Введение к работе
:'- '1. '
'І, Ч.-.--.ІЗ І
-дел J АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
легаций!
Взаимодействие биологически важных молекул в растворе и их тепловое молекулярное движение играют чрезвычайно важную роль в функционировании различных биосистем, физико-химических и биофизических явлениях. Исследование структурных и динамических свойств биологически важных молекул, молекул воды и ионов в растворах является актуальной задачей в процессе изучения механизмов взаимодействия биологически важных макромолекул с растворителем. Параметры теплового движения макромолекул биополимеров в водной среде могут определять особенности протекания процессов с их участием.
Макромолекулы белков, находясь в структуре биологических мембран, могут определять процессы сорбции малых молекул, на поверхности макромолекул, кроме того необходимо учитывать при этом их трансляционную и вращательную подвижность .
Вопросы взаимодействия молекул в растворе с молекулами растворителя представляют большой научный и практический интерес. Это связано с тем значением, которое имеет вода как растворитель в функционировании живых организмов.
Особенности структуры и динамики молекул воды обусловливают ее непосредственное участие в формировании биологически активной структуры биополимеров и мембран, играют значительную роль в процессах функционирования биологических молекул и надмолекулярных структур. Знание особенностей состояния воды в биологических объектах, в частности гидратации макромолекул, мембран, клеточных структур, дает возможность следить за состоянием биоструктур при различного рода воздействиях, разрабатывать способы диагностики различных заболеваний при помощи физических методов.
Вращательная и трансляционная подвижность биологически важных молекул в растворе зависит от многих параметров среды и особенностей структуры и формы молекул. Применение комплекса современных методов исследования, как оптических, так
и радиоспектроскопических, позволяет проследить связь ука-занних молекулярных движений с такими свойствами среды как рН, ионная сила, температура, диэлектрическая, проницаемость, а также с зарядовым состоянием молекул, их формфактором, молекулярным весом и т. д. Указанные выше параметры претерпевают существенные изменения в условиях функционирования живого организма. На примере развития такого биологического процесса, как канцерогенез, возможно рассмотреть изменение молекулярных параметров биологически важных молекул , таких как белки, липиды, витамины и т. д.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в установлении закономерностей характеризующих молекулярно-динамические свойства биологически важных молекул в растворе> включающие врадательное и трансляционное движени заряженных макромолекул, а также особенности молекулярной подвижности воды связанной на поверхности макромолекул.
При этом ставилась задача разработать методики измерения ЯМР релаксации растворов заряженных молекул и макромолекул, изучить процессы сорбции малых молекул на поверхности макромолекул в растворах, изучить влияние на эти процессы ряда физико-химических параметров раствора.
Ставилась задача изучить связь врадательной подвижности макромолекул с их характеристической еязкостыэ и связь трансляционной подвижности макромолекул с параметрами межмолекулярного взаимодействия. . -
Отдельная задача состояла в иссдедовиии биофизических характеристик тканей и плазмы крови при развитии канцерогенеза, включая исследование изменение спектров ЯМР выделенных липидов из плазмы крови животных при канцерогенезе.
Для выполнения поставленных задач в работе использовались импульсные методы ядерного магнитного резонанса( ЯМР). которые являются весьма информативными при изучении динамики молекул воды и растворенных молекул, методы ЭЛР, люминесценции и хемилюминесценции, метод диэлектрической релаксации и
вискозиметрии.
В диссертационной работе впервые систематически исследовано влияние электростатического взаимодействия биополимеров в водных растворах на их вращательную и трансляционную подвижность. Одновременное исследование ЯМР релаксации, диэлега1-рического поглощения и вязкости растворов белков показало существование характерного минимума времени вращательной корреляции биополимеров в зависимости от концентрации ионов водорода, а также с изменением концентрации Оиополимера,чему дано теоретическое обоснование.
Развитие теории сорбции малых молекул на поверхности макромолекул в растворах применительно к методу ЯМР квадру-польных ядер впервые позволило однозначно рассчитать как динамические параметры макромолекул, так и статические характеристики. При этом дано объяснение тому, что связывание отрицательных однозарядных ионов белком возрастает пропорционально увзличению их ионного радиуса.
Впервые методом ЭПР обнаружено аномальное связывание иминоксилыюго радикала.в плазме крови при развитии канцерогенеза Установлено, что обнаруженная аномалия определяется, с одной стороны изменением числа мест связывания зонда на поверхности альбумина, а также степенью ненасыщенности жирно-кислотного состава липидного компонента липопротеина.
Обнаружено и детально исследовано неизвестное ранее сверхслабое радикало-рекомбинационное свечение в растворах биологически-важных молекул. Предложены модели определения антирадикальной активности как водорастворимых веществ, так и веществ липидной природы. Изучены факторы влияющие на чувствительность моделей при определении антирадика."ыюй активности. При исследовании ингибиторов методами радикало-ре-комбинационной люминесценции установлена связь активности ингибиторов с кзантово-механическими параметрами их электронных
- 4 -состояний.
На основании полученных в работе экспериментальных и теоретических данных предложен физико-химический подход к пониманию моханизма канцерогенеза, сопровождающегося изменениями молекулярных параметров белково-липидных систем и характера их молекулярной подвижности.
Полученные в диссертационной работе результаты способствуют дальнейшему развитию представлений о молекулярных механизмах динамических процессов в растворах,' вносят вклад в понимание молекулярных механизмов взаимодействия биологически важных молекул в растворах, процессов сорбции малых молекул на поверхности заряженных макромолекул, а также в понимание механизма их вращательного и трансляционного движения.
Установление связи между параметрами, измеряемыми различными методами, применявшимися в работе, позволяет сопоставлять информацию о молекулярных процессах, полученную этими методами.
Исследованное в работе влияние электростатических взаимодействий на молекулярно-динамические свойства растворов малых молекул и молекул биополимеров позволяет прогнозировать поведение ряда параметров при различных физико-химических воздействиях, оптимизировать условия проведения измерений с целью получения отдельных микроскопических характеристик,
Кроме того, обнаруженные в работе эффекты изменения времени вращательной корреляции белков при вариациях электрического состояния макромолекулы.йзменениягидратации , а также предлагаемый механизм этих изменений дают основу для интерпретации на молекулярном уровне патологических изменений и биологических объектах, позволяют оптимизировать параметры физических методов их диагностики.
Данные исследования могут найти практическое применение в лабораториях биофизического, физико-химического и медицинского профиля, в которых исследуются процессы действия анти-оксидантов, витаминов и ряда других биологически важных веществ в биологии и медицине при разработке методик раннего обнаружения злокачественного роста.
материалы диссертации использовались при создании физических методов диагностики распространенных заболеваний, включая онкологические.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на ряде международных биофизических конгрессов, на Всесоюзных конференциях по биофизике, люминесценции и канцерогенезу в период с 1963 г. по 1989 г. За последние 5 лет сделаны доклады на Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах (Казань, 1984); Международной школе по магнитному резонансу (Новосибирск. 1987); Международном симпозиуме "Гидратация биополимеров" (Пущино, 1988); Всесоюзном семинаре "Молекулярная физика и биофизика водных систем" (Ленинград, 1989). Международном симпозиуме "Применение лазеров в науке о кизне" (Москва, 1990).
ПУБЛИКАЦИИ: По результатам диссертации опубликовано более пятидесяти печатных работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ'