Химия белка. Структура, свойства, методы исследования - Шендрик А.Н. 2022

Методы экспериментального исследования структуры белков
Методы определения молекулярной массы белков
Определение молекулярной массы методом седиментации

Седиментация - это осаждение растворенных или взвешенных частиц в коллоидной системе (растворе) под действием сил наложенного из вне потенциального поля. Наиболее распространенным из таких полей является гравитационное поле. Однако, из-за незначительной величины напряженности гравитационного поля Земли (ускорение свободного падения g = 9/8 м/с ) седиментация протекает в нем очень медленно. В ультрацентрифуге, изобретенной в 1922-25гг Сведбергом (Нобелевский лауреат 1926г) можно создать гравитационное поле в десятки и сотни тысяч раз превышающие величину g.

СВЕДБЕРГ (Svedberg), Теодор

30 августа 1884 г. - 25 февраля 1971 г.

Нобелевская премия по химии, 1926 г.

Шведский химик Теодор Сведберг родился в имении Флеранг, неподалеку от г. Гавле. Он был единственным ребенком в семье Элиаса Сведберга, инженера и управляющего местным чугунолитейным заводом.

Учась в Каролинской школе в Эребру, С. особенно увлекся физикой, химией и биологией. Несмотря на то что его больше всего интересовала ботаника, он решил стать химиком, поскольку считал, что это позволит ему глубже “заглянуть” в биологические процессы. В январе 1904 г. он поступил в Упсальский университет, а в сентябре 1905 г. получил степень бакалавра. В том же году была опубликована его первая статья. С. продолжал заниматься в Упсальском университете, и в 1907 г. ему была присуждена докторская степень.

В 1912 г. С. стал первым в Упсальском университете преподавателем физической химии и оставался на этой должности в течение 36 лет. С приобрел наибольшую известность благодаря своим исследованиям физических свойств коллоидных систем.

Для определения размеров частиц в коллоидных растворах С. применил сконструированный Рихардом Зигмонди ультрамикроскоп. Ему удалось доказать, что коллоидные растворы подчиняются классическим физическим и химическим законам для разбавленных растворов. Тем не менее в большинстве случаев этот способ не давал возможности установить размеры мельчайших частиц и распределение частиц по размерам.

С. полагал, что осаждение коллоидных частиц ускорилось бы в условиях более сильного гравитационного поля, создаваемого в центрифуге. Во время своего пребывания в Висконсинском университете в 1923 г. С. приступил к созданию оптической центрифуги, в которой осаждение частиц фиксировалось бы посредством фотографирования. С. в 1924 г., уже вернувшись в Швецию, вместе со своим коллегой Германом Ринде добился осаждения без конвекции. Спустя год С. обнаружил, что биологические макромолекулы (белки) можно также заставить выпадать в осадок из раствора. Более того, по скорости осаждения белка можно также сделать вывод о размере молекулы. Это заключение стало первым указанием на то, что молекулы белков имеют четко выраженную массу и форму. В результате сделанных С. открытий центрифуга стала главным инструментом биохимических исследований. Теперь скорость выпадения в осадок измеряется в единицах, названных именем С.

В 1926 г. С. была присуждена Нобелевская премия по химии “за работы в области дисперсных систем”. В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук XX. Седербаум сказал: “Движение частиц, взвешенных в жидкости... наглядно свидетельствует о реальном существовании молекул, а следовательно, и атомов - факт тем более знаменательный, что еще совсем недавно влиятельная школа ученых объявила эти материальные частицы плодом воображения”. В своей Нобелевской лекции, которую он прочел в следующем году. С., сделав обзор технических и теоретических проблем, связанных с его работой, описал большое потенциальное значение, какое, по его мнению, будет иметь ультрацентрифуга для прогресса во многих областях, включая медицину, физику, химию и промышленность.

В новой лаборатории физической химии, специально построенной для С. шведским правительством, он провел еще 15 лет, совершенствуя конструкцию своей центрифуги. В январе 1926 г. ученый испытал новую модель ультрацентрифуги с масляными роторами, в которой добился 40 100 оборотов в минуту. А 5 лет спустя создал новую модель, где число оборотов в минуту достигло 56 000. Длинная серия усовершенствований в конструкции ротора привела к тому, что в 1936 г. центрифуга могла совершать 120000 оборотов в минуту. При такой скорости на осаждающуюся частицу действовала сила в 525 000 F (где F - сила тяжести).

Следующим этапом исследования белков стало изучение гемоглобина и гемоцианина. Подверглись анализу также седиментационные характеристики 100 белков, участвующих в дыхательных процессах многих животных. Было доказано, что у всех белков молекулы имеют круглую форму, монодисперсны и обладают большой молекулярной массой. Расширив с помощью ультрацентрифуги сферу исследования за счет других биологических макромолекул, С. обнаружил, что такие углеводы, как целлюлоза и крахмал, образуют длинные, тонкие, полидисперсные молекулы.

На протяжении всей жизни С. интересовался также явлением радиоактивности. В конце 20-х гг. он занимался изучением действия альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, на растворы белков. После открытия в 1932 г. Джеймсом Чедвиком нейтрона, С. сконструировал небольшой генератор нейтронов для изучения воздействия облучения нейтронами и получения радиоактивных изотопов в качестве химических и биологических индикаторов.

В 1949 г., по достижении пенсионного возраста, С. вышел в отставку. Однако специальным постановлением ему было разрешено сохранить за собой пост директора незадолго до этого созданного при Упсальском университете Института ядерной химии Густава Вернера, где благодаря главным образом его усилиям был установлен синхроциклотрон.

С. был человеком живого ума и разнообразных интересов. Прекрасный фотограф-любитель, глубоко интересовался ботаникой и был обладателем одной из лучших в Швеции ботанических коллекций. Женат он был четыре раза: на Андреа Андреен (1909), Джейн Фроди (1916), Ингрид Бломквист (1938) и Маргит Халлен (1948). У него было шесть сыновей и шесть дочерей.

С. внес большой вклад в укрепление связи между академической наукой и практическим применением научных достижений. Так, во время второй мировой войны он добился развертывания в Швеции производства синтетического каучука. Сторонник понимания науки как явления интернационального, он приглашал на работу в Упсальский университет иностранных ученых. Работая на стыке наук, С. внес весомый вклад в объединение физики, химии и биологии. Умер ученый 25 февраля 1971 г. в Эребру (Швеция).

С. был удостоен многих наград. В их числе медаль Берцелиуса Шведской королевской академии наук (1944), медаль Франклина Франклинского института (1949) и медаль Адольфа Густава Упсальского университета (1964). Он был почетным доктором университетов Гронингена, Висконсина, Упсалы, Гарварда, Оксфорда, Делавэра и Парижа, а также членом более 30 профессиональных обществ, включая Шведскую королевскую академию наук. Лондонское королевское общество, американскую Национальную академию наук и Академию наук СССР.

Источник информации:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

Гравитационное поле в ультрацентрифуге создается за счет быстрого вращения ротора вокруг оси, что сопровождается появлением больших центробежных ускорений на периферии ротора. Вспомним, что согласно “принципу тождественности” единой теории поля А.Эйнштейна гравитационные поля и поля порождаемые ускорением неразличимы. Они тождественны.

В мощном гравитационном поле диффузионные силы уже не в состоянии определять движение достаточно больших молекул, т.е. они уже не могут распределяться равномерно по объему, а происходит их осаждение в направлении действия центробежной силы.