Практикум по курсу «Биофизические основы живых систем»

ТЕМА:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В БИОФИЗИКЕ

Задание № 2

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Исследование молекулярной массы и формы макромолекул

МГТУ МИРЭА

Факультет Кибернетики

Кафедра ПС

2012 г.

1. Введение

1. Методические указания по выполнению практических

заданий (общие положения).

Данная работа выполняется в соответствии с учебным планом по дисциплине «Биофизические основы живых систем». Её цель – познакомить студентов с одним из экспериментальных методов исследования свойств биологических макромолекул, надмолекулярных и субклеточных структур; с принципом действия и устройством экспериментальных установок; особенностями методик проведения экспериментов и экспериментальными возможностями данного метода.

Выполнению работы должно предшествовать изучение теоретического материала (лекции и литературные источники). Описание практического задания также содержит некоторые основные теоретические положения, лежащие в основе экспериментального метода. Задание может считаться успешно выполненным, если получены правильные ответы на контрольные вопросы и отдельные задания; приведены обоснования этих ответов со ссылками на соответствующие теоретические положения.

По выполненному заданию необходимо представить отчет, который должен содержать:

• название работы;

• цель работы

• ответы на вопросы (отдельные задания) с теоретическим обоснованием;

• необходимые расчеты и графические иллюстрации;

- дополнительные сведения и соображения по теме практической работы (по желанию студента).

2. Седиментация макромолекул

В настоящее время одним из наиболее распространенных методов для определения характеристик макромолекул является метод седиментации. Седиментация-это осаждение частиц в жидкости под действием силы тяжести.

Рассмотрим на небольшом примере, возможна ли реальная седиментация в поле силы тяжести для макромолекул с молекулярной массой 10⁵. Энергия гравитации для такой макромолекулы между двумя точками в пробирке,

отстоящими на расстоянии 10^–2 м, составляет Е=mgh. Если m = 10⁵ / 610²⁶ = 0,16 10 ^-21 кг, то Е = 0,1610 ^-2110 10 ^–2 = 1,6  10 ^-23 Дж. Величина тепловой энергии составит

k T=1,3810 ^–23  2,9310 ²= 410 ^-21 Дж.

Видно, что тепловая энергия почти в 200 раз больше гравитационной энергии. Таким образом, для макромолекул сила гравитации настолько мала, что действие случайных соударений с молекулами растворителя значительно превышает седиментацию макромолекул.

Возникшее затруднение можно преодолеть, увеличив потенциальную энергию до величин, превышающих k T. Это можно сделать в ультрацентрифуге. За счет больших центробежных ускорений, превышающих g в 10 ⁴ – 10 ⁵ раз, создаются центробежные силы, в результате которых легко происходит седиментация как 350000 g, указывают, во сколько раз ускорение в центрифуге превышает ускорение земного тяготения. Для создания таких фантастических ускорений необходимы ультрацентрифуги, в которых ротор совершает 60 - 70 тыс. оборотов в минуту.

С помощью оптических систем определяется скорость седиментации макромолекул v = dx/dt. На рис. 1 схематически показано смещение границы и пика седиментации. Измерив положение ширен пика в зависимости от времени седиментации, легко определить скорость седиментации макромолекул в ячейке.