Главная | Обратная связь
МегаЛекции

СЕДИМЕНТАЦИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ




СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Исследование молекулярной массы и формы макромолекул

 

МГТУ МИРЭА

(Факультет ИТ)

Кафедра «Прикладная синергетика»

 

2012 г.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Методические указания по выполнению практических

заданий (общие положения).

Данная работа выполняется в соответствии с учебным планом по дисциплине «Биофизика». 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).

 

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.

 

3. МЕТОД СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ

Метод используется преимущественно для определения молекулярных масс макромолекул с небольшим коэффициентом поступательной диффузии, когда седиментация значительно преобладает над диффузией. Рассмотрим состояние макромолекулы в ячейке (рис.1). Через определенное время макромолекулы седиментируют равномерно и с одинаковой скоростью седиментации v. Это связано с тем, что силы, действующие на макромолекулу, уравновешиваются:

F =Fв +Fс. ( 1 )

Центробежная сила:

F = mw2x = 4/3×pr3rw2 x, ( 2 )

 

где m- масса макромолекулы; r- радиус макромолекулы; p- плотность макромолекулы; x - расстояние от оси вращения ротора.

Угловая скорость:

w = pn/30 [c-1], ( 3 )

где n – скорость вращения ротора, об/мин.

Выталкивающая сила:

Fв = m0 w2 x = 4/3×pr3r0 w2 x, ( 4 )

где m0 – масса вытолкнутой жидкости; -плотность растворителя.

Разделим ( 2 ) на ( 4 ):

F /Fв = r /r0 ; Fв = F ×r0 /r . ( 5 )

Сила сопротивления:

Fc = f v, ( 6 )

где f - коэффициент внутреннего трения. Запишем (6) как F - Fв = Fс и выразим через F , как в (3.33):

F - F (r0 /r) = f v и

F (1 – r /r 0 ) = f v. ( 7 )

Подставив (2) для центробежной силы в (7), получим:

 

m( 1- r /r0 )w 2 x = fv. (8)

Отсюда масса макромолекул запишется так:

m = ( 1/ (1- r /r0 ) (v/w2x). (9)

Вводится новая важная характеристика – коэффициент седиментации s - отношение скорости седиментации v к угловому ускорению w2x:

s = v/w2x = dx/dt × 1/w2 x = 1/w 2 × d(ln x)/dt. (10)

Размерность коэффициента седиментации – [с]. За единицу седиментации принят 1 (С) – 10-13с.

Вводится парциальный удельный объем:

W = 1/r [ л/кг ]. (11)

Он определяется как возрастание объема растворителя при растворении 1 кг сухого вещества в фиксированном объеме растворителя. Если подставить W и заменить f через коэффициент диффузии D , получим массу макромолекулы:

m = k0 Ts / D (1- r0 W ). (12)

Молекулярная масса макромолекулы запишется как:

M = RTs / D (1- r0 W ). (13)

 
 

Рис.1. Седиментация макромолекул в кювете: а - положение границы седиментации в кювете; (время седиментации t0 ,t1 ,t2,t3 ); б - изменение концентрации с макромолекул вдоль кюветы; в – перемещение шлирен- пика при седиментации макромолекул.

 
 

 

Рис. 2. Действие сил на макромолекулу при центрифугировании:





©2015- 2017 megalektsii.ru Права всех материалов защищены законодательством РФ.