Динамічні властивості гідратованих пористих частинок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний університет ім. І.І. Мечникова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.02 - теоретична фізика

Динамічні властивості гідратованих пористих частинок

Чеська Тетяна Юріївна

Одеса - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному університеті ім. І.І. Мечникова та в Одеському гідрометеорологічному інституті.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Затовський Олександр Всеволодович, професор кафедри теоретичної фізики Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Асланов Сергій Костянтинович, завідувач кафедрою теоретичної механіки Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова;

доктор фізико-математичних наук, професор Дзюблик Олексій Ярославович, головний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень НАН України, м. Київ.

Провідна установа:

Національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Солошенко В.І.

Анотація

глобулярний макромолекула гідратований

Чеська Т.Ю. Динамічні властивості гідратованих пористих частинок. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. - Одеський державний університет, Одеса, 1999.

В дисертаційній роботі запропонована кореляційна теорія теплових флуктуацій всередині гідратованих пористих частинок. Самі частинки вкраплені в іншу рідину, і взаємодія між частинками не враховувалася. Динамічні властивості зв'язаної рідини всередині пористої частинки описувалися лінеаризованим рівнянням Дебая-Брінкмана. Знайдені локальні кореляційні функції поступальної та вихрової течії рідини у частинці і відповідні локальні коефіцієнти дифузії молекул рідини, які суттєво залежать від коефіцієнта проникливості пористого середовища, введено ступінь вологості динамічного походження. Побудовані спектри поглинання та релеївського розсіювання месбауерівського випромінювання на пористих гідратованих броунівських частинках, які роблять низькочастотні внутрішні теплові колективні рухи. Результаты моделювання зіставлені з дослідними спектрами релеївського розсіювання месбауерівського випромінювання на глобулярних білках при різних ступенях гідратації. Детально вивчена температурна та гідратаційна залежність долі пружного розсіювання месбауерівського випромінювання та фактор Лемба-Месбауера.

Ключові слова: пориста частинка, гідратація, флуктуації, месбауерівські спектри, глобулярні макромолекули.

Аннотация

Чесская Т.Ю. Динамические свойства гидратированных пористых частиц. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 - теоретическая физика. - Одесский государственный университет, Одесса, 1999.

В диссертационной работе предложена корреляционная теория тепловых флуктуаций внутри гидратированных пористых частиц.

В первой главе, которая носит обзорный характер, рассмотренны гамма-резонансные методы изучения динамики дисперсных систем и извлекаемые с помощью них данные, а также течение жидкости в растворах суспензий и пористых тел. Перечислены разнообразные модели биомакромолекул.

Во второй главе изучены гидродинамические флуктуации жидкости в пористой броуновской сферической частице, совершающей вращательное движение. Течение жидкости внутри частицы описывается уравнением Дебая-Бринкмана. Результаты моделирования применяются в расчетах параметров спектров рассеяния и поглощения мессбауэровского излучения и сопоставляются с экспериментальными данными для глобулярных белков. Подраздел 2.1 - введение. В подразделе 2.2 приведено выражение для спектров РРМИ и МАС в случае теплового движения броуновской жесткой частицы, моделируемого вращательными тепловыми случайными качаниями ее поверхности и описываемого уравнением Ланжевена со случайным источником момента внешних сил. Локальные значения коэффициентов вращательной и поступательной диффузии жидкости внутри пористой среды, определяемые соответствующими корреляционными функциями скорости течения жидкости, и диссипативная функция приведены в подразделе 2.3. В подразделе 2.4 проведено сопоставление экспериментов по упругому РРМИ и МАС на глобулярных белках с модельными расчетами. Изучение корреляционных функций поля скорости жидкости внутри пористого слоя двухслойного шара, моделирующего белковую глобулу, и сопоставление с опытными значениями параметров спектров рассеяния и поглощения мессбауэровского излучения - в подразделах 2.5 и 2.6.

В третьей главе изучены параметры спектров МАС и РРМИ на пористой частице, совершающей тепловые низкочастотные колебания. Течение жидкости внутри частицы описывается уравнением Дебая - Бринкмана. Подраздел 3.1 - введение. В подразделе 3.2 определены поле скоростей течения жидкости внутри пористой частицы, погруженной в растворитель, поверхность которой испытывает случайные тепловые отклонения от сферической формы, а также кинетическая энергия и диссипативная функция. Изучены параметры спектров рассеяния и поглощения мессбауэровского излучения для броуновской пористой частицы в растворителе и сопоставлены с опытами на глобулярных макромолекулах (подраздел 3.3). В подразделе 3.4 рассмотрены тепловые флуктуации двухслойной частицы, состоящей из упругого ядра и пористой оболочки, заполненной жидкостью, и рассчитаны параметры спектров МАС и РРМИ. Результаты моделирования применены к макромолекулам (подраздел 3.5).

Ключевые слова: пористая частица, гидратация, флуктуации, мессбауэровские спектры, глобулярные макромолекулы.

Annotation

Tchesskaya T.Yu. Dynamic properties of hydrated porous particles. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in physics and mathematics by speciality 01.04.02 - theoretical physics. - Odessa State University, Odessa, 1999.

In the thesis a correlation theory of the thermal fluctuations inside hydrated porous particles has been proposed. The particles are submerged in another liquid and the interaction between the particles is ignored. The dynamical properties of the bound liquid inside the porous particle are described by the linearised Debye - Brinkman equation. The local correlation functions of translational and rotational motions of the liquid within the particle and the corresponding local diffusion coefficients of the liquid, are determined. The latter turn out to be significantly dependent of the permeability of the porous medium. A coefficient, of dynamical origin, that characterizes the degree of hydration is introduced. The spectra of Rayleigh scattering of Mssbauer radiation and Mssbauer absorption by the porous hydrated particles are calculated. The dependence of the spectra parameters on hydration is modeled with the account for thermal low-frequency collective motions of the porous particles with liquid. The obtained results are compared with experiment on Rayleigh scattering of Mssbauer radiation on globular proteins with different hydration degrees. The temperature and hydration dependent Lamb-Mssbauer factor and the elastic fraction of Rayleigh scattering of Mssbauer radiation are studied in detail.

Key words: porous particle, hydration, fluctuations, Mssbauer spectra, globular macromolecules.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальнiсть теми. Увага до вивчення рівноважних динамічних властивостей гетерогенних систем - композиційних матеріалів, пористих об'єктів, глинистих суспензій, глобулярних макромолекул, мембран - дуже висока. Це пов'язано з надзвичайно широким використанням таких об'єктів як в лабораторних умовах, так і на практиці. Їх фізико-хімічні властивості суттєво залежать від вологості та температури. Особливо яскраво така залежність виявляється, наприклад, у дослідах з використанням методів релеївського розсіювання месбауерівського випромінювання (РРМВ), месбауерівської абсорбційної спектроскопії (МАС), спектроскопії ядерного магнітного резонансу. Збільшення температури або ступеня гідратації (вологості) білкових макромолекул приводить до того, що зменшується як доля пружного РРМВ чи фактор Лемба-Месбауера, так і сама форма спектрів. Аналогічна залежність від вологості виявлена для спектрів поглинання випромінювання на смолах, глинах, в пористому середовищі.

Модельним розрахункам структури внутрішньої рухливості глобулярних макромолекул та їх впливу на форму та параметри спектрів РРМВ і МАС присвячено багато публікацій. У цьому напрямі досягнуто значних успіхів, і температурна залежність параметрів спектрів достатньо інтерпретована. На відміну від цього гідратаційна залежність динамічних властивостей фрагментів макромолекули у відомих модельних розрахунках повністю відсутня.

У зв'язку з цим є актуальним моделювання теплових збуджень гетерогенних систем з врахуванням їх вологості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у рамках бюджетної теми Одеського держуніверситета "Динамічні властивості колективних збуджень міцел, везикул і розчинів глобулярних макромолекул", номер держреєстрації 0197U002469.

Мета і задачі дослідження:

побудова теорії гідродинамічних флуктуацій рідини у пористій частинці;

моделювання глобулярних макромолекул пористими гідратованими частинками;

вивчення локальних кореляційних функцій динамічних змінних дисперсних систем і побудова на їх основі спектрів розсіювання та поглинання месбауерівського випромінювання та їх параметрів;

аналіз форми спектрів та їх параметрів у залежності від температури та ефективного динамічного параметра вологості (ступеня гідратації пористої частинки).

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що вперше:

побудовані локальні гідродинамічні флуктуації рідини всередині пористих частинок, завислих у розчиннику з різноманітними граничними умовами та методами збудження теплової течії;

визначена залежність локальних коефіцієнтів дифузії рідини пористого середовища від проникливості;

побудовані спектри розсіювання та поглинання месбауерівського випромінювання гідратованими частинками та вивчена залежність їх параметрів від температури і ступеня гідратації;

результати мають самостійне значення для теорії пористих броунівських частинок.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений метод дослідження гідратованих частинок можна використовувати для аналізу спектрів люмінесценції, ядерного магнітного резонансу або діелектричного поглинання цими об'єктами.

Особистий внесок здобувача полягав в проведенні незалежних аналітичних розрахунків, комп'ютерній обробці результатів моделювання та інтепретації отриманих результатів.

Апробацiя роботи. Основні результати роботи доповідалися на XVII конференції країн СНД "Дисперсні системи" (Одеса, 1996), Європейській конференції з спектроскопії біологічних макромолекул (Мадрид, 1997), XVIII конференції країн СНД "Дисперсні системи" (Одеса, 1998), міжнародній конференції "Фізика біологічних систем" (Київ, 1998), міжнародній конференції "Спеціальні проблеми фізики рідин" (Одеса, 1999).

Публiкацiї. Матеріали дисертації опубліковані в 6 статтях та 7 тезах.

Cтруктура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, та списку використаних джерел. Нараховує 111 сторінок, у тому числі 16 рисунків та 109 бібліографічних найменувань на 11 сторінках.

2. Змiст роботи

У вступі розглянута актуальність роботи і обґрунтовані основні ідеї.

У першому розділі, що носить оглядовий характер, розглянуті гамма-резонансні методи вивчення динаміки дисперсних систем, їх аналітичний опис, а також теплова течія рідини в розчинах суспензій і пористих тілах. Розглянуто різноманітні моделі біомакромолекул.

Подано опис внутрішньої рухливості білків, досліджуваних різноманітними експериментальними методами, і формування сучасних уявлень про будову макромолекул і їх конформаційний стан. Розглядаються типи рухів, що формуються в білках. Чисельні експерименти, що імітують динаміку білка, виявили кооперативний характер внутримолекулярних рухів глобулярних макромолекул: будь-яке локальне збурення швидко поширюється по всій глобулі, спостерігається також зміщених середніх положень груп атомів - дрейф структури - який нагадує рух молекули розчиненої речовини в рідині. Колективні збудження глобулярних білків як суперпозиція великого числа гармонічних коливань вказують на значний внесок низькочастотної області спектра, у зв'язку з чим можливий розгляд таких рухів у термінах механіки суцільних середовищ. Колективна поведінка рухливості груп молекул характерна не тільки для біологічних об'єктів. Подібний характер рухів властивий переохолодженим рідинам у пористих середовищах. Далі розглядається вплив гідратації на форму і структуру білкової глобули та приводяться основні уявлення про структуру гідратованих макромолекул.

Проведено аналіз робіт, у яких досліджувалася течія рідини через пористі середовища і розведені розчини суспензій, до яких можна віднести розчини макромолекул і білки. Одним із засобів опису течії рідини в дисперсних системах є застосування гідродинамічного рівняння, запропонованого Дебаєм, Брінкманом і Бюхе.

В другому розділі вивчені гідродинамічні флуктуації рідини в пористій броуновській частинці, яка обертається навколо центру мас. Результати моделювання застосовані у розрахунках параметрів спектрів МАС і РРМВ і зіставлені з експериментальними даними для глобулярних білків.

Спочатку передбачалося, що частка являє собою пористу кулю з рідиною. Рідина усередині і поза пористою частинкою вважалася нестисливою і в'язкою, її течія поза частинкою описувалася лінеаризованим рівнянням Навьє-Стокса, а усередині - Дебая-Брінкмана, у якому враховується взаємодія між рідиною і пористим середовищем введенням ефективної сили тертя, що містить коефіцієнт проникності середовища з порами. Поряд із стандартною граничною умовою при , використовувалася умова, що враховує перепад швидкості на межі:

 (1)

де - відстань, на якій відбувається вирівнювання перепаду швидкості течії рідини.

Параметр вологості (ступінь гідратації) введено шляхом розрахунку кінетичної енергії обертального руху як відношення моменту інерції пористої кулі з рідиною до моменту інерції кулі, повністю заповненої рідиною:

(2)

, . (3)

Функція при , коли проникність нескінченно велика, прямує до 1, а при (проникність мала) падає до нуля, тому її можна прийняти в якості ступеня гідратації пористої кулі.

Для визначення ефективного "коефіцієнта тертя" пористої частинки, що обертається в рідині, замість традиційного підходу, у якому розраховується момент сил тертя (у випадку обертання) або сила тертя (у випадку трансляції), що діє на поверхню об'єкта, який рухається, використано енергетичний, у якому коефіцієнт тертя знаходиться з розрахунку дисипації енергії. Дисипативна функція рідини знайдена шляхом інтегрування по всьому об'ємі локальних значень дисипації у внутрішній і зовнішній області, причому для внутрішньої області врахована додаткова сила тертя за рахунок протікання в пористому середовищі .

Після обчислення дисипативної функції і визначення часової кореляційної функції кутової швидкості з рівняння Ланжевена, знайдено локальні коефіцієнти обертальної і поступальної дифузії молекули. У цьому розділі і наступних кореляційні функції (КФ) поступального та обертального руху є ейлеровими, узятими в одній точці, і являють собою гідродинамічну апроксимацію молекулярних КФ в обмеженій області. Таке наближення справедливе, оскільки кореляціями між зсувами за "великі", гідродинамичні часи можна знехтувати. Вирази для і містять залежність від проникності пористого середовища і при нескінченно великій проникності переходять у відповідні коефіцієнти для кулі з рідиною і , а при малій проникності падають до нуля:

(4)

Тут та - в'язкості рідини для внутрішньої та зовнішньої області.

Отримані результати використані для моделювання теплового руху усередині гідратированих макромолекул.

Месбауерівський спектр для броунівських жорстких сферичних частинок з локальними коефіцієнтами обертальної і поступальної дифузії добре відомий:

(5)

, (6)

де - імпульс падаючих -квантів, а у випадку РРМВ - зміна імпульсу при розсіюванні на кут , , - природна ширина лінії.

Вважається, що спектр месбауерівського поглинання на пористих броунівських обертових частинках сферичної форми має такий же вигляд (5), але з коефіцієнтами дифузії, обумовленими виразами (4). Підстановка в (6) є наближенням, тому що на відміну від жорсткої частинки коефіцієнт дифузії пористої кулі містить радіальну залежність. Але, оскільки коефіцієнти дифузії плавно залежать від r, у дифузійному рівнянні застосоване допущення, що коефіцієнт постійний. Щоб одержати спектр РРМВ, необхідно провести усереднення (5) по об'єму частинки. Для зіставлення з експериментом на глобулярних макромолекулах спектр РРМВ подано у вигляді:

(7)

де - спектр на резонансній частоті для сухої глобули, - доля макромолекул у розчині, що розсіюють месбауерівське випромінювання, концентрація котрих звичайно не менше 10 - 15%. Максимум спектра РРМВ зростає при падінні ступеня гідратації, а сам спектр прямує до лоренцевського у випадку висушеної глобули. На рис.1 зображений спектр РРМВ при h=0.38.

Доля пружного РРМВ і фактор Лемба-Месбауера відповідають значенню спектрів на нульовій частоті. Графічно подано спектри РРМВ при різних ступенях гідратації, доля f пружного РРМВ у залежності від ступеня гідратації і температури, фактор Лемба-Месбауера f' у залежності від ступеня гідратації. Розрахункові значення порівнюються з експериментами на глобулярних білках. При розрахунку температурної залежності долі пружного РРМВ в'язкість білкової структури визначалася шляхом відомої екстраполяції експериментальних даних для сильнов'язких рідин: , де A, B і постійні параметри.

У дійсності структура макромолекули наближена до твердотільного ядра з гідратною оболонкою, у зв'язку з чим у цьому ж розділі розглянуто також обертальний броунівський рух ускладненої частинки: двошарової кулі з твердотільним ядром і пористою оболонкою. Граничні умови обрані стандартні - збіг швидкості течії рідини усередині оболонки зі швидкістю руху твердого ядра на межі оболонка - ядро, і неперервність швидкостей течії рідини і дотичних складових локальних значень сил на межі оболонка - зовнішнє середовище:

(8)

Ступінь гідратації введено як відношення моменту інерції пористої оболонки з рідиною до моменту інерції оболонки цілком заповненою рідиною, для чого розрахована кінетична енергія рідини усередині пористої сферичної оболонки. Після визначення дисипативної функції і локальних кореляційних швидкостей обертальної і поступальної течії рідини усередині пористої оболонки знайдені відповідні локальні коефіцієнти дифузії, які у випадку дегідратированої макромолекули швидко прямують до нуля, а спектр РРМВ збігається з лоренцевським із природною шириною.

Розрахунок параметрів спектрів РРМВ і МАС показав, що модель двошарової частинки ближче до реальних глобулярних білків, оскільки параметри, обрані при розрахунку по моделі пористої кулі не цілком узгодяться з реальними, у той час як розміри, узяті при розрахунку по моделі двошарової частинки, близькі до розмірів білкових глобул. Розмір твердотільної частини склав 10% від всього обсягу, що відповідає експериментальним даним. Температурна залежність внутрішньої в'язкості апроксимувалася тим же законом, що і раніше. В'язкість, обрана при розрахунку f(h), відповідає в'язкості, одержуваної з її апроксимації в розрахунку f(T) для тієї ж температурі.

Аналіз аналогічних експериментальних даних, проведений Шайтаном і Рубіним, показав, що зменшення амплітуди спектрів МАС при зміні температури і гідратації пов'язане в першу чергу зі зменшенням мікров'язкості середовища. І в нашому випадку опису спектрів РРМВ збільшення долі пружного розсіювання при дегідратації білка можна інтепретувати як збільшення мікров'язкості, що проявляється в моделі як зростання перешкоди вільному протіканню рідини усередині частинки.

Таким чином, модель теплових обертальних коливань пористої кулі і двошарової пористої кулі, незважаючи на свою грубість, може бути використана для аналізу динамічної поведінки як гідратированих білків, так і інших дисперсних систем.

У третьому розділі вивчено гідродинамічні флуктуації рідини, які збуджуються тепловими низькочастотними коливаннями поверхні пористої частинки. Попередньо вирішувалася допоміжна задача про квазістаціонарну течію рідини усередині і поза пористим середовищем. Як і раніше, рух рідини усередині пористої частинки описано рівнянням Дебая-Брінкмана, а поза ії межами - лінеаризованим рівнянням Навьє-Стокса. Течії збуджувалися малими коливаннями поверхні пористої частинки відносно рівноважної сфери радіуса . Ці відхилення подані у виді розкладу по сферичним гармонікам

, , (9)

де - динамічні змінні, що враховують колективний характер рухів у пористій частинці. Швидкість усередині і поза частинкою шукалася у вигляді розкладів по базисним векторним функціям і мультиполям :

.(10)

Як граничні умови вибиралися стандартні умови збігу нормальних компонент швидкості течії зі швидкістю зсуву поверхні і безперервність тангенціальних складових швидкостей і локальних значень сил, обумовлених тензором натягів. Амплітудні функції в (10) для внутрішньої області знайдені у вигляді:

,

,(11)

.

Результати цієї задачі були використані для побудови локальних значень кінетичної енергії і дисипативної функції, після інтегрування яких по всьому об'ємі знайдені кінетична енергія і дисипатива функція теплових збуджень пористої частинки:

, , (12)

де і - масові коефіцієнти і коефіцієнти тертя, що залежать від проникності. Масові коефіцієнти для внутрішньої області при нескінченно малій проникності зменшуються, становлячись пропорційними ряду , і характеризують кінетичну енергію коливань висушеної частинки в цій області. Як параметр вологості обрано таке співвідношення

, (13)

яке при великій проникності прямує до одиниці, а при малій, коли течія "замерзає", зменшується до нуля.

Потенціальна енергія деформованої пористої частинки при малих відхиленнях поверхні від сферичної залежить від параметра і з точністю до головних членів являє собою квадратичну форму по .

Часова поведінка колективних змінних , що випадково змінюються під дією теплового руху атомів рідини, визначена зі стохастичних рівнянь Ланжевена

, (14)

у правій частині яких - випадкові дельта-корельовані гаусові сили з нульовим середнім значенням. З (14) визначені КФ динамічних змінних , а по ним і часові КФ локальної швидкості течії рідини усередині пористої частинки. Приймаючи в увагу лише сильно демпфовані зсуви, знайдена проміжна функція Ван-Хова, що визначає месбауерівські спектри.

При достатньо низьких температурах локальну імовірність месбауерівського поглинання можна визначити по значенню спектра на нульовій частоті

, (15)

а доля f пружного розсіювання РРМВ одержується шляхом усереднення результату (15) по об'єму частинки. Тут - час життя ядра поглинувача в збудженому стані, - хвильовий вектор поглиненого гамма-кванта, - постійна Больцмана. Проведено зіставлення розрахункових значень параметрів спектрів з експериментальними даними на глобулярних білках. При табулюванні залежності f'(T) в'язкість змінювалася за законом, прийнятим у другому розділі. При конкретних розрахунках звичайно обмежуються сумою членів ряду в (15) до , де d - діаметр частинок, що складають пористу частинку. Для порівняння з експериментальними даними радіус рівноважної частинки обраний рівним 35 . Тоді при одержуємо . На рис. 3 приведена доля пружного РРМВ в залежності від h. Як виявилося в результаті розрахунків, істотно залежить від значень внутрішньої в'язкості.

У даному підході, на відміну від моделі обертальних теплових рухів, які розглядались в третьому розділі, ефективно враховані індивідуальні рухи фрагментів білка. Значення в'язкості, взяті при моделюванні, так само як і у попередньому випадку, істотно перевищують в'язкість води і декілька більші в'язкості гліцерину, що свідчить про сильну взаємодію "пов'язаної" води з фрагментами макромолекули.

В останній частині розділу вивчені теплові коливання двошарової частинки: пружного ядра, властивості якого задаються коефіцієнтами Ламе, оточеного пористою оболонкою, заповненою рідиною. Частинка утоплена в зовнішній в'язкій рідині. Зсуви, що виникають у твердотільному ядрі під впливом його флуктуюючої поверхні, описані стаціонарним рівнянням руху пружного середовища. Рух рідини усередині пористої оболонки описується рівнянням Дебая-Брінкмана, а поза нею - Навьє-Стокса.

При розв'язанні задачі про течію рідини поза і усередині пористої оболонки, яка збуджується тепловими відхиленнями поверхонь пружного ядра та оболонки від сфер радіуса і R, відповідно, використовувалися стандартні граничні умови на поверхні розділу середовищ пружна куля - оболонка і оболонка - зовнішнє середовище

(16)

, , , , ().

Це збіг нормальних компонент (з індексом r) швидкості течії зі швидкістю зсуву поверхні, безперервність тангенціальних (з індексом t) складової швидкості і локальних значень сил, обумовлених тензорами напруг для рідини та пружнього середовища , а також відсутність нормальних коливань на межі тверде ядро - оболонка (останні дві граничні умови). Відсутність нормальних компонент швидкості течії рідини і швидкості зсуву поверхні на межі тверде ядро - оболонка призводить до того, що амплітудні коефіцієнти у виразі (10) не залежать від динамічних змінних пружного ядра. Зсуви всередині ядра і поле швидкостей течії рідини всередині оболонки і в зовнішній рідині цілком визначаються динамічними змінними, що описують відхилення зовнішньої поверхні оболонки від сферичної. Якщо розглядати пористі частинки як моделі білків, то це узгодиться з припущенням, що основний внесок у внутрішньомолекулярну динаміку білков вносить водяна оболонка, тобто внутримолекулярні рухи в самій глобулі у значній мірі визначаються рухливістю поверхневого шару води.

Локальні КФ швидкості рідини усередині пористої оболонки, імовірність поглинання -випромінювання без віддачі отримані вже описаним засобом.

У наших розрахунках параметрів РРМВ і МАС твердотільна частина складала приблизно 10% від обсягу всієї макромолекули, що узгоджується з дослідними даними. Значення в'язкості, обрані нами, також відповідають загально прийнятим. Розміри двошарової частинки більш узгоджуються з розмірами глобулярних білків, на відміну від грубої моделі пористої частинки. При табулюванні фактора Лемба-Месбауера у залежності від температури внутрішня в'язкість апроксимувалася законом . Для порівняння з експериментальними даними вибрано зовнішній і внутрішній радіуси рівноважної оболонки частинки - і . Тоді при . Результати узгоджуються з експериментом по поглинанню на альфа-хімотрипсині. Розрахована також доля пружного РРМВ і фактор Лемба-Месбауера в залежності від h. Відзначено, що апроксимація температурної залежності в'язкості простим активаційнім механізмом можлива лише у вузькому інтервалі температур, а в області кімнатних температур призводить до супе-речливих результатів. Варіювання коефіцієнтів Ламе для твердотільного ядра не призводить до суттєвої зміни результатів.

Таким чином, в дисертації всебічно вивчені теплові флуктуації гідратованих пористих частинок. Отримані результати застосовані для опису динаміки глобулярної макромолекули у залежності від ступеня її гідратації.

Bисновки

Побудовано кореляційну теорію гідродинамічних флуктуацій усередині пористих частинок.

Досліджено спектральні властивості колективних збуджень гідратированих макромолекул, що моделюються пористими частинками з рідиною.

Запропоновано процедуру модельного опису ступеня гідратації пористої частинки, що має динамічне походження.

Вивчено залежність кореляційних функцій поля швидкості і вихору руху рідини усередині пористої броуновської частинки від ступеня гідратації і відповідних їм локальних коефіцієнтів дифузії.

Побудовано локальну і усереднену автокореляційну функцію Ван-Хова модельних макромолекул, що залежать від проникності.

Отримано спектри релеївського розсіювання месбауерівського випромінювання і месбауерівського поглинання для гідратованих макромолекул. Розраховано параметри спектрів у залежності від вологості і температури, проведено зіставлення з експериментальними даними для глобулярних макромолекул.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Затовский А.В., Чесская Т.Ю. К теории эффекта Мессбауэра на гидратированных глобулярных белках // Биофизика.- 1997.- Т. 42, № 4.- С. 825-830.

2. Затовский А.В., Чесская Т.Ю. Релеевское рассеяние мессбауэровского излучения на пористых броуновских частицах // Физика аэродисперсных систем. - 1997. - В. 36. - С. 77-84.

3. Чесская Т.Ю. Динамика глобулярных макромолекул: влияние влажности на спектр релеевского рассеяния мёссбауэровского излучения // Хим.физика. - 1998.- Т. 17, № 10.- С. 126-134.

4. Затовский А.В., Лисы В., Чесская Т.Ю. О влиянии влажности глобулярных белков на параметры мессбауэровских спектров // Оптика и спектроскопия. - 1998.- Т. 84, В.2.- С. 242-247.

5. Lisy V., Tchesskaya T.Yu., Zatovsky A.V. Thermal excitations of hydrated macromolecules: The effects of hydration on the Mssbauer absorption and scattering spectra // J. Biomol. Structure & Dynamics.- 1998.- V.16, № 2. - P. 477-485.

6. Lisy V., Tchesskaya T.Yu., Zatovsky A.V. A Simple Theory of the Spectra of Absorption and Rayleigh Scattering of Mssbauer Radiation by Globular Macromolecules // Spectroscopy of Biological Molecules: Modern Trends. - Dordrecht - Boston - London: Kluwer Academic Publishers. - 1997. - P. 581-582.

Размещено на Allbest.ru