Зарядовые и дипольные взаимодействия молекул в растворах и их молекулярная подвижность тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

< .МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО "• 'ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи УДК 547. 962: 538. 955

Берловская Елена Евгеньевна

Зарядовые и дипольные взаимодействия молекул в растворах и их молекулярная подвижность.

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва 1996 г.

Работа выполнена на физическом факультете Московского Госудаственнаго Унивееитета им. М В. Ломоносова.

Научный уководитель: доктор физико-математических наук, вед. н. с. Ю. М. Петрусевич.

Официальные оппоненты: д. физ-мат. н. , проф. А. Н. Тихонов,

д. физ. -мат. н., проф. Э. К. Рууге.

Ведущая организация: Институт химической физики РАЕ

Защита состоится 1996 года в

часов на заседании Специализированного Ученого Совета N1 (К. 053.05.17) Отделения Экспериментальной и Теоретической Физики в МГУ им. М. В. Ломоносова Адрес: 117234 Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан » —щдб г.

Ученый секретарь Специализированного ■■/С'О".Упь^.

Совета N1 ОЗТФ в МГУ, канд. физ. -мат. н.- ' Д С, Шгеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ

Изучение теплового молекулярного движения биологически важных молекул и характера их взаимодействия играет чрезвычайно важную роль в понимании функционирования различных биосистем, физико-химических и биофизических явлений. Исследование динамических свойств макромолекул, молекул воды, спиртов и ионов в растворах является актуальной задачей в процессе изучения механизмов взаимодействия биологически важных макромолекул с растворителем. Параметры теплового движения макромолекул биополимеров в водной среде могут определять особенности протекания молекулярных биологических процессов.

Следует отметить, что биополимеры представляют собой хорошую модельную систему и являются очень удобным объектом исследования, поскольку их размеры, масса и некоторые другие характеристики исследованы довольно точно и, кроме того, большие размеры их молекул, относительно размеров молекул растворителя позволяют применять к ним классические подходы при изучении броуновского движения.

Вопросы взаимодействия молекул в растворе с молекулами растворителя представляют большой научный и практический интерес. Это связано не только со значением, которое имеет вода как растворитель в функционировании живых организмов, но и с влиянием различных параметров растворителя на характер броуновского движения молекул, находящихся в растворе.

Вращательная подвижность молекул в растворе зависит как от параметров среды, так и от особенностей структуры и формы молекул. Применение современных методов исследования позволяет проследить связь молекулярных движений с такими свойствами среды как рН, ионная сила, температура, диэлектрическая

проницаемость, а также с зарядовым состоянием молекул, их диполъным моментом, фэрмфактором, молекулярным весом и т. д.

В условиях функционирования живого организма перечисленные выше параметры могут претерпевать существенные изменения. Поэтому для изучения различных биологических процессов, происходящих в организме, необходимы подробные исследования на модельных системах зависимости молекулярной подвижности от различных параметров растворителя и изменяемых параметров растворенного вещества.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в исследовании влияния системы зарядов и дипольных моментов молекул на динамику броуновского движения, а также в изучении механизмов взаимодействия между молекулами при различных внешних физикио-химических условиях.

Для этого в работе использовался метод электронного парамагнитного резонанса (ЗПР), который является довольно информативными при изучении динамики молекул в области быстрых и медленных вращений.

При этом ставилась задача изучить врашдтельную подвижность малых молекул (с размерами порядка размеров молекул растворителя), обладающих значительным дипольным моментом, в растворах полярных растворителей (спиртов).

Помимо этого была поставлена задача изучить влияние концентрации ионов водорода (рН) в растворе на врашдтельную подвижность заряженных макромолекул, изучить особенности броуновского движения макромолекул биополимеров в водных растворах при различных величинах ионной силы, а также в задачу исследования входило изучить связь вращательной подвижности макромолекул с их характеристической вязкостью и с параметрами межмолекулярного взаимодействия.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней впервые:

1. Методом ЭПР показано влияние дипольного взаимодействия, а таюке влияние диэлектрических и вязкостных свойств растворителя, температуры и др. свойств среды на вращательную подвижность малых молекул. Получено адекватное соответствие эксперимента и рассчетов по геориии так называемого "диэлектрического трения".

2. Проведены исследования ЭПР спектров водных растворов белков при больших и малых значениях концентрации противоио-нов.

3. Обнаружено наличие минимума времени вращательной подвижности белков в зависимости от их концентрации при малых значениях концентрации противоинов соли.

4. Подтверждено наличие минимума времени вращательной подвижности Оелков в зависимости ог концентрации ионов водорода. Показана аномальная зависимость времени вращательной корреляции исследованных белков при изменении рН раствора.

5. Показано влияние электростатического взаимодействия между биополимерами и водой на вращательную подвижность макромолекул биополимеров в экспериментах по компенсации поверхностного заряда при изменении рН раствора.

6. Проведено последовательное изучение влияния дипольных и электрических взаимодействий на динамику броуновского движения в целом. При этом показано, что в случае наличия заряда и значительного диполького момента у макромолекулы, ее время врашательнок корреляция значительно отличается от соответствующего классического значения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Полученные в диссертационной работе результаты способствуют дальнейшему развитию представлений о молекулярных механизмах динамических процессов в растворах, вносят вклад в понимание молекулярных механизмов взаимодействия биологически важных молекул в растворах, а также в понимание механизма их вращательного движения.

Исследованное в работе влияние электростатических взаимодействий на молекулярно-динамические свойства растворов малых молекул и молекул биополимеров позволяет прогнозировать поведение ряда параметров при различных физико-химических воздействиях.

Кроме того, обнаруженные в работе эффекты изменения времени вращательной подвижности белков при изменении злектри-• ческого состояния макромолекулы, а также предлагаемый механизм этих воздействий дают основу для интерпретации на молекулярном уровне патологических изменений в биологических объектах, позволяют оптимизировать параметры физических методов их диагностики.

Построенные в данной работе зависимости параметров второй производной спектра ЭПР от времени вращательной подвижности в области медленных движений, позволяют проводить количественные исследования времен вращательной корреляции заряженных биополимеров, имеющих сравнительно большие массы.

Данные исследования могут найти практическое применение в лабораториях биофизического, физико-химического и медицинского профиля.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы докладывались на второй международной конференции по нелинейным моделям

биомембранных молекулярных структур (Цущно, 1995).

ПУБЛИКАЦИИ: По результатам диссертации опубликовано три печатных работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДКССЕРТА1ЩИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и содержит 118 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ кратко обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются основные цели и задачи, а также отмечается научная новизна и практическая значимость результатов работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой литературный обзор, в котором содержится краткое изложение теоретических и экспериментальных работ, посвященных вращательному броуновскому движению молекул в растворе, а гак же исследованию электростатических взаимодействий макромолекул. Кроме того, рассмотрены экспериментальные работы по изучению диэлектрического трения молекул, обладающих значительным дипольным моментом, в полярных растворителях.

При изложении экспериментальных результатов основное внимание уделяется данным метода ЭПР.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ дано описание применявшихся в работе ма-тиреалов и способов подготовки объектов к измерениям, а также методик определения времени вращательной подвижности из анализа спектров ЭПР.

В качестве объектов исследования в данной работе использовались следующие преапараты:

бычий сывороточный альбумин ( BSA), производства "Sigma", че-

- « -

ловеческий сывороточный альбумины (HSA), производства "Serva", гамма-глобулин, производства "Serva", нитроксильные радикалы : 16-доксил-стеариновая кислота, 5-доксил-стеарино-вая кислота и 4-малеимидо-темпо, производства "Aldrich Chem. Со.".

Растворы готовились с использованием дистиллированной воды, при этом концентрацию белков и ЭПР меток определяли по весу сухих препаратов. Значения рН растворов изменялось при помощи добавления НС1 или NaOH. Для изменения ионной силы использовали раствор NaCl.

Для изучения "диэлектрического трения" эксперименты проводились с двумя типами растворителей: бинарной системой спирт-вода и чистым спиртом. Молекула 4-малеимидо-темпо раст-

-4 3

ворялась с концентрацией 10 моль/см.

Спин-меченые образцы готовились следующим образом: навеску кадцой из спин-меток растворяли в этиловом спирте и добавляли к раствору белка в таком количестве, чтобы в растворе отношение мольной концентрации связанной спин-метки к мольной -концентрации белка было близко к единице, а концентрация этилового спирта не превышала 1%. При этом нитроксильный радикал полностью связывался с макромолекулой и спектр ЭПР отражал характер изучаемой броуновской диффузии.

Спектры ЭПР регистрировались на ЭПР-спектрометре PS-100X фирмы "Адани" с температурной приставкой. Точность измерения температуры составляла 0,1° С.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ содержится материал, посвященный изучению влияния дипольных взаимодействий на броуновское движение в растворах полярных молекул. Исследуется область быстрых вращений.

Спектры ЭПР з области быстрого вращения и время вращательной

корреляции.

Основная структура спектра ЭПР нитроксильного радикала -триплет, что связано с анизотропным сверхтонким взаимодействием неспаренного электрона с ядром атома азота.

—11 —ч

Расчет т в области быстрого вращения (10 - 10 с) производился по следующим формулам:

х1 = 665 4Н.1[{1.1/11}1/2 - И, т:2 = 673 ДНо [ {^Л^172 - 1 ] Здесь АН - расстояние (в Г с) мезду экстремумами, 10, ^ амплитуды компонент спектра ЭПР, т выражено в пикосекундах.

Модель Хабборда. "Диэлектрическое трение".

Уравнение Сгокса-Эйгаггейна-Дебая (СЭД) точно описывает поведение частиц, размеры которых значительно больше размеров молекул растворителя. Для частиц, размеры которых сравнимы с размерами молекул растворителя, следует ввести в уравнение СЭД фактор граничных условий С, который учитывает специфику взаимодействий растворенного вещества с растворителем, а также коэффициенты, учитывающие форму молекул (Г):

тсэд = Т¥- < * с >

Предположение о том, что молекулы, обладающие дипольным

моментом, имеют дополнительные потери энергии на поляризацию молекул были высказаны Цванцигом и ХабОордом, при этом причиной дополнительной диссипации энергии является так называемое "диэлектрическое трение". Время вращательной корреляции тВр было получено при решении уравнения Ланжевена, в которое кроме стандартных членов входит сила электростатических взаимодействий Ые: I сЬАП - - + ЯШ + ие(р,е,тй)

Согласно Хабборду, тВр может быть записано в виде:

т =т = = 1С + х,.

ир — U

бкТ кТ кТа (2с +1Г

т =хсэд + хй1

где iкоэффициент диэлектрического трения, е - статическая диэлектрическая постоянная, а - радиус полости, в которой движется полярная молекула, м - ее дипольный момент, х d - время (Дебая) диэлектрической релаксации растворителя.

Из этой формулы следует возрастание диэлектрического трения с ростом квадрата дипольного момента растворенной молекулы, поэтому в качестве объекта исследования была выбрана молекула 4-малеимидо-темяо, имеющая сравнительно небольшую массу (Мг=251.31) и достаточно большой дипольный момент 0*=3.14 D ).

Для исследования зависимости т от е и т^ были проведены эксперименты с двумя типами растворителей:

1) бинарной системой спирт - вода, при этом, изменяя концентрацию спирта, мы изменяли такие параметры, как ч, тс.

2) чистым спиртом, при этом, изменяя температуру системы, мы, таким образом, также изменяли v, е.

-- В тяжелых спиртах, таких как бутанол, на два порядка

больше, чем в воде, а диэлектрическая проницаемость почти на порядок меньше, что увеличивало величину диэлектрического трения нитроксильного радикала почти на три порядка.

Исследуемая молекула растворялась с концентрацией 10-4моль/см3 в смеси метанол-вода. Температура 2ЭЗ°К поддерживалась с помощью блока температур, с точностью 0.1°К. Условия регистрации спектров были следующими: при развертке магнитного поля 100 G амплитуду высокочастотной модуляции устанавливали 1 G.

На рис.1 представлена зависимость тсэд. т ¿j- и т от

концентрации, где т (время вращательной корреляции) есть суша тсэд 11 т (II' Рассчитанных по формуле Хабборда. Кружочками отмечены экспериментальные данные. Как видно из представленного графика, экспериментальные данные очень хорошо согласуются с расчетами, проведенными по теории диэлекрического трения. При этом видно, что в системе МеЮН-^О вклад от диэлектрического трения изменяется почти на порядок при увеличении концентрации метанола и становится сравнимым с величиной т .

и ад

Для экспериментов, проведенных в бутиловом спирте, соответствующие экспериментальные и теоретические данные представлены на рис.2. Из представленного рисунка видно, что при изменении температуры вклады во время вращательной корреляции от диэлектрического трения и вязкостного трения имеют близкие значения при комнатной температуре и увеличивается более чем на порядок с понижением температуры. При этом при низких температурах ( Т = 213 - 253°К ) роль диэлектрического трения возрастает.

тт..

1/Т. к

Рис.1 Рис.2

Зависимость измеренного и рассчи- Зависимость измеренного и рас-танного т от концентрации Ме1:0Н. считанного т от 1/Т в бутаноле.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследуется влияние системы электрических зарядов биополимеров на броуновское движение в водных растворах. Исследуется механизмы этого влияния. Анализируются спектры ЭПР в области медленного вращения.

ЭПР в области медленного вращения.

Времена вращательной корреляции, лежащие в диапазоне 10 -

_о

10 с относятся к области медленного вращения. Для этой области характерно нарушение лоренцевой формы линий и их взаимного расположения. В данной области времен удобным методом для расчета времени вращательной корреляции является метод расчета т по константам сверхтонкого взаимодействия:

Тг = а <1 - 3)ь , где Б= А/А2 Здесь А2~ константа сверхтонкого взаимодействия ( СТВ ) в направлении оси вращения макромолекулы в очень вязком растворе, например в растворе глицерина. А^- константа СТВ в условиях броуновского движения макромолекул в воде. При этом Ь= -1.16 ; а= 8.52 Ю-10 ( из данных, полученных Ыак-Келли для броуновской диффузии при ширине центральной линии спектра ЭПР нитроксильного радикала А Н0 = 5 Гс ).

Влияние электрических зарядов на броуновское движение.

В отличии от малых дипольных молекул, для которых дополнительные потери энергии связаны с электростатическими взаимодействиями между молекулами растворителя и молекулами растворенного вещества, для макромолекул, обладающих поверхностным зарядом, дополнительные потери энергии в основном определяется их электростатическими взаимодействиями друг с другом. Теория вращательной броуновской диффузии заряженных макромолекул была дана в работе, где приводится расчет

диффузионного коэффициента из уравнения Ланжевена, как и в теории Хабборда, но расчет проведен для заряженных макромолекул, когда тг » tj » тт: г dn/dt = - + K(t) + Ne(c,p,q). При этом: Dr=D°C1+ СС f< M^iO) M^P(t) > + Г< МРР(О) MPP(t) > }] ( 1 )

где коэффициент вращательной диффузии незаряженной макромолекулы: kT/?0 = 1/П(1+1)т°] ( 2 )

В случае спектроскопии ЭПР и ЯМР коэффициент 1= 2, a D°= 1/6т°.

Окончательно для Dr получено следующее выражение: Dr=D°(1 +С<0,16р4/С1 2е2(кТ)2гб 1 + 1,04p2q2/[fe2(kT)2r4]}) ( 3 ) Здесь е- диэлектрическая проницаемость среды, р- дипольный момент макромолекулы, q- ее заряд. Полученное соотношение для Dr показывает рост диффузионного коэффициента с увеличением концентрации макромолекул и увеличением их поверхностного заряда.

Для расчета времени вращательной корреляции можно использовать соотношение Эйнштейна для вязкости суспензии: г) = т?0( 1 + «с ). При этом, в соответствии с классической теорией СЭД, в области больших концентраций биополимера наблюдается рост времени вращательной корреляции т р . В области малых концентраций, где энергия электростатических взаимодействий превышает энергию кТ, наблюдается аномальное увеличение т при уменьшении концентрации макромолекул и увеличении их поверхностного заряда. Таким образом, в линейном приближении,

V= — 5L_£L = тго( 1 + «с ) + т*0( 1- /зс ), ( 4 )

бкт

где р - величина, зависящая от энергии диполь-зарядовых и диполь-дипольных взаимодействий между макромолекулами в соответствии с формулой (3). В целом кривая т г обладает минимумом в области малых концентраций биополимеров ( в нашем эксперименте

- 14 -

с альбумином и глобулином в области концентраций 4 - 5 % ).

Большой интерес представляет описание динамических свойств макромолекул белков в водном растворе, особенно в области малых концентраций белка, где наблюдается аномальное поведение времени вращательной подвижности. Информацию о времени вращательной корреляции макромолекул в растворе можно получить, используя метод ЭПР. Условия регистрации ЭПР спектров были следующими: при развертке магнитного поля 100 а амплитуду высокочастотной модуляций устанавливали 2 С. Измерения проводились при температуре 313°К (40°С). Точность измерения температуры составляла * 0,1°С.

На рисунке 3 представлена зависимость времени вращательной корреляции от вязкости среды, которая изменялась посредством добавления глицерина. Для определения вязкости раствора глицерин-вода при 40°С были использованы справочные данные. Линейный характер зависимости свидетельствует об адекватности применяемой методики расчета т

Далее были проведены исследования зависимости времени вращательной корреляции т:г растворов альбумина и у-глобулина в воде от изменения их концентрации и ионной силы растворов. При этом измерения проводились при различных концентрациях соли ИаС1: м = 0,01 и ц = 0,2 моль/л. Концентрация .альбумина менялась от 0,5 до 8%. В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что время вращательной корреляции в области малых концентраций белка ( от 0.5 до 5 % ) при малых значениях ионной силы значительно увеличивалось. На рис.4 представлена зависимость времени вращательной корреляции тг альбумина от концентрации, из которого видно, что кривая т^ имеет минимум при концентрации

5%.

При

дальнейшем

увеличении концентрации

белка около макромолекул .г теорией Стокса-Дебая-Эйнштейна.

Как было показано выше, в соответствии с формулой (4), уменьшение концентрации биополимера в растворе должно приводить к увеличению времени вращательной корреляции тг в так называемой области аномальной подвижности. Как видно из рисунка 4, эта область для альбумина расположена при концентрациях белка,меньших 5%. При этом заметное увеличение времени вращательной корреляции при малых концентрациях белка связано с сильным межмолекулярным электростатическим взаимодействием. Последнее подтверждается также экспериментом с увеличением ионной силы раствора до 0,2

Т. «с

О.В О-в 0.7 О.в 0.* 1 1.1 1.2 1.3 1.4

7)гСП

РИС.3

Зависимость времени

вращательной корреляции НЗА от вязкости среды. рН=6.5.

Рис.4

Зависимость времени

вращательной корреляции НЗА от концентраций при различных м. рН=6.5

моль/л. При этом компенсация поверхностного заряда биополимера противоионами соли приводит к выключению сильного электростатического взаимодействия между макроионами. В этом случае в области ранее наблюдавшегося аномального поведения тг ее величина практически не изменяется при изменении концентрации биополимера.

Аналогичные эксперименты были проведены с г-глобулином. Результаты представлены на рисунке 5, на котором так же видна область аномальной подвижности при концентрациях белка, меньших 4%, а так же видно, что увеличение ионной силы до 0,2 моль/л приводит к практической независимости от концентрации белка, поскольку в этом случае поверхностный заряд компенсируется

противоионами растворенной соли. Можно предположить, что данное явление будет наблюдаться и у других белков, имеющих различную массу и различный суммарный поверхностный заряд.

На рисунке 6 приведены зависимости времени вращательной корреляции т от Рн раствора для HSA и BSA. соответственно, при различных концентрациях

макромолекул и различных значениях ионной силы.

T,»t

01»34«t7»

С. %

Рис.5

Зависимость времени вращательной корреляции от концентрации глобулина при различных ионных силах. 1 - 0.01 моль/л, 2 -0.2моль/л. рН=6.3

Как видно из представленных графиков, время вращательной подвижности макромолекул не зависит от величины рН, если поверхностный заряд скомпенсирован противоионами соли. В случае некомпенсированного поверхностного заряда кривая зависимости времени вращательной корреляции имеет минимум при рН = 7. Ранее подобная зависимость от рН для биополимеров наблюдалась методом рэлеевского рассеяния света и методом ЯМР.

( а ) ( б )

4 б в 7 в 4вв7в»

рН РН

Рис. б

Зависимость времени вращательной корреляции от рН для 2.5% HSA (а) и 5% BSA (б) при различных значениях ионной силы. 1- а<=0,01 моль/л, 2- ¿1=0,2 моль/л.

В ШПОЯ ГЛАВЕ проводится анализ методики исследования времени вращательной подвижности в области очень медленных вращений (1СГ7-1СГ3с).

В ЗАКЛЮЧЕНИИ анализируются результаты исследования, проведенного в данной работе.

В проведенных исследованиях действительно удалось показать влияние зарядовых и дипольных взаимодействий на динамику вращательного движения в целом. При этом установлено, что электростатические взаимодействия существенно влияют на время вращательной корреляции как малых дипольных молекул, так и заряженных макромолекул.

Для малых дипольных молекул влияние электростатических взаимодействий на динамику их вращения особенно сильно проявляется в растворах спиртов с большими собственными дебаевскими временами корреляции.

Вращательное движение, изучаемое в данной работе, описывается уравнением Лагасевена, которое в случае малых молекул, обладающих диэлектрическим трением, характеризуются зависимостью вращательного коэффициента диффузии от диэлектрических свойств среды ( тд, <=), а в случае заряженных биополимеров, определяется взаимодействием макромолекул, зависящим от величины их заряда и дипольного момента.

В случае явления диэлектрического трения электрический диполь растворенной молекулы взаимодействует с молекулами растворителя, поэтому учитывается размер полости, занимаемой молекулой растворенного вещества, при этом время вращательной корреляций тем больше, чем меньше полость, в которой вращается дипольная молекула. В случае заряженных макромолекул основное

влияние на вращательное движение оказывают силы взаимодействия между макромолекулами, поэтому необходимо учитывать их заряд, дипольный момент и концентрацию макромолекул в растворе.

В общем случае энергия электростатического взаимодействия оказывается больше или пордка энергии кТ, поэтому движение является не чисто броуновским, а существенно зависит от электрических свойств молекул.

Последнее было также подтверждено в экспериментах по компенсации поверхностного заряда макромолекул посредством увеличения ионной силы раствора или изменением числа ионизированных поверхностных групп биополимера (при изменении концентрации ионов водорода), что приводит к уменьшению электротрения, а значит уменьшению вклада во время вращательной корреляции, связанного с электростатическими взаимодействиями макромолекул.

При выключении сильного электростатического взаимодействия между макромолекулами посредством компенсирования поверхностного заряда противоионами соли величина времени вращательной корреляции описываеться известной формулой Сгокса - Эйнштейна -Дебая. Для заряженных макромолекул величина времени вращательной корреляции, особенно в области малых концентраций, значительно превышает" рассчитанное значение по классической теории СЭД, что и доказывает зависимость характера движения от электрических свойств молекул.

Особое внимание в работе уделено разделению различных механизмов молекулярного вращательного движения. Это дает возможность более четко понимать физическую природу явлений.

- го -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ :

В данной работе впервые:

1. Методом ЭПР установлено существование механизма диэлектрического трения у дипольных молекул ( нитроксильных радикалов ). При этом показано существенное влияние на диэлектрическое трение таких свойств как диэлектрическая проницаемость и дебаевское время вращательной корреляции растворителя, которые и определяют его величину. Получено адекватное соответствие данных эксперимента и расчетов по теории диэлектрического трения.

2. При расчете экспериментальных данных, характеризующих время вращательной корреляции для исследованных дипольных молекул по теории ^абборда удалось разделить два механизма молекулярного трения, связанных с диэлектрическими и вязкостными свойствами растворителя.

3. Проведено последовательное изучение влияния дипольных и зарядовых взаимодействий на динамику броуновского движения в целом. При этом показано, что в случае наличия заряда и значительного дипольного момента у макромолекулы ее коэффициент 'вращательной диффузии значительно отличается от соответствующего классического выражения.

4. Впервые прямым методом измерения времени вращательной корреляции ( методом ЭПР ) показано существование области концентраций биополимеров, в которой наблюдается аномальная зависимость времени вращательной корреляции от концентрации макромолекул.

5. Доказана существенная роль поверхностного заряда макромолекул в механизме молекулярного трения. При этом величина молекулярного трения зависит от коллективных взаимодействий между макромолекулами и может быть рассчитана по модифициро-

ванному уравнению Ланжевена, учитывающему заряд-дипольные и дилоль-дипольные взаимодействия.

6. Компенсирование поверхностных зарядов посредством увеличения ионной силы или изменением числа ионизированных поверхностных групп раствора позволило дополнительно обосновать существенное влияние величины поверхностного заряда протеинов на их вращательную подвижность в широком диапазоне их концентраций.

7. Впервые показано существование двух различных механизмов молекулярного трения в растворах заряженных макромолекул. При малых концентрациях существенную роль играют заряд- дипольные и диполь-дипольные взаимодействия макромолекул биополимеров. При больших концентрациях увеличение времени вращательной корреляции определяется вязкостным трением. Эти два механизма приводят к существованию обнаруженного в данной работе минимума времени вращательной корреляции в области 4 -5 % концентраций биополимеров.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОИЕНЫ В СЛЕДЯЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Петрусевич ЕМ., Берловская Е. Е., Диэлектрическое трение дипольных молекул в растворах спиртов. // ВЕСТЕ MOCK УН-ТА. СЕР. 3 ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ 1994. Т. 35, N5, С. 56

2. Петрусевич Ю. М., Берловская Е. Е. , Аномалия вращательной подвижности заряженных протеинов, исследованная методом ЭПР. // ВЕСТЕ MOCK УН-ТА. СЕР. 3 ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 1995. Т. 36, N6, С. 45

3. Петрусевич Ю. М. , Берловская Е. Е. , Роль зарядов в аномальной диффузии протеинов, исследованная методом ЭПР. //Химическая физика, 1995. (в печати).