Як видно з табл. 2 і 3, відносні зміни коефіцієнтів поглинання і фазової постійної практично еквівалентні для розчину білка і для води: так, для води загасання при 60°С на 18.4% більше, ніж при 30°С, а для розчину білка - на 18.3%; розмір фазового зсуву для розчину при температурі 60°С склав 88% від значення фазового зсуву при 30°С, а для води - 85%. З іншого боку, відношення величини поглинання для води при 50°С до величини поглинання при 23°С склало 4.8% у бік зменшення, а для розчину САЛ - 2.6% у той же бік; відношення відповідних коефіцієнтів фазових зрушень при цих же температурах для води склало 24,1% у бік збільшення, а для розчину САЛ - 17.9% також у бік збільшення. Тому можна припустити, що з підвищенням температури змінюються не тільки властивості води, але й характер взаємодії води з білком.
Розрахунок гідратації проводився за формулою
Des=рс [(e0-eҐ1)V+(e0-eҐ1)W], (12)
де величина Des = eвs-eрs визначається різницею статичних проникностей води та розчину; р - коефіцієнт, який залежить від форми молекули; с - концентрація (у грамах розчиненої речовини на один грам розчину); V =0.74 - питомий об'єм розчиненого білка; W- об'єм зв'язаної води. Таким чином, вираховуючи із експериментальних даних значення величини eрs, за допомогою виразу (12) ми можемо знайти кількість зв'язаної води, що відповідає одному граму розчиненого білка. При обчисленні гідратації білка як геометричну модель молекули був взятий еліпсоїд обертання з відношенням осей a:b=4; значення коефіцієнта р=1.6.
Розраховані значення ступенів гідратації W (в грамах води на один грам білка) для 10% і 15% розчинів САЛ наведено на рис.2.
Рис.2. Значення ступенів гідратації W (в грамах води на один грам білка). · - 10% САЛ, o - 15% САЛ
З приведених даних видно, що при підвищенні температури відбувається зменшення ступеню гідратації 10% білка у розчині від одного грама води на один грам білка при 23°С до 0.16 г при 60°С, тобто на 0.84 г води на один грам білка; для 15% розчину зменшення гідратації спостерігалося від 0.41 г білка на один грам води при 23°С до 0.02 г води на один грам білка при 60°С, або на 0.39 г води на один грам білка. Крім того, з отриманих даних можна зробити висновок, що при збільшенні концентрації білка ступінь його гідратації зменшується для всього інтервалу температур.
Зменшення гідратації може бути пояснено з точки зору двох граничних випадків:
1) в першому випадку розглядається розведений розчин білка, в якому головний внесок у зміну взаємодії розчину з електромагнітним полем міліметрового діапазону довжин хвиль дають зміни в гідратних оболонках окремих макромолекул, що не взаємодіють між собою у розчині;
2) у другому випадку розглядається “конденсований стан”, коли контактують макромолекули, об'єднані внаслідок процесу агрегації.
Як у першому, так і в другому випадку зменшення кількості зв'язаної води може пояснюватися молекулярними перебудовами всередині та на поверхні білкової глобули; у другому випадку зменшення кількості зв'язаної води може відбуватися внаслідок зменшення кількості міст зв'язування за рахунок молекулярних груп, що конкурують з водою.
На рис. 3, 4 наведено залежності складових комплексної проникності (позначених як eўs10,20, eІs10,20) від температури, які були розраховані для 10%, 20% розчинів сахарози.
Рис.3. Діелектричні параметри 10% розчину сахарози: · -eўs10, o - eІs10 Рис.4. Діелектричні параметри 20% розчину сахарози: · -eўs20, o - eІs20
Для визначення залежності зміни властивостей розчинів сахарози від концентрації було проведено розрахунок відносних змін складових комплексної проникності за формулами
deў10=(eўw-eў10)/eўw, (13)
deў20=(eўw-eў20)/eўw, (14)
deІ10=(eІw-eІ10)/eІw, (15)
deІ20=(eІw-eІ20)/eІw, (16)
а також їх відношень для відповідних температур (рис.5):
eў10/20= deў10/ deў20, (17)
eІ10/20= deІ10/ deІ20, (18)
де eўw, eІw - складові комплексної проникності чистої води.
На рис.6 наведено значення складових комплексної проникності (позначених як eўгл, eІгл), які були розраховані для 20% розчину гліцину.
Для розрахунку статичної діелектричної проникності необхідні дані про значення комплексної діелектричної проникності розчинів гліцину в широкому діапазоні частот.
Рис.5. Залежність відносних значень eў і eІ від температури: · - eў10/20, o - eІ10/20 Рис.6. Діелектричні параметри 20% розчину гліцину: · -eўгл, o - eІгл
З отриманих у результаті проведеного дослідження даних можна зробити висновок, що жодна з біофізичних моделей, які пояснюють механізми впливу електромагнітного випромінювання на біооб'єкти, не є повною, якщо не брати до уваги один з головних чинників - взаємодію електромагнітного поля з водою.
ВИСНОВКИ
1. Методика вимірювання діелектричної проникності рідин, яка розвинута, дозволяє визначати діелектричні параметри розчинів з великими втратами у НВЧ діапазоні довжин хвиль в інтервалі температур 20-70°С.
2. Отримано математичне обгрунтування в однохвильовому наближенні хвилеводного методу вимірювання комплексної діелектричної проникності із застосуванням герметизованої кювети.
3. Розчини ДНК із E. coli у сантиметровому діапазоні довжин хвиль, а також розчини той самой ДНК, але фрагментованої ультразвуком або ферментом ДНКазой (при різних концентраціях) не мають надлишкового поглинання відносно розчинника.
4. Вперше одержано значення комплексної діелектричної проникності розчинів сироваткового альбуміну людини при концентраціях 10%, 15% і розчинів сахарози при концентраціях 10%, 20% в інтервалі температур 30-60°С, розчинів гліцину при концентрації 20% в інтервалі температур 20-70°С, що були виміряні у міліметровому діапазоні довжин хвиль.
5. Встановлено, що гідратація молекул білка (сироваткового альбуміну людини) при концентраціях 10%, 15% в інтервалі температур 30-60°С знижується при збільшенні температури.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Maleev V. Ya., Kashpur V.A., Glibitskiy G.M., Krasnitskaya A.A., Veretelnik E.V. Does DNA absorb microwave energy? // Biopolymers.- 1987.- №9.-P.1966-1970.
2. Глибицкий Г.М., Кашпур В.А. Метод измерения диэлектрической проницаемости в миллиметровом диапазоне растворов биоматериалов в зависимости от температуры // Исследование взаимодействия электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с биологическими объектами. -Киев, 1989.-С. 10-14.
3. Глибицкий Г.М., Ижик Э.В. Генератор и смеситель СВЧ миллиметрового диапазона длин волн // Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн. -Харьков, 1992.- С. 90-94.
4. Glibitskiy G.M. Microwave measurement receiver with frequency modulation // Intern. J. Infra-Red and Millimeter Waves.-1996.- V.17, №12.-P. 76-79.
5. Глибицкий Г.М. Диэлектрические свойства водных растворов сахарозы на частоте 44 ГГц в диапазоне температур 30-60°C // Радиофизика и электроника.- 1997.- Т. 2, № 2.-C. 156-159.
6. Глибицкий Г.М. Применение электродинамической модели при измерениях диэлектрической проницаемости водных растворов // Вісн. ХДУ.-1999.- №450. Біофіз. вісн. - №2.-С. 31-34.
7. Глибицкий Г.М. Свойства растворов глицина в интервале температур 20-70°С по данным СВЧ-диэлектрометрии и вискозиметрии // Там же. -№466. Біофіз. вісн.- №3.-С. 44-46.
8. А.с. 1195229 СССР, МКИ G 01 N 22/00. Устройство для определения диэлектрической проницаемости растворов / Г.М. Глибицкий, В.А. Кашпур, В.Я. Малеев (СССР). №3583946/24-09; Заявлено 25.04.83; Опубл. 30.11.85, Бюл. №44. - 3 с.
9. Кашпур В.А., Малеев В.Я., Глибицкий Г.М. Микроволновое поглощение растворов ДНК // Тр. V конф. по спектроскопии биополимеров. -Харьков (Украина).-1984.-С. 110-111.
10. Глибицкий Г.М., Кашпур В.А. СВЧ -диэлектрометр для исследования биополимеров // Тр. Vl конф. по спектроскопии биополимеров. -Харьков (Украина).- 1988. - С. 96-97.
11. Кашпур В.А., Глибицкий Г.М., Малеев В.Я., Чмутов О.В. Термодиэлектрические свойства растворов некоторых белков // Тр. Vl конф. по спектроскопии биополимеров. -Харьков (Украина).-1988.-С. 159-160.
12. Glibitskiy G.M., Izhyk E.V., Veremey V.V. The measurement chamber for liquid dielectrics // Proc. International Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Application.- San-Diego (USA), 1994. №2211.-Р.628-632.
13. Glibitskiy G.M. Supergeterodyne with the amplitude modulation and his application // Proc. International Conf. on Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves. - Kharkov (Ukraine), 1994.-V. 3.- Р. 456-457.
АНОТАЦІЯ
Глибицький Г.М. Фізичні властивості біомолекул у розчинах за даними НВЧ-діелектрометрії. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 - біофізика. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2000.
Розвинуто методику і отримано математичне обгрунтування хвилеводного методу вимірювання комплексної діелектричної проникності рідин в інтервалі температур 20-70°С. Встановлена відсутність надлишкового поглинання відносно розчинника розчинів ДНК із E.coli, нативної ДНК з еритроцитів курчат і той самой ДНК, фрагментованої ультразвуком або ферментом ДНКазой. Одержано значення величин комплексної діелектричної проникності, що були виміряні в міліметровому діапазоні довжин хвиль: розчинів сироваткового альбуміну при концентраціях 10%, 15% і розчинів сахарози при концентраціях 10%, 20% в інтервалі температур 30-60°С, розчинів гліцину при концентрації 20% в інтервалі температур 20-70°С. Визначено значення ступенів гідратації молекул сироваткового альбуміну.
Ключові слова: діелектрична проникність, міліметровий діапазон довжин хвиль, нуклеїнова кислота, білок, гідратація, сахароза, гліцин.
АННОТАЦИЯ
Глибицкий Г.М. Физические свойства биомолекул в растворах по данным СВЧ - диэлектрометрии. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.00.02 - биофизика. - Харьковский национальний университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2000.
Развита методика и получено математическое обоснование волноводного метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей в интервале температур 20-70°С. Установлено отсутствие избыточного поглощения относительно растворителя растворов ДНК из E. coli, нативной ДНК из эритроцитов цыплят и той же ДНК, фрагментированной ультразвуком или ферментом ДНКазой. Получены значения величин комплексной диэлектрической проницаемости, измеренные в миллиметровом диапазоне длин волн: растворов сывороточного альбумина при концентрациях 10%, 15% и растворов сахарозы при концентрациях 10%, 20% в интервале температур 30-60°С, растворов глицина при концентрации 20% в интервале температур 20-70°С. Определены значения степеней гидратации молекул сывороточного альбумина.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, миллиметровый диапазон длин волн, нуклеиновая кислота, белок, гидратация, сахароза, глицин.
SUMMARY
Glibitskiy G. M. Physical properties of biomolecules in solutions according to the data of microwave dielectrometry. - Manuscript.
Thesis for a candidate's degree by speciality 03.00.02 - Biophysics. -Karazin National Kharkov University, Kharkov, 2000.
The electrodynamic model of measuring cell taking into account appearance reflected waves in the dielectric elements of cuvette is worked out. The articulation of several waveguide intervals of round transversal section which differ by the values of the dielectric permittivities is considered as a simplified model describing the process of spreading of the power in the cell. The method of the calculation of the parameters of the output signal of measuring cell on its waveguide model with allowance of influence of reflections from layers with different dielectric parameters is developed.
The installation for the metering of the dielectric losses of liquids in santimeter band of the lengths of waves is described; the wave length in a measuring cell was assumed optimal at condition that all re-reflections in solution (from the walls of cuvette and from the ends of waveguides) practically are absent and the made up value is not less then 6 mm.
Schemes of the dielectrometers intended for measurement composing the permittivity of liquids with large losses at temperature interval 30-60°C in millimeter range of the band of the lengths of waves are presented. The procedure of the measurement of the absorption and the phase shift in the cell consisting of the balancing of microwave bridge as to the amplitude and phase at two values of gaps between input and output waveguides is described. The dielectric characteristics of distilled water are found in the temperature interval 23-80°C; the data on the frequency dependence of the parameters of water for 20°C are also given.
The investigation of the microwave power absorption by solutions of the high-molecular DNA in the interval of frequencies 9-12 GHz was carried out. The DNA solution distinguished from E. coli, solution of low-molecular DNA from the erythrocytes of chickens and its fragments received after the processing of solution by ultrasound and DNA solution received by fermentative hydrolysis were the samples under investigation. The relative coefficients of absorption for solutions of native and DNA irradiated by ultrasound from the erythrocytes of chickens (with concentration of 5 mg/ml) are close to 1, as the values of the average values of coefficients of this DNA with concentration of 6 mg/ml, but fragmented by ferment DNase. The coefficients of absorption for native DNA and DNA fragmented by DNase for similar solutions of DNA from E. coli as well as the relative coefficients of the absorption of DNA solution depending on the time of action Dnase do not differ from 1 either.
The meanings of the values of the complex permittivity of the solutions of the human serum albumen in the interval of temperatures 20-70°C measured in range of mm wavelengths at concentrations 10% and 15% are obtained; the values of the hydration of molecules are defined. From the calculated values of hydration (in the g water per 1 g protein) and the quantity of the molecules of water per one molecule of protein for 10% and 15% solutions the human serum albumen may be inferred, which, at the temperature rise, results in the decrease of the hydration of 10% solution from 1 g of water per 1 g of protein at 23°C to 0.16 g at 60°C, i.e. 0.84 g of water per 1 g of protein; for 15% solution the decrease of hydration composed from 0.41 g of protein per 1 g of water at 23°C to 0.02 g of water per 1 g of protein at 60°C, or 0.39 g of water per 1 g of protein. Besides, from received information it may be concluded that at the increasing of the concentration of protein the degree of its hydration decreases for the whole interval of temperatures.
The meanings of the complex permittivity of the solutions of saccharose in the interval of temperatures 30-60°C measured in range of mm wavelengths at concentrations 10% and 20% are received. The decrement change at 30-45°C for the values of eў10 and eў20 was, in the average, 42% (44% for the values of eІ10, eІ20); the change of decrement in the interval of temperatures 50-60°C the eў10 and eў20 averaged 67% (79% for values eІ10, eІ20). These results are evidence of the absence of the linear dependence between the concentration of the solution of saccharose and values composing its complex permeability. The meanings of the values of the complex permittivity of the solutions of glycine in the interval of temperatures 20-70°C measured in the range of mm wavelengths at the concentration of 20% are received.
Key words: permittivity, range of mm wavelengths, nucleic acid, protein, hydration, saccharose, glycine.
Підписано до друку 12.10.2000 р. Формат паперу 60ґ84 1/16.
Папір офс. Офс. друк. Об 'єм 1,0 фіз. д. л.
Замовлення № . Тираж 100 прим.
ѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕ
Ротапринт ІРЕ НАН України
Харків-85, вул. Акад. Проскури, 12.
| 
