Конформационные переходы в сложных полиэлектролитных системах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ



11а правах рукописи

Кротова Мария Константиновна

КОНФОРМАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СЛОЖНЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность: 02.00.06 — Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва 2011

4845966

Работа выполнена па кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических паук

профессор, академик РАН Хохлов Алексей Ремович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических паук,

Субботин Андрей Валентинович, Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Тоичиева РАН, Москва

доктор химических наук,

Сергеев Владимир Глебович,

химический факультет МГУ им. Ломоносова

Ведущая организация: Институт' химической физики

им. H.H. Семенова РАН, Москва

Зашита состоится I июня 2011 года в 16:30 на заседании Диссертационного Совета Д.501.002.01 в Московском государственном университете по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские Горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, ауд. 10ФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 29 апреля 2011 г.

??

ручное

Ученый секретарь диссертационного сой кандидат фиш ко- мату Щ|1|1 "e^ciijh

ЕЛя

II I >S |j I •• * nj

.—. Т. В. Лаптинская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Полиэлектролиты - это макромолекулы, несущие в своей последовательности некоторую долю ионогенных групп. В полярных растворителях иноногенные группы диссоциируют, образуется заряженная полимерная цепь (макроион) и низкомолекулярные контрионы. Полиэлектролитами являются природные макромолекулы (к примеру, ДНК, белки), природные модифицированные макромолекулы (например, хитозан, различные производные целлюлозы) и синтетические полимеры (полиакриловая и полиметакриловая кислоты, сульфированный полистирол и т.д.). Полиэлектролиты могут содержать только одноименно отрицательно (полианионы) или положительно (поликатионы) заряженные группы или нести звенья с зарядами обоих знаков (полиамфолиты). Наличие зарядов, с одной стороны, и высокая степень полимеризации, с другой, обусловливают то, что полиэлектролиты обладают уникальными, не характерными как для незаряженных макромолекул, так и для низкомолекулярных электролитов, свойствами. Полиэлектролитные макромолекулы, как правило, хорошо растворяются в воде, их конформация весьма чувствительна к изменению свойств растворителя и внешней среды, они способны к внутри- и межмолекулярной самоорганизации. По-видимому, во многом благодаря этому комплексу свойств природные полиэлектролитные макромолекулы функционируют в живой природе, а их модификации и синтетические аналоги находят широкое применение в различных областях промышленности. Важность глубокого понимания поведения полиэлектролитов для многих областей науки и промышленности (таких как молекулярная биология, биотехнология, косметология, фармацевтика, пищевая промышленность, нефтедобыча и т.д.) обусловила пристальный непрекращающийся интерес к изучению полиэлектролитов с самого начала развития полимерной науки и до настоящего времени. Однако, несмотря на

з

большой объем исследований и совокупность полученных результатов, многие из важных полиэлектролитных систем остаются непонятыми.

Данная работа посвящена исследованию двух таких систем. Это интерполимерные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, и комплексы ДНК и отрицательно заряженных белков.

Цель работы. Исследование структуры интерполимерных полиэлектролитных комплексов, состоящих из макромолекул с различным сродством к растворителю, и построение теории компактизации ДНК в присутствии сильно заряженного белка, несущего одноименный с ДНК отрицательный заряд.

Научная новизна результатов.

• Впервые исследованы интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из противоположно заряженных макроионов с различным сродством к растворителю, в растворах, содержащих низкомолекулярную соль.

• Впервые показано, что увеличение размеров интерполимерных полиэлектролитных комплексов при введении низкомолекулярной соли может быть вызвано увеличением размеров самого комплекса, а не ростом числа цепей, входящих в него.

• Впервые исследовано поведение ДНК в растворах одноименно заряженных белков и показано, что такие белки могут вызвать компактизацию ДНК.

• Впервые показано, что введение низкомолекулярной соли может привести к деколлапсу ДНК, компактизация которой была вызвана

введением сильно отрицательно заряженного белка.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты уже применяются и перспективны для дальнейшего использования при интерпретации и систематизации экспериментальных данных. Кроме того, результаты работы перспективны и с точки зрения непосредственного практического использования при создании новых функциональных материалов и систем для медицины, косметологии, фармацевтики.

Публикации. На основе результатов данной диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 3 статьи и 6 тезисов докладов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 5-ой международной летней школе «ДНК и хромосомы: физический и биологический подходы» (DNA and Chromosomes: Physical and Biological Approaches), Корсика, Франция, 2009 г.; на втором азиатском симпозиуме по современным материалам (2nd Asian symposium on advanced materials), г. Шанхай, Китай, 2009 г.; на международной конференции «Горизонты молодых в физике полимеров» (Young frontiers on polymer physics), Киото, Япония, 2009 г.; Пятой Всероссийской Каргинской конференции «Наука о полимерах 21-му веку», г. Москва, Россия, 2009 г.; всемирном полимерном конгрессе (World Polymer Congress MACRO-2010), г. Глазго, Великобритания, 2010 г.; на 8-ом международном симпозиуме по полиэлектролитам (8th International Symposium on Polylectrolytes ISP 2010), r. Шанхай, Китай, 2010 г.; Международном форуме по нанотехнологиям, г. Москва, 2010 г.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с научным руководителем при его личном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 107 страниц, включает 35 рисунков и список литературы из 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении диссертации обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава содержит обзор литературы по теме диссертации; она состоит из трех параграфов. Первый параграф посвящен описанию собственно полиэлектролитных макромолекул, конформационное поведение и свойства перехода клубок-глобула которых отличаются от соответствующих свойств электронейтральных макромолекул вследствие дополнительных взаимодействий, обусловленных наличием заряженных звеньев в цепи полимера и присутствием низкомолекулярных контрионов, свободно перемещающихся в растворе. Показано, что в зависимости от свойств системы (размера образца, соотношения между разноименными группами и т.д.) можно выделить режимы, в которых важен тот или иной вклад в свободную энергию. Показано, что во многих случаях, когда цепи содержат заряды одного знака, основным вкладом в свободную энергию является трансляционная энтропия контрионов, а собственно электростатическими взаимодействиями можно пренебречь. Во втором параграфе описаны основные современные представления о растворимости и строении интерполимерных полиэлектролитных комплексов,

сформированных из противоположно заряженных макромолекул. Описаны две современные модели строения интерполимерных комплексов («лесенка» и «болтунья»), выявлены условия растворимости комплексов - наличие избыточного заряда (нестехиометрические комплексы) или введение гидрофильных групп в одну из цепей (это блок-иономеры или комплексы из макромолекул с различным сродством к растворителю). В комплексах блок-иономеров один из макроионов представляет собой диблок-сополимер из заряженного и гидрофильного блоков, в комплексах из макромолекул с различным сродством к растворителю гидрофильные группы включены непосредственно в. основную цепь. Было показано теоретически, а позже подтверждено и экспериментально, что комплексы таких макромолекул имеют двухфазную структуру «ядро - гидрофильная оболочка». Наличие гидрофильной оболочки препятствует агрегации различных комплексов. Третий параграф посвящен обзору литературных данных по компактизации ДНК, описанию явления молекулярного вытеснения. Известно, что в живой клетке ДНК находится в плотном сжатом состоянии, что обусловлено наличием большого числа различных молекул или эффектом молекулярного вытеснения. Для того, чтобы промоделировать эффект молекулярного вытеснения in vitro, в растворитель, содержащий ДНК, вводят различные вещества, вызывающие ее компактизацию. Исследования показали, что компактизация ДНК, как правило, происходит как фазовый переход первого рода, однако детали перехода - критическая концентрация осадителя, ширина области сосуществования фаз, структура промежуточной стадии -сильно зависят от конкретной природы компактизующего агента. В случае полиэтиленгликоля основным фактором, приводящим к компактизации ДНК, является осмотическое давление, возникающее из-за несовместимости полиэтиленгликоля и ДНК, в случае полиаминов - реакция обмена ионов, а при компактизации хитозаном - обмен ионами и притяжение хитозана к ДНК.

Главы 2-3 содержат оригинальные результаты.

Вторая глава посвящена интерполимерным полиэелектролитным комплексам.

Во второй главе в первом параграфе представлена модель интерполимерных полиэлектролитных комплексов, состоящих из противоположно заряженных макромолекул с различным сродством к растворителю, в растворах низкомолекулярной соли.

Каждый интерполимерный комплекс образован двумя противоположно заряженными макромолекулами: гидрофильной А и гидрофобной С. Макромолекулы А и С несут одинаковый по величине заряд Q, причем макромолекула А отрицательно заряжена и вдвое длиннее, чем положительно заряженная макромолекула С. Заряженные звенья в обоих случаях распределены вдоль цепи случайным образом и несут единичный заряд е.

Пусть N - степень полимеризации положительно заряженной макромолекулы С, а /-ее степень ионизации: f=QIN. В соответствии со сказанным выше степень полимеризации NA отрицательно заряженной макромолекулы А и ее степень ионизации/А равны: Ыл =2N',fA=ß2.

Предполагается, что интерполимерный комплекс имеет сферическую форму и двухфазную структуру типа ядро-оболочка, как и в случае отсутствия соли. Внутренняя часть комплекса радиуса R,„ содержит звенья обеих макромолекул, а внешняя (ее радиус Roul) состоит исключительно из звеньев более длинной гидрофильной макромолекулы А (Рисунок 1).

Внешняя часть

Рисунок 1. Схематическое изображение интерполимерного полиэлектролитного комплекса, состоящего из макроионов с различным сродством к растворителю в растворе, содержащем низкомолекулярную соль.

В таком случае свободную энергию можно представить в виде суммы четырех слагаемых:

F-FDH+Fci+Finl+Fel,

где Fqh - это энергия электростатического притяжения в приближении Дебая-Хюккеля, Fm, - энергия некулоновских взаимодействий мономерных звеньев макромолекул А и С с растворителем и между собой, Ретрансляционная энтропия ионов соли, Fei - энергия упругой деформации макромолекул. Равновесные значения внешнего Vou, и внутреннего У,„ объемов интерполимерного комплекса, концентрации соли в его ядре и оболочке определяются из условий равенства осмотических давлений и химических потенциалов сосуществующих фаз.

Во втором параграфе представлены результаты вычислений. В результате вычислений были определены объемная доля поликатиона в ядре

l\U г- «

комплекса <рс = , объемная доля звеньев полианиона во внутренней части

комплекса <p¿ = —и внешней оболочке <рл =4 л А'—, а также доля

N'"

мономерных звеньев &NA = 1 ——, образующих оболочку, в зависимости от

N л

концентрации соли ns при разных значениях заряда и длины цепей, параметров Флори-Хаггинса взаимодействия с растворителем поликатиона Xcs и полианиона XaS

А В

ф, • • • -

■р." - -.

10* 1х105 1*10' 10! р 10:

10* 1x10* 1*10" 1í! ю'

Рисунок 2. Зависимости объемной доли поликатиона <рс, объемной доли полианиона внутри ядра <р" и вне него <р'"' (А) и доли звеньев полианиона ЛИА в оболочке (В) от концентрации низкомолекулярной соли и, при N=1000, /= 1,

Пример рассчитанных зависимостей приведен на рисунке 2. Из рисунка 2 видно, что при относительно небольших концентрациях соли п5 объемная доля полианиона <ртЛ внутри ядра комплекса приблизительно вдвое превышает объемную долю поликатиона <рс, и только небольшая доля звеньев образует внешнюю оболочку. Доля звеньев полианиона Шл, образующих защитную оболочку, линейно растет с повышением

концентрации соли, но остается достаточно небольшой, и потому величины 4>,пл и <рс практически не изменяются вплоть до некой критической концентрации соли пс5г, когда комплекс скачком меняет свои размеры. В этой точке происходит переход глобула-клубок обеих составляющих комплекс цепей и "деколлапс" комплекса как целого. После резкого перехода в клубковое состояние макроионы все еще формируют комплекс, однако доля звеньев полианиона АА'д, вышедших в оболочку, становится значительно выше. Начиная с концентрации п", все больше мономерных звеньев полианиона выходят из ядра, в указанной области зависимость ЛМА от концентрации соли более сильная: Д/УЛ и, наконец, при

концентрации и* доля звеньев становится приблизительно равной единице. Иными словами, макромолекулы полианиона и поликатиона практически разошлись, и комплекс разрушился. Обе макромолекулы при этом пребывают в клубковом состоянии вследствие полиэлектролитного эффекта, обусловленного наличием большого числа одноименно заряженных групп в каждой из цепей. Дальнейшее увеличение концентрации соли приводит к экранировке полиэлектролитного эффекта и сжатию макромолекул. Поскольку макромолекула поликатиона несет больший заряд в расчете на звено (ее степень ионизации вдвое превышает степень ионизации полианиона), она сжимается менее значительно, чем имеющий сродство с растворителем полианион. Исследования показали, что свободная энергия комплекса в расчете на звено монотонно увеличивается с ростом степени полимеризации макроиона при всех значениях концентрации соли, а это означает, что агрегация комплексов не выгодна.

С целью сравнения результатов теории с экспериментом была рассчитана зависимость видимых размеров частиц Лс/ от концентрации соли (параграф 2.3). Было предположено, что до критической концентрации соли п5, т.е. до полного разрушения интерполимерного комплекса, видимый

и

размер Дс/ равен размеру полианиона, формирующего внешнюю оболочку: ЙС/=Д. После разрушения комплекса средний размер частиц равен:

здесь Л с и ЯА размеры независимо двигающихся поликатиона и полианиона.

Свободная энергия макроиона в последнем случае (как катиона, так и полианиона) представляется в виде суммы трех слагаемых:

где - свободная энергия некулоновских взаимодействий, - свободная энергия трансляционной энтропии контрионов, - упругая свободная энергия;./ = С или А (поликатион или полианион).

В равновесии осмотические давления, а также химические потенциалы ионов соли равны. Из этих условий равновесия определяются равновесные размеры макромолекул. Уравнения были решены численно с параметрами, соответствующими параметрам, использованными для интерполимерных комплексов.

Примеры зависимости размеров интерполимерного комплекса Яс/ и среднего от размеров отдельных макроионов показаны на рисунке 3. Отметим, что зависимость размеров частиц ЯС1 от концентрации соли немонотонна. При низкой концентрации соли интерполимерные комплексы сжаты, а при некой критической концентрации соли п% размер комплекса /?с; резко возрастает.

При более высоких концентрациях соли размер комплекса (видимый размер частиц) остается постоянным вплоть до точки полного разделения полианиона и поликатиона.

А

В

Рисунок 3. Зависимости вычисленных размеров частиц /?с/ (с) от концентрации соли п5 при/с=0.6, /с.ч=0.75, -0.75 и Ис=200 (А); 1000 (В). Соответствующие радиусы одиночных поликатиона Яс (а) и полианиона (Ь) показаны пунктирной линией.

В этой точке и( = п3 среднии размер частицы определяется как среднее размеров полианиона ЯА и поликатиона Яс. Размер макроиона внутри комплекса (кривая с) отличается от его размера в свободном состоянии (кривые а и Ь). Другими словами, размер поликатиона г в комплексе несколько больше, чем размер свободного поликатиона Яс. Напротив, размер полианиона 7? в комплексе несколько меньше, чем размер ЯА свободной макромолекулы. Соответственно, можно предположить, что средние размеры Дс/ частиц в точке п5 определяются относительной разницей в размерах макроиона в свободном состоянии и в комплексе. Отметим, что при данных параметрах в случае, когда комплекс состоит из макромолекул относительно малой степени полимеризации (Л^с=200, ЫА=400) при концентрации соли п5 наблюдается резкое скачкообразное уменьшение Лс/ (Рисунок 3 А). А вот для более длинных макромолекул (Л^с-ЮОО, 7^=2000) изменения в Яс/ не столь значительны (Рисунок 3 В).

Отметим, что здесь после распада комплекса Rci плавно уменьшается с ростом концентрации соли выше ns.

В четвертом параграфе представлены экспериментальные данные, полученные в лаборатории профессора М. Верта (Франция), с целью сопоставления с выводами теории. Были приготовлены интерполимерные полиэлектролитные комплексы из биосовместимых макромолекул -положительно заряженных макромолекул полилизина PLL различной молекулярной массы (PLL12: Mw = 12,700 г/моль, PLL27: М„ = 26,300 г/моль and PLL80: Mw = 73,500 г/моль) и отрицательно заряженных макромолекул поли-(лизина цитрамида) PLC А (Mw = 39,000 г/моль) и поли-(лизин цитрамид имида) PLCAI (Mw = 51,000 г/моль). Размеры интерполимерных полиэлектролитных комплексов определяли посредством измерения гидродинамического радиуса Rh макромолекулы методом динамического светорассеяния.

А В

Рисунок 4. Экспериментальные зависимости гидродинамического радиуса Яь ИПЭК от концентрации соли п3. А: ■ РШО-РЬСА ; • РЬЬ27-РЬСА ; А РШ2-РЬСА. В: т РШ0-РЬСА1; • РЫ27-РЬСА1; А РШ2-РЬСА1

На рисунке 4 представлены зависимости Rh от концентрации соли для

комплексов РЬЬ-РЬСА и Р1Х-РЬСА1. В чистой воде размер частицы Р1Х-РЬСА составлял порядка 100-150 им (Рисунок 4 А). При увеличении концентрации соли от 0 до 0.1 М, частицы интерполимерного комплекса РЬЬ-РЬСА начинают набухать, что приводит к резкому увеличению их размеров и помутнению раствора. При концентрациях соли выше 0.2 М размеры частиц уменьшаются вначале плавно (Рисунок 4 А). Так продолжается до некой концентрации соли, при которой наблюдается резкое уменьшение размеров комплекса. И критическое значение концентрации соли, и резкость уменьшения размеров также зависят от степени полимеризации РЬЬ.

Чем выше молекулярный вес РЬЬ, тем более пологое первоначальное уменьшение размеров и тем более резкое последующее падение размеров. Концентрация соли ИаС1, необходимая для дестабилизации комплекса РЬЬ-РЬСА увеличивается от 0.85 М до 1 М, а максимальный размер частиц этих комплексов увеличивается от 725 до 840 нм при увеличении молекулярной массы РЬЬ от 12,700 до 73,500 г/мол. При высоких концентрациях соли значения Я), для смеси РЬЬ-РЬСА были подобны тем, которые были измерены для размеров полиионов, взятых отдельно при высоких концентрациях соли (5-10 нм).

Третья глава посвящена исследованию компактизации ДНК в растворах отрицательно заряженных белков на примере белка бычьего сывороточного альбумина.

В первом параграфе описаны свойства бычьего сывороточного альбумина (БСА) - белка плазмы крови крупного рогатого скота, состоящего из 582 аминокислотных остатков. Бычий сывороточный альбумин часто используется в иммунодиагностических процедурах, химических исследованиях белков, благодаря неспецифическому связыванию с белками. Свойства молекул БСА определяются состоянием раствора, в частности его кислотностью. В физиологических условиях

размеры БСА (40x40x140 А) сравнимы с размерами сечения ДНК (20 А), а его заряд (—18е) того же знака, что и заряд макромолекул ДНК. Таким образом, БСА можно рассматривать как сильно заряженную частицу с размерами порядка сечения ДНК.

Во втором параграфе представлена теория компактизации полиэлектролитной макромолекулы (N - полное число сегментов Куна в макроионе) в растворе сильно заряженных компактных белковых молекул НСР (НСР - Highly Charged Protein) и низкомолекулярной соли 1-1 с концентрацией ns (Рисунок 5).

© © ©

Рисунок 5. Схематическое изображение макромолекулы ДНК в растворе НСР. Пунктирной линией показан эффективный объем ДНК (двухфазное приближение).

Была предложена следующая модель. Пусть У,о1 - объем системы, приходящийся на одну макромолекулу ДНК. Можно поделить объем У,0, на две части: объем, занимаемый макромолекулой У,„ и внешний объем Уех, без макромолекулы. Введем также следующие обозначения: / - степень ионизации макромолекулы, е - элементарный заряд. Общий заряд

шш Двойная цепь ДНК

ф БСА, заряд -Q

© одновалентный катиан

макромолекулы будет равен Ы/е. Он компенсируется низкомолекулярными противоположно заряженными контрионами, которые двигаются свободно в растворе, а их общее число равно И/. Контрионы распределены по всему объему системы. В двухфазном приближении, которым мы воспользовались при построении теории, можно предположить, что каждый контрион может быть либо внутри объема, занимаемого макромолекулой (связанный контрион), либо свободно перемещаться во внешнем объеме (свободный контрион). Чем больше контрионов выходит в раствор, тем выше суммарный заряд макроиона (области Ут). Обозначим через /? долю свободных контрионов, тогда эффективный заряд макроиона будет равным ры/е.

Будем рассматривать сильно заряженные белковые макромолекулы НСР как плотные частицы с отрицательным зарядом Qe и характерным размером Рй. Заряд сильно заряженных белковых молекул НСР <2е полностью компенсируется () противоположно заряженных контрионов, двигающимися в окрестности НСР.

Свободная энергия такой системы Р может быть записана как сумма четырех вкладов: свободной энергии упругой деформации

макромолекулы, свободной энергии взаимодействия Рт1х, свободной энергии Р,г, обусловленной трансляционной энтропией ионов соли, и свободной энергии электростатических взаимодействий /^-.«а/ макроиона с избытком заряда во внешнем растворе:

Р ~ + + ^)г +

Равновесное значение свободной энергии ^ для каждого набора параметров системы определяется четырьмя условиями равновесия, а именно, равенством осмотических давлений, химических потенциалов молекул НСР и соли во внутреннем и внешнем объемах и равенством нулю производной свободной энергии F по р.

В третьем параграфе представлены результаты вычислений для различных параметров макромолекулы (степень ионизациидлина сегмента Куна /, степень полимеризации Ы), молекул НСР (заряд Q, относительный размер Р) и концентрации соли пх.

На рисунке 6 представлены зависимости коэффициента набухания а макроиона и доли контрионов во внешнем растворителе /? от объемной доли фр молекул НСР для разных концентраций соли Коэффициент набухания

а, как это общепринято, был рассчитан как отношение размера макроиона к невозмущенным размерам его идеального клубка.

А В

Рисунок 6. Зависимость коэффициента набухания а (А) и доли контрионов во внешнем растворителе /3 (В) от объемной доли фр для различных

концентраций соли = 10~6 (а), 5-10'6 (Ъ), 10'5 (с). ф1 - критическая концентрация перехода клубок-глобула./=0.1, Ш=4.0, N=100, Q=10, Р=2.0.

Видно, что при всех рассчитанных случаях при низком содержании НСР во внешней среде макромолекула находится в сильно набухшем состоянии, с увеличением фр макромолекула сжимается и претерпевает

скачкообразный переход клубок-глобула. Чем выше концентрация соли и„ тем меньше коэффициент набухания а макромолекулы при малых значениях

фр ; введение низкомолекулярной соли приводит к сжатию макроиона.

Однако с увеличением концентрации соли ns переход клубок-глобула смещается в область более высоких значений фр и уменьшается амплитуда

изменений размеров макромолекулы в точке перехода. Т.е. чем больше концентрация соли ns, тем больше молекул НСР надо ввести в раствор, чтобы вызвать компактизацию ДНК. Этот вывод несколько неожидан, поскольку, как правило, до сих пор общепринято было, что низкомолекулярная соль способствует компактизации ДНК, т.е. чем выше содержание низкомолекулярной соли, тем меньше компактизующего вещества нужно добавить.

Тот факт, что введение низкомолекулярной соли в раствор, содержащий НСР, противодействует компактизации, означает, что в растворах НСР возможен возвратный переход клубок-глобула-клубок при последовательном увеличением концентрации соли, если, к примеру, макромолекула ДНК будет помещена в раствор с концентрацией НСР, которая находится в области между фА и фв.

Также можно вначале индуцировать переход клубок-глобула увеличением концентрации фР молекул НСР при фиксированной концентрации соли ns (или в ее отсутствие), а затем вызвать обратный переход глобула-клубок - зафиксировав концентрацию НСР и увеличивая концентрацию соли ns. Такие эксперименты были проведены нашими японскими коллегами в лаборатории профессора К. Йошикавы (г. Киото). Результаты этих экспериментов описаны в четвертом параграфе.

Исследования процессов компактизации ДНК в водно-солевых растворах бычьего сывороточного альбумина (БСА) были проведены методом флуоресцентной микроскопии при комнатной температуре (около 24 °С). При каждом значении концентрации БСА и концентрации NaCl определялась большая ось L образа 50 случайно выбранных молекул ДНК.

Результаты измерений представлены на рисунке 7. -100 тМ 1ЧаС!-

[BSA] = 1 %(w /V)

psi-condensation (compaction) with PEG

+ salt ш

unfolding by salt with BSA

+ salt

0 1 2 3 4 5 6 0.6 t

10 %(w/v)

200 mM NaCI 0.6-, 15 %(w/v)

0.40.2

-Ч-я

0 1 2_3 4 5 6

Рисунок 7. Распределения молекул ДНК по большой оси Ь образа в растворах, содержащих молекулы БСА и низкомолекулярную соль ИаС1. Значения концентраций БСА и ЫаС1 указаны на графиках.

На том же рисунке во вставках показаны псевдотрехмерные изображения интенсивности излучения отдельных образов ДНК, полученные с помощью флуоресцентной микроскопии.

Видно, что при концентрации [¿УаС7]=100 шМ и маленькой концентрации БСА [БСА]=1 % (\у/у), макромолекулы ДНК имеют вытянутую конформацию, соответствующую клубковому состоянию, при этом среднее значении Ь примерно равно 3 цш. Довольно широкий разброс значений Ь объясняется тепловыми флуктуациями клубков ДНК. С увеличением концентрации БСА среднее значение Ь уменьшается, и ДНК претерпевает переход клубок-глобула. Область сосуществования разных фаз наблюдается при 10 % (\у/у) объемной доли БСА, при которой наблюдаются частично и полностью компактизованные структуры (два максимума на распределении). Сосуществование глобулярного и клубкового состояний означает, что фазовый переход является переходом первого рода.

Таким образом, здесь, в отличие от обычного сценария, наблюдаемого при компактизации ДНК в растворах различных компактизующих веществ, если раствор содержит сильно заряженные компактные макромолекулы, увеличение концентрации соли приводит не к дальнейшей компактизации молекул ДНК, а к их деколлапсу.

Таким образом, предложенная теория не только описала фазовый переход первого рода клубок-глобула макромолекулы ДНК с увеличением концентрации сильнозаряженных компактных макромолекул, но и предсказала обратный переход макромолекулы в клубковое состояние при увеличении концентрации низкомолекулярной соли. Эти результаты получили экспериментальное подтверждение.

В заключении перечислены основные выводы и результаты диссертации.

В работе были исследованы сложные полиэлектролитные системы, обладающие необычным откликом на введение низкомолекулярной соли: стехиометрические интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с одинаковым зарядом, но различным сродством к растворителю, и молекулы ДНК в растворах одноименно и сильно заряженных белков.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1) Построена теория, описывающая интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, в присутствии низкомолекулярной соли. Показано, что при введении низкомолекулярной соли интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, претерпевают переход глобула-клубок, сохраняя структуру «ядро - гидрофильная оболочка», и только при дальнейшем увеличении концентрации соли разрушаются.

2) Построена теория компактизации ДНК в растворах сильно и одноименно заряженных белковых молекул. Показано, что введением отрицательно заряженного белка можно вызвать коллапс ДНК, который происходит как фазовый переход первого рода. Добавление низкомолекулярной соли в растворы, содержащие такие белки, может ослаблять их действие, как компактизующего агента, и вызывать возвратный деколлапс ДНК.

3) Теоретические результаты находятся в соответствии с данными специально поставленных экспериментов.

Список публикаций но теме диссертации.

1. М.К. Кротова, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Влияние низкомолскулярной соли на стсхиомстричсскис полиэлектролитные комплексы, состоящие из противоположно заряженных макромолекул с различным сродством к растворителю. - Высокомолекулярные соединения А 2009, т. 51 А, №10, стр. 1760-1768.

2. М.К. Krotova, V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov. Salt effects on interpolymer complexes of oppositely charged macromolccules having different affinity to solvent. - Macromolecules 2009, v.42, n. 19, pp. 7495-7503.

3. M.K. Krotova, V. V. Vasilevskaya, N. Makita, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov. DNA compaction in a crowded environment with negatively charged protein. -Phys.Rev.Lett. 2010, v. 105, n.12, 128302 (1-4).

4. M.K. Krotova, V. V. Vasilevskaya, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov. DNA Compactization in a Crowding Environment with Protein. DNA and Chromosomes: Physical and Biological Approaches. 5th international summer school, Cargeese, France, 2009, p. 17.

5. V.V. Vasilevskaya, M. K. Krotova. Interpolymer complexes of oppositely charged macromolecules having different affinity to water. The Second Asian Symposium on Advanced Materials ASAM-2. Shaghai, China, 2009, p. 152.

6. V.V. Vasilevskaya, M. K. Krotova, L. Leclercq. Interpolymer polyelectrolyte complexes of macromolecules having different affinity to solvent. Macro 2010 43rd IUPAC World Polymer Congress, Glasgow, UK, CI2-P28.

7. M.K. Krotova, V. V. Vasilevskaya, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov. DNA compactization in a crowded environment with negatively charged protein. Ill Международный Форум по Напотехпологням. Москва, 2010.

8. М.К. Кротова, В.В. Василевская, А.Р. Хохлов, К. Йошикава. Комнакгизация ДНК в растворе отрицательно заряженных молекул бычьего сывороточного альбумина. Пятая Всероссийская Карпшская конференция «Полимеры - 2010», стр. 39.

9. М.К. Krotova, V. V. Vasilevskaya, К. Yoshikawa, A.R. Khokhlov. DNA Compactization in a Crowding Environment with Negatively Charged Protein. 8th International Symposium on Polylectrolytes ISP 2010, Shanghai, China, p. 106.

Подписано в печать 27.04.2011 24 полосы. Формат А5. Тираж 100 экч. Заказ № 1444. Отпечатано ООО «Ресурс» 119192, г. Москна, Мичуриискин пр-кт, д. 21, корп. 4

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1. Конформационные свойства полиэлектролитных макромолекул.

1.2. Интерполимерные полиэлектролитные комплексы.

1.3. Компактизация ДНК. Эффект молекулярного вытеснения.

ГЛАВА 2. Интерполимерные полиэлектролитные комплексы. Влияние низкомолекулярной соли.

2.1. Модель.

2.2. Результаты вычислений.

2.3. Вычисление видимых размеров частиц.

2.4. Экспериментальные данные.

ГЛАВА 3. Компактизация ДНК в растворах отрицательно заряженных белков.

3.1 Свойства бычьего сывороточного альбумина.

3.2. Теоретическая часть. Модель компактизации заряженной макромолекулы в растворе сильно заряженных частиц.

3.3. Результаты вычислений.

3.4. Экспериментальные данные.

Полиэлектролиты — это макромолекулы, несущие в своей последовательности некоторую долю ионогенных групп. В полярных растворителях иноногенные группы диссоциируют, образуется заряженная полимерная цепь (макроион) и низкомолекулярные контрионы. Полиэлектролитами являются природные макромолекулы (к примеру, ДНК, белки), природные модифицированные макромолекулы (например, хитозан, целлюлоза) и синтетические полимеры (полиакриловая и полиметакриловая кислоты, сульфированный полистирол и т.д.). Полиэлектролиты могут содержать только одноименно отрицательно (полианионы) или положительно (поликатионы) заряженные группы или нести звенья с зарядами обоих знаков (полиамфолиты). Наличие зарядов, с одной стороны, и высокая степень полимеризации, с другой, обусловливают то, что полиэлектролиты обладают уникальными, не характерными как для незаряженных макромолекул, так и для низкомолекулярных электролитов, свойствами. Полиэлектролитные макромолекулы, как правило, хорошо растворяются в экологически чистом растворителе воде, их конформация весьма чувствительна к изменению свойств растворителя и внешней среды, полиэлектролитные макромолекулы обладают высокими способностями к внутри- и межмолекулярной самоорганизации. По-видимому, во многом благодаря этому комплексу свойств природные полиэлектролитные макромолекулы функционируют в живой природе, а их модификации и синтетические аналоги находят широкое применение в различных областях промышленности. Важность глубокого понимания поведения полиэлектролитных макромолекул для многих областей науки и промышленности (к примеру, таких как молекулярная биология, биотехнология, косметология, фармацевтика, пищевая промышленность, нефтедобыча и т.д.) обусловила пристальный непрекращающийся интерес к изучению полиэлектролитов с самого начала развития полимерной науки и до настоящего времени. Однако, несмотря на большой объем исследований и совокупность полученных результатов, многие из важных полиэлектролитных систем остаются непонятыми.

Данная работа посвящена исследованию двух таких систем. Это интерполимерные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, и комплексы ДНК и отрицательно заряженных белков.

Цель работы.

Исследование структуры интерполимерных полиэлектролитных комплексов, состоящих из макромолекул с различным сродством к растворителю, и построение теории компактизации ДНК в присутствии сильно заряженного белка, несущего одноименный с ДНК отрицательный заряд.

Научная новизна результатов.

•Впервые исследованы интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из противоположно заряженных макроионов с различным сродством к растворителю, в растворах, содержащих низкомолекулярную соль.

•Впервые показано, что увеличение размеров интерполимерных полиэлектролитных комплексов при введении низкомолекулярной соли может быть вызвано увеличением размеров самого комплекса, а не ростом числа цепей, входящих в него.

• Впервые исследовано поведение ДНК в растворах одноименно заряженных белков и показано, что такие белки могут вызвать компактизацию ДНК.

•Впервые показано, что введение низкомолекулярной соли может привести к деколлапсу ДНК, компактизация которой была вызвана введением сильно отрицательно заряженного белка.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты уже применяются и перспективны для их дальнейшего использования при интерпретации и систематизации экспериментальных данных. Кроме того, результаты работы перспективны и с точки зрения непосредственного практического использования при создании новых функциональных материалов и систем для медицины, косметологии, фармацевтики.

Публикации. На основе результатов данной диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 3 статьи и 6 тезисов докладов.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 5-ой международной летней школе «ДНК и хромосомы: физический и биологический подходы» (DNA and Chromosomes: Physical and Biological Approaches), Корсика, Франция, 2009 г.; на втором азиатском симпозиуме по современным материалам (2nd Asian symposium on advanced materials), г. Шанхай, Китай, 2009 г.; на международной конференции «Горизонты молодых в физике полимеров» (Young frontiers on polymer physics), Киото, Япония, 2009 г.; Пятой Всероссийской Каргинская конференции «Наука о полимерах 21-му веку», г. Москва, Россия, 2009 г.; всемирном полимерном конгрессе (World Polymer Congress MACR02010), г. Глазго, Великобритания, 2010 г.; Международном форуме по нанотехнологиям, г. Москва, 2010 г.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно с научным руководителем при его личном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 107 страницы, включает 35 рисунков и список литературы из 136 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были исследованы сложные полиэлектролитные системы, обладающие необычным откликом на введение низкомолекулярной соли: стехиометрические интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с одинаковым зарядом, но различным сродством к растворителю, и молекулы ДНК в растворах одноименно и сильно заряженных белков.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

Построена теория, описывающая интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, в присутствии низкомолекулярной соли. Показано, что при введении низкомолекулярной соли интерполимерные полиэлектролитные комплексы, состоящие из макромолекул с различным сродством к растворителю, претерпевают переход клубок-глобула, сохраняя структуру «ядро-гидрофильная оболочка», и только при дальнейшем увеличении концентрации соли разрушаются.

Построена теория компактизации ДНК в растворах сильно и одноименно заряженных белковых молекул. Показано, что введением отрицательно заряженного белка можно вызвать коллапс ДНК, который происходит как фазовый переход первого рода. Добавление низкомолекулярной соли в растворы, содержащие такие белки, может ослаблять их действие как компактизующего агента и вызвать возвратный деколлапс ДНК.

Теоретические результаты находятся в соответствии с экспериментальными данными.

Благодарности

В заключение хотелось бы выразить благодарность своему научному руководителю академику А.Р. Хохлову за постановку интересных задач, обсуждение полученных результатов и поддержку в решении научных проблем.

Автор выражает особую благодарность всем сотрудникам, студентам и аспирантам кафедры физики полимеров и кристаллов за ценные замечания и создание приятной научной атмосферы при работе над диссертацией.

Особую признательность автор выражает родителям и друзьям.

1. А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов. Статистическая физика макромолекул. Наука, Москва, 1989.

2. И.М. Лифшиц. Некоторые вопросы статистической теории биополимеров. -ЖЭТФ 1968, т.55, стр. 2408-2422.

3. И.М. Лифшиц, А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов. Объемные взаимодействия в статистической физике полимерной макромолекулы. -УФН1979, т.127, стр. 353-389.

4. А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики. Интеллект, 2010.

5. P.G. de Gennes, P. Pinkus, R.M Velasco, F. Brochard. Remarks on polyelectrolyte conformation. -J.Physique 1976, v. 37, pp. 1461-1473.

6. P. Pfeuty, R.M. Velasco, P.G. de Gennes. Conformational properties of one isolated polyelectrolyte chain in d dimensions. J.Physique Lett. 1977, v. 38, pp. 5-9.

7. A.R. Khokhlov. On the collapse of weakly charged polyelectrolytes. J.Phys.A: Math.Gen. 1980, v.13, pp. 979-987.

8. M. Stevens, K. Kremer. Structure of salt-free linear polyelectrolytes. -Phys.Rev.Lett. 1993, v. 71, pp. 2228-2231.

9. M. Stevens, K. Kremer. Form factor of free-salt linear polyelectrolyte. Macromolecules 1993, v.26, pp. 4717-4719.

10. M. Stevens, K. Kremer. The nature of flexible linear polyelectrolyte in salt free solution: a molecular dynamics study. J.Chem.Phys. 1995, v. 103, pp. 1669-1690.

11. M. Stevens, K. Kremer. Structure of salt-free linear polyelectrolytes in the Debye-Huckel approximation. J. de Physique 1996, v.6, pp. 1607-1613.

12. J. Ray, G. Manning. Counterion and coion distribution function in the counterion condensation theory of polyelectrolyte. Macromolecules 1999, v.32, pp. 4588-4595.

13. E.Yu. Kramarenko, A.R. Khokhlov, K.Yoshikawa. Collapse of polyelectrolyte macromolecules revisited. Macromolecules 1997, v.30, pp. 33833388.

14. V.O. Aseyev, S.I. Klenin, H. Tenhu. Conformational changes of a polyelectrolyte in mixture of water and acetone. J.Polym.Sci.: Polym.Phys.Ed. 1998, v.36, pp. 1107-1114.

15. V.O. Aseyev, H. Tenhu, S.I. Klenin. Contraction of a polyelectrolyte upon dilution. Light scattering studies on a polycation in saltless water-acetone mixtures. Macromolecules 1999, v.32, pp. 1838-1846.

16. C. Tanford. Physical Chemistry of Macromolecules. Wiley, New York, 1961. Русский перевод: Ч. Тенфорд. Физическая химия полимеров. Издательство "Химия", Москва 1965.

17. Polyelectrolyte solutions, ed. by S.A. Rice, M. Nagasawa. Academic Press, London, 1961.

18. S.E. Kudaibergenov. Recent advances in the study of synthetic polyampholytes in solution. Adv.Polym. Sci. 1999, v. 144, pp. 116-197.

19. M.B. Волькенштейн. Биофизика. Наука, Москва, 1981.

20. S.F. Edwards, P.R. King, P. Pinkus. Phase changes in polyampholytes. -Ferroelectrics 1980, v.30, pp. 3-6.

21. Y. Kantor, M. Kardar. Instabilities of charged polyampholytes. -Phys. Rev. E. 1995, v.51, pp. 1299-1312

22. A. Bhattacharjee, P. Kundu, A.Dua. Self-consistent theory of structures and transitions in weak Polyampholytes. — Macromol. Theory Simul. 2011, v.20, pp.75-84.

23. J. Wittmer, A. Johner, J.-F. Joanny. Random and alternating polyampholytes. -Europhys. Lett. 1993, v.24, pp. 263-268.

24. Е.Ю. Крамаренко, O.E. Филиппова, А.Р.Хохлов. Полиэлектролитные гели как высокочувствительные полимеры. -Высокомолекул. Соед. 2006, Т.48С, стр. 1-20.

25. Responsive Gels. ed. by К. Dusek. Advances in Polymer Science. 1993, v.109,v.110.

26. T. Tanaka. Collapse of gels and critical endpoint. Phys.Rev.Lett. 1978, v.40, pp. 820-823.

27. T. Tanaka. Phase transition in gels and a single polymer. Polymer 1978, v.20, pp. 1404-1412.

28. T. Tanaka, D. Fillmore, S.-T. Sun, I. Nishio, G. Swislow, A. Shan. Phase transition in ionic gels. Phys.Rev.Lett. 1980, v.45, pp. 1636-1639.

29. B.B. Василевская, A.P. Хохлов. К теории заряженных полимерных сеток. В сб.: Математические методы для исследования полимеров. Под ред. И.М.Лифшица и А.М.Молчанова. Пущино, 1982, стр. 45-52.

30. В.В. Василевская, А.Р. Хохлов. Влияние соли на коллапс заряженных полимерных сеток. Высокомолекул. Соед. 1986, Т.28А, стр. 316320.

31. A.R. Khokhlov, S.G. Starodubtsev, V.V. Vasilevskaya. Conformational transitions in polymer gels: theory and experiment. Adv. Polym. Sci. 1993, v.109, pp. 123-171.

32. С.Г. Стародубцев, В.Р. Рябина. Набухание и коллапс полиамфолитных сеток сополимеров акриламида с метакриловой кислотой и 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфат. — Высокомолекул.соед. А 1987, т.29, стр. 2281-2285.

33. J.P. Baker, D.R. Stephens, H.W. Blanch, T.M. Prausnitz. Swelling equilibria for acrylamide-based polyampholyte hydrogels. — Macromolecules 1992, v.25, pp. 1955-1958.

34. J.P. Baker, H.W. Blanch, T.M. Prausnitz. Swelling properties of acrylamide-based ampholytic hydrogels: comparison of experiments with theory.- Polymer 1995, v.36, pp. 1061-1069.

35. A.E. English, S. Mate, T.A. Manzanares, X. Yu, A.Yu. Grosberg, T. Tanaka. Equilibrium swelling properties of polyampholyte hydrogels. -J.Chem.Phys. 1996, v. 104, pp. 8713-8720.

36. G. Nisato, J.P. Munch, S.J. Candau. Swelling, structure and elasticity of polyampholyte hydrogels. -Langmuir 1999, v. 15, pp. 4236-4244.

37. V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov, K. Yoshikawa. Single polyelectrolyte macromolecule in the salt solution: effect of escaped counter ions.- Macromol. Theory Simul. 2000, v.9, pp.600-607.

38. R.M. Fuoss, H. Sadek. Mutual interaction of polyelectrolytes -Science 1949, v. 110, pp.552-554.

39. E.A. Bekturov, L.A. Bimendina. Interpolymer Complexes. Adv. Polym.Sci. 1981, v.41,pp.99-147.

40. E. Tsuchida, K. Abe. Interactions between macromolecules in solution and intermacromolecular complexes Adv. Polym. Sci. 1982, v.45, pp.l-119.

41. B. Philipp, H. Dautzenberg, K.-J. Linow, J. Koetz, W. Dawydoff. Polyelectrolyte complexes recent developments and open problems. - Prog.

42. Polym.Sci., 1989, v. 14, n.l, p.91-172

43. B.A. Изумрудов, А.Б. Зезин, В. А. Кабанов. Равновесие интерполиэлектролитных реакций и явление молекулярного «узнавания» в растворах интерполиэлектролитных комплексов. Успехи химии, 1991, v. 60, №7, с.1570-1595.

44. M.W. Hsiang, R.D. Cole. Structure of histone Hl-DNA complex: Effect of histone HI on DNA condensation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977, v.74, pp.4852-4856.

45. J.-P. Behr. Gene transfer with synthetic cationic amphiphilies -prospects for gene therapy. Bioconjug. Chem. 1994, v.5, n.5, p.382-389

46. A.V. Kabanov, V.A. Kabanov. DNA complexes with polycations for the delivery of genetic material into cells. Bioconjug. Chem. 1995, v.6, n.l, p.7-20

47. R. de Vries, M.C. Stuart. Theory and simulations of macroion complexation. — Current Opin. Colloid. Interface Sci. 2006, v.l 1, pp. 295-301

48. D. Srivastava, M. Muthukumar. Interpenetration of Interacting Polyelectrolytes. Macromolecules 1994, v. 27, pp. 1461-1465

49. R.G. Winkler. Complex formation in systems of oppositely charged polyelectrolytes: A molecular dynamics simulation study. Phys. Review E 2002, v. 66, 021802 (1-7)

50. R.G. Winkler. Universal properties of complexes formed by two oppositely charged flexible polyelectrolytes. New Journal of Physics 2004, v.6, pp. 1-9

51. Z. Ou and M. Muthukumar. Entropy and enthalpy of polyelectrolyte complexation: Langevin dynamics simulations. J. Chem. Phys. 2006, v. 124, 154902 (1-11)

52. M. A. Trejo-Ramos, F.Tristân, J.-L. Menchaca, E.Pérez, M. Châvez-Pâez. Structure of polyelectrolyte complexes by Brownian dynamics simulation: Effects of the bond length asymmetry of the polyelectrolytes. J. Chem. Phys. 2007, v.126, 014901 (1-8)

53. K.-K. Kunze, R. R. Netz. Morphologies of semiflexible polyelectrolyte complexes. Europhys. Lett. 2002, v. 58, pp. 299-305.

54. O. A. Gus'kova, A. S. Pavlov, P. G. Khalatur. Polymer Science, Ser. A, 2006, v. 48, pp. 763-770.

55. C.F. Narambuena, E.P.M. Leiva, M. Chavez-Päez, E. Pérez. Effect of chain stiffness on the morphology of polyelectrolyte complexes. A Monte Carlo simulation study. Polymer 2010, v.51, pp.3293-3302

56. Y. Hayashi, M. Ullner, P. Linse. A Monte Carlo study of solutions of oppositely charged polyelectrolytes. J. Chem. Phys. 2002, v. 116, pp.6836-6845

57. Y. Hayashi, M. Ullner, P. Linse. Complex formation in solutions of oppositely charged polyelectrolytes at different polyion compositions and salt content.- J. Phys. Chem. В 2003, v. 107, pp. 8198-8207

58. Y. Hayashi, M. Ullner, P. Linse. Oppositely charged polyelectrolytes. Complex formation and effects of chain asymmetry.- J. Phys. Chem. В 2004, v. 108, pp.15266-15277

59. A. F. Jorge, J. M. G. Sarragucë, R. S. Dias, А. А. С. C. Pais. Polyelectrolyte compaction by pH-responsive agents. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, v. 11, pp. 10890-10898.

60. B.A. Изумрудов. Явления самосборки и молекулярного "узнавания" в растворах (био) полиэлектролитных комплексов. Успехиxumuu 2008, t.77, c.401-415

61. V.Yu. Borue, I.Ya. Erukhimovich. A statistical theory of globular polyelectrolyte complexes. Macromolecules 1990, v. 23, pp. 3625-3632.

62. J. Overbeek, M.J. Voorn. Phase separation in polyelectrolyte solutions: Theory of complex coacervation. Cell. Comp. Phys. 1957, v. 49, pp. 7-26.

63. M. Castelnovo, J.-F. Joanny. Formation of polyelectrolyte multilayers Langmuir 2000, v. 16, pp. 7524-7532.

64. M. Castelnovo, J.-F. Joanny. Complexation between oppositely charged polyelectrolytes: beyond the random phase approximation. Eur. Phys. J. E: Soft Matter 2001, v. 6, pp. 377-386.

65. A. Ermoshkin, M. O. de la Cruz. Gelation in strongly charged polyelectrolytes. J. Polym. Sci. B 2004, v.42, pp. 766-776.

66. A. Kudlay, A. Ermoshkin, M. O. de la Cruz. Complexation of oppositely charged polyelectrolytes: Effect of ion pair formation. -Macromolecules 2004, v. 37, pp. 9231-9241.

67. P. M. Biesheuvel, M.C. Stuart. Electrostatic free energy of weakly charged macromolecules and intermacromolecular complexes consisting of oppositely charged polymers. Langmuir 2004, v. 20, pp. 2785-2791.

68. P. M. Biesheuvel, M. A. C. Stuart. Cylindrical cell model for the electrostatic free energy of polyelectrolyte complexes. Langmuir 2004, v. 20, pp. 4764-4770.

69. A. Kudlay, M.O. Cruz. Precipitation of oppositely charged polyelsectrolytes in salt solutions. J.Chem.Phys. 2004, v. 120, pp.405-412.

70. J. Lee, Y.O. Popov, G.H. Fredrickson. Complex coacervation: A field theoretic simulation study of polyelectrolyte complexation. J.Chem.Phys. 2008, v.128, 224908(1-13).

71. E. Spruijt, A.H. Westphal, J.W. Borst, M.A.C. Stuart, J. van der Gucht. Binodal compositions of polyelectrolyte complexes. Macromolecules 2010, v. 43, pp. 6476-6484.

72. R. de Vries, M.C. Stuart. Fundamentals of Interface and Colloid Science-, Academic Press: London, 1991; v. 5.

73. A. Harada, K. Kataoka. Formation of polyion complex micells in an aqueous milieu from a pair of oppositely-charged block-copolymers with poly(ethylene glycol) segments. Macromolecules 1995, v.28, pp.5294-5299.

74. A. Harada, K. Kataoka. Chain length recognition: core-shell supramolecular assembly from oppositely charged block copolymers- Science 1999, v.238, pp.65-67.

75. A.V. Kabanov, S.V. Vinogradov, Yu.G. Suzdaltseva, V.Yu. Alakhov. Water-soluble block polycations as carriers for oligonucleotide delivery. Bioconjugate Chem. 1995, v.6, pp.639-643.

76. A.V. Kabanov, V.K. Bronich, V.A. Kabanov, K.Yu, A. Eisenberg. Soluble stoichiometric complexes from poly(N-ethyl-4-vinylpyridinium) cations and poly(ethylene oxide)-block-polymethacrylate anions. Macromolecules 1996, v.29, pp.6797-6802.

77. E.Yu. Kramarenko, A.R. Khokhlov, P. Reineker. Micelle formation in a dilute solution of block copolymers with a polyelectrolyte block complexed with oppositely charged linear chains. J. Chem.Phys. 2003, v.l 19, pp.4945-4952.

78. E.Yu. Kramarenko, A.R. Khokhlov, P. Reineker. Stoichiometric polyelectrolyte complexes of ionic block copolymers and oppositely charged polyions. J. Chem.Phys. 2006, v.125, 194902 (1-8)

79. M. Castelnovo. Thermodynamics of micellization of oppositely charged polymers. Europhys. Lett. 2003, v.62, pp.841-847.

80. V.V. Vasilevskaya, L. Leclercq, M. Boustta, M. Vert, A.R. Khokhlov. Study of interpolymer complexes of oppositely charged macromolecules with different affinity to solvent. Macromolecules 2007, v.40, pp.5934-5940.

81. S. K. Filippov, C. Konak, P.Kopeckova, L. Starovoytova, M.Spirkova, P. Stepanek. Effect of hydrophobic interactions on properties and stability of DNA-polyelectrolyte complexes. Langmuir 2010, v. 26, pp. 49995006.

82. L. Lerman. A transition to a compact form of DNA in polymer solutions. Proc.Nat.Acad.Sci. USA 1971, v.68, pp. 1886-1890.

83. L. Lerman. The polymer and salt induced condensation of DNA. In: Physico-chemical properties of the nucleic acids. Ed. by J. Duchesne, Academic, London, 1973, pp. 59-76.

84. U.K. Laemmli, J.K. Paulson, V. Hitchins. Maturation of the head of backteriophage T4. A possible DNA-packing mechanism: in vitro cleavage of the head proteins and the structure of the core of the polyhead. J.Supramol.Struct. 1974, v.2, pp. 276-301.

85. H.A. Чеботарева, Б.И. Курганов, Н.Б. Ливанова. Биохимические эффекты молекулярного краудинга. — Биохимия 2004, т. 69, с. 1522 — 1536.

86. D. Miyoshi, N. Sugimoto. Molecular crowding effects on structure and stability of DNA. Biochimie 2008, v. 90, pp. 1040-1051.

87. K. Richer, M. Nessling, P. Lichter. Macromolecular crowding and its potential impact on nuclear function Biochimica et Biophysica Acta. Molecular cell research 2008, v. 1783, pp. 2100-2107.

88. V.A. Bloomfield. DNA condensation. Curr.Opin.Struct.Biol 1996, v.6, pp. 334-341.

89. N.M. Akimenko, E.B. Dijakowa, Yu.M. Evdokimov, E.V. Frisman, Ya.M. Varshavsky. Viscosimetric study on compact form of DNA in water-salt solutions containing polyethyleneglycol. FEBSLetters 1973, v.38, pp. 61-63.

90. U.K. Laemmli. Characterization of DNA condensates induced by poly(ethylene oxide) and polylesine. Proc.Nat.Acad.Sci. USA 1975, v.72, pp. 4288-4292.

91. V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov, Y. Matsuzawa, K. Yoshikawa. Collapse of single DNA molecule in poly(ethylene glycol) solutions. -J.Chem.Phys. 1995, v.102, pp. 6595-6602.

92. A.A. Zinchenko, K. Yoshikawa. Na+ shows a markedly higher potential than K+ in DNA compaction in a crowded environment.- Biophysical J. 2005, v.88, pp. 4118-4123.

93. J. Kapuscinski, Z. Darzynkiewicz. Condensation of nucleic acids by intercalating aromatic cations. Proc.Nat.Acad.Sci. USA 1984, v.81, pp. 73687372.

94. L.S. Gosule, J.A. Schellman. Compact form of DNA induced by spermidine. Nature 1976, v.259, pp. 333-335.

95. L.S. Gosule, J.A. Schellman. Condensation with polyamines. I. Spectroscopic studies. J.Mol.Biology 1978, v.121, pp. 311-326.

96. K. Yoshikawa, M. Takahashi, V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov. Large discrete transition in a single DNA molecule appears continuous in the ensemble. Phys.Rev.Lett. 1996, v.76, pp. 3029-3031.

97. D.K. Chattoraj, L.S. Gosule, J.A. Schellman. DNA condensation with polyamines. II. Electron microscopy studies. J.Mol.Biology 1978, v. 121, pp. 327-337.

98. R.W. Wilson, V.A. Bloomfield. Counterion-induced condensation of deoxyribonucleic acid. A light-scattering study. — Biochemistry 1979, v. 18, pp. 2192-2196.

99. M. Takahashi, K. Yoshikawa, V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov. Discrete coil-globule transition of single duplex DNA induced by polyamines. -J.Phys.Chem. 1997, v. 101, pp. 9396-9401.

100. J. Widom, R.L. Baldwin. Cation-induced toroidal condensation of DNA. Studies with Co3+(NH3)6. J.Mol.Biology 1980, v. 144, pp. 431-453.

101. V.V. Vasilevskaya, A.R. Khokhlov, S. Kidoaki, K. Yoshikawa. Structure of collapsed persistent macromolecule: toroid vs. spherical globule. -Biopolymers 1997, v. 41, pp. 51-61.

102. V.A. Bloomfield. Condensation of DNA by multivalent cations: considerations on mechanism. Biopolymers 1991, v.31, pp. 1471-1481.

103. S.-M. Cheng, S.C. Mohr. Condensed state of nucleic acids. II. Effects of molecular size, base composition and presence of intercalating dyes on the i//~ transition of DNA. -Biopolymers 1975, v. 14, pp. 663-674.

104. C.B. Post, B.C. Zimm. Light-scattering study of DNA condensation: competition between collapse and aggregation. Biopolymers 1982, v.21, pp. 2139-2160.

105. R. Huey, S.C. Mohr. Condensed state of nucleic acids. III. \/(+) and \|/(.) conformational transitions of DNA induced by ethanol and salt. -Biopolymers 1981, v.20, pp. 2533-2552.

106. S.M. Melnikov, V.G. Sergeev, K. Yoshikawa. Discrete coil-globule transition of large DNA induced by cationic surfactant. J ACS 1995, v. 117, pp. 2401-2408.

107. S.M. Melnikov, V.G. Sergeyev, Y.S. Melnikova, K. Yoshikawa. Folding of long DNA chains in the presence of distearyldimethylammoniumbromide and unfolding induced by neutral liposomes. — Faraday Transaction 1997, v. 93, pp.283-288.

108. A.A.Zinchenko, V.G.Sergeyev, S. Murata, K.Yoshikawa. Controlling the intrachain segregation on a single DNA molecule. JACS 2003, v. 125, pp. 4414-2408.

109. V.G.Sergeyev, S.V.Mikhailenko, O.A.Pyshkina, I.V.Yaminsky, K.Yoshikawa. How does alcohol dissolve the complex of DNA with a cationic surfactant. JACS 1999, v.121, pp. 1780-1785.

110. В.Г. Сергеев, О.А.Пышкина, А.А.Зинченко, С.В.Зезин, А.Б.Зезин, В.А.Кабанов. Механизм взаимодействия ДНК с поверхностно-активными веществами в водно-спиртовых средах и структура их комплексов. Высокомолекул. Соед. 2003, т.45А, стр. 493-500.

111. О. Е. Philippova, Т. Akitaya, I.R. Mullagaliev, A.R. Khokhlov, К. Yoshikawa. Salt-controlled intrachain/interchain segregation in DNA complexed with polycation of natural origin Macromolecules 2005, v. 38, n.22, pp. 93599365.

112. J. Naghizadah, A.R. Massih. Concentration-dependent collapse of a large polymer. Phys.Rev.Lett. 1978, v.40, pp. 1299-1302.

113. C.B. Post, B.H. Zimm. Internal condensation of a single DNA molecule. Biopolymers 1979, v.18, pp. 1487-1501.

114. C.B. Post, B.H. Zimm. Theory of DNA condensation: collapse versus aggregation. Biopolymers 1982, v.21, pp. 2123-2137.

115. А.Ю. Гросберг, И.Я. Ерухимович, Е.И. Шахнович. О компактизации ДНК в разбавленных растворах. Биофизика 1981, т.24, стр. 415-420.

116. A.Yu. Grosberg, I.Ya. Erukhimovich, E.I. Shakhnovich. On the theory of ^-compactization. Biopolymers 1982, v.21, pp. 2413-2432.

117. H.L. Frisch, S J. Fesciyan. DNA phase transitions: the y transition of single coils. J.Polym.Sci.: Polym.Lett.Ed. 1979, v. 17, pp. 309-315.

118. K Minagawa, Y. Matsuzawa, K. Yoshikawa, A.R. Khokhlov, M. Doi. Direct observation of the coil-globule transition in DNA molecules. -Biopolymers 1994, v. 34, pp. 555-558.

119. K. Yoshikawa, Y. Matsuzawa. Discrete phase-transition of giant I DNA dynamics of globule formation from a single molecular chain. Physica D1995, v. 84, pp. 220-227.

120. T. Iwataki, S.Kidoaki, T.Sakaue, K. Yoshikawa, S.S. Abramchuk. Competition between compaction of single chains and bundling of multiple chains in giant DNA molecules.- J. Chem.Phys. 2004, v. 120, pp. 4004-4011.

121. A.A. Zinchenko, D.M. Baigl, N.Chen, O. Pyshkina, K. Endo, V.G. Sergeyev, K.Yoshikawa. Conformational behavior of giant DNA through binding with Ag+ and metallization. — Biomacromolecules 2008, v.9, n.7, pp. 1981-1987

122. A.Gonzalez-Perez, J.Carlstedt, R.S. Dias, B. Lindman. Cyclodextrins in DNA decompaction. Colloid and Surfaces B 2010, v.76, n.l, pp. 20-27.

123. S. Kidoaki, K.Yoshikawa. The folded state of long duplex-DNA chain reflects its solution history. Biophys.J. 1996, v.71, pp. 932-939.

124. S. Matsumato, K. Morikawa, M. Yanagida. Light microscopic structure of DNA in solution studied by 4,6'-diamidino-2-phenylindole staining method. J. Molecular Biology 1981, v. 152, pp. 501-516.

125. C. Bustamante. Direct observation and manipulation of single DNAmolecules using fluorescence microscopy. Rev.Biophys. Biophys.Chem. 1991, v.20, pp. 415-446.

126. B.B. Василевская, С.Г. Стародубцев, A.P. Хохлов. Улучшение совместимости в полимерных системах посредством заряжения одного из компонентов. Высокомолекул.Соед. 1987, Т.29В, стр. 930-933.

127. V.V. Vasilevskaya, I.I. Potemkin, A.R. Khokhlov. Swelling and collapse of physical gels formed by associating telechelic polyelectrolytes. -Langmuir 1999, v.15, pp. 7918-7924.

128. J. Huguet, M. Boustta, M. Vert. Water Soluble Polymers: Synthesis, Solution Properties, and Applications. McCormick, C.L. and Butler, G.B. (ed.), ACS Symposium Series 467, Washington, 1991, p.467.

129. H. Dautzenberg, A. Zintchenko, C. Konak, T. Reschel, V. Syubr, K. Ulbrich. Polycationic graft copolymers as carriers for oligonucleotide delivery. Complexes of oligonucleotides with polycationic graft copolymers. Langmuir 2001, v. 17, pp. 3096-3102.

130. Y. Sato, R. Moriyama, S. W. Choi, A. Kano, A. Maruyama. Spectroscopic investigation of cationic comb-type copolymers/DNA interaction: Interpolyelectrolyte complex enhancement synchronized with DNA hybridization. Langmuir 2007, v. 23, pp. 65-69.

131. M.L. Ferrer, R.Duchowicz, B. Carrasco, J.G. de la Torre and A.U. Acuna. The Conformation of Serum Albumin in Solution- Biophys. J. 2001, v. 80, pp.2422-2430.

132. U. Bohme, U. Scheler Effective charge of bovine serum albumin determined by electrophoresis NMR. Chem.Phys.Let. 2006, v. 435, pp. 342-345.

133. A.K. Wright and M.R. Thompson. Hydrodynamic structure of bovine serum albumin determined by transient electric birefringence.- Byophys.J. 1975, v.15, pp.137-141.