Библиографическое описание:

Крайник И. И., Родионова Е. Ю., Дмитриева И. Б. Исследование электроповерхностных свойств водных дисперсий гемоглобина // Молодой ученый. — 2014. — №14.1. — С. 20-24.

Введение

Истории порфиринов чуть более века [1]. Большой интерес к исследованию порфиринсодержащих объектов обусловлен их обширным распространением в природе и тем, что порфиринсодержащие вещества играют огромную роль в биохимических процессах. Исследования в области порфиринов и аналогичных молекул за последнее десятилетие развиваются стремительно.

Ежегодно синтезируются сотни и тысячи все более сложных производных порфина, появляются многочисленные публикации с результатами исследований геометрической и электронной структуры, колебательной, электронной и резонансной спектроскопии, применения новых физических методов к изучению особенностей структуры молекул порфиринов, их физической и координационной химии и так далее.

Гемоглобин – один из представителей природных порфиринов, красный железосодержащий пигмент крови. В организме выполняет функцию переноса кислорода из органов дыхания к тканям; играет также важную роль в переносе углекислого газа от тканей к органам дыхания. Гемоглобин обладает уникальным набором физико-химических свойств, к важнейшим из которых следует отнести хромофорную активность, структурно-конформацинонное превращение, способность к комплексообразованию. Эти особенности определяют его биохимические функции и практически полезные характеристики. Гемоглобин является одним из хромопротеинов, у млекопитающих представляет собой белковый комплекс, состоящий из четырех субъединиц (рис. 1).

Каждая субъединица состоит из белка глобина и связанного с ним окрашенного небелкового компонента (простетической группы) – гема. Гем представляет собой комплекс протопорфирина с двухвалентным железом (рис. 2) [2].

Все формы гемоглобинов содержат одну и ту же протогемовую простеическую группу, а вот состав белковой части молекулы будет различным: аминокислоты и их последовательность в белковой части гемоглобина, определяемые генетическими факторами, у различных видов животных отличны, что приводит к изменению максимумов поглощения света, растворимости, изоэлектрической точки, сродства к кислороду и устойчивости изолированных пигментов к кислотам, щелочам и нагреванию [3, 4].

Даже у человека имеются три основных типа нормального гемоглобина: эмбриональный, фетальный и гемоглобин взрослого человека, не говоря об аномальных видах гемоглобина, которых известно более двухсот, что должно отражаться на коллоидных свойствах водных дисперсий гемоглобина [5].

Гемоглобин относится к полиамфолитам [6]. На поверхности гемоглобина в водных растворах адсорбируются одновременно ионы Н+ и ОН-. В общем виде можно записать две поверхностные реакции:

где S – символ поверхности.

 
 

Соответственно в зависимости от того, адсорбция каких ионов преобладает, поверхность приобретает либо положительный, либо отрицательный заряд [7]. Благодаря этому возможно поддержание постоянного значения рН крови (75% буферной емкости крови обеспечивает буферная емкость гемоглобина). У человека значение рН крови – 7.36, отклонение от этого значения на несколько десятых может привести к летальному исходу [8].

Рис. 1. Гемм

Рис. 2. Структура гемоглобина человека

Положение изоэлектрической точки определяет условия устойчивости водных дисперсий гемоглобина, характер его взаимодействия с простыми электролитами, аминокислотами и белками. Изоэлектрическая точка влияет на пространственную структуру гемоглобина и его способность переносить кислород, поэтому очень важно изучить влияние состава водного раствора на значение изоэлектрической точки, электрокинетические свойства и устойчивость водных дисперсий гемоглобина.

Коллоидные свойства определяют поведение и свойства дисперсных систем, содержащих гемоглобин. Исследования этих свойств интересны не только своей новизной, но и тем, что позволяют выявить особенности поведения биологически активного вещества, показать границы применимости коллоидных закономерностей, выведенных, прежде всего для неорганических соединений.

Цель данной работы – исследование зависимости электрокинетического потенциала водных дисперсий гемоглобина в растворе аминокислот от времени контакта фаз и pH среды.

Материалы и методы исследований

В настоящей работе в качестве объектов исследования использовался  бычий гемоглобин (hemoglobin from bovine blood), выделенный и очищенный в НИИ «Антибиотиков и ферментов медицинского назначения», г. Санкт-Петербург.

В работе для электрокинетических измерений использовалась 0,1 % дисперсия гемоглобина, приготовленная следующим образом: навеска гемоглобина растиралась в ступке в небольшом количестве исследуемого раствора до образования густой пасты, затем добавлялся весь объем раствора, далее полученную смесь переносили  в ячейку для диспергирования и обрабатывали ультразвуком в течение 5 минут (использовался ультразвуковой генератор марки УЗГ15-0,1/22).

Все химические реактивы, используемые в работе, были класса ХЧ. Для приготовления растворов использовалась бидистиллированная вода.

В качестве БАВ была выбрана простейшая аминокислота: L-аспарагин, далее просто аспарагин, марки ч.д.а.

Концентрированные растворы готовились по точной навеске, а разбавленные – методом последовательного разбавления. 

Концентрации растворов проверяли по электропроводности и аналитически. Регистрация рН осуществляется на рН-метре – 150М с точностью измерения  ±0,05 ед. рН.

Электрокинетический потенциал (ζ-потенциал) частиц гемоглобина определялся методом микроэлектрофореза [9] и рассчитывался по уравнению Гельмгольца-Смолуховского. Данное уравнение использовалось без поправок, так как выполнялись условия k∙a >> 1, где k– обратная толщина ДЭС, а – радиус частиц. Измерения проводились с погрешностью не превышающей 10%.

Результаты и их обсуждение

В работе проведено исследование кинетики установления адсорбционного равновесия в системе дисперсии гемоглобина в водных растворах аспарагина. Проведено измерение электрокинетического потенциала, pH и электропроводности водных дисперсий гемоглобина в зависимости от времени контакта фаз. Данные представлены на рис. 3.

Из рис. 3. видно, что адсорбционное равновесие устанавливается менее чем через 8 часов. Все дальнейшие исследования проводились через сутки для удобства эксперимента.

Рис. 3.Зависимость электрокинетического потенциала гемоглобина в растворах HCl при рН = 3,0 от времени контакта фаз

Рассмотрим влияние аспарагина на электрокинетические свойства водных дисперсий гемоглобина. На рис. 4. представлена зависимость ζ – (-lgС). Из рисунка видно, что значение электрокинетического потенциала гемоглобина в растворах аспарагина возрастает с ростом концентрации аминокислоты. Это обусловлено адсорбцией катионных форм аспарагина.

Рис. 4. Зависимость ζ – (-LgC) гемоглобина в водных растворах аспарагиновой

кислоты (t – сутки).

В таблице приведены значения pH растворов аспарагина при его различных концентрациях.

Таблица

Значение рН водных растворов HCl и аспарагина

С, моль/л

1·10-2

1·10-3

5∙10-4

1·10-4

pН (HCl)

2

3

3,3

4

рН (аспарагина)

5,7

5,8

5,9

5,95

Из данных таблицы 1 видно, что при всех концентрациях аспарагина значение pH раствора близко к 6. При этом значении pH содержание катионной формы составляет 0,0104 %, а анионной 0,158 %, цвиттер-иона – 99,83 %. Высокое содержание цвиттер-иона на значение электрокинетического потенциала гемоглобина не влияет. Несмотря на низкое содержание катионной формы, ее адсорбция на гемоглобине преобладает над адсорбцией анионной формы, что отражается на знаке заряда гемоглобина. В растворах аспарагина электрокинетический потенциал положительный и возрастает с ростом концентрации аспарагина.

Обсудим влияние аспарагина на положение изоэлектрической точки гемоглобина. Для этого было проведено измерение электрокинетического потенциала гемоглобина в HCl и в смешанных растворах HCl + аспарагин с постоянной концентрацией 5*10-4 моль\л. На рис. 5. показана зависимость ζ – рН гемоглобина.

Рис. 5.Зависимость электрокинетического потенциала водной дисперсии

гемоглобина в аспарагине и в KCl от pH

Как следует из рисунка значение pHИЭТ гемоглобина в присутствии аспарагина смещается в щелочную область по сравнению с соляной кислотой, что подтверждает специфическую сорбцию катионной формы аспарагина. С ростом концентрации H+ ионов в растворе кривые сближаются вследствие увеличения роли адсорбции потенциал определяющих ионов водорода.

Выводы

1. Кислотно-основное равновесие для водных дисперсий гемоглобина устанавливается в течение 8 часов.

2. Аспарагин смещает pHИЭТ гемоглобина в щелочную область.

3. Адсорбция катионной формы аминокислоты на гемоглобине преобладает над адсорбцией анионной формы.

Литература:

1.      Березин М.Б. Термохимия сольватации хлорофилла и родственных соединений. М.: Красанд. – 2008. – 256с.

2.      Nelson, David L. & Cox Michael M. Lehninger. Principles of Biochemistry. 2005.– P.157–174.

3.      Carl Branden, John Tooze Introduction to Protein Structure Second Edition. United States: Garland Science. – 1999. – P.40–44.

4.      Бриттон Г. Биохимия природных пигментов: Пер. с англ. М.: Мир. 1986. 442с.

5.      Филиппович Ю.Б. Основы биохимии: Учеб. для хим. и биол. спец. лед. ун-тов и ин-тов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: изд-во "Агар".–1999. – 512с.

6.      Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. 2-ое изд., испр. и перераб. М.: Химия, Колосс. 2006. – 624с.

7.      Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. СПб: Химия.– 1995. – 394c.

8.      Покров В.П., Коротько Г.Ф. Физиология человека. М.: «Медицина». – 2001. – 656с.

9.      Чухно А.С., Дмитриева И.Б., Мартынов Д.В. Влияние солей одно-, двух- и трехзарядных катионов металлов на сорбцию Н+ и ОН- ионов на декстране. /Бутлеровские сообщения. – 2011. – Т.27, №14. – С.47-54.

Основные термины (генерируются автоматически): водных дисперсий гемоглобина, электрокинетического потенциала гемоглобина, pHИЭТ гемоглобина, рН гемоглобина, водных растворах, поверхности гемоглобина, Структура гемоглобина человека, белковой части гемоглобина, аномальных видах гемоглобина, буферная емкость гемоглобина, типа нормального гемоглобина, пространственную структуру гемоглобина, значение pHИЭТ гемоглобина, дисперсия гемоглобина, навеска гемоглобина, частиц гемоглобина, системе дисперсии гемоглобина, изоэлектрической точки гемоглобина, знаке заряда гемоглобина, растворах аспарагина.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle