БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 44-52
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
КОНФОРМАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ МОЛЕКУЛ ^БН В ГИДРАТНОЙ ОБОЛОЧКЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ СЛАБОГО ЭЛЕКТР ОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
© 2015 г. М.А. Заболотный, Ю.М. Барабаш, Н.П. Кулиш, О.П. Дмитренко, М.О. Кузьменко
Физический факультет Киевского национального университета им. Т. Шевченко, 03022, просп. А кадемика Глушкова, 4, Украина E-mail: zabolotny @univ.kiev.ua Поступила в p едакцию 26.02.14 г. После доработки 15.05.14 г.
Исследованы спектры капиллярных волн бидистиллированной воды и водного раствора NADH, а также их динамика под воздействием электромагнитного излучения миллиметрового диапазона при разных значениях пространственной частоты поверхностной волны k.
Ключевые слова: NADH, оптическое гетеродинирование, капиллярные волны, вязкость, конфор-мации полимеров.
В настоящее время создание молекулярных и биологических тестов достаточно актуально. Востребованность технологий тестирования обусловлена разнообразными техногенными загрязнениями окружающей среды и обусловленной этим необходимостью оперативного контроля ее параметров, развитием новых фармацевтических, молекулярных нанотехнологий, которые повышают требования к химической чистоте и структурной однородности создаваемых изделий. Перспективными в этом направлении показали себя технологии с применением биологических молекул, избирательные свойства которых позволяют использовать их в качестве первичных рецепторов изменений контролируемых параметров.
К числу таких первичных биомолекулярных рецепторов можно отнести никотинамидаденин-динуклеотид (NAD Н) - кофермент, присутствующий во всех живых клетках, входящий в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, и выполняющий функцию переносчика электронов и водорода, которые принимает от окисляемых веществ. Было доказано [1-4], что реакционные, люминесцентные и транспортные свойства молекул NADH зависят от их конформационного состояния, а также установлено [1,3] наличие как минимум двух конформационных состояний NADH в нейтральных водных растворах. Одна из конформаций молекулы является открытой (рис. 1), ее скелет (рибоза - дифосфатрибоза) вытянут, другая конформация - закрытой (скелет свернут, а два гетероцикла, адениновый и нико-
тинамидный, расположены параллельно и взаимодействуют друг с другом). Таким образом, в зависимости от конкретного типа процесса с участием молекул КАБЫ его скорость существенно будет определяться распределением молекул КАБЫ по конформационным состояниям. Так, при связывании в нуклеотидном ин-гибиторном центре гликогенфосфорилазы принимают участие молекулы КАБЫ закрытой (свернутой) конформации [4]. Изменение распределений конформационных состояний молекул КАБЫ в водной среде может быть достигнуто при воздействии на молекулы образца электромагнитным излучением в области его поглощения [8]. В случае реализации такой схемы открывается возможность использования КАБЫ в качестве люминесцентных датчиков предраковых патологий [2]. Таким образом, исследование закономерностей фотостимулиро-ванных конформационных переходов молекул КАБЫ представляет как теоретический [5,6], так и прикладной интерес. Отметим, что в ряде работ, использующих анализ реологических характеристик водных растворов КАБЫ для определения закономерностей динамики конфор-мационных характеристик КАБЫ, использовалось условие малости толщины слоя жидкости или учет только главных членов разложения дисперсионных уравнений в приближении слабовязкой жидкости [8]. Эти ограничения приводили к погрешностям, сравнимым по величине с ожидаемыми эффектами влияния экспонирования электромагнитными волнами, осо-
Рис. 1. Переход из свернутой в развернутую конформацию молекулы КАБЫ. Энергетически выгодный переход происходит между двумя хромофорами.
бенно в области малых длин (менее 0,03 см) капиллярных волн на поверхности образца, где влияние границы жидкости наиболее существенно. В настоящей работе проанализировано поведение капиллярных поверхностных волн, длина которых не превышает 0,02 см, что позволяет определить влияние облучения в приповерхностном слое такой же толщины.
Целью настоящей работы является исследование влияния слабого электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на реоло-гические хар актеристики приповерхностного слоя бидистиллированной воды, а также излучение спектр альных и геометрических характеристик конфор меров молекул КАБЫ в гидрат-ной оболочке, находящихся в водном растворе вблизи его границы с воздушной средой, и их зависимости от частоты внешнего слабого электромагнитного излучения.
Исследование конформационного состояния молекул КАБЫ в работе основано на использовании зависимости реологических характеристик жидкой ср еды, содержащей ра створ енные в ней твердые наночастицы фиксированного объема от формы наночастиц [5-8]. Данные об особенностях динамики реологических парамет-
ров водных растворов КАБЫ были получены с помощью исследования зависимости частоты колебаний от значения волнового вектора капиллярных волн на свободной поверхности образца. Такой метод дает возможность определять значения вязкости и поверхностного натяжения при различных толщинах эффективного объема (т.е. области локализации непрерывных линий тока частиц) деформируемой среды. Частоту колебаний капиллярных волн определяли с помощью метода оптического гетеро-динирования [7,8].
П ри фор мулировке модели учтено, что размеры пространственных неоднородностей, определяемые размерами молекул КАБЫ, намного меньше длины поверхностной капиллярной волны. Это позволяет использовать для описания особенностей кинетики капиллярных волн эффективную вязкость, которая в случае реализации ньютоновского характера течения деформируемой жидкой суспензии существенно зависит от фор мы взвешенных частиц [10]. Так, в случае эллипсоидальной формы частицы для описания вязкости суспензии можно использовать следующую параметризацию [10]:
V = V0(1 + УФ),
(1)
где ф - объемная доля взвешенных частиц, у -параметр, зависящий от формы (конформацион-ного состояния) взвешенной частицы. (Отметим, что значение объемной доли взвешенных частиц зависит от толщины приповерхностного слоя растворителя - в данном случае воды). Из выражения (1) следует, что изменение вязкости жидкой суспензии под действием внешних воздействий может свидетельствовать как об изменении геометрической формы твердых частичек суспензии при допущении их эллипсоидальной формы, так и о возможном структурировании [11] растворителя или изменении характеристик распределенных в нем бабстонов [12].
МЕТОДЫ
Динамика свободной поверхности жидкости определяется флуктуационно-диссипативными процессами [9,10], котор ые обусловливают возникновение тепловых гидродинамических флук-туаций формы свободной поверхности жидкости, характеристики которых существенно зависят от свойств среды. Возникающие флук-туационные деформации свободной поверхности образца можно рассматривать [10] как результат супер позиции распространяющихся по ней поверхностных капиллярных волн. Динамика таких волн достаточно хорошо [9,13] описывается системой уравнений Навье-Стокса и непр ерывности, которую в случае малых и пологих деформаций свободной поверхности слоя жидкости (амплитуда деформаций (к) намного меньше пространственной длины волны (X)) можно линеаризир овать и пр и двухмерном ха -рактере движения деформируемой среды представить в виде [13]:
^ (х ,у,г) = кА уу(х ,у,г) = кА
дУх(х У,г) 1 др(х ,у,г)
дг
р дх
+ v^vx (х ,у ,г), (2)
дУх(х у,г) 1 др(х ,у,г)
дг
р ду
+ vAvy(x ,у ,г),
^х(х ,у,г) д\(х ,у,г)
дх
ду
= 0.
(3)
(4)
Здесь использованы следующие обозначения: vx(x ,у,г), ^(х ,у,г) - компоненты вектора скорости частиц жидкости в точке с координатами х, у в момент времени г, р(х,у,г) -гидродинамическое давление, V - кинематическая вязкость жидкости, р - ее плотность. О сь ОУ направлена по нормали к свободной поверхности деформируемой среды, а ось ОХ -расположена на ее свободной поверхности.
В качестве граничных условий используются:
^х(х ,у ,г)
ду ' у = к(х,г)
Р(х ,у ,г)/
д^(ху,г) .
+ —2-/ = 0
дх у=к(х ,г) ' д^(х ,у,г)
2рv—^-/ ,, „ +
у = к(х,г) ^ ду
д2к(х ,г)
у = к(х,г)
+ т-
= 0
дх 2
к(х ,г) = ^у(х ,у = 0,г )ёг,
(5)
(6) (7)
где Т - коэффициент поверхностного натяжения. Скорость частиц жидкости должна стремиться к нулю при удалении от свободной границы (при у ^ -то), что соответствует уменьшению влияния поверхности при удалении от нее. Решение уравнений (2)-(7) можно представить в следующем виде:
- ехр(ку) + 2vk
■ ехр(ку) - 2vk
л/^
__V.
2к 2v + а
ехр| у
2к ^ + а
ехр| у
ехр (аг (кх), хр (аг )соз(кх),
р(х ,у ,г) = - раА ехр (ку )ехр(аг )со8(кх).
(8) (9) (10)
Здесь А - параметр, который не может быть возникновения волновых возмущений свобод-
определен, что математически обусловливается ной поверхности жидкости. Использование
однородным характером сформулированной задачи, а физически - некаузальным характером уравнений (6), (9), (10) пр иводит к следующему флуктуационных сил, являющихся причиной дисперсионному уравнению, являющемуся мо-
+
V
дификацией соответствующего известного со -отношения [13]:
(
1 + 2vk 2а-1 2Тк3
1 + -
2vk 2а-
•V
+
"О""
л
а2р
1 + 2к 2vа-1 2к 2va-1 ^
1 + 2к 2va-1
= 0,
ной волны поверхностных капиллярных волн [13].)
1 Тк 2, о 1 + —г + -к2 ра2 а
1 -
Тк3'
а2р
V +
(11)
+ 4
(к м
3 / 2
(12)
а
V /
+ 4—-— = 0. а4р
определяющего зависимость комплексной частоты а от волнового вектора к. Ур авнение (11) не имеет точного аналитического решения, и поэтому оно было модернизир овано в пр ибли-жении слабовязкой жидкости, при выполнении условия |а-1^к2 << 1 с учетом четвертого порядка малости. (Необходимость обеспечения такой точности обусловливается малостью дли-
Рассматривая два последних слагаемых в правой части уравнения (12) как малую добавку и учитывая только ее первый порядок, получаем три корня уравнения (12) - один действительный положительный корень и два комплексных. Первый корень соответствует неограниченному возрастанию амплитуды п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.