ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОТЕИН-ПОЛИСАХАРИДНЫХ ГЕЛЯХ МЕТОДОМ Н+ЯМР-РЕЛАКСАЦИИ > Полезные советы
Тысяча полезных мелочей    

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОТЕИН-ПОЛИСАХАРИДНЫХ ГЕЛЯХ МЕТОДОМ Н+ЯМР-РЕЛАКСАЦИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ПРОТЕИН-ПОЛИСАХАРИДНЫХ ГЕЛЯХ МЕТОДОМ Н+ЯМР-РЕЛАКСАЦИИ

Я.И.Коренман Н.С.Родионова Методом Н+ЯМР-релаксации изучены межмолекулярные взаимодействия в гелях крахмала в молочной среде. Установлены зависимости скоростей поперечной и продольной релаксаций протонов от концентрации крахмала для водных и молочных систем. Казеин синергетически влияет на гелеобразующую способность крахмала, который иммобилизует воду в молочной среде более активно, чем в водной. На основании исследований температурной зависимости поперечной релаксации доказано образование комплексного геля, представляющего собой сетку из спиральных молекул крахмала, в ячейки которой включены мицеллы и субмицеллы казеина. Статья в формате PDF 141 KB

Гели, твердообразные дисперсные системы с высоким содержанием влаги, широко применяются в косметической, фармацевтической и пищевой промышленности. Значительная часть косметических и лекарственных пре­паратов, продуктов питания имеет гелевую структуру. Гелеобразование происходит в результате действия стабилизаторов, связывающих воду и обра­зующих за счет связей нефлуктуационной природы прострaнcтвенную сетку, которая пронизывает весь объем системы и удерживает растворитель. К ста­билизирующим ингредиентам относятся протеины и полисахариды - природ­ные биополимеры, молекулы которых дифильны и образуют структуру с по­вторяющимися лиофильными и лиофобными участками.

Действие стабилизаторов обусловлено конформационным уплотнением макромолекулярных структур (утолщающий эффект) и специфичным меж­цепочным взаимодействием в узловых зонах (структурный эффект). В ре­зультате действия указанных факторов в системе значительно изменяются вязкость, предельное напряжение сдвига, время релаксации протонов, фикси­руемые методами вискозиметрии [1]. Следует также учесть, что свойства во­ды, как дисперсионной среды, удерживаемой в геле, и свободной воды раз­личны. Связанную воду классифицируют на три категории - воду, связанную с полярными центрами, кластерную воду и гидрофобную. Одной из хаpaкте­ристик гель-связанной воды является уменьшение ее подвижности, фикси­руемое методом Н+ЯМР-релаксации [2-6].

Цель работы cостоит в изучении конформационных изменений и межце­почных взаимодействий в протеин-полисахаридных системах на основе ана­лиза релаксационных явлений крахмал-казеиновых гелей (казеин - основной белок молока), образуемых при введении крахмала в обезжиренное молоко. Для установления влияния казеина на гелеобразующую способность крахма­ла в качестве контроля применяли водно-крахмальные растворы при соот­ветствующих концентрациях полисахарида.

Крахмал состоит из двух полисахаридов - амилозы и амилопектина, образо­ванных остатками глюкозы. Амилоза растворима, амилопектин - нераство­римая часть крахмала, образующая гель. Макромолекула амилозы имеет ли­нейную структуру, состоящую из остатков α-Д-глюкопиранозы, соединен­ных α-1,4-гликозидными связями и свернутую в спираль, причем на один виток спирали приходится 6 пиранозных фрагментов. Спираль стабилизиро­вана водородными связями между СНОН- и ОН- группами при   С (2).

Амилопектин состоит из остатков α- Д - глюкозы, связанных

α - 1-4-гликозидными связями. Основная цепь содержит кластеры a-1,6 связанных глюкозных остатков. В геометрическом отношении макромолеку­ла амилопектина имеет разветвленную структуру. Связи С-О по обе стороны пиранозного кольца непараллельны; связь при С(1) аксиальная, при С(4) экваториальная. В результате упорядоченной конформацией цепи (вторичная структура полисахарида) является спираль [7,8]. Для крахмала хаpaктерна третичная структура - двойная спираль типа НН - две «вкрученные» друг в друга спирали с общей осью. Четвертичная структура представляет собой объединение третичных структур с образованием клубка. Молекулярная масса крахмала, найденная нами методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [9] (хроматограф 1090 М фирмы Хъюлетт-Паккард), состав­ляет 87 - 131 кD. Содержание крахмала в водной и молочной средах изменя­лось в диапазоне 1 - 15 мас.%.

Белки молока имеют глобулярную структуру, представлены казеинами α-,β- ,Χ- и γ- (2,4 - 3,0 мас.%), а также сывороточными белками -

β-лактоглобулином (0,2 - 0,4 мас.%) и a-лактоальбумином (0,06 - 0,17 мас.%). Основной протеин молока (α-казеин) состоит из 4 фpaкций, отли­чающихся электрофоретической подвижностью, молекулярной массой, со­ставом и последовательностью аминокислот в полипептидной цепи. Состоящая из аминокислот полипептидная цепь (первичная структура белка) обра­зует спираль (вторичная структура) вследствие взаимодействия заряженных групп аминокислот. При реализации водородных связей между отдельными кольцами спирали макромолекула принимает форму клубка - глобулы (суб­мицеллы) с ориентацией гидрофобных групп к ее внутренней части, гидро­фильных - к внешней. Субмицеллы объединяются в мицеллы при участии коллоидного фосфата кальция, причем внешний слой мицеллы состоит пре­имущественно из c- казеина, представляющего собой гликопротеид, ориен­тированный гликозидной группой к водной дисперсионной среде.

Таким образом, глобулярные белки хаpaктеризуются следующими общими признаками: компактной формой, близкой к сферической, расположенной во внутренней части глобулы информацией о первичной структуре белка и гид­рофильными группами на поверхности макромолекулы, которая является полиионом. В изученных нами гетерогенных системах a-казеин находится в виде казеинат-кальций-фосфатного комплекса, ассоциирован в мицеллы диа­метром 130 - 160 нм со средней молекулярной массой до108 .

Измерения методом Н+ЯМР выполняли на импульсном спектрометре низко­го разрешения «Протон-20», диапазон изменения температур 10 - 40оС. Зави­симость спада протонной поперечной релаксации от времени, а также ее за­селенности изучали при импульсной последовательности CPMG (τ = 1,0 и 2,0 млс, время повторных запусков 4 с, число накоплений 9); зависимость вос­становления продольной релаксации и ее заселенности от времени - при им­пульсной последовательности 90оС-τ- 90оС [10].

Экспериментальные релаксационные кривые спадов поперечной намагни­ченности (А) во времени для водно-крахмальных и молочно-крахмальных систем в полулогарифмических координатах имеют экспоненциальный ха­paктер, на релаксационных кривых перегиб отсутствует (рис.1). Время продольной и поперечной релаксаций (Т1, Т2) рассчитывали с применением модели одно-экспоненциального спада (табл.1).

Рис.1. Спады поперечной намагниченности образцов крахмальных гелей на основе обезжиренного молока при содержании крахмала (мас. %): 0 (1); 5,0 (2); 10 (3), 15,0 (4).

Таблица 1. Значения продольной (Т1) и поперечной (Т2) релаксаций, их заселенность для крахмалсодержащих систем, 20 0С

Образец

Т2 ,млс

Т1 , млс

R2 , c-1

R1 , c-1

Цельное молоко без крахмала

193,1

1275,0

5,2

0,8

Молочно-крахмальная система (15 % мас. крахмала)

71,0

319,0

14,1

3,1

Водно- крахмальная система (15% мас.крахмала)

223,0

627,0

4,5

1,6

Молочно- крахмальная система (10% мас.крахмала)

90,9

382,0

11,0

2,6

Водно- крахмальная система (10% мас.крахмала)

304,0

860,0

3,3

1,2

Молочно-крахмальная система (5% мас.крахмала)

121,5

654,0

8,2

1,5

Водно- крахмальная система (5% мас.крахмала)

600,6

1224,0

1,7

0,8

Согласно модели Уоспера и Циммермана [10] экспоненциальный хаpaктер протонной релаксации воды в сложных гетерогенных системах интерпрети­руется, как результат обмена между протонными фpaкциями с различными временами релаксации (Т2,1). Единая измеряемая скорость релаксации (1/Т2общ) определяется как сумма релаксационных вкладов каждой фpaкции:

1/Т2общ = Σ1/Т2                                 (1)

Для водно-крахмальных систем суммируются релаксационные вклады сво­бодной воды 1/Тfw и воды, иммобилизованной полимером 1/Тр (полимерный вклад). Для молочно-крахмальных систем вклад в наблюдаемое время релак­сации вносит также фpaкция молекул воды, иммобилизованных на казеино­вых мицеллах, лактозе, минеральных солях. Полимерный релаксационный вклад вычисляют по уравнению (2):

1/Tp = f n(T2bw+τ),                     (2)

где f - мольная доля мономеров полимера (крахмала) относительно воды, n - число сайтов связывания молекул воды мономером биополимера, Т2bw - время релаксации протонов связанной воды, τt - время «жизни» молекул воды в связанном состоянии.

С позиции принятой релаксационной модели скорость релаксации в иссле­дованных системах линейно связана с концентрацией крахмала (С), что под­тверждается экспериментальными зависимостями скоростей поперечной и продольной релаксаций от концентрации крахмала (рис.2).

Величины свободных члeнов в корреляционных уравнениях 1/Т1 = 0,08С + 0,41 и 1/Т2 = 0,27С + 0,45 близки к скорости релаксации чистой во­ды (при 20 0С для чистой воды Т2 = 2,02 с и Т1 = 2, 51 с). Угловой коэффици­ент аппроксимирующих прямых хаpaктеризует релаксационную эффек­тивность крахмала, его иммобилизующую способность по отношению к воде, поскольку зависит от количества молекул воды, приходящихся на 1 моль по­лимера.

Концентрационные зависимости для молочно-крахмальных систем сохра­няют линейный хаpaктер (рис.2) и свидетельствуют об увеличении коэффи­циента релаксационной эффективности в 2 раза (1/Т1 = 0,16С + 0,83; 1/Т2 = 0,70С + 5,12), что подтверждает увеличение числа структурных контактов. Возрастание свободного члeна в корреляционных уравнениях до значения, хаpaктерного для цельного молока (1/T2m = 5,2 с-1), - ожидаемый результат, поскольку в систему добавляется новый источник релаксации - фpaкция мо­лекул воды, связанных с казеином и лактозой.

Рис.2. Зависимость скорости продольной (1,2) и поперечной (3,4) релаксаций от концентрации крахмала для водно-крахмальных (1,3) и молочно-крахмальных (2,4) систем.

Время релаксации связанной воды определяется подвижностью полимера в месте связывания, а также различной чувствительностью продольной и попе­речной релаксаций к медленным движениям, хаpaктерным для биополимер­ных систем при образовании надмолекулярных структур (гелей). Время про­дольной релаксации пpaктически нечувствительно к медленным движениям, поэтому для констатации структурных изменений в исследованных гетеро­генных системах изучали температурную зависимость поперечной релакса­ции (рис. 3). Эта взаимосвязь иллюстрирует различную направленность тем­пературного влияния на параметры Т2bw и t в уравнении (2): с увеличением температуры Т2bw уменьшается, t возрастает. Очевидно, что при 10 - 40оС влияние температуры для водно-крахмальных гелей определяется измене­ниями t, т. е. в водно-крахмальных системах при рН 6,8 - значении, соот­ветствующем рН обезжиренного молока, образуются гелеподобные структу­ры. Увеличение вклада крахмала в релаксационную активность воды в мо­лочной дисперсионной среде, вероятно, связано с сокращением параметра Т2bw, что подтверждается изменением углового коэффициента температурной зависимости поперечной релаксации (рис.3). Снижение Т2bw свидетельствует о появлении более медленных движений белок-крахмальных ассоциатов.

Рис.3. Температурная зависимость поперечной релаксации Т2
для молочно-крахмальной (1) и водно-крахмальной (2) систем;
содержание крахмала 15 мас.%.

Механизм гелеобразования заключается в образовании узлов студневой сет­ки в результате конформационного упорядочивания молекул. Образованию сетки способствует ассоциация биополимеров, которая проявляется в ком­плексной коацервации с последующим гелеобразованием. Гели, образован­ные в результате агрегации комплексов белок-полисахарид, называются ком­плексными. Изменение релаксационнй эффективности крахмала и увеличе­ние t свидетельствуют о синергизме гелеобразования. Отрицательно заря­женные мицеллы казеина включаются в сетку, сформированную крахмалом, взаимодействуя с положительно заряженными участками спирали макромо­лекулы крахмала. При этом возможно конформационное изменение строения мицеллы казеина, ее распад на субмицеллы, которые, в свою очередь, взаи­модействуют с сеткой крахмального геля, увеличивая количество контактов. Об отсутствии более глубоких конформационных изменений казеина, свиде­тельствует соответствие свободного члeна аппроксимирующих уравнений (рис.2) значению этой хаpaктеристики для обезжиренного молока.

Обобщая исследования Н+-релаксационных явлений в молочно-крахмальных системах, приходим к следующим выводам. Крахмал иммоби­лизует воду в молочной среде более активно, чем в водной. Казеин оказывает синергетическое влияние на гелеобразующую способность крахмала. Обра­зующийся комплексный гель представляет собой сетку из спиральных моле­кул крахмала, в ячейки которой включены мицеллы и субмицеллы казеина, взаимодействующие с положительно заряженными участками спирали и спо­собствующие образованию дополнительных узлов сетки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров: ч.I М.: Мир, 1983. С.188-195.
  2. Захарова Н.П., Соколова Н.Ю., Родин В.В., Измайлова В.Н., Ямпольская Г.П. Изучение состояния воды в сычужных и плавленых сырах ме­тодом ЯМР// Мол. пром-сть. 1997. №2. С.35.
  3. Родин В.В., Измайлова В.Н. Липид-нуклеиновые взаимодействия в дисперсиях фосфолипидных везикул по данным методов ЯМР // Колл. журн. 1995. Т.57. № 2. С.231.
  4. Rodin V.V., Izmailova V.N. R-approaches on transmitters and conformational transitions in protein-water-hydrocarbon sistem // Proc. work shop on magnetic resonance imaging and spectroscopy of muscle, Liverpool, U.K.1994. Р.1347.
  5. Усманов Т.И. ЯМР-спектроскопия производных полисахаридов в связи с их молекулярной структурой// Высокомол. соед. 1991. Т. А33.№4. С.691.
  6. Бови Ф. ЯМР высокого разрешения макромолекул.- М.: Химия. 1977. 456 с.
  7. Бирштейн Т.М. Синтез, структура и свойства полимеров. Л.:Наука. 1989. 276 с.
  8. Гросберг А.Ю., Шахнович Е.И. К теории гетерополимеров с заморо­женной беспорядочной первичной структурой: свойства глобулярного состояния, переходы типа клубок-глобула, возможные биофизические приложения // Биофизика. 1986. Т. 31. № 6. С. 1045.
  9. Перри С., Амос Р., Брюер П. Пpaктическое руководство по жидкост­ной хроматографии. М.:Мир. 1974. 260 с.
  10. Hiroyuki Kanai, Takeshi Amari. Negative thixotropy in ferric-oxide suspensions// Rheologika Acta. 1995. V.3. № 3. Р. 303.


ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДЛИНУ ШИШКИ УРАЛЬСКОЙ ЕЛИ

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДЛИНУ ШИШКИ УРАЛЬСКОЙ ЕЛИ Применен метод дисперсионного анализа для изучения силы влияния различных комплексных природных факторов на изменчивость длины шишки ели сибирской, произрастающей в Уральской лесорастительной провинции. Показано, что наибольшее влияние на изменчивость длины шишки в этом районе имеют индивидуальные особенности деревьев, долгота местности и высота над уровнем моря. ...

18 04 2026 4:21:44

ПРОБЛЕМЫ АРАЛЬСКОГО МОРЯ

ПРОБЛЕМЫ АРАЛЬСКОГО МОРЯ Статья в формате PDF 100 KB...

14 04 2026 23:20:25

Кузнецов Борис Леонидович

Кузнецов Борис Леонидович Статья в формате PDF 84 KB...

11 04 2026 2:22:29

В.И. ВЕРНАДСКИЙ И ОБРАЗОВАНИЕ ДЛЯ БУДУЩЕГО

В.И. ВЕРНАДСКИЙ И ОБРАЗОВАНИЕ ДЛЯ БУДУЩЕГО Статья в формате PDF 129 KB...

09 04 2026 8:12:53

МИНИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПОДЪЕМА ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

МИНИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПОДЪЕМА ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ Работа подъема тела в однородном поле силы тяжести всегда больше потенциальной энергии . Для минимизации работы силой тяги, равной , необходимо отключать силу тяги на некоторой высоте . Дальнейшее движение вверх до высоты  происходит по инерции. Только в случае  работа подъема будет стремиться к минимальному значению, равному . ...

03 04 2026 9:28:11

РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ ВНУТРИУТРОБНОГО СОСТОЯНИЯ ПЛОДА У ПАЦИЕНТОК С ЦИТОМЕГАЛОВИРУСНОЙ ИНФЕКЦИЕЙ

РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА НАРУШЕНИЙ ВНУТРИУТРОБНОГО СОСТОЯНИЯ ПЛОДА У ПАЦИЕНТОК С ЦИТОМЕГАЛОВИРУСНОЙ ИНФЕКЦИЕЙ Цитомегаловирусная инфекция (ЦМВИ) относится к числу самых распространенных вирусных заболеваний. Наиболее уязвимыми являются плод и новорожденный. Целью данного исследования явилась ранняя диагностика нарушений внутриутробного состояния плода у беременных с ЦМВИ. Благодаря разработке новой ультразвуковой аппаратуры, основанной на эффекте Допплера проводились исследования кровотока в магистральных сосудах, а именно маточных артериях. Согласно поставленной цели по разработанной нами методике были рассмотрены анкеты клинико-лабораторного исследования у беременных с ЦМВИ. Всего обследовано 115 женщин с различными сроками беременности и 40, составляющих контрольную группу. Из общего числа беременных у 64 (55,7 %) ЦМВИ протекала в легкой форме, первично-латентную инфекцию наблюдали у 48 (41,7 %) пациенток. Ультразвуковое сканирование проводилось в разные сроки беременности, преимущественно во II-III триместрах, однако, по показаниям в некоторых случаях УЗИ осуществляли и в более ранние сроки. Исследование проводилось на аппарате «Aloka» 1700 SSD с допплерометрическим блоком пульсирующей волны, с использованием трaнcдьюсеров 3,5 и 5 мГц и трaнcвaгинальным датчиком 6,5 мГц. При допплерографии в акушерстве применяется качественный анализ кривых скоростей кровотока (КСК). Определяются систоло-диастолическое соотношение (СДО), индекс резистентности (ИР), пульсовый индекс (ПИ). В нашем исследовании наиболее нeблагоприятным признаком явилось появление дикротической выемки на фоне двухстороннего нарушения маточно-плацентарного кровотока. У беременных с латентной формой ЦМВИ нами выявлена также ассиметрия маточно-плацентарного кровотока. Изменение кровотока в правой МА более выражено, что, по-видимому связано с наличием плацентации одноименной стороны. Снижение маточно-плацентарного кровотока в правой МА постепенно приводит к снижению в левой МА, и связано с наличием морфологических изменений в плаценте. Более выраженные нарушения маточно-плацентарного кровотока встретились у беременных с СЗРП. Из этого следует, что основная причина гипотрофии – это нарушение маточно-плацентарного кровотока. ...

26 03 2026 1:34:16

МОРФОМЕТРИЧЕСКАЯ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ КАК СПОСОБ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

МОРФОМЕТРИЧЕСКАЯ И ДЕНДРОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ КАК СПОСОБ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ В условиях техногенного загрязнения города Кемерово у березы повислой (Betula pendula Roth), и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) уменьшается прирост годичных побегов в длину, снижается радиальный прирост. Ухудшаются морфометрические показатели хвои у сосны обыкновенной, что выражается в снижении сухого веса, продолжительности жизни хвои, наличием на ней визуальных признаков повреждений, и, как следствие, наблюдается снижение радиального годичного прироста в большей степени по сравнению с березой повислой. Это указывает на меньшую устойчивость хвойных к воздействию поллютантов по сравнению с лиственными деревьями на уровне целостного организма. Установлено, что максимальные изменения признаков хаpaктерны для деревьев Заводского, Кировского и Рудничного районов города, что позволяет заключить о их значительном загрязнении. Выявлена сильная степень отрицательной корреляции между радиальным годичным приростом деревьев и уровнями загрязнения районов, что позволяет заключить о возможности использования этого показателя для индикации загрязнения атмосферного воздуха городской среды. ...

23 03 2026 7:40:38

«Квантовая медицина»  медицина будущего

«Квантовая медицина»  медицина будущего Статья в формате PDF 104 KB...

22 03 2026 1:10:27

СКИПИНА КЛАВДИЯ ПЕТРОВНА

СКИПИНА КЛАВДИЯ ПЕТРОВНА Статья в формате PDF 101 KB...

12 03 2026 10:47:57

ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД

ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД Статья в формате PDF 291 KB...

10 03 2026 8:39:30

Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::