoh, Aiko Nishi, Kayuhiro Yamashita, Yoko Takemoto, Yasumasa Tanaka, Yuko Hosaka, Aya Sakurai, Naoko Fujita, Yasunori Nakamura. Starch-Branching Enzyme I-Deficient Mutation Specifically Affects the Structure and Properties of Starch in Rice Endosperm // Plant Physiology. 2003. V. 133. №3. P. 1111-1121.
9. Mia Sjöqvist, P. Gatenholm. The Effect of Starch Composition on Structure of Foams Prepared by Microwave Treatment // Journal of Polymers and the Environment. 2005. V. 13. №1. Р. 29-37.
10. Vallés A. Lluch., Felippe A.M., Greus A.R., Cadenato A., Ramis X., Salla J.M., Morancho J.M. Thermal Analysis
Characterisation of the Degradation of Biodegradabile Starch Blends in Soil. // J. Appl. Polym. Sci. 2005. V. 96. P. 358-371.
11. Beatrice Conde-Petit, Jeannette Nuessli, Eva Arrigoni, Felix Escher, Renato Amado. Perspective of Starci in Food Science // Chimia. 2001. V. 55. №3. P. 201-205.
12. Aggarwal P., Dollimore D.. The combustion of starch, cellulose and cationically modified products of these compounds investigated using thermal analysis // Thermochimica Acta. 1997. V. 291. P. 65-72.
13. Aggarwal P., Dollimore D., Heon K.Comparative Thermal Analysis Study of Two Biopolymers, Starch and Cellulose // J. of Thermal Analysis. 1997. V. 50. P. 7-17.
14. Lehrbuch für Botanik für Hochschulen Gustav Fischer Verlag 1993. 33. Auflage neubearbeitet von Peter Sitte, Hubert Ziegler, Friedrich Ehrendorfer, Andreas Bresinsky. S. 276.
15. Pyda M. Conformational Heat Capacity of Interacting Systems of Polymer and Water // Macromolecules. 2002. V. 35. P. 4009-4016.
16. Kuakpetoon D., Ya-Jane Wang. Structural characteristics and physicochemical properties of oxidized corn starch varying in amylase content // Carbohydrate Research. 2006. V. 341. P. 1896-1915.
17. Tester R.F., Patel T., Harding S.E. Damaged starch characterisation by ultracentrifugation // Carbohydrate Research. 2006. V. 341. P. 130-137.
18. Batle N., Carbonell J. V., Sendra J. M. Determination of Depolymerisation Kinetics of Amylose, Amylopectin, and Soluble Starch by Aspergillus Oryzae - Amylose Using a Fluorimetric 2-p-Toluidinylnaphthalene-6-Sulfonate / Flow-Injection Analysis System // Biotechnology and Bioengineering. 2000. V. 70. №5. P. 544-552.
19. Reichmann M., Schwaryfischer A. Reine Amylopektin-Stärke aus Kartoffeln // Kartoffelbau. 2006. №4. S. 170-173.
20. Schittenhelm S. Kartoffelkraut und Trockenheit // Kartoffelbau. 2006. №4. S. 164-165.
21. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Исследования структурных изменений в пленке ПЭВД методом спектроскопии мерцаний в шумах // Пластические массы. 2006. №3. С. 32-34.
22. Кленкова Н.И. Структура и реакционная способность целлюлозы. Л., 1976. C. 367.
23. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Кластерная структура жидких спиртов, воды и н-гексана // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72. №3. C. 305-312.
24. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. М., 1988. C. 488. (Dan E. Dudgeon, Russell M. Mersereau. Multidimensional Digital Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs 1984).
25. Зубова К.В., Зубов В.А., Зубов А.В. Использование спектроскопии мерцаний в шумах для неразрушающего анализа наноструктур // Заводская лаборатория. Диагностика материалов». 2008. Т. 74. №9. С. 40-46.
26. Зубова К.В., Зубов В.А., Зубов А.В. Динамика низкочастотных движений сгустков масс в процессе отверждения эпоксидных смол // Химическая промышленность сегодня. 2008. №9. С. 12-21.
27. Tang H., Mitsunaga T., Kawamura Y. Molecular arrangement in blocklets and starch granule architecture // Carbohydrate Polymers. 2006. V. 63. P. 555-560.
28. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М., 1983. C. 391.
29. Chaplin M. (South Bank University of London, 2006) in http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html
30. Zysman, Viviane; Nguyen, Tuan Q.; Kausch, Henning H. Degradation on freezing dilute polystyrene solutions in p-xylene // Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics. 1994. V. 32. №7. P. 1257-1269.
31. Оудиан Дж. Основы химии полимеров. М., 1974. C. 614.
32. Зубов А.В., Зубова К.В., Зубов В.А. Исследование распределения кластеров воды в овощах, фруктах и природных водах используемых для орошения методом спектроскопии мерцаний в шумах // Биофизика. 2007. T. 52. №4. C. 585-592.
33. Andersson P., Steinbach C., Buck U. Vibrational spactroscopy of large water clusters of known size // Eur. Phys. J. D.
2003. V. 24. P. 53-64.
34. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Спектры осцилляций зародышевых кристаллов NaCl в водных растворах // Журнал прикладной спектроскопии. 2005. Т. 72. №6. C. 766-772.
35. Zakharov V.V., Brodskaya E.N., Laaksonen A. Molecular dynamics simulation of methanol clusters // J. Chem. Phys. 1998. V. 109. P. 9487-9493.
36. Зубова К.В., Зубов А.В., Зубов В.А. Новая форма молекулярной материи. Процессы. Поля. Берлин, 2008. 806 c. электронная книга (www.zubow.de).
37. Halberg F., Cornelissen G., Regal P., Otsuka K. etc. Chronoastrobiology: proposal, nine conferences, heliogeomagnet-ics, transyears, near-weeks, near-decades, phylogenetic and ontogenetic memories // Biomedicine & pharmacotherapy.
2004. V. 58. Suppl 1. P. 150-187.
38. Zubov V.A., Scholtz R., Braun M., Zubowa H.-L. et al. The High-Temperature Gas-Phase SiC-Based Inorganic Polx-mer: Structure and Properties // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 1994. V. 39. №11. P. 1708-1711.
Поступило в редакцию 15 октября 2008 г.
После переработки 10 ноября 2008 г.
