Структурно-динамические эффекты взаимодействия белка и других биологически значимых молекул с шунгитовым наноуглеродом

Сергей Павлович Рожков, Андрей Сергеевич Горюнов, Sergey Rozhkov, Andrey Goryunov

Аннотация


Изучение физико-химических взаимодействий белков и других биологически значимых молекул с шунгитовым наноуглеродом (ShC), как представителем семейства графеновых наноматериалов, необходимо для обеспечения биобезопасности в разных областях его применения включая биомедицину. Динамические характеристики поверхности потенциального контакта нано- и биоструктур, характеристики взаимодействия с растворителем (гидратация) несут существенную информацию о типах возникающих связей и взаимодействий, включая взаимодействие с переносом лигандов, а также о свойствах соответствующих био-нано-гибридных систем. Методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спинового зонда на основе стеариновой жирной кислоты (ЖК) исследовано динамическое состояние области контакта (поверхности) углеродных нанокластеров в дисперсиях ShC с молекулами белка (сывороточного альбумина быка, САБ) и других биологически значимых молекул и ионов, влияющих на гидратацию (сахароза, мочевина, NaCl, HCl, NaOH). Показано, что в смешанной дисперсии ShC и САБ возможен перенос спин-зонда (ЖК) с белка на наноуглерод и наоборот в зависимости от соотношения их концентраций. В переносе, вероятно, задействована белковая корона наночастиц. Эффект наблюдается при концентрации ShC на два порядка меньшей концентрации белка. Это означает возможность использования нанодисперсии ShC для воздействия на связывание и транспорт ЖК сывороточным альбумином. Применение дополнительных растворенных веществ может позволить регулировать это воздействие, как это наблюдается в случае с сахарозой. Нелинейности аррениусовских зависимостей параметров спектра ЭПР спин-зонда в смешанных дисперсиях ShC могут свидетельствовать о наличии фазового перехода, как в полимерных растворах.


Ключевые слова


водная нанодисперсия углерода; электронный парамагнитный резонанс спин-зондов; сывороточный альбумин; сахароза; мочевина; жирная кислота

Полный текст:

PDF

Литература


Вассерман А.М., Коварский А.Л. Спиновые метки и зонды в физикохимии полимеров. М.: Наука, 1986. 246 с.

Горюнов А. С., Рожков С. П., Суханова Г. А., Борисова А. Г. Термодинамические эффекты взаимодействия сывороточного альбумина с шунгитовым наноуглеродом // Труды КарНЦ РАН. Сер. биологическая. 2016.

Лихтенштейн Г. И. Метод спиновых меток в молекулярной биологии. М.: Наука, 1974. 256 с.

Рожков С. П. Стабилизация белка сахарозой по данным метода спиновой метки // Биофизика. 1991. Т. 36, № 4. С. 571-576.

Рожкова Н. Н. Наноуглерод шунгитов. Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 2011. 100 с.

Рожков С. П., Ковалевский В. В., Рожкова Н. Н. Фуллеренсодержащие фазы, получаемые из водных дисперсий наночастиц углерода // Журнал физической химии. 2007. Т. 81, № 6. С. 952-958.

Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. М.: Изд-во МГУ, 1982. 250 с.

Arcioni A., Bacchiocchi C., Grossi L. et al. Electron Spin Resonance study of order and dynamics in a nematic liquid crystal containing a dispersed aerosol // J. Phys. Chem. B. 2002. Vol. 106(36). P. 9245-9251. doi: 10.1021/jp020554j.

Brazhkin V. V., Fomin Yu. D., Lyapin A. G. et al. Two liquid states of matter: a dynamic line on a phase diagram // Physical Review. E. 2012. Vol. 85, No 3. P. 031203. doi: 10.1103/PhysRevE.85.031203.

Dhami A. K., Bhat S., Sharma A. et al. Spin probe ESR dynamics of single walled carbon nanotubes // Spectrochimica Acta. Part A. 2008. Vol. 69. P. 1178-1182. doi: 10.1016/j.saa.2007.06.034.

Kim J. E., Han T. H. Lee S. H et al. Graphene Oxide Liquid crystals // Angew. Chem. Int Ed. 2011. Vol. 50. P. 3043-3047. doi: 10.1002/anie.201004692.

Marsh D. Polarity and permeation profiles in lipid membranes // PNAS. 2001. Vol. 98. No. 14. P. 7777-7782. doi: 10.1073/pnas.131023798.

Rozhkov S. P., Goryunov А. S. Salt induced thermodynamic instability, concentration heterogeneity and phase transitions in lysozyme solutions // Biophysical Chemistry. 2012. Vol. 170. P. 34–41. doi: 10.1016/j.bpc.2012.08.001.

Rozhkova N. N., Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Natural graphene based shungite nanocarbon // Carbon nanomaterials sourcebook. Graphene, fullerenes, nanotubes, and nanodiamond. Vol. I / Ed. K. D. Sattler. Boca Raton, CRC Press Taylor and Francis Group, 2016. P. 153–176. doi:10.1201/b19679-9.

Sheka E. F., Rozhkova N. N. Fractals of graphene quantum dots in photoluminescence of shungite // Int. J. Smart Nano Math. 2014. Vol. 118, No 5. P. 735–746. doi: 10.1134/S1063776114050161.

Stankovich S., Dikin D. A., Piner R. D. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide // Carbon. 2007. Vol. 45. P. 1558-1565. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034.

Wang Z., Zhu W., Qiu Y., Yi X., von dem Bussche A., Kane A., Gao H., Koski K., Hurt R. Biological and environmental interactions of emerging two-dimensional nanomaterials // Chem. Soc. Rev. 2016. Vol. 45, No 6. P. 1750-1780. doi: 10.1039/c5cs00914f.

Zhu C., Guo S., Fang Y. et al. Reducing sugar: New functional molecules for the green synthesis of grapheme nanosheets // ACS Nano. 2010. Vol. 4. P. 2429-2437. doi: 10.1021/nn1002387.

Xu Y., Watermann T., Limbach H.-H. et al. Water and small organic molecules as probes for geometric confinement in well-ordered mesoporous carbon materials // Phys.Chem.Chem.Phys. 2014. Vol. 16. P. 9327-9336. doi: 10.1039/C4CP00808A.

References in English

Goryunov А. S., Rozhkov S. P., Sukhanova G. A., Borisova A. G. Termodinamicheskie jeffekty vzaimodejstvija syvorotochnogo al’bumina s shungitovym nanouglerodom

[Thermodynamic effects of serum albumin interaction with shungite nanocarbon]. Trudy KarNC RAN [Trans. of KarRC of RAS]. 2016. No 11. P. 33–38. doi: 10.17076/eb428

Lihtenshtejn G. I. Metod spinovyh metok v molekuljarnoj biologii [Spin label technique in molecular biology]. Moscow: Nauka, 1974. 256 p.

Rozhkov S. P. Stabilizacija belka saharozoj po dannym metoda spinovoj metki [Protein stabilization by sucrose according to the data of spin label technique]. Biofizika [Biophysics]. 1991. Vol. 36, no. 4. P. 571–576.

Rozhkova N. N. Nanouglerod shungitov [Shungite nanocarbon]. Petrozavodsk: KarRC of RAS, 2011. 100 p. Rozhkov S. P., Kovalevskij V. V., Rozhkova N. N. Fullerensoderzhashhie fazy, poluchaemye iz vodnyh dispersij nanochastic ugleroda [Fullerene-containing phases obtained from aqueous dispersion of carbon nanoparticles]. Zhurnal fizicheskoj himii [Russian Journal of Physical Chemistry]. 2007. Vol. 81, no. 6. P. 952–

doi: 10.1134/S0036024407060209

Shhukin E. D., Percov A. V., Amelina E. A. Kolloidnaja himija [Colloid Chemistry]. Moscow: MGU, 1982. 250 p.

Wasserman A. M., Kovarsky A. A. Spinovye metki i zondy v fizikohimii polimerov [Spin labels and probes in polymer physicochemistry]. Moscow: Nauka, 1986. 246 p.

Arcioni A., Bacchiocchi C., Grossi L. et al. Electron spin resonance study of order and dynamics in a nematic liquid crystal containing a dispersed aerosol. J. Phys. Chem. B. 2002. Vol. 106 (36). P. 9245–9251. doi: 10.1021/jp020554j

Brazhkin V. V., Fomin Yu. D., Lyapin A. G. et al. Two liquid states of matter: a dynamic line on a phase diagram. Physical Review. E. 2012. Vol. 85, no. 3. P. 031203. doi: 10.1103/PhysRevE.85.031203

Dhami A. K., Bhat S., Sharma A. et al. Spin probe ESR dynamics of single walled carbon nanotubes.Spectrochimica Acta. Part A. 2008. Vol. 69. P. 1178–1182. doi: 10.1016/j.saa.2007.06.034

Kim J. E., Han T. H., Lee S. H. et al. Graphene oxide liquid crystals. Angew. Chem. Int. Ed. 2011. Vol. 50. P. 3043–3047. doi: 10.1002/anie.201004692

Marsh D. Polarity and permeation profiles in lipid membranes. PNAS. 2001. Vol. 98, no. 14. P. 7777–7782. doi: 10.1073/pnas.131023798

Rozhkov S. P., Goryunov А. S. Salt induced thermodynamic

instability, concentration heterogeneity and phase transitions in lysozyme solutions. Biophysical Chemistry. 2012. Vol. 170. P. 34–41. doi: 10.1016/j.bpc.2012.08.001

Rozhkova N. N., Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Natural graphene based shungite nanocarbon. Carbon nanomaterials sourcebook. Graphene, fullerenes, nanotubes, and nanodiamond. Vol. I. Ed. K. D. Sattler. Boca Raton, CRC Press Taylor and Francis Group, 2016. P. 153–176. doi: 10.1201/b19679-9

Sheka E. F., Rozhkova N. N. Fractals of graphene quantum dots in photoluminescence of shungite. Int. J. Smart Nano Math. 2014. Vol. 118, no. 5. P. 735–746. doi: 10.1134/S1063776114050161

Stankovich S., Dikin D. A., Piner R. D. et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon. 2007. Vol. 45. P. 1558–1565. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034

Wang Z., Zhu W., Qiu Y., Yi X., von dem Bussche A., Kane A., Gao H., Koski K., Hurt R. Biological and environmental interactions of emerging two-dimensional nanomaterials. Chem. Soc. Rev. 2016. Vol. 45, no. 6. P. 1750–1780. doi: 10.1039/c5cs00914f

Zhu C., Guo S., Fang Y. et al. Reducing sugar: New functional molecules for the green synthesis of graphene nanosheets. ACS Nano. 2010. Vol. 4. P. 2429–2437. doi: 10.1021/nn1002387

Xu Y., Watermann T., Limbach H.‑H. et al. Water and small organic molecules as probes for geometric confinement in well-ordered mesoporous carbon materials. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. Vol. 16. P. 9327–9336. doi: 10.1039/C4CP00808A




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb450

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019