22026

Метод ДСК

Лекция

Биология и генетика

Температуры плавления некоторых синтетических фосфолипидов Жирные кислоты Название остатка жирной кислоты Сокращённое название фосффолипида Температура плавления Tc oC 14:0 Миристоил ДМЛ 23 16:0 Пальмитоил ДПЛ 41 18:0 Стеароил ДСЛ 58 18:1 Олеил ДОЛ 21цисформа Полное название фосфолипидов: ДМЛ 12димиристоилфосфатидилхолин еще одно возможное сокращение ДМФХ€ и так далее. На первом этапе нас будут интерессовать три из них: Температура фазового перехода плавления Tc. T полуширина фазового перехода Tc температура...

Русский

2013-08-04

195 KB

10 чел.

Метод ДСК

   В биологических мембранах липидный слой по всем имеющимся данным представляет собой жидкое тело с вязкостью, близкой к вязкости подсолнечного масла.

   Строго говоря текучесть мембраны ограничена внутренней гидрофобной фазой, которая состоит из углеводородных цепей жирных кислот. Эта фаза, однако, не всегда бывает жидкой. При охлаждении до температур ниже 10оС мембраны замерзают, т.е. жидкая фаза затвердевает, приобретая свойства двумерного кристалла.

   В мембранах, образованныых синтетическими липидами, фазовый переход из жидкого в твердое состояние может происходить при более высоких температурах, в зависимости от химического состава фосфолипида. В таблице 1 приведены температуры фазовых переходов некоторых синтетических фосфатидилхолинов (лецитинов).

Таблица 1. Температуры плавления некоторых синтетических фосфолипидов

Жирные кислоты

Название остатка жирной кислоты

Сокращённое название фосффолипида

Температура плавления, Tc, oC

14:0

Миристоил

ДМЛ

23

16:0

Пальмитоил

ДПЛ

41

18:0

Стеароил

ДСЛ

58

18:1

Олеил

ДОЛ

-21(цис-форма)

   Полное название фосфолипидов: ДМЛ - 1,2-димиристоилфосфатидилхолин (еще одно возможное сокращение - „ДМФХ”) и так далее.

   Для изучения фазовых переходов при нагревании используют метод дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (сокращенно - ДСК). Не останавливаясь на конструкции прибора, отметим только, что в конечном счете с его помощью записывается кривая теплоемкости, т.е. зависимость теплоемкости липидов или мембран в суспензии от температуры:

(1)

Рис.1. Фазовые переходы в суспензии фосфолипидных везикул (липосом) по данным дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК).

   Перед приготовлением липосом к фосфолипидам было дабавлено разное количество холестерина; его содержание в молярных процентах указано у кривых.
   По оси ординат отложена теплоемкость, по оси абсцисс - температура,
K.

   Метод называется дифференциальным, потому что измеряется только теплоемкость суспендированного материала на фоне гораздо большей теплоемкости раствора сравнения.

   Примеры таких кривых даны на рис.1, где приведены кривые ДСК для дистеароилфосфатидилхолина (ДСЛ). На этих кривых, в частности, видно увеличение температурного интервала фазового перехода пр добавлении к липиду в мембране холестерина.

   На рисунке 2 слева более подробно обозначены параметры кривой ДСК. На первом этапе нас будут интерессовать три из них:

  1.  Температура фазового перехода ("плавления") Tc.
  2.  Температурный интервал ("ширина") фазового перехода.
  3.  Общее количество тепла Q, поглощенного при плавлении.Оно представляет собой площадь под кривой ДСК, т.е. функции C=f(T)

   Рис.2. Характеристик фазовых переходов в липидах по данным дифференциальной сканирующей микрокалориметрии.
   
С-теплоемкость.
   
T - полуширина фазового перехода,
   
Tc - температура плавления.

Кривые плавления

   Кривой плавления называется зависимость доли жидкой фазы в общем количестве изучаемого вещества, в данном случае - липидов мембран.

Рис.3. Кривая плавления липиддов в липосомах, приготовленных из ДПЛ.


    - доля жидкой фазы,    
T - температура,
   
Tc - температура плавления ( = 0,5), ml - количество липида в жидкой фазе, ms -количество липида в твердой фазе.

   Обозначим количество липидов в жидкой фазе через ml, а количество липидов в твердой фазе через ms. Тогда доля жидких липидов будет равна:

(2)

   На рис. 3. приведена кривая плавления дистеароил-фосфатидил холина (или дипальмитоил-лецитина, ДПЛ).

Методы измерения кривых плавления

   Для определения доли жидкой фазы в общем объеме изучаемого материала, в нашем случае, - в липидной слое мембран, можно использовать разные методы.

Анализ кривых ДСК

   Один из методов измерения кривых плавления основан на анализе кривых, полученных методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Обратимся снова к рисунку 2.

   Пусть удельная теплота плавления липида равна Qm, а количество липодов в образце составляет m кмолей. Общее количество энергии, поглощенной образцом в интервале температур плавления T1-T2 равно очевидно площади под кривой C=f(T), т.е.

(3)

   В интервале температур от T1 до текущей температуры T расплавится количество молей липида mд , и при этом поглотится количество тепла, равное:

(4)

(заштрихованная площадь на рис.2).
   При темпаратуре
T молярная доля липидов, находящихся в жидкой фазе равна:

(5)

   Таким образом, измеряя по отношению площадей под кривой C=f(T) при разных темпраратурах, мы строим кривую плавления =f(T).

Измерение флуоресценции зондов

   Многие флуоресцирующие соединения обладают тем свойством, что спектры и (или) квантовые выходы их флуоресценции сильно зависят от окружающей среды: ее полярности, вязкости и других характеристик. Примером такого соединения может служить АНС: 1-анилино, 2-нафталенсульфонат, формула которого приведена ниже.

Рис.4. Структурные формулы некоторых флуоресцентных зондов, применяемых для измерения структцрных перестроек в липидном слое биологических и искуственных мембран.

   Это соединение при добавлении его к суспензии мембран распределяется между водной и липидной фазами, но флуоресцирует практически только АНС, растворенный в липидной фазе. Поэтому интенсивность флуоресценции возрастает при плавлении липидов мембран и снижается при замерзании.

Фазовое равновесие

   В области температур фазового перехода, если плавление происходит достаточно медленно, устанавливается равновесие:

Жидкое состояние - Твердое состоояние

   Можно считать, что вся мембрана состоит из участков жидких липидов и участков твердых липидов. Тогда обратимый процесс фазового перехода можно рассматривать как процесс превращения таких участков (доменов) друг в друга со скоростями, пропорциональными концентрации доменов, иначе говоря, фазовое равновесие можно рассматривать как обратимую химическую реакцию:

С константой равновесия, где [l] и [s] - концентрации липидов в жидкой и твердой фазах, а ml и ms - количество липида в жидкой и твердой фазах, соответственно.

   Изменение свободной энергии при плавлении моля липида G равно изменению энтальпии H минус изменение тепловой энергии TS:

(6)

причём

(7)

Отсюда находим

(8)

Таким образом, зависимость представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом и отсечкой на оси ординат, равной. Примеры такого рода прямых даны на рис. 7. Объяснеение величины n на этом рисунке будет дано ниже.

Рис. 7. Зависимость lnK от обратной абсолютной температуры.

   Отсечка на оси ординат позволяет найти энтропию плавления (S/R), угловой коэффициент- энтальпию плавления (H/R). n - размеры кооперативной единицы плавления (объяснения в тексте).

   Таким образом, из кривых плавления, полученных экспериментально, можно найти термодинамические характеристики процесса H и S. Для этого:

  1.  Находим отношение (см. рис. 3) при разных температурах T, oC.
  2.  Строим зависимость lnK от обратной абсолютной температуры (1/(toC+173).
  3.  Тангенс угла наклона прямой равен H/R. Расчитываем H.
  4.  Отсечка по ординате равна S/R. Расчитываем S.

Кооперативность фазовых переходов

   Из кривых теплоемкости (типа приведенной на рис. 2) мы находим теплоту плавления образца Q и молярную теплоту плавления Qm=Q/m, где m - количество молей липида в образце (расчитанное как масса липида, деленная на его молекулярную массу).

   Из кривых плавления (см. рис.3), мы находим энтальпию плавления H. На первый взгляд величины Qm и H должны быть примерно равны, поскольку система не совершает механической работы. Оказалось однако, что при плавлении синтетических липидов H превышает Qm в десятки, а иногда и в сотни раз.

В чем же тут дело?
   Вернёмся к основному уравнению 6 на стр. 4. Его применение основано на том, что (цитируем) ".фазовое равновесие можно рассматривать как обратимую химическую реакцию: с константой равновесия

   Спрашивается, какие "молекулы" l переходят в этой реакции в "молекулы" s. Очевидно, что это не отдельные молекулы фосфолипида, поскольку одна молекула не может находиться в жидкой или в твердой фазе.

   Переходит из одного состояния в другое одновременно несколько молекул, образующие некий "кластер", а лучше сказать кооперативную единицу. В пределах кооперативной единицы все молекулы находятся в одинаковом состоянии, образуя либо кристаллическую (твердую) фазу либо жидкую фазу.

   Каждый кластер межет изменять свое фазовое состояние по закону "все или ничего" и притом совершенно независимо от других кластеров. В этом смысле кооперативные единицы представляют собой как бы сверх-молекулы, которые могут переходить из состояния l в состояние s.

   Изменение свободной энергии G, энтальпии H и энтропии S в уравнении 6 на стр.4 относится к молю таких "молекул". Довоьно очевидно, что если кооперативная единица образована n молекулами фосфолипида, то:

(9)

где n - размер кооперативной единицы, т.е. число молекул фосфолипида, входящих в одну кооперативную единицу.

   Таким образом из кривых плавления непоссредственно определяются термодинамичекие характериситки в расчете на n молей фосфолипида, и чтобы получить эти характеристики в расчете на один моль надо найти сначала размер кооперативной единицы n. Что можно сделать, только если одновременно получены данные калориметрии, позволяющие определить теплоту плавления Q и расчитать молярную теплоту плавления Qm.

   Разделив Qm на H, получаем n. Затем находим S, в расчете на один моль фосфолипида. В таблице 2 приведены полученные таким образом термодинамические параметры плавления синтетических фосфолипидов ( в расчете на один моль фосфолипида).

Влияние размера кооперативной единицы на форму кривых плавления

   Чтобы проанализировать влияние кооперативности фазовых переходов на форму кривых плавления и калориметрических кривых, нам придется произвести некоторые расчеты. За основу возьмем данные таблицы 2. Для примера проанализируем форму кривых плавления одного из фосфолипидов, скажем, ДПЛ.

Таблица 2. Термодинамические параметры переходов гель-жидкий кристалл для 1,2-диацил-L-фосфатидилхолинов (по M.C. Phillips, 1972)

.

Фосфолипид

Tc, oC

DH, ккал/моль

DS, кал/моль

ДОЛ (18:1)

-21

7,6

30,3

ДМЛ (14:0)

23

6,64

22,4

ДПЛ (16:0)

41

8,66

27,6

ДСЛ (18:0)

58

10,67

32,4

ДБЛ (22:0)

75

14,88

42,8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23075. Вимоги до системи національної безпеки 33 KB
  Вимоги до системи національної безпеки З конспекту Кожна країна створює певну систему органів які могли б реагувати на загрози така система називається системою національної безпеки. Система забезпечення національно міжнародної безпеки включає певну діяльність органів по підтримці стану захищеності. Наявність механізмів які забезпечують стан безпеки. Система національної безпеки наявність певних органів тільки обмежена територією певної країни.
23076. Роль та повноваження органів спеціальної компетенції в системі забезпечення національної безпеки України 69.5 KB
  Роль та повноваження органів спеціальної компетенції в системі забезпечення національної безпеки України. Національний банк України відповідно до основних засад грошовокредитної політики визначає та проводить грошовокредитну політику в інтересах національної безпеки України; міністерства Служба безпеки України та інші центральні органи виконавчої влади в межах своїх повноважень забезпечують виконання передбачених Конституцією і законами України актами Президента України Кабінету Міністрів України завдань здійснюють...
23077. Вимірювання напруг при механічних деформаціях поляризаційним методом 447 KB
  Різницю фаз Δ що виникає між двома взаємно перпендикулярними лінійнополяризованими хвилями визначають за формулою 16 де λ довжина хвилі; σ1 σ2 головні нормальні напруги; d товщина деталі; с стала фотопружності яка залежить від матеріалу деталі. Таким чином при постійній товщині зразка лінії однакового зсуву фаз відповідають лініям однакових різниць нормальних напруг або лініям рівних максимальних дотичних напруг оскільки максимальна дотична напруга τmax пов'язана з...
23078. Дослідження анізотропних кристалів під поляризаційним мікроскопом 458 KB
  Прилади: поляризаційний мікроскоп клин або компенсатор Берека набір шліфів і пластинок з одновісних та двовісних кристалів вирізаних під різними кутами до оптичної осі. Різниця яку вносить пластинка залежить від її товщини матеріалу зразка та орієнтації оптичної осі відносно зрізу. Форма і розміщення ізохромат залежать від напряму оптичної осі відносно зрізу товщини зразка і довжини хвилі Форма і розміщення ізогір залежать від орієнтації осі відносно зрізу і взаємного положення поляризатора та аналізатора. Для пластинки вирізаної...
23079. Вимірювання оптичних сталих металів та напівпровідників за допомогою компенсатора Бабіне 278.5 KB
  Відомо що лінійнополяризоване світло яке падає на межу поділу діелектрик провідне середовище після відбиття перетворюється на еліптичнополяризоване крім того випадку коли напрям коливань електричного вектора лежить в площині падіння або в перпендикулярній площині. Вимірюючи параметри еліптичнополяризованого світла а саме; зсув фаз Δ між р та s складовими електричного вектора відбитої хвилі азимут відновленої поляризації ψ а також кут падіння світлової хвилі на площину дзеркала φ можна обчислити оптичні сталі n і κ з співвідношень...
23080. Вимірювання оптичних сталих металів та напівпровідників фотоелектричним методом Бітті 933.5 KB
  Якщо поляризатор утворює з площиною падіння кут β а аналізатор кут α то електричний вектор після проходження світлом поляризатора відбиття від зразка та проходження через аналізатор складатиметься з двох проекцій р та s компонент зсунутих по фазі одна відносно іншої. Проекції р та s компонент на площину аналізатора визначають з формул де α кут між площиною коливань в аналізаторі і р площиною А0 амплітуда коливань пропущених поляризатором; rp rs амплітудні коефіцієнти відбиття для р та...
23081. Визначення залежності ступеня поляризації стопи від кута паління та числа пластин за допомогою поляриметра Корню 391 KB
  Визначення залежності ступеня поляризації стопи від кута паління та числа пластин за допомогою поляриметра Корню. Ступінь поляризації залежить від кута падіння на межу поділу і відносного показника заломлення. Для світла що проходить значної поляризації при одноразовому проходженні досягти неможливо тому звичайно використовують стопу набір з кількох пластин. Ступінь поляризації частково поляризованого світла визначається за формулою 7 де і максимальна та мінімальна...
23082. Дослідження залежності зсуву фаз від кута падіння при повному відбитті за допомогою компенсатора Сенармона 894.5 KB
  Дослідження залежності зсуву фаз від кута падіння при повному відбитті за допомогою компенсатора Сенармона. Теоретичні відомості Світло що відбивається від межі поділу двох середовищ з різною оптичною густиною проходить у середовище з меншої густиною лише при кутах падіння менших деякого граничного кута якай можна знайти за формулою φгр = arcsin n 10 де n показник заломлення другого середовища відносно першого. При куті падіння φгр кут заломлення у другому...
23083. Влияние импульсного магнитного поля и низко импульсного электромагнитного излучения очень высоких частот на дрожжевые клетки рода Saccharomyces cerevisiae при приготовлении пшеничного хлеба 647.5 KB
  Пекарские дрожжи относятся к виду Saccharomyces cerevisiae. Их выращивают в богатой кислородом среде, в особых емкостях с сахарной свеклой, азотными минералами и смесями. Магнитное поле промышленной частоты и мероприятия по защите от него