Разработка калориметрического метода и капиллярного титрационного калориметра для изучения биохимических реакций
Диссертация
Разработка методических основ и аппаратно-программных средств для реализации метода по теме диссертационной работы выполнена в рамках программы «Научное приборостроение РАН», объединяющей наиболее актуальные и перспективные разработки в биологии, биотехнологии, биохимии, физико-химической биологии, медицине и многих других областях науки и техники. Развитие фундаментальных и прикладных… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Метод титрационной калориметрии для определения термодинамических параметров процессов связывания
- 1. 1. Определяемые параметры связывания и достоинства метода
- 1. 2. Алгоритмы определения параметров связывания
- 1. 3. Использование изотермической титрационной калориметрии в биотехнологии
- 1. 4. Использование титрационной калориметрии для определения параметров кинетики ферментативных реакций
- 1. 5. Титрационная калориметрия — универсальный метод для изучения молекулярных взаимодействий
- 1. 6. Первые установки и современные титрационные калориметры
- 1. 7. Тенденции в построении титрационных калориметров
- Глава 2. Разработка метода титрационной изотермической калориметрии для изучения биохимических реакций
- 2. 1. Метод выделения рабочего объема калориметрических камер в капиллярном калориметре
- 2. 2. Оценка точности выделения рабочего объема калориметрической камеры в капиллярном калориметре
- 2. 3. Экспериментальная проверка метода теплового шунтирования
- 2. 4. Смешивание реагентов в капиллярной калориметрической камере капиллярного калориметра
- 2. 5. Определение времени выравнивания концентрации титранта по образцу в рабочем объеме цилиндрической калориметрической камеры
- 2. 6. Определение коэффициента диффузии по времени выравнивания концентрации титранта в образце, заполняющем оптическую кювету спектрофотометра
- 2. 7. Тестирование капиллярного калориметра
- 2. 8. Ввод дозирующей иглы внутрь калориметрической камеры через активный тепловой шунт
- Глава 3. Капиллярный калориметр
- 3. 1. Обоснование построения капиллярного калориметра
- 3. 2. Описание конструкции капиллярного калориметра
- 3. 3. Программное обеспечение
- 3. 4. Системы автоматического регулирования температуры теплового экрана
- 3. 5. Калориметрические камеры капиллярного калориметра
- 3. 6. Аппаратные средства системы управления капиллярным калориметром
- Глава 4. Результаты исследований, полученные на капиллярном калориметре, и развитие метода титрационной калориметрии
- 4. 1. Капиллярный калориметр для исследований дисперсных систем
- 4. 2. Комплексы включения между додецилсульфатом натрия и циклодекстрин-содержащими трубками
- 4. 3. Капиллярный калориметр как основа для разработки многоканального капиллярного дифференциального калориметра
- 4. 4. Дифференциальный титрационный сканирующий калориметр
- Выводы
Список литературы
- Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов 13-е изд., исправленное .- М. гНаука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986 544 с.
- Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ.-М.Мир, 1984.-541с.
- Киппер А.И., Котельников Г. В., Эскин В. Е. Метод определения теплоемкости макромолекул в растворе // Высокомолекулярные соединения.-1976.-T.XIX, N5.-C.1173−1175.
- Комплексы включения, образуемые додецилсульфатом натрия и циклодекс-триновыми нанотрубками / Калашников Ф. А., Котельников Г. В., Моисеева С. П., Топчиева И. Н. // Коллоидный журнал.- 2004.-T.66,N5.- С.608−612.
- Котельников Г. В., Сидорович А. В. Микрокалориметр ДСМ-2М при исследовании полимеров // Высокомолекулярные соединения.-1983.-T.XXV, N12.-С.2622−2626.
- Кутателадзе С.С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче.-М.:Энергоиздат, 1959.-416 с.
- Ю.Овчинников Ю. А. Биология и биотехнология: достижения и прогнозы // Химия жизни: Избранные труды .-М.:Наука, 1990 С.432−440
- Теория автоматического управления / Под ред. А. В. Нетушила. М.:Высшая школа, 1976 400 с.
- A New Ultrasensitive Scanning Calorimeter / Plotnikov V.V., Brandts J.M., Lin L.-N., Brandts J.F. // Anal. Biochem.-1997.-Vol.250,N2.-P.237−244.
- A twin titration micricalorimeter for the stude of biochemical reactions / McKinnon I.R., Fall L., Parody-Morreale A., Gill S.J. // Anal. Biochem.-1984.-Vol.139.-P. 134−139.
- An electrical impedance tomography measurement systen for experimental use / Savolainen Т., Kaipio J.P., Karjalainen P.A., Vauhkonen M. // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N10.-P.3605−3609.
- An isothermal titration microcalorimeter / Christensen J.J., Gardner J.W., Eatough D.J., Izatt R.M., Watts P.J., Hart R.M. // Rev. Sci. Instrum.-1973.-Vol.44,N4.-P.481−484.
- Barcelo F., Ortiz-Lombardia M., Portugal J. Heterogeneous DNA binding modes of berenil //Biochim. et Biophys. Acta.-2001.-Vol.l519.-P.175−184.
- Bianconi M.L. Calorimetric determination of thermodynamic parameters of reaction reveals different enthalpic compensations of the yeast hexokinase isozymes//J. Biol. Chem.-2003.-Vol.278.-P. 18 709−18 713.
- BindWorks Data Modeling Software // Technical Information Brief .-Calorimetry Sciences Corp.:Spanish Fork, Utah, USA.-2000.-2p.
- Black C.B., Cowan J.A. A critical evaluation of metal-promoted Klenow 3b-5b exonuclease activity: calorimetric and kinetic analyses support a one-metal-ion mechanism // JBIC.-1998.-Vol.3.-P.292−299.
- Briggner L.E., Wadso I. Test and calibration processes for microcalorimeters, with special reference to heat conduction instruments used with aqueous systems // J. Biochem. Biophys. Methods.-1991.-Vol.22.-P.101-l 18.
- Christensen J J., Izatt R.M., Hansen L.D. New precision thermometric titration calorimeter//Rev. Sci. Instrum.-1965.-Vol.36,N6.-P.779−783.
- Christensen J.J., Johnston H.D., Izatt R.M. An isothermal titration calorimeter // Rev. Sci. Instrum.-1968.-Vol.39,N9.-P. 1356−1359.
- Clugston S.L., Yajima R., Honek J.F. Investigation of metal binding and activation of Escherichia coli glyoxalase I: kinetic, thermodynamic and mutagenesis studies 11 Biochem J.-2004.-Vol.377.-P.309−316.
- Complexation studies of zwitterionic amino acids with crown and guanidinium compounds using titration calorimetry / Czekalla M., Stephan H., Habermann В., Trepte J., Gloe K. and Schmidtchen F.P.// Thermochimica Acta.-1998.-Vol.313-P.137−144.
- Constantin F., Dumitru M., Korschinek G. Computer controlled high-voltage injector//Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,Nl.-P.l 61−164.
- CSC 5200 Jet Titration Calorimeter // Technical Information Brief.-Calorimetiy Sciences Corp.:Provo, Uta, USA.
- CSC Web page: www.calscorp.com
- CTD2156 is basis for the designing of Multi-channel capillary differential titration calorimeter / Kotelnikov G.V., Moiseyeva S.P., Mezhburd E.V., Maevsky E.I.,
- Grishina E.V. I I Proc. the 31st Annual Conference of the North American Thermal Analysis Society on Thermal Analysis and Applications, September 22−24, 2003, Albuquerque, New Mexico, USA .-M.J. Rich, Ed.-2003.- on CD-ROM.
- Demchenko A.P., Rusyn O.I., Saburova E.A. Kinetics of the lactate dehydrogenase reaction in high-viscosity media // Biochim. et Biophys. Acta.- 1989.-Vol.998.-P.l 96−203.
- Design and testing of a new microcalorimetric vessel for use with living cellular systems and in titration experiment / Gorman Nordmark M., Laynez J., Schon A., Suurkuusk J., Wadso I. // J. Biochem. Biophys. Methods.-1984.-Vol.l O.P.I 87−202.
- Determination of thermodynamic and kinetic parameters from isothermal heat conduction microcalorimetry: application to long-term-reaction studies / Willson R.J., Beezer A.E., Mitchell J.C., Watson Loh // J.Phys.Chem .- 1995 .- Vol.99.-P.7108−7113.
- Donnert J., Caruthers M.H.and Gill S.J. A calorimetric investigation of the interaction of the lac repressor with inducer // J. Biol. Chem.-1982.-Vol.257, N24.-P. 14 826−14 829.
- El Harrous M., Gill S.J. and Parody-Morreale A. Description of a new Gill titration calorimeter for the study of biochemical reactions. I: assembly and basic response of the instrument//Meas. Sci. Technol.- 1994.-Vol.5.-P. 1065−1070.
- Eli W., Chen W. and Xue Q. The association of anionic surfactants with |3-cyclodextrin. An isothermal titration calorimeter study // J. Chem. Thermodynamics." 1999 .-Vol.31 .-P. 1283 -1296
- Freire E. Thermodynamic-based algorithms in drug design. High affinity, selectivity and adaptibility // 2003 Current Trends in Microcalorimetry: Proc. of the Conference July 20−26 2003 Boston, MA.- MicroCal Inc.:Northampton, MA, USA.-2003
- Freire E., Mayorga O., Straume M. Isothermal Titration // Anal. Chem.- 1990.-Vol.62, N18.-P.950−959.
- Gaisford S., Buckton G. Potential applications of microcalorimetry for the study of physical processes in pharmaceuticals // Thermochimica Acta.-2001.-Vol.3 80.-P.185−198.
- Garcia-Fuentes L., Baron C. and Mayorga O.L. Influence of dynamic power compensation in an isothermal titration microcalorimeter // Anal. Chem.-1998.-Vol.70, N21-P.4615−4623.
- Green D.P., Balcom B.J., Lees T.J. Sensor measuremenr and experimental control in nuclear magnetic resonance imaging // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,Nl.-P.102−107.
- Gruen M., Prinz H., Gautel M. cAPK-phosphorylation controls the interaction of the regulatory domain of cardiac myosin binding protein С with myosin-S2 in an on-off fashion // FEBS Letters.-1999.-Vol.453.-P.254−259.
- Hansen L.D. Future projections from some past developments in calorimetric instruments and techniques at Brigham Young University, 1960−2000 // Thermochimica Acta.-2000.-Vol.355.-P.89−94.
- Haq I. Calorimetry in the fast lane: The use of ITC for obtaining enzyme kinetics constants // LLC application note.- Microcal, Inc. Northampton, MA, USA, 2002.-P.6.
- Harrous M.E., Mayorga O.L., Parody-Morreale A. Description of a new Gill titration calorimeter for the study of biochemical reactions. II'.operational characterization of the instrument//Meas. Sci. Technol.-1994.-Vol.5.-P. 1071−1077.
- Heat of protonation of endoglucanase V catalytic domain (EGV-core) from Humicola insolens / Galletto R., Attanasio F., Dossi E., Schulein M., Rialdi G. // Thermochimica Acta.-1998.-Vol.321 .-P.l 7−21.
- Holbrook J.J., Stinson R.A. The use of ternary complexes to study ionizations and isomerizations during catalysis by lactate dehydrogenase // Biochem. J.-1973.-Vol.131, N4.-P.739−748.
- Ikeda Т., Ooya Т., Yui N. Inclusion complexation of fractionated a-cyclodextrin molecular tube with sodium dodecyl sulfate // Polymers for Advanced Technologies.-2000.- Vol.11.-P. 830−836.
- Improved control and data-acquisition electronics for high-resolution electron energy loss spectroscopy / Xie J., Wang Y., Mitchell W.J., Felino A., Schick M., Weinberg W.H. //Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N3.-P.710−714.
- Interaction of heparin with annexin V / Capila I., VanderNoot V.A., Mealy T.R., Seaton B.A., Linhardt R.J. // FEBS Letters.-1999.-Vol.446.-P.327−330.
- Karlsson R., Kullberg L. A computer method for simultaneous calculation of equilibrium constants and enthalpy changes from calorimetric data // Chemica Scripta.-1976.-Vol.9.-P.54−57.
- Kelley R.F., O’Connell M.P.Thermodynamic analysis of an antibody functional epitope // Biochemistry .-1993.-Vol.32,N27.-P.6828−6835.
- Kemp R.B., Lamprecht I.- La vie est done un feu pour la calorimetrie: half a century of calorimetry Ingemar Wadso at 70 // Thermochimica Acta.-2000.-Vol.348.-P.l-17
- Kinetic and structural characterization of a product complex of 6-hydroxymethyl-7,8-dihydropterin pyrophosphokinase from Escherichia coli / Garcon A., Bermingham A., Lian L.Y., Derrick J.P. // Biochem J.-2004.-Vol.380.-P.867−873.
- Kotelnikov G.V., Moiseyeva S.P., Krayev V.P. Calorimetric method for adjusting the mass of culture fluid in a bioreactor // Rev. Sci. Instrum.- 1998.- Vol.69, N5.-P.2137−2140.
- Lab View. User Manual.-National Instruments: Austin,'Texas, USA, 1998.-514P.
- Ladbury J. Isothermal titration calorimetry: application to structure-based drug design // Thermochimica Acta.-2001.-Vol.380.-P.209−215.
- Marquardt D. An Algorithm for least squares estimation of nonlinear parameters // SIAM J.Appl. Math.-1963.-Vol. 11 .-P.431−441.
- Method of separating the sensitive volume of calorimetric cells in a differential titration calorimeter / Kotelnikov G.V., Moiseyeva S.P., Mezhburd E.V., Krayev V.P. //J. Therm. Anal. Cal.-2000.-Vol.62.-P.39−50.
- More J.J. The Levenberg-Marquardt Algorithm: Implementation and Theory // Numerical Analysis. Lecture notes in mathematics .-Berlin: Springer-Verlag, 1977.-VoI.630.-P. 105−116.
- Morin P.E., Freire E. Direct calorimetric analysis of the enzymatic activity of yeast cytochrome с oxidase // Biochemistry.- 1991.- Vol.30.-P.8494−8500.
- Myers M., Mayorga O.L., Emtage J., Freire E. Thermodynamic characterization of interactions between ornithine transcarbamylase leader peptide and phospholipid bilayer membranes // Biochemistry.-1987.-Vol.26.-P.4309−4315.
- New isothermal titration calorimeter for investigations on very small samples. Theoretical and experimental studies / Kotelnikov G.V., Moiseyeva S.P., Mezhburd E.V., Krayev V.P. // J. Therm. Anal. Cal.-2002.-Vol.68.-P.803−818.
- Ohyama Т., Cowan J.A. An approach to the evaluation of RNA solution structure and metal coordination chemistry by titration calorimetry // JBIC.-1996.-Vol.l.-P.83−89.
- Ohyama Т., Cowan J.A. Influence of monovalent cations on magnesium binding to poly-RNA by solution titration calorimetry: an analysis of the salt dependence of binding enthalpies and entropies // JBIC.-1996.-Vol. 1.-P. 111−116.
- Okubo M., Suzuki Т., Sakauchi A. Microanalysis of the surface concentration of sulfate groups at polystyrene particle by isothermal titration calorimetry // Colloid Polym. Sci.-1999.-Vol.277.-P.579−582.
- OMEGA Data Analysis in Origin.-MicroCal, Inc.: Northampton, MA, USA.-1991.-71p.
- Ortiz-Salmeron E., Baron C., Garcia-Fuentes L. Enthalpy of captopril-angiotensin I-converting enzyme binding // FEBS Letters.-1998.-Vol.435.-P.219−224.
- Patent U.S. 2003/113 748 Int. CI.7: C12Q 1/70 Metods for determinig plasma free drug concentration by direct measurement of binding affinity of prorease inhibitors to plasma proteins / D. Xie, W. Cao, J.W.Erickson.-14p.:fig.
- Patent U.S. 3,899,918 Int.Cl.2 :G01K 17/00 Differential microcalorimeter / Privalov P.L., Makurin P. S., Plotnikov V.V., Koryagin V.V., Polpudnikov V.S., Stepanjuk G.P.-6p.:fig.
- Patent U.S. 4,112,734, Int.Cl.2: G01K 17/00 Differential Scanning Micro-calorimeter / Goryachev V.I., Kotelnikov G.V., Makurin P. S.-6p.:fig.
- Patent U.S. 5,707,149, Int.Cl.6: GO IK 017/00 Device and method for measuring the heat of reaction resulting from mixture of a plurality of reagents / Freire E., Privalov G.P., Privalov P.L. and Kavina V.V.-12p.:fig.
- Patent U.S. 5,967,659, Int.Cl.6: G02N 25/20 Ultrasensitive differential microcalorimeter with user-selected gain setting / Plotnikov V.V., Brandts J.F., Brandts M. J.- llp.:fig.
- Petit C.M., Koretke K.K. Characterization of Streptococcus pneumoniae thymidy-late kinase: steady-state kinetics of the forward reaction and isothermal titration calorimetry // Biochem. J.-2002.-Vol.363.-P.825−831.
- Pluschke G., Mutz M. Use of isothermal titration calorimetry in the development of molecularly defined vaccines // J. Therm. Anal. Cal.-1999.-Vol.57.-P.377−388.
- Poznanski J., Wszelaka-Rylik M., Zielenkiewicz W. Concentration dependencies of NaCl salting of lysozyme by calorimetric methods // Thermochimica Acta.-2004.-Vol.409.-P.25−32.
- Ramsay G., Prabhu R., Freire E. Direct measurement of the energetics of association between myelin basic protein and phosphatidylserine vesicles // Biochemistry.-1986.-Vol.25.-P.2265−2270.
- Rapid measurement of binding constants and heats of binding using a new titration calorimeter / Wiseman Т., Williston S., Brandts J.F. and Lin L. // Anal. Biochem.-1989.-Vol. 179.-P. 131−137
- Saboury A. New methods for data analysis of isothermal titration calorimetry // J. Therm. Anal. Cal.-2003 .-Vol.72.- P.93−103.
- Saboury A.A. Isothermal titration microcalorimetric method for studying the combined ligand binding with application to the binding of ethylurea and (N, N) dimethylurea on urease // Thermochimica Acta.-1998.-Vol.320.-P.97−100.
- Schon A., Freire E. Thermodynamics of intersubunit interactions in cholera toxin upon binding to the oligosacchride portion of its cell surface receptor, ganglioside GMi // Biochemistry.-1989.-Vol.28.-P.5019−5024.
- Spink C., Wadso I. Calorimetry as an analytical tool in bio-chemistry and biology // Methods Biochem. Anal.-1976.-Vol.23.-P.l-159.
- Spokane R.B.and Gill S J. Titration microcalorimeter using nanomolar quantities of reactants // Rev. Sci. Instrum.-1981.-Vol.52, N11-P. 1728−1733.
- Srinivas V.R., Reddy G.B., Surolia A. A predominantly hydrophobic recognition of H-antigenic sugars by winged bean acidic lectin: a thermodynamic study // FEBS Letters.-1999.-Vol.45O.-P. 181−185.
- Tellez-Sanz R., Garcia-Fuentes L., Baron C. Calorimetric analysis of lisinopril binding to angiotensin I-converting // FEBS Letters.- 1998.-Vol.423.-P.75−80.
- Thompson K.C. Pharmaceutical applications of calorimetric measurements in the new millennium // Thermochimica Acta.-2000.-Vol.355.-P.83−87.
- Time-resolved electron spectrum diagnostics for a free-electron laser / Gillespie W.A., MacLeod A.M., Martin P.F., van der Meer A.F.G., van Amersfoort P.W. // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N3.-P.641 -648.
- Time-resolved fluorescence lifetime imaging microscopy using a picosecond pulsed tunable dye laser system / Periasamy A., Wodnicki P., Wang X.F., Kwon S., Gordon G.W., Herman B. // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N10.-P.3722−3731.
- Todd M.J., Gomez J. Enzyme kinetics determined using calorimetry: A general assay for enzyme activity // Anal. Biochem.-2001.-Vol.296.-P.179−187.
- Use of isothermal titration calorimetry to measure enzyme kinetic parameters // ITC Application Note .- Microcal, Inc. Northampton, MA, US A, 2004 .-P.6
- Utzig E. Heat conduction microcalorimeter for thermokinetics and titration experiments //J. Therm. Anal. Cal.-1998.-Vol.54.-391−397.
- VP-ITC MicroCalorimeter User’s Manual.-Microcal, Inc.: Northampton, MA, USA, 2001.-P.93.
- Wadso I. Design and testing of a micro reaction calorimeter // Acta chemica scandinavica.-1968.-Vol.22.-P.927−937.
- Waldron T.T., Schrift G.L., Murphy K.P. Salt effects in Rnase-Ligand interaction: screening or competitive binding? // 2003 Current Trends in Micro-calorimetry: Proc. of the Conference July 20−26, 2003, Boston, MA.
- Wang W., He T. A high precision micropositioner with five degrees of freedom based on an electromagnetic driving principle // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,Nl .-P.312−317.
- Wartski L., Schwebel C., Aubert J. Radio frequency. Microwave, and electron cyclotron resonance ion sources for industrial application // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N3 .-P. 895−900.
- Watt G.D. A microcalorimetric procedure for evaluating the kinetic parameters of enzyme-catalyzed reactions: kinetic measurements of the nitrogenase system // Anal. Biochem.-1990.-Vol. 187.-P. 141 -146.
- Wave form analysis of constant capacitance-voltage transient deep level transient spectroscopy using an iterative feedback system / Okamoto Y., Yonekura H., Morimoto J., Miyakawa T. // Rev. Sci. Instrum.-1996.-Vol.67,N3.-P.809−812.
- Williams B.A., Toone E.J. Calorimetric evaluation of enzyme kinetics parameters //J. Org. Chem.-1993.-Vol.58.-P.3507−3510.1. Основные обозначения
- ЕС 3.1.27.5- тип ХИ-А RS-232 интерфейс передачи данных
- VP-ITC изотермический титрационный калориметр, выпускаемый
- MicroCal, Inc. (США) АДФ аденозин-5-дифосфат
- АЦП аналого-цифровой преобразователь
- ДАСМ-1 дифференциальный адиабатический сканирующий микрокалориметр, выпускаемый СКБ БП АН СССР ПО программное обеспечение
- САР система автоматического регулирования1. Ср изобарная теплоемкость
- ЦАП цифро-аналоговый преобразователь
- ШИМ широтно-импульсная модуляция
- Выражаю свою признательность Романову Льву Степановичу за долголетнее творческое сотрудничество при создании капиллярного дифференциального титрационного калориметра.
- Благодарю всех сотрудников лаборатории разработки методов и приборов для исследований микроорганизмов ИБП РАН, оказавших помощь при выполнении работы.