книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

УДК 541.18.05.577.31

В монографии рассмотрены закономерности объемного и межфазпого структурообразования — развития пространствен­ ных дисперсных структур, а также солюбилизации и эмульги­ рования углеводородов в растворах природных н синтетичес­ ких поверхностно-активных полимеров.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов в области коллоидной химии, биохимии, физико-химической биологии, химической, пищевой, легкой, фармацевтической промыш­ ленности.

Таблиц 55. Иллюстраций 114. Библ. 758 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из новых областей современной коллоидной химии — науки о дисперсных системах и поверхностных явлениях в них — следует считать коллоидную химию биополимеров. Определяющее большинство жизненных процессов развивается в биогетерогенных полимерных системах, т. е. в коллоидных структурах. Хотя послед­ ние годы и характеризуются интенсивным и разносторонним изучением биополимеров, в частности белков, до сих пор лишь немногочисленные исследования посвящены коллоидной химии этих систем. Исследование коллоидных свойств биополимеров не только имеет теоретическое значение для решения многих биологических проблем, но представляет и большую практиче­ скую ценность в разнообразных весьма актуальных областях применения, прежде всего в медицине, фармацевтической, пище­ вой и химической промышленностях.

Основными задачами современной коллоидной химии биопо­ лимеров является изучение условий возникновения новых дис­ персных (зародышевых) фаз, параметров, определяющих их ус­ тойчивость, и развития пространственных гетерогенных структур, обладающих своеобразными, механическими (реологическими) свойствами.

В предлагаемой читателям монографии освещаются некото­ рые аспекты этого раздела науки и сделана попытка обобщения результатов исследований, касающихся важных, однако недоста­ точно разработанных проблем коллоидной химии биополимеров с учетом успехов молекулярной биологии и физико-химической механики дисперсных систем.

К недостаточно разработанным крупным проблемам коллоид­ ной химии биополимеров можно отнести следующие.

1. Исследование механизма гелеобразования и свойств воз­ никающих структур белков и других гидрофильных полимеров, что важно для выяснения структурных функций биополимерных гелей, в частности гелей белков.

Несмотря на многочисленность исследований гелей (студней), до сих пор вопросы зарождения и развития пространственных структур с определенными механическими свойствами не под­ вергались сколько-нибудь детальному изучению. Разработка во­

3

просов фазового состояния полимеров и их растворов составляет основу также и для решения ряда технологических задач во всех областях промышленности, связанных с получением полимерных материалов, проходящих через стадию гелеобразования.

2. Исследование поверхностных явлений и адсорбционных слоев на границах раздела фаз, содержащих макромолекулярные компоненты.

Выяснение механизма поверхностных явлений в таких систе­ мах позволяет выявить роль отдельных функциональных групп и конформационных изменений макромолекул в протекании меж­ фазных процессов. Особый интерес представляет изучение адсорб­ ции полимеров на границах раздела фаз. Хотя этому посвящены многочисленные работы, ряд вопросов, связанных с адсорбцией макромолекул на жидких границах раздела фаз, остается невыяс­ ненным. Так, прежде всего следует отметить, что неясным остается вопрос о конформационном состоянии макромолекул в адсорбци­ онном слое. Дискуссионными являются также причины длитель­ ности достижения равновесных значений адсорбции и ее необра­ тимости на жидких границах раздела.

Изучение формирования и свойств адсорбционных межфазных слоев важно для решения биологических проблем, связанных с об­ разованием и функциями биомембран. Кроме того, высокомолеку­ лярные поверхностно-активные вещества как наиболее активные эмульгаторы широко применяются в промышленности для получе­ ния устойчивых концентрированных эмульсий.

3. Экспериментальное обоснование теории гидрофобных взаи­ модействий в водных системах.

Ряд предпосылок статистическо-термодинамической теории гидрофобных взаимодействий Немети и Шераги, связанной с уни­ кальной структурой воды как растворителя, требует эксперимен­ тальных подтверждений и развития для конкретных случаев. Прежде всего необходимо дальнейшее выяснение роли гидрофоб­ ных взаимодействий в протекании различных биологических процессов, например при образовании комплексов фермент — субстрат, антиген — антитело, белок — липид и при транспорте и обмене веществ липидного характера. Особый интерес представляет выяснение роли гидрофобных взаимодействий в процессе образова­ ния разнообразных дисперсных биологических структур как в объеме, так и на границах раздела фаз в водных растворах био­ полимеров.

Монография состоит из трех глав. Глава I посвящена изучению солюбилизации углеводородов — гидрофобному связыванию. Вза­ имодействие белков с малыми органическими молекулами рассмат­ ривается прежде всего как способ обнаружения гидрофобных взаимодействий в макромолекулах белков.

Установленные закономерности солюбилизации углеводоро­ дов в растворах белков позволили предложить метод оценки гидрофобной структуры белковых молекул и выяснить роль гидро­

4

дит к повышению устойчивости глобул относительно различных денатурирующих воздействий. Термодинамическая оценка солю­ билизации углеводородов позволяет установить механизм этого явления.

В главе II рассматриваются закономерности и механизм об­ разования пространственных дисперсных структур в белковых системах на разных уровнях организации макромолекул белка с учетом их конформационных особенностей и процессов образова­ ния новой лиофильной дисперсной фазы из пересыщенных раство­ ров в биомолекулярных системах.

Показано, что образование пространственных структур — ге­ лей всегда связано с конформационными изменениями макромоле­ кул, сопровождающимися уменьшением растворимости молекул белка. Установлена роль нековалентных (гидрофобных и водо­ родных) связей нри образовании агрегатов макромолекул и кон­ тактов между ними, что в свою очередь позволило охарактеризо­ вать тип возникающих пространственных структур. Оценены размеры элементов структуры гелей.

Глава III посвящена исследованию образования и реологиче­ ских свойств прочных структурированных адсорбционных меж­ фазных слоев белков и полимеров на жидких границах раздела фаз. Эта проблема представляет большой самостоятельный инте­ рес. Однако для ее решения необходимо учитывать закономерно­ сти как объемного структурообразования, так и солюбилизации углеводородов в водных растворах белков и полимеров.

Отмечено новое явление, заключающееся в том, что наиболее прочные адсорбционные слои белков и полимеров возникают на границе водных растворов с теми углеводородами, солюбилизация которых в водных растворах велика. Увеличение молекулярных объемов углеводородов приводит к уменьшению их солюбилизации в объеме водных растворов белков и к понижению прочности об­ разующихся межфазных слоев.

Установленные физико-химические закономерности процессов образования и реологические характеристики структурирован­ ных межфазных слоев на границах раздела фаз, содержащих макромолекулярные компоненты, аналогичны закономерностям объ­ емного структурообразования в водных растворах тех же биопо­ лимеров. Совокупность полученных результатов позволила пред­ ложить механизм образования прочных твердообразных межфаз-

.ных слоев биополимеров.

В этой же части монографии последовательно рассматривается роль структурно-механического фактора устойчивости в стабили­ зации эмульсий (повышение их устойчивости к коалесценции).

Рассмотренные в книге закономерности объемного и межфаз­ ного структурообразования, а также солюбилизации углеводоро­

5

дов в растворах природных и синтетических поверхностно-актив­ ных полимеров представляют в основном материал собственных исследований авторов с их сотрудниками, проводимых в лаборато­ риях кафедры коллоидной химии МГУ и отдела дисперсных си­ стем Института физической химии АН СССР.

Академик Петр Александрович Ребиндер — выдающийся дея­ тель науки нашего времени, его основополагающая роль в созда­ нии современной коллоидной химии и физико-химической механи­ ки признана учеными всего мира.

Автору этих строк посчастливилось быть учеником Петра Александровича и в течение многих лет работать .род его руководст­ вом. Годы совместного труда навсегда освещены его научной щед­ ростью, добротой и дружеским отношением.

П. А. Ребиндер отчетливо видел и многократно подчеркивал и в научных беседах, и в публичных выступлениях необходимость приложения достижений коллоидной химии к решению многих проблем современной биологии. При этом Петр Александрович при­ давал особое значение исследованиям простых систем, моделирую­ щих биологические процессы. Выступая незадолго до смерти пе­ ред студентами-выпускниками химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (в июле 1972 г.), Петр Александрович произнес вдохновенные слова — призыв к молодым исследовате­ лям отдавать силы и знания работе, цель которой — сохранение здоровья, работоспособности и продление творческой жизни чело-* века. В этом Петр Александрович видел главную задачу ученогогуманиста.

С огромным желанием и энтузиазмом П. А. Ребиндер работал над данной монографией, но безвременная кончина Петра Алек­ сандровича не позволила полностью осуществиться плану нашей совместной работы. Книга доработана после смерти Петра Алек­ сандровича Ребиндера.

Автор выражает сердечную благодарность сотрудникам кафед­ ры коллоидной химии МГУ кандидатам химических наук Г. П. Ям­ польской, 3. Д. Туловской, Л. Е. Бобровой, оказавшим большую помощь при подготовке рукописи к изданию. Автор приносит также глубокую благодарность профессорам Г. А. Деборину, С. П. Панкову, Г. И. Фуксу, Е. Д. Щукину и старшему научному сотруднику В. В. Мосолову за ряд ценных замечаний.

В. Н. Измайлова

Г л а в а I

СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ БЕЛКОВ

И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Термином «солюбилизация» принято называть самопроизволь­ ное повышение растворимости мало или практически нераствори­ мых веществ в данном растворителе под влиянием небольших добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ). Явление солю­ билизации, впервые наблюдавшееся в растворах мыл, связано с проникновением олеофильных добавок в неполярные ядра ми­ целл. Результаты исследований процессов солюбилизации непо­ лярных веществ в растворах мыл обсуждены в обширных обзорах и монографиях [1—7].

Характерной особенностью мыл и белковых веществ с точки зрения структуры их первичных частиц (молекул и макромолекул соответственно) является наличие у тех и других неполярных олео­ фильных групп, расположенных асимметрично по отношению

кполярным гидрофильным группам. Эта асимметрия приводит

всвою очередь к их ярко выраженной поверхностной активности.

Шерага, Немети и сотр. [8—18] показали, что устойчивость компактной пространственной структуры глобулярных белков в водных растворах обусловлена теми же силами, которые приво­ дят к мицеллообразованию в растворах ПАВ. В результате гидро­ фобных взаимодействий в глобулах белков и мицеллах ПАВ воз­ никают неполярные области, ответственные за солюбилизацию. Повышение растворимости малорастворимых в воде веществ в ра­ створах глобулярных белков (впервые наблюдавшееся Талмудом [19—21], Талмудом и Бреслером [22] и Дебориным с сотр. [23, 24]) было названо по аналогии с мылами солюбилизацией.

Изучение взаимодействия углеводородов с белками (солюбили­ зация углеводородов в растворах белков) представляет интерес с различных точек зрения. Во-первых, солюбилизация углеводо­ родов может служить методом обнаружения гидрофобных взаимо­ действий в макромолекулах белков и давать новые сведения о строении молекул белка. Во-вторых, изучение солюбилизации углеводородов в растворах биологически активных белков позво­ ляет выяснить роль гидрофобных взаимодействий в биокаталитических процессах. Известно, что торможение активности ферментов осуществляется при взаимодействии не только с самим активным центром, но и с близлежащими участками путем электростатиче­ ского, гидрофобного и водородного связывания. С этой точки

7

зрения чрезвычайно важным представляется выяснение влияния углеводородных добавок на активность ферментов. Наконец, изу­ чение солюбилизации углеводородов в растворах белков может представить интерес для выяснения процессов переноса и обмена веществ липидного характера.

Взаимодействие белков с неполярными молекулами обуслов­ лено гидрофобными взаимодействиями, возникновение которых определяется особыми структурными свойствами воды как раство­ рителя. Структура и свойства воды являются в настоящее время предметом многочисленных физико-химических исследований. Современные структурные модели воды в основном базируются на классических представлениях Франка и Эванса [25] и Франка и Вэна [26]. Результаты выполненных в последние годы исследо­ ваний обобщены в ряде обзоров [27—32]. Состояние воды в био­

(а также и в растворах мыл) служит моделью для изучения приро­ ды гидрофобных взаимодействий и выяснения их роли в протека­ нии биологических процессов.

ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БЕЛКАХ И АССОЦИИРОВАННЫХ КОЛЛОИДАХ

Основная причина возникновения гидрофобных взаимодейст­ вий, приводящих к компактному свертыванию полипептидной цепи, т. е. глобулизации белка, а также к образованию ассоцииро­ ванных коллоидов типа мицеллярного мыла, связана со струк­ турными изменениями, происходящими в воде при растворении в ней углеводородов [35, 37—40]. Эти структурные изменения воды обусловливают низкую растворимость в ней углеводородов. Малая растворимость углеводородов в воде связана не с увеличе­ нием энергии, а с уменьшением энтропии при растворении. По­ нятно поэтому, что нельзя говорить о природе гидрофобных взаи­ модействий без обсуждения структуры жидкой воды.

Хорошо известно, что вода обладает рядом особенностей, отли­ чающих ее от обычных жидкостей. В температурных зависимостях различных физико-химических свойств воды наблюдаются анома­ лии. В частности, плотность воды при плавлении увеличивается и проходит через максимум при 4° С, после чего убывает, как у обычных жидкостей. Экстремумы, перегибы и резкие изломы за­ мечены на температурных зависимостях теплоемкости, диэлект­ рической постоянной, вязкости, самодиффузии, протонной маг­ нитной релаксации, теплопроводности, магнитной восприимчиво­ сти, поверхностного натяжения [41].

Аномальные свойства воды обусловлены особенностями струк­ туры ее молекулы [36]. Впервые эта идея была высказана в работе Бернала и Фаулера [42] более 30 лет назад и послужила основой

■8