Термохимия взаимодействий в системе белок — органический растворитель — вода
Диссертация
Методом изотермической калориметрии при 25″ С определены энтальпии смачивания двух белков — сывороточного альбумина человека и бычьего панкреатического химотрипсина — в органических средах с низким содержанием воды. На основании полученных калориметрических данных на примере 12 органических растворителей различной природы (углеводороды, протоноакцепторные растворители, моноатомные алифатические… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
- 1. 1. Свойства белков в органических растворителях с 10 низким содержанием воды
- 1. 1. 1. Ферментативная активность в безводных 10 органических растворителях
- 1. 1. 2. Термостабильность белков в органических 12 растворителях
- 1. 1. 3. Регио и энантиоселективность белков, 17 суспендированных в органических средах
- 1. 1. 4. Субстратная специфичность
- 1. 1. 5. Связывание лигандов и явление «молекулярной 20 памяти»
- 1. 2. Исследования влияния природы органического 23 растворителя и его влагосодержания на свойства белков
- 1. 3. Изучение состояния белков в органических средах с 31 использованием структурных методов
- 1. 4. Термодинамические исследования межмолекулярных 35 взаимодействий, определяющих поведение белков в органических средах
- 1. 4. 1. Адсорбция воды на белках в органических средах
- 1. 4. 2. Адсорбция паров органических растворителей на 36 белках
- 1. 4. 3. Теплоемкость и термодинамические характеристики 37 сухих белков
- 1. 4. 4. Влияние влажности белка на его теплоемкость
- 1. 4. 5. Калориметрические исследования
- 1. 1. Свойства белков в органических растворителях с 10 низким содержанием воды
- 2. 1. Постановка задачи, выбор объектов исследования, 48 экспериментальных методов, программа исследования
- 2. 2. Реактивы и материалы
- 2. 2. 1. Подготовка растворителей
- 2. 2. 2. Сывороточный альбумин человека. Характеристики 52 препарата и свойства белка
- 2. 1. 4. Бычий панкреатический а-химотрипсин
- 2. 2. 4. Растворимость белков в органических средах
- 2. 3. Физико-химический эксперимент
- 2. 3. 1. Калориметрический эксперимент
- 2. 3. 2. Определение содержания воды в органических 56 растворителях
- 2. 3. 3. ИК-спектроскопические измерения
- 2. 3. 4. Изучение термостабильности белков методом 61 дифференциальной сканирующей калориметрии
- 3. 1. Тепловые эффекты, наблюдающиеся при внесении 64 осушенных белков в органические растворители с низким содержанием воды
- 3. 2. Изменения в ИК-спектрах, наблюдающиеся при 80 внесении осушенных белков в безводные органические растворители
- 3. 3. Особенности структурных изменений в этаноле, метаноле, воде и ДМСО
- 3. 4. Влияние природы растворителя на величины 87 калориметрических и ИК-спектроскопических характеристик состояния белков
- 3. 5. Влияние гидрофильности растворителей на 95 величины калориметрических и ИК-спектроскопических характеристик состояния белков
- 3. 6. Проявления термодинамической неравновесности 100 осушенных белков в результатах дифференциальной сканирующей калориметрии
- 3. 7. Влияние протонодонорной способности 102 растворителя
- 3. 8. Дифференциация действия растворителей на 104 осушенные белки
- 4. 1. Тепловые эффекты смачивания препарата 108 сывороточного альбумина человека, содержащего
- 10. % воды, водно-органическими смесями
- 4. 2. Тепловые эффекты десорбции воды с белка в 111 органических средах
Список литературы
- Rupley J.A., Careri G. Protein hydration and function 11 Adv. Protein Chem. -1991. -V. 41, -P.37−182.
- Franks F. (Ed.), Water A Comprehensive Treatise, V.4., Plenum Press, New York and London, 1975.
- Kuntz I.D., Kauzmann W. Hydration of proteins and polypeptides // Adv. Protein Chem. -1974. -V.28, -P.239−345.
- Klibanov A.M. Enzymatic catalysis in anhydrous organic solvents // Trends Biochem. Sci. -1989. -V.14, N4. -P. 141−144.
- Klibanov A.M. Asymmetric transformation catalysed by enzymes in organic solvents//Acc. Chem. Res. -1990. -V.23,N1. -P.114−144.
- Tawaki S., Klibanov A.M. Inversion of enzyme enantioselectivity mediated by the solvent//J. Amer. Chem. Soc. -1992. -V.114, -P.l882−1884.
- Zaks A., Klibanov A.M. The effect of water on enzyme action in organic media // J. Biol. Chem. -1988. -V.263, -P.8017−8021.
- Yamane Т., Kojima Y., Ichiryu T. et al Intramolecular esterification by lipase powder in microaqueous benzene: effect of moisture content // Biotechnol. Bioeng. -1989. -V.34, -P.838−843.
- Griebenow K., Klibanov A.M. On protein denaturation in aqueous-organic mixtures but not in pure organic solvents // J. Amer. Chem. Soc. -1996, -V.l 18, N47.-P.l 1695−11 700.
- ЕХалгашЯ. Биокатализаторы в органическом синтезе. М.: Мир. 1991.
- Гладилин А. К, Левашов А. В. Стабильность ферментов в системах с органическими растворителями // Биохимия. -1998. -Т.63, вып. З, -с.408−421
- Gupta M.N., in Gupta M.N. (ed.) Methods in non-aqueous enzymology. / Birhauser Verlag, Basel-Boston-Berlin. 2000. 218c.
- Zaks A., Klibanov A.M. Enzymatic catalysis in organic media at 100 °C // Science. -1984. -V.224,. -P. 1249−1251.
- Zaks A., Klibanov A.M. Enzymatic catalysis in nonaqueous solvents // J. Biol. Chem. -1988. -V.263, -P.3194−3201.
- Volkin D.V. Enzyme thermoinactivation in anhydrous organic solvents / D.V. Volkin, A. Staubli, R. Langer, A.M. Klibanov // Biotechnol. Bioeng. -1991. -V.37, -P.843−853.
- Ayala G. Thermostability of membrane enzymes in organic solvents / G. Ayala, M.T. Gomez-Puyou, A. Gomez-Puyou, A. Drszon // FEBS Lett. -1986. -V.203, -P.41−43.
- Ahern T.J., Klibanov A.M. The mechanizm of irreversible enzyme inactivation at 100 °C // Science. -1985. -V.228, -P. 1280−1284.
- Zale S.E., Klibanov A.M. Why does ribonuclease irreversibly inactivate at high temperatures? // Biochemistry. -1986. -V25, -P.5432−5444.
- Fujita J., Noda Y. Effect of gidration on the thermal stability of protein as measured by differential scanning calorimetry // Int. J. Pept. Res. -1981. -V.18, -P.12−17.
- Fujita J., Noda Y. Effect of hydration on the thermal stability of protein as measured by DSC: lysozyme-D20 system // Bull. Chem. Soc. Jpn. -1979. -V.52, -P.2349−2352.
- Rupley J. A., Graton E., Careri G. Water and globular proteins // Trends Biochem. Sci. -1983. -V.8, -P.18−22.
- Borisover M.D., Zakharychev D.V., Solomonov B.N. Effect of Solvent Composition on DSC Exothermic Peak of Human Serum Albumin Suspended in Pyridine-n-Hexane Mixtures // J. Thermal Analysis and Calorimetry. -1999. -V, 55. -P. 85−92.
- Fitzpatrick P.A., Klibanov A.M. How can the solvent effect enzyme enantioselectivity? // J. Amer. Chem Soc. -1991. -V. 113, -P.3166−3171.
- Cesti P., Zaks A., Klibanov A.M. //Appl. Biochem. Biotechnol. -1985. -V.l 1, -P. 401−407.
- Russel A.J. Antibody-antigen binding in organic solvents / A.J. Russel, L.J. Trudel, P.L. Skipper, J.D. Groopman, S.R. Tannenbaum, A.M. Klibanov // Biochem. and Biophis. Res. Commun. -1989. V. l58, N1. -P.80−85.
- Zaks A., Klibanov A.M. Substrate spesificity of enzymes in organic solvents vs. Water is reversed // J. Amer. Chem. Soc. -1986. -V.l08, -P.2767−2768.
- Dabulis K., Klibanov A.M. Molecular imprinting of proteins and other macromolecules resulting in new adsorbent // Biotechnol. Bioing. -1992. -V.39, -P.176−185.
- Slade C.J. Molecular (or bio-) imprinting of bovine serum albumin // J. Mol. Catal. B: Enzymatic. -2000. -V.9, -P.97−105.
- Partridge J. Activity and mobility of subtilizin in low water organic media: hydration is more important that solvent dielectric / J. Partridge, P.R. Dennison, B.D. Moor, P.J. Hailing // Biochem. Biophys. Acta -1998. -V.l386, -P.79−89.
- Tomiuchi Y., Kijima Т., Kise H. Fluorescence spectroscopic study of a-chymotrypsin as relevant to catalytic activity in aqueous-organic media // Bull.Chem. Soc. Jpn. -1993. -V.66, -P. 1176−1181.
- Carrea G., Ottolina G., Riva S. Rol of solvents in the control of enzyme selectivity in organicmidea // Trends bioyechnol. -1995. -V.l 3. -P.63−70.
- Narayan V.S., Klibanov A.M. Are water-immiscibility and apolarity of the solvent relevant to the enzyme efficiency? // Biotechnol. Bioeng. -1993, -V.41, -P. 390 393.
- Almarsson O., Klibanov A.M. Remarkable activation of enzymes in nonaqueous media by denaturating organic cosolvents // Biotechnol. Bioeng. 1996. — V.49, -P.87−92.
- Gribenow K., Klibanov A.M. Lyophilization-induced reversible changes in the secondary structure of proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -1995. -V.92, -P. 10 969−10 976.
- Costatntino H.R. Fourier-transform infrared spectroscopic investigation of protein stability in the lyophilized form / H.R. Costatntino, K. Griebenow, P. Mishra, R. Langer, A.M. Klibanov // Biochim. Biophys Acta. -1995. -V.1253, -P.69−74.
- Griebenow K., Klibanov A.M. Can conformational changes be responsible for solvent and excipient effects on the catalytic behavior of subtilisin Carlsberg in organic solvents? // Biotechnol. Bioeng. -1997. -V.53, N4. -P.351−362.
- Dong A. Effect of secondary structure on the activity of enzymes suspended in organic solvent / A. Dong, J.D. Meyer, B.S. Kendrick, M.C. Manning, J.F. Carpenter // Arch. Biochem. Biophys. -1996. -V.334, -P.406−414.
- Singer S.J. The propeties of proteins in nonaqueous solvents // Adv. Protein Chem. -1962. -V.17, -P.l-68.
- Chang N., Hen S.J., klibanov A.M. Protein separation and purefication in neat dimetil sulphoxid // Biochem. Biophys Res. Comm. -1991. -V. 176, N3. -P. 14 621 468.
- Хургин Ю.И. Влияние диметилсульфоксида на вторичную структуру некоторых глобулярных белков / Ю. И. Хургин, Ю. М. Азизов, J1.B. Абатуров, Г. Н. Коган, В. Я. Росляков //Биофизика. -1972. -Т. 17, -С. 390.
- Jackson М., Mantsch Н.Н. Beware of proteins in DMSO // Biochem. Biophys Acta, -1991. -V.1078, -P.231−235.
- Burke P.A. Demonstration of structural integrity of an enzyme in organic solvent by solid-state NMR / P.A. Burke, S.O. Smits, W.W. Bachovchin, A.M. Klibanov // J. Amer. Chem. Soc. -1989. -V. 111, -P. 8290−8291.
- Burke P. A., Griffin R.G., Klibanov A. M. Solid-state nuclear magnetic resonance investigation of solvent dependence of tyrosyl ring motion in an enzyme // Biotechnol. Bioeng. -1993. -V.42, -P.87−94.
- Guinn R.M. Activity and flexibility of alcohol dehydrogenase in organic solvents / R.M. Guinn, P. S. Skerker, P. Kavanaugh, D.S. Clark// Biotechnol. Bioing. -1991. -V.37, -P.303−308.
- Fitzpatrick P. A., Ringe D., Klibanov A. X-ray crrystal structure of cross-linked subtilizin Carlsberg in water vs. acetonitrile // Biochem. Biophys. Res. Comm. -1994. -V.198, -P.675−681.
- Fitzpatrick P.A. Enzyme crystal structure in neat organic solvent / P.A. Fitzpatrick, A.CU. Steinmetz, D. Ringe, A. M. Klibanov // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, -1993. -V.90, -P. 8653−8657.
- Yennavar N.H., Yennavar H.P., Farber G.K. X-ray crystal structure of y-chymotrypsin in hexane // Biochemistry. -1994. -V.32, -P.7326−7336.
- Wang Z. X-ray studies on cross-linked lysozyme crystals in acetonitrile-water mixtures / Z. Wang, G. Zhu, M. Qian, M. Shao, Y. Jia, Y. Tang // Biochim. Biophys. Acta. -1998. -V.1384, -P.335−344.
- Zhu G. X-ray studies on two forms of bovine (3-trypsin crystals in neat cyclohexane / G. Zhu, Q. Huang, Z. Wang, M. Qian, Y. Jia, Y. Tang // Biochim. Biophys. Acta. -1998. -V.1429, -P. 142−150.
- Рапли Дж., Янг П., Толлин. Исследование термических и других параметров взаимодействия воды с белками //В кн. «Вода в полимерах» / Под ред. С. Роуланд. М.: Мир, 1984, С. 114.
- Chang N., Hen S.J., Klibanov A.M. Protein separation and purification in neat dimethyl sulphoxide // Biochem. Biophys. Res. Comm. -1991. -V.176, P. 14 621 468.
- Affleck R., Haynes C.A., Clark D.S. Solvent dielectric affects on protein dynamics // Proc. Natl. Sci. USA. -1992. -V.89, -P.5167−5170.
- Yamane T. Biocatalysis in a microaqueous organic solvent / T. Yamane, Y. Kojima, T. Ichiryu, S. Shimizy // Ann. NY Acad. Sci. -1988. -V.542, -P.282−329.
- Yamane T. Intramolecular esterification by lypase powder in microaqueous benzene: factor affecting activity of pure enzyme / T. Yamane, T. Ichiryu, A. Nagata, A. Ueno, S. Shimizy // Biotechnol. Bioeng. -1990. -V.36, -P.1063−1069.
- Hailing P.J. High-affinity binding of water by proteins is similar in air and in organic solvents // Biochim. Biophys. Acta. -1990. -V.1040, -P.225−228.
- Borisover M.D., Sirotkin V.A., Solomonov B.N. Isoterm of water sorption by human serum albumin in dioxane: comparision with calorimetric data // J. Phys. Org. Chem. -1995. -V.8, -P.84−88.
- Sirotkin V.A., Borisover M.D., Solomonov B.N. Effect of chain length on interactions of aliphatic alcohols with suspended human serum albumin // Biophys. Chem. -1997. -V.69, -P.239−248.
- Benson S.W., Ellis D.A. Surface areas of protein. II. Adsorption of non-polar gases // J. Am. Chem. Soc. -1950. -V.72, -P.2095−2102
- Gorbatchuk V.V. Vapor sorption of organic compounds on human serum albumin / V.V. Gorbatchuk, M.A. Ziganshin, B.N. Solomonov, M.D. Borisiver // J. Phys. Org. Chem. -1997. -V.10, -P.901−907.
- Gorbatchuk V.V. Homotropic cooperative binding of organic solvent vapors by solid trypsin / V.V. Gorbatchuk, M.A. Ziganshin, N.A. Mironov, B.N. Solomonov // Biochim. Biophys Acta -2001. -V. 1545, -P.326−338.
- Bull H.B. Adsorption of water vapor by proteins // J. Am. Chem Soc. -1944. -V.66, N9.-P. 1499−1507.
- Yang P.-H., Rupley Y. A Protein-water interaction. Heat capacity of the lysozyme-water sustem//Biochemistry. -1979. -V.l8, -P.2654.
- Suurcuusk J. Spesific heat measurement on lysozyme, chymotryosinogen, and ovalbumin in aqueous solution and in solid state // Acta Chem. Scand., -1974. -V.B28, -P.409.
- Carreri G. Correlation of IR spectroscopic, heat capacity, diamagneticsusceptibility and anzymatic measurements on lysozyme powder / G. Carreri, E. Gratton, P.-H. Yang, Y. A Rupley // Nature. -1980. -V.284, -P.572.
- Hill T. L. Statistical mechanics of adsorption. VI. Localised unimolecular adsorption on a heterogeneous surface // J. Chem. Phys. -1947. -V.l7, -P.762.
- Luscher M., Ruegg M. Thermodynamic studies of interaction of a-chymotrypsin with water. I. Determination of the isosteric enthalpies and entropies of water binding to the native enzyme // Biochim. Biophys. Acta. -1978. -V.533, -P.428−439.
- Hnojewyj W.S., Reyerson L.H. Futher studies on the sorptions of H20 and D20 vapors by lysozyme and the deuterium-hydrogen exchange effect // J. Phys. Chem.-1961.-V.65, -P.1694.
- Борисовер М.Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Энтальпии смачивания человеческого сывороточного альбумина в органических растворителях // Журн. физ. химии. -1992. -Т.66, -С. 3130−3132.
- Borisover M.D., Sirotkin V.A., Solomonov B.N. Interactions of human serum albumin suspended in water-organic mixtures // Thermochim. Acta. -1996. -V.284,. -P.263−277.
- Borisover M.D., Sirotkin V.A., Solomonov B.N. Heat effects and water sorption by human serum albumin on its suspension in water-dimethyl sulphoxide mixtures //Thermochim. Acta. -1995. -V.256, -P. 175−183.
- Борисовер М.Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Состояние сывороточного альбумина человека в водно-органических смесях // Ж. физ. химии. -1994. -Т.68, N5. -С.882−885.
- Perrin D.D., Armarego W.L.F., Perrin D.R. Purification of Laboratory Chemicals. Oxford: Pergamon Press, 1980.
- Christian S.D., Taha A.A., Gash B.W. // Q. Rev. Chem. Soc. -1970. -V.24, -P.20−36.
- Riddick J.A., Toops E.E. Organic solvents. Physical properties and methods of purefication. 2nd edition Interscience Publishers, Inc., New York, 1955.
- Hansen H.K., Rasmussen P., Fredenslund A., Shiller M., Gmehling J. // Ind. Eng. Chem. Res. -1991. -V.30, -P.2352−2355.
- Коган В. Б., Фридман Б. Н., Кафаров В. В. Равновесие меду жидкостью и паром. Кн. 1. М.: Наука, 1966.
- Trainer С., Tzias P., Chemla IvL, Poltoratskii G.M. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. -1976. -V.172, -P.2007.
- Lam S.Y., Benoit R.L. Some thermodynamic properties of the dimethylsulphoxide-water and propylene carbonate-water systems at 25°C// Can. J. Chem. -1974. -V.52, -P.718−722.
- Krach Hansen U. //Pharmacol. Rev. -1986. -V.33, -P.17−53.
- Мосолов B.B. Протеолитические ферменты, M, 1971.
- Хеммингер В., Хене Г. Калориметрия: теория и практика. М.: Химия, 1989.
- Ничуговский Г. Ф. Определение влажности химических веществ. JL: Химия, 1977.
- Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1989.
- Рябин В. А., Остроумов М. А., Свит Т. Ф. Термодинамические свойства веществ. JL: Химия, 1977. С. 75.
- Byler D.M., Susi Н. Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra // Biopolymers. -1986. -V.25, -P.469−487.
- Структура и стабильность биологических макромолекул. // Под ред. Волькенштейна М. В. М.: Мир. 1973.
- Райхардт К. Растворители и эффекты среды в органической химии. Пер. с английского. М.: Мир, 1991. 763 с.
- Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1978.
- Dong A., Huang P., Caughey W.S. Protein secondary structure in water from second-derivative amide I infrared spectra // Biochemistry -1990. -V.29, -P.3303−3308.
- Борисовер М. Д, Столов A.A., Черкасов A.P., Изосимова C.B. Соломонов Б. Н. Калориметрическое и ИК-спектроскопическое изучение межмолекулярных взаимодействий воды в органических растворителях. Журнал физической химии. -1994, -Т.68, -С.56−62.
- Макшакова О.Н., Файзуллин Д. А., Федотов В. Д., Сироткин В. А., Соломонов Б. Н. Структурные изменения в альбумине при сорбции паров воды и диоксана. Сборник статей «Структура и динамика молекулярных систем», -2002, Выпуск 9, Т.2, -С. 12−14.
- Сироткин В.А., Соломонов Б. Н., Файзуллин Д. А., Федотов В. Д. Сорбция паров воды и ацетонитрила сывароточным альбумином человека // журнал физической химии -2002. -т.76, N12, -С.2255−2262.
- Ке Т., Klibanov A.M. On enzymatic activity in organic solvents as a function of enzyme history, Biotechnol. Bioeng. -1998, -Vol.57, -C.746−750.
- Dai L., Klibanov A.M. Striking activation of oxidative enzymes suspended in nonaqueous media, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, -1999, -Vol. 96, -P.9475−9478.