ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к Центр дистанционного обучения Бионанотехнология Каплун А.П., д.х.н. проф. каф. БТиПФ, ИТХТ им. М.В.Ломоносова online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Темы разделов дисциплины Введение. Нанотехнологии и бионанотехнология Молекулярное узнавание и самосборка в живых системах Методы исследования нанообъектов и наносистем Биомолекулы как структурные элементы в бионанотехнологии. Липиды. Белки. Нуклеиновые кислоты Бионанотехнологии для медицины online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основная учебная литература 1. Э. Газит. Нанобиотехнология: необъятные перспективы развития. / Пер. с англ. А.Е. Соловченко, науч. Ред. Н.Л. Клячко. М.: Научный мир, 2011. – 152с. (Фундаментальные основы нанотехнологий: лучшие зарубежные учебники). 2. Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология. М-СПб-Киев, 2004. 3. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М., Мир, 2002. 4. Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. - М., 2005. - 256 с. 5. Роко М.К., Уильямс Р.С., Аливисатос П. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. М., Мир, 2002. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Дополнительная литература 6. Twyman RM (2004). Principles of Proteomics (Advanced Text Series). Oxford, UK: BIOS Scientific Publishers. ISBN 1-85996-273-4. 7. Генрих Эрлих – Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий. КоЛибри, 2012 г. Серия: GALILEO. ISBN: 978-5389-02399-4 Эти файлы есть у меня. Выложу в облако online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Источники информации в сети Интернет - www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed - Свободный доступ в крупнейшую базу научных данных в области биомедицинских наук MedLine. - http://isir.ras.ru/ - Интегрированная Система Информационных Ресурсов Российской Академии Наук. - http://www.viniti.msk.su/ - Всероссийский Институт Научной и Технической Информации (ВИНИТИ РАН). - www.molbiol.ru - Учебники, научные монографии, обзоры, лабораторные практикумы в свободном доступе на сайте практической молекулярной биологии - www.swissprot.com – свободный доступ к международной базе данных по первичным и 3D структурам ферментов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция 1 Введение. Нанотехнология, биотехнология и бионанотехнология Принципы самоорганизации живого Самосборка природных биологических структур. Организация биологических систем. Строение и функции клеточных органелл. Принципы молекулярной самоорганизации вирусных наночастиц. Молекулярные основы живых систем. Основные классы биологически активных соединений. Процессы самосборки и самоорганизации в живых системах. Рибосомы – конвейеры для сборки белков. Протеосомы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция №1 Введение. Нанотехнология, биотехнология и бионанотехнология 1. 2. 3. 4. План: История развития нанотехнологии и бионанотехнологии Понятия и объекты бионанотехнологии и нанобиотехнологии Примеры бионаномашин Направления развития бионанотехнологии online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Большой Энциклопедический словарь определяет Технологии (от греч. “techne” – «искусство», «мастерство», «умение»+ “logos”– “наука”) совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции. Биотехнологии - совокупность методов, позволяющих использование живых организмов, продуктов их жизнедеятельности и биологических процессов в промышленном производстве. Нанотехнологии (от греч. «nanos» - «карлик» и techne) – знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений (или размеры которых порядка 10-9м). Бионанотехнологии - ??? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения История развития нанотехнологии глазами автора дистанционного профильного курса, 2010 г. http://transhumanism-russia.ru/content/view/165/20/ Источник: Washington ProFile via Известия Науки via Вечный разум. Историк науки Ричард Букер отмечает, что историю нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам – во-первых, «размытости» самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются «технологиями» в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже не подозревая об этом. Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещѐ несколько тысяч лет назад. В исследованиях проведѐнных в Центре исследований и реставрации французских музеев, установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров! В недавних экспериментах доктор Филипп Вальтер показал, что древний процесс окрашивания волос в чѐрный цвет является замечательным примером нанотехнологий, успешно используемых до настоящего времени. Вы согласны с такой интерпретацией? Чем отличается научный язык от языка научно-популярного изложения? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Чарльз Пул, автор книги «Введение в Нанотехнологию», приводит ещё один пример: в Британском Музее хранится, «Кубок Ликурга» (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами – он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет – от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов. Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «неделимый», для описания самой малой частицы вещества. Вероятно, впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в (это произошло в 1883 году). 1931 г. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 г. Ричард Фейнман выступил в Американском Физическом обществе с докладом известным под названием «Там, внизу, ещё много места», который считается стартовой точкой отсчёта в борьбе за покорение наномира. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 1968 г. Альфред Чо, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. 1974 г. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот термины «нанотехника и нанотехнология», которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона, и способы их создания. 1981 г. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы (то есть, сканирующий туннельный микроскоп) 1982 г. Разработан растровый туннельный микроскоп. 1985 г. Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр. Они же открыли существование шарообразной углеродной молекулы – фуллерена. 1986 г. Создан атомный силовой микроскоп, ставший инструментом по сборке нанообъектов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 1986 г. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться. 1989 г. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона. 1991 г. Японские исследователи обнаружили углеродные нанотрубки (Sumio Iijima) 1993 г. В США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда Фейнамана, который в 1959 г. произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. 1998 г. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий. 1999 г. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же как молекулярные цепочки. 2000 г. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. Это послужило толчком для создания национальных online.mirea.ru программ по нанотехнологиям во многих промышленно развитых странах. Центр дистанционного обучения 2001 г. Марк Ратнер, автор книги «Нанотехнологии: Введение в Новую Большую Идею», считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда и произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии – «прорывом года», а влиятельный бизнес-журнал Forbes – «новой многообещающей идеей». Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция». online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 2004–2006 г. Российский исследователь и изобретатель В.И. Петрик с помощью разработанного им же газофазного метода очистки металлов и разделения изотопов получил наноструктуры ряда металлов: платины, железа, никеля и др. Дата рождения 22 июня 1946 (74 года) …………. Род деятельности бизнесмен, изобретатель, торговец-разносчик, мошенник Предупреждение: Большинство сведений в интернете – неточные, ошибочные или даже ложные. Вывод: пользоваться источниками, которыми доверяете! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Кубок Ликурга». Изготовленный древнеримскими мастерами – он содержит наночастицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет – от темно-красного до светлозолотистого. Окраска стекла обусловлена поглощением света в коротковолновом диапазоне наноразмерными частицами металла: красный цвет определяется присутствием наноразмерных частиц золота, желтый – серебра. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов (???). . online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Представленные составы стекла окрашивают не вследствие присутствия наночастиц металлов, а из-за присутствия пигментов желтого, оранжевого, зеленого, голубого или синего цветов. Интересно, в каком виде добавляли наночастицы золота и серебра? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нанотехнологии Нам не удалось найти единого документа, описывающего, что такое нанотехнологии и нанопродукция. Среди подходов к определению понятия «нанотехнологии» имеются следующие: В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее: знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений; использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Международная организация по стандартизации, ИСО (англ. International Organization for Standardization, ISO; фр. Organisation internationale de normalisation, ISO) — международная организация, занимающаяся выпуском стандартов. Сфера деятельности ИСО касается стандартизации во всех областях, кроме электротехники и электроники, относящихся к компетенции Международной электротехнической комиссии (МЭК, IEC). Некоторые виды работ выполняются совместными усилиями этих организаций. Кроме стандартизации, ИСО занимается проблемами сертификации. ИСО определяет свои задачи следующим образом: содействие развитию стандартизации и смежных видов деятельности в мире с целью обеспечения международного обмена товарами и услугами, а также развития сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической областях. Официальными языками являются: английский, французский и русский online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нанотехнологии На территории РФ понятие нанотехнологий установлено в ГОСТ Р 55416-2013 «Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения»: совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона (1 нм – 999 нм?). Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.) нанотехнология определяется, как совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Что такое наночастицы с точки зрения физика? Под наночастицами понимают объекты размером от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Как правило, это либо кристаллы нанометровых масштабов (нанокристаллы), либо крупные молекулы. 0.7 нм 1 – фуллерен С60; 2 – однослойная полупроводниковая квантовая точка; 3 – квантовая точка типа «ядро-оболочка»; 4 – TEM (ПЭМ) снимок золотых наночастиц; 5 – TEM снимок наночастиц серебра online.mirea.ru Владимир Сергеевич Лебедев, Зав. кафедрой, Отделение оптики ФИАН Центр дистанционного обучения Особенности оптических процессов, происходящих на нанометровых масштабах Необходимо учитывать влияние локализованных полей Электромагнитные поля вблизи наноструктур существенно отличаются от полей в свободном пространстве и в объемных материалах Эти обстоятельства особенно важны при рассмотрении эффектов, происходящих вблизи границы наноструктур, а также при взаимодействии близко расположенных наночастиц Локализованные поля существуют в ограниченных частях пространства, однако интенсивности таких полей могут быть значительны, что может приводить к возникновению нелинейно-оптических явлений В случае, если исследуемые нанообъекты обладают размерами менее 10 нм, могут начинать играть роль квантовые эффекты, приводящие к неприменимости использования понятия диэлектрической проницаемости Другими словами для физиков для наночастиц cutoff 10 нм online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Квантовые точки Частный случай наночастиц – квантовые точки. Квантовая точка – это кристалл, движение носителей зарядов (электронов или дырок) в котором ограничено по всем трем измерениям. Квантовая точка состоит из сотен атомов! На настоящий момент химики умеют синтезировать квантовые точки самых различных составов. Наиболее распространены квантовые точки на основе кадмия (например, CdSe). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спектральные свойства полупроводниковых наночастиц В объемном материале электрон может занять любую незанятую позицию в зоне проводимости. Спектр фотонов, испускаемых при возвращении электрона в валентную зону, является непрерывным. В квантовой точке происходит ограниченное в пространстве снижение дна зоны проводимости и повышение потолка валентной зоны. В силу законов квантовой механики допустимые уровни энергии электрона при этом образуют online.mirea.ru дискретный спектр. Центр дистанционного обучения Спектры излучения квантовых точек зависят от размера Зависимость флуоресценции квантовых точек CdSe/ZnS, облучаемых светом с = 470 нм, от величины радиуса ядра online.mirea.ru Центр дистанционного обучения There„s Plenty Of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Phisics «Там, внизу, ещѐ много места» 29.12.1959 г. нобелевский лауреат Ричард Фейнман выступил в Американском Физическом обществе с лекцией Ричард Фейнман 1918-1988 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные положения лекции Ричарда Фейнмана online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Все книги мира на площади 2.5 кв. м «Если уменьшить тексты в 25 000 раз, то пиксель для отличной печати с полутонами будет составлять 8 нм (около 1000 атомов)» «Для изготовления печатной формы при записи всей информации, содержащейся в мировых библиотеках, нам потребуется лишь тонкая пленка (из окиси кремния на полимерной основе) общей площадью около 2.5 кв. м, то есть вы можете, вообще говоря, держать в руках брошюру, содержащую в себе всю накопленную человечеством информацию (причем не в какой-то сложной, закодированной форме, а в виде обычного текста, со всеми оригинальными рисунками, схемами, чертежами и т.д.), и эта брошюра будет отличаться от обычных изданий лишь особо малым форматом печати» Из стенограммы лекции, опубликованной в журнале Engineering & Science, 1960. V.23.№5 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения А если сжать информацию, все книги уместятся в кубике размером около 1/200 дюйма При записи букв в виде комбинации точек и тире, на одну букву пойдет 6-7 бит информации. Если для каждой точки или тире (разных элементов) использовать кубик из 125 атомов, то вся информация, содержащаяся во всех книгах планеты (1015 бит) поместится в кубике размером около 1/200 дюйма! (1.3 мм) Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения В живой природе информация хранится тоже очень компактно, но в «свернутом» виде «Полная информация о человеке (начиная с цвета глаз и кончая последовательностью формирования в организме косточки в челюсти эмбриона, в результате чего внутри этой косточки формируется крошечный канал для прорастания нерва) содержится в очень небольшой части клетки, а именно в длинной молекуле ДНК, где каждый бит информации записывается посредством комбинации из примерно 50 атомов» Значит ли это, что для того, чтобы понять, геном какого организма мы исследуем, можно сделать, только дав ему возможность превратиться в организм? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Совершенствуйте микроскопы!» «Все фундаментальные для биологии вопросы можно будет решить, как только мы научимся видеть изучаемые объекты и процессы! Тогда вы сможете просто наблюдать последовательность оснований в молекулярной цепочке или структуру микросомы. К сожалению, современные микроскопы слишком грубы для подобных исследований. Увеличьте их разрешение в сто раз, и многие биологические задачи сразу станут простыми и легкими. Мне даже кажется, что биологи наконец станут искренне благодарны физикам, если мы начнем давать им новые возможности для работы вместо советов о пользе применения математических методов» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Ким Эрик Дрекслер (K.E.Drexler) известный американский ученый, «отец нанотехнологий», инженер, известный популяризатор нанотехнологий. Автор концепции нанотехнологического механосинтеза, первый теоретик создания молекулярных нанороботов, концепции «серой слизи». Ключевые труды по нанотехнологии 1981 г. – в журнале PNAS – статья с описанием биологических сборок из белков – блоков функциональных наномодулей – двигателей, проводников, насосов. Эрик Дрекслер выступал на 1986 г. – книга «Еngines of Creation:The IV Международном Форуме по Coming Era of Nanotechnology» (http:// www. нанотехнологиям, организуемом foresight.org/EOC/) ОАО «Роснано», который прошёл в 1992 г. – книга «Nanosystems: Molecular Москве с 26 по 28 октября 2011 г. Machinery, Manufacturing, аnd Computаtion» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 1989 г. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона на никелевой подложке, используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) 1989 г. Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор. 1991 г. Sumio Iijima открыл углеродные нанотрубки. 1993 г. В США начали присуждать Фейнмановскую премию online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 2000 г. - Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Это послужило толчком для создания национальных программ по нанотехнологиям во многих промышленно развитых странах. 2004 г. Администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative В России 4 мая 2008 года правительство приняло «Программу развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года» Одобренные к финансированию проекты Роснано разделены на шесть кластеров: • солнечная энергетика и энергосбережение; • наноструктурированные материалы; • медицина и биотехнологии; • машиностроение и металлообработка; • оптоэлектроника и наноэлектроника; • инфраструктурные проекты. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные задачи нанотехнологий • синтез новых материалов и композиций с заданными свойствами, необходимых для решения различных технических задач; • разработка и создание новых источников энергии; • выяснение механизма биохимических процессов и их реализация в искусственных условиях; • разработка эффективных методов доставки лекарственных препаратов внутрь клеток online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Направления современной биотехнологии online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Шкала размеров, примерные величины различных объектов и методы их визуализации online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Биотехнология online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Определения Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии. (Википедия) БИОТЕХНОЛОГИЯ – любая технология (методика), которая использует живые организмы, их компоненты или продукты жизнедеятельности для получения или модификации продуктов или для улучшения растений или животных. (СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ по циклу дисциплин медико-биологического направления: учебное пособие для магистров / А.П. Каплун, И.В. Демидюк – Москва, 2009) Биотехнология - использование биологических процессов и систем в различных областях сельского хозяйства, промышленности и медицины; научное направление, объединяющее возможности биологии и техники; наука о применении биологических процессов и систем в производстве. (http://биотехнологии.рф/terms/29, Проект о биотехнологиях в России и мире) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Два принципа получения наночастиц Технологии, которые в основном используются человеком, основаны на обработке «заготовки» с помощью инструментов и технологических приемов для придания ей нужных свойств и формы. Такой подход называется «сверху вниз»(top-down). Способ «сборки» объекта из атомов называют способом «снизу вверх» (bottom-up) Для этой цели предполагалось использовать механосинтез – молекулярные нанотехнологии: брать атом за атомом и «прижимать» к нужным местам молекулы, так чтобы образовывались нужные химические связи. Ассемблер – наноразмерный механизм, который должен собирать объекты атом за атомом согласно некоторой программе. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Природа придумала лучше: самосборка биологических систем В клетках располагаются «наномашины», которые образуются самопроизвольно. Образование структур такого рода основано на соединении комплементарных поверхностей. Самосборка – центральный процесс во всех биологических системах. В большинстве случаев сборка сложных биологических систем идѐт без использования исходных матриц. Пример: образование переносчика кислорода - гемоглобина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Специфика бионаномашин Природные бионаномашины были созданы в результате эволюции, а не в результате работы «конструктора», инженера и дизайнера. • Природные биомашины имеют очень сложную поверхность. • Они работают в «активном» внешнем окружении, которое постоянно толкает, тянет раскачивает детали наномашин. • Компоненты бионаномашин связаны между собой сложным набором взаимодействий (связывающих и антисвязывающих) • Бионаномашины практически не ощущают силы гравитации и инерции • Бионаномашины большинство своих функций в клетке выполняют, находя друг друга в процессе диффузии ???? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Примеры бионаномашин Рибосома – «конвейер» для сборки белков немембранная органелла всех клеток, служащая для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой мРНК. Протеасома – система контроля качества белка многобелковый комплекс, разрушающий ненужные или дефектные белки при помощи протеолиза АТФ-синтаза – вращательный нано-двигатель и генератор группа ферментов, относящихся к классу транслоказ, синтезирующих АТФ из АДФ и неорганических фосфатов РНК полимераза – «копировальный станок» по производству матричных РНК ферменты, осуществляющие синтез молекул РНК на матрице ДНК Тимидилат синтаза – механосинтез углерод-углеродных связей is an enzyme that catalyzes the chemical reaction 5,10-methylenetetrahydrofolate + dUMP + FADH2 = dTMP + tetrahydrofolate + FAD Актин и миозин – «машина», производящая мышечные сокращения. Миозин — один из главных компонентов сократительных волокон мышц — миофибрилл. При соединении миозина с актином образуется актомиозин — основной структурный элемент сократительной системы мышц online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Примеры бионаномашин Кинезин и динеин – шагающие нано-двигатели, транспортирующие «биогрузы»: везикулы и т. п. Родопсин – светочувствительный биосенсор. Содержащийся внутри палочек пигмент сетчатки глаза, в состав которого входит ретинальдегид - витамин А и белок Клатрин - Трискелионы клатрина – «машина» по сборке жесткой внешней оболочки транспортных везикул (окаймленные везикулы) Консервативный фибриллярный белок, образующий вместе с другими полипептидами характерный многогранный чехол на поверхности так называемых окаймленных пузырьков. Покрытые клатрином пузырьки отвечают за опосредованный рецепторами эндоцитоз Антитела – система распознавания «свой – чужой» Антитела - глобулярные белки, относящиеся к классу иммуноглобулинов, которые продуцируются иммунной системой животного организма в ответ на появление чужеродных молекул и специфически с ними взаимодействуют. Ионные каналы – селективные фильтры. Погруженные в бислой белки часто формируют гидрофильные каналы, через которые могут проходить неорганические ионы и другие водорастворимые вещества online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Рибосома Структурно и функционально рибосома — это, прежде всего, еѐ РНК. Рибосомная РНК (рРНК) в составе рибосомы очень компактна, имеет сложную третичную структуру и плотно инкрустирована молекулами различных рибосомных белков. Очищенные от белков высокомолекулярные рибосомные РНК в специально подобранных условиях (20 мМ Mg2+, ионная сила 0,3—0,5, иногда условия включают также присутствие ди- и полиаминов, этанола) самопроизвольно сворачиваются в компактные частицы, морфологически (формой, внутренней структурой и размерами) очень схожие с рибосомными субчастицами, основу которых они составляют. Таким образом, общий план структурной организации рибосомы задаѐтся свойствами рРНК. Третичная структура рРНК выступает каркасом для размещения рибосомных белков, белки же в определѐнном смысле играют лишь второстепенную роль в формировании и поддержании структуры рибосомы и еѐ функционировании. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Рибосома Как полагают, эволюция рибосомы началась ещѐ в добелковую эру. Предположительно «предками» рибосом являлись некие древние рибозимы. Полагают, что в ходе эволюции (с усложнением уровня организации живых систем) некие рибозимы, способные катализировать образование амидных связей, также прогрессировали («обрастали» дополнительными модулями, а позже — также и синтезируемыми ими полипептидами), вплоть до образования современного аппарата белкового синтеза, включая рибосому. Современная рибосома, по своей сути, продолжает оставаться рибозимом — основная структурно-функциональная нагрузка лежит на еѐ РНК, а не на белках, как когда-то полагали. В состав пептидилтрансферазного центра — наиболее древней, эволюционно консервативной и функционально важной части рибосомы — входит исключительно РНК. Тот факт, что в то время как практически во всех процессах жизнедеятельности ведущую роль играют белки, в синтезе самих белков ведущая роль принадлежит РНК, является сильным аргументом в пользу гипотезы РНК-мира как древнего добелкового этапа эволюции живой материи. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Компьютерная модель рибосомы (изображение: rna.ucsc.edu). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные функциональные сайты рибосомы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Строение функционирующей рибосомы Рибосома – сложный, формирующийся путем самосборки, комплекс диаметром 200 нм. Она состоит из 2-х субъединиц, каждая из которых содержит одну или две очень крупные молекулы РНК – рРНК Бактериальная рибосома состоит из 55 различных белков и 3 молекул РНК. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Рибосома – машина для трансляции Protein_translation.gif (250 × 250 pixels, file size: 5.54 MB, MIME type: image/gif, looped, 1,015 frames, 1 min 21 s) Скорость передвижения рибосомы по мРНК составляет 6 триплетов в секунду online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Скорость передвижения рибосомы по мРНК составляет 6 триплетов в секунду Так как в клетке 61 тип тРНК, то вероятен последовательный подход нескольких десятков, прежде, чем подойдет нужная. Таким образом, около 6*30=180 молекул тРНК ткнется в «посадочную площадку» рибосомы. А если учесть, что молекула тРНК большая (25 кДа, около 5 нм), и может ткнутся не тем местом!!!! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лауреаты Нобелевской премии по химии в 2009 «за исследования структуры и функций рибосомы» online.mirea.ru http://www.weizmann.ac.il/sb/faculty_pages/Yonath/00Sc_activities.html#MyLink Центр дистанционного обучения Искусственная рибосома Ribo-T состоит из одной субъединицы. Если бы её сделали также состоящей из двух частей, то синтетические субъединицы смогли бы перемещаться по матриксу эндотелия и вступать в конкурентные отношения с естественными, блокируя их. В итоге клетка просто погибла бы, утратив способность синтезировать белки. Поэтому авторы исследования решили заранее объединить субъединицы искусственной рибосомы, оставив между ними пространство, достаточное для скольжения матричной РНК. Такая иммобилизованная структура демонстрирует менее впечатляющие результаты по скорости, но главное – она работает внутри живой клетки E.coli. Бактерии выживают и продолжают синтезировать заданный белок даже после замены всех исходных рибосом синтетическими. Получившимися гибридными рибосомами Ribo-T (от англ. tethered — связанный) ученые снабдили штаммы бактерий, не синтезирующие обычные рибосомы. Оказалось, что гибриды вполне способны поддерживать жизнь бактерий и синтезировать все необходимые для них белки. Правда, скорость роста бактерий, несущих лишь гибридные рибосомы, была в два раза меньше, чем у бактерий с обычными рибосомами. Как и скорость роста, скорость синтеза белков у бактерий, несущих гибридные рибосомы, оказалась в два раза меньше нормальной. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Соединение двух рРНК для получения единой и неделимой рибосомы Ribo-T. Вторичная структура нативных рРНК (слева) и их гибрида. Для сшивки использовали короткие цепочки РНК — линкеры Т1 и Т2 (отмечены красным). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Модели обычной бактериальной рибосомы (слева) и синтетической Ribo-T online.mirea.ru Центр дистанционного обучения АТФ-синтаза - молекулярный мотор. Строение фермента Н+-АТФ-синтазы Н+-АТФ-синтазы эукариот и бактерий – сложные F1 · F0 мембранные комплексы, имеющие сходную структурную организацию. М = 450 – 500 кДа. F1 – водорастворимая каталитическая часть комплекса F1 · F0. F1 состоит из 9 субъединиц 5 типов: 3α, 3β, γ, δ и ε. Размеры F1 - 8 нм × 10 нм, длина γ - 9 нм. Субъединицы γ и ε подвижны. F0 – мембранная часть, комплекса F1 · F0 содержит протонный канал F0 состоит из субъединиц 3 типов: а, b, с online.mirea.ru Центр дистанционного обучения АТФ-синтаза - молекулярный мотор АТФ-синтаза трансформирует электрохимическую энергию в химическую и наоборот. Каталитическая активность фермента связана с вращением “ротора” (γ и ε) неподвижного “статора” Поворот субъединицы γ вызывает одновременное изменение конформации online.mirea.ru всех 3-х каталитических субъединиц β и обеспечивает работу фермента. Центр дистанционного обучения Обратимость работы АТФаз 1. Поток протонов через АТФазу вращает ротор, что приводит к синтезу АТФ из АДФ 2. За счет гидролиза АТФ происходит вращение ротора, который работает в качестве насоса, перекачивающего протоны через мембрану online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Как и у других ферментов, действие АТФ-синтазы F1FO обратимо. Большие концентрации АТФ заставляют её расщеплять АТФ и создавать трансмембранный протонный градиент. Такое использование АТФ-синтазы отмечено у анаэробных бактерий, не имеющих транспортной цепи электронов. Эти бактерии применяют гидролиз АТФ для создания протонного градиента (ΔμH+), который задействован в движении жгутиков и клеточном питании. КПД АТФ-синтазы близок к 100% У аэробных бактерий (как и в митохондриях эукариот) в нормальных условиях АТФ-синтаза, работает в обратном направлении, производя АТФ за счёт энергии электрохимического потенциала, создаваемого транспортной цепи электронов. В целом данный процесс называется окислительным фосфорилированием. Он протекает и в митохондриях эукариот, на внутренней мембране которых расположены молекулы АТФ-синтазы, причём компонент F1 находится в матриксе, где и протекает процесс синтеза АТФ из АДФ и фосфата. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Механизм действия АТФ-синтазы Вращение приводит к изменению конформации всех 3-х каталитических субъединиц β, сближает реакционные центры АДФ и фосфата. Это один из примеров механосинтеза АТФ показан красным, АДФ и фосфат — розовым, вращающаяся субъединица γ — черным. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Окислительное фосфорилирование, или откуда берется ΔμH+? Электрон-транспортная цепь митохондрий является местом проведения окислительного фосфорилирования у эукариот. NADH и сукцинат, образовавшиеся в ходе цикла трикарбоновых кислот, окисляются, и их энергия передаётся АТФсинтазе, которая за её счёт синтезирует АТФ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нобелевская премия по химии 1997 года «за открытие ферментативного характера синтеза АТФ» Пол Делос Бойер (31.07.1918 - 2.06.2018) Джон Эрнст Уокер (07.01.1941online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Мотор жгутиков бактерий Многие бактерии приводятся в движение моторами, размер которых всего 45 нм. Мотор соединен с жгутиком, в несколько раз превышающим длину самой бактерии. Согласованное движение позволяет клетке за 1 секунду перемещаться на расстояние, которое в 35 раз превышает ее собственную длину online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Электронные микрофотографии жгутика «Жгутик – один из самый миниатюрных и мощных моторов в природе. Моторы, сенной палочки (Bacillus subtilis), могут вращаться со скоростью 200 об/с (12 000 об/мин) с вращательным моментом в 1400 пН*нм. Это достаточно большая мощность для миниатюрного механизма, диаметр которого всего несколько десятков нанометров» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вопросы по лекции №1 – Бионанотехнология 1. Сформулируйте определение терминов БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ - ….. НАНОТЕХНОЛОГИИ - ……. 2. Назовите имена учѐных, которые внесли существенный вклад в развитие нанотехнологии 3. Приведите примеры природных бионаномашин online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спасибо за внимание! online.mirea.ru ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам материалы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения Online-edu.mirea.ru к Центр дистанционного обучения Бионанотехнология Каплун А.П., д.х.н. проф. каф. БТиПФ, ИТХТ им. М.В.Ломоносова online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция 2 Молекулярное узнавание и самосборка в живых системах Молекулярные и химические основы взаимодействия элементов при самосборке бионаноструктур. Принципы молекулярного узнавания. Узнавание и аффинность молекул. Иммуноглобулины. Узнавание нуклеиновых кислот белками. Взаимодействие рецепторов с лигандами. Взаимное узнавание нуклеиновых кислот. Биосенсорика. Сенсорные белки в биомембранах. Нейросенсорика. Фоторецепция. Фотосинтезирующие мембраны. Фоторецепторные белки. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Отцы» нанотехнологии Герд Бинниг и Генрих Рорер online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Что есть что?? Биотехнологии - совокупность методов, позволяющих использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Нанотехнологии –совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами, размеры которых порядка 10-9 м. Бионанотехнология – область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватывает широкий круг технологических подходов, включая: применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; использование биологических молекул для нанотехнологических целей; создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в дипазоне 1–100 нм); использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения См. слайд №3 из лекции №13 (Курочкин) в папке нано-Юля, наноолекции По-моему, это одно и то же online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Самосборка и самоорганизация Самосборка (англ. self-assembly) — процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, «собирающиеся», как части целого, в результирующую сложную структуру. Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) «снизу-вверх». Основная задача, которая стоит при её проектировании— это необходимость таким образом повлиять на параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов супрамолекулярной химии, где «инструкции», как собирать большие объекты, «закодированы» в структурных особенностях отдельных молекул. Следует отличать самосборку от самоорганизации, которая может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе. К самосборке можно отнести формирование самособирающихся мономолекулярных слоев (например, молекул тиолов на поверхности золотой плёнки), образование плёнок Ленгмюра-Блоджетт, послойную сборку и пр. online.mirea.ru Примеры самосборки Центр дистанционного обучения Самособирающийся монослой алкантиола CnH2n+1SH на поверхности золота. Поверхностное давление плёнки Ленгмюра-Блоджетт в зависимости от поверхностной концентрации молекул Схема процесса получения тонкой плёнки методом послойной сборки: A — осаждение отрицательно заряженного полиэлектролита (полианиона); B — осаждение положительно заряженного online.mirea.ru полиэлектролита (поликатиона). Центр дистанционного обучения Самоорганизация — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. Результат — появление единицы следующего качественного уровня. В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса. Очень близким к явлению самоорганизации является явление самоупорядоченности систем (то есть более узким по отношению к самоорганизации понятием). И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи. В 1947 году термин появился в научной публикации Уильяма Эшби «Principles of the Self-Organizing Dynamic System». Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом, не как в синергетике. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Характеристики процесса самоорганизации : • интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе); • макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы); • имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию); • новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне; • новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Самоорганизация Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики: «Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих». Характеристики системы: • открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой); • содержит неограниченно большое число элементов (подсистем); • имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров самоорганизации: • лазер — пространственное упорядочение; • ячейки Рэлея—Бенара — пространственное упорядочение; • реакция Белоусова — Жаботинского — пространственновременное упорядочение; online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лазер — пространственное упорядочение лазер сокр., ОКГ иначе оптический квантовый генератор (англ. laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, преобразующее различные виды энергии (световой, электрической, тепловой, химической и т. д. — энергии накачки) в энергию когерентного, узконаправленного (как правило, монохроматического) светового излучения в результате вынужденного (стимулированного) излучения или вынужденного рассеяния света. Описание В основе работы большинства лазеров лежит процесс вынужденного испускания электромагнитного излучения (фотонов) атомами и другими квантовыми системами, находящимися в возбужденных состояниях. Возбужденные за счет энергии накачки квантовые системы взаимодействуют с проходящим резонансным световым излучением. В результате взаимодействия квантовые частицы переходят в состояния с меньшей энергий, а резонансное световое излучение усиливается (такие переходы частиц называются вынужденными, а испускаемое в результате перехода излучение online.mirea.ru называется вынужденным). Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Ячейки Рэлея-Бенара — пространственное упорядочение Ячейки Бенара в гравитационном поле Структура, подобная ячейкам Бенара, имеется на Солнце под фотосферой и называется грануляцией Ячейки Бенара или Рэлея-Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом online.mirea.ru температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу. Центр дистанционного обучения Схема движения жидкости в ячейках Бенара online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Реакция Белоусова — Жаботинского — пространственно-временное упорядочение — класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды. Наиболее полный известный реакционный механизм представляет собой набор 80 элементарных реакций. В 1969 году Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Набор 80 элементарных реакций online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Илья́ Рома́нович Приго́жин 12.01.1917, Москва — 28.05.2003, Брюссель) — бельгийский физик и физикохимик российского происхождения. Лауреат Нобелевской премии по химии 1977 года, виконт Бельгии Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике необратимых процессов. Одно из главных достижений заключалось в том, что было показано существование неравновесных термодинамических систем, которые, при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (диссипативные структуры). «Если через систему протекают большие потоки материи или энергии, система эволюционирует в сторону усложнения и увеличения разнообразия». Это значит, что возникновение жизни не противоречит свойствам этого мира online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Характеристика межмолекулярных взаимодействий в природных бионаномашинах online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Энергия и длина связи (взаимодействий) в макромолекулах Энергия связи, ккал/моль Длина связи, нм 50-100 0,15 ≤2 0,20 Водородная 1-5 0,30 Электростатическое 1-10 0,25 Гидрофобные взаимодействия (на СН2-группу 2-3 Тип связи (взаимодействия) Ковалентная Ван-дер-Ваальсовы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 1. Водородные связи Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном тепловом движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются. Среднее время жизни водородной связи при комнатной температуре не превышает 1,5*10–9 с. Каждая молекула воды может образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами, однако при комнатной температуре каждая молекула воды образует водородные связи в среднем с 3,4 других молекул. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Свойства молекул воды: а – sp3-гибридизация б – схема водородной связи; в – водородные связи в жидкости; г – водородная связь д – взаимодействие с гидрофобными молекулами; е – гидратация ионов и гидрофильных молекул Молекулярный импринтинг Полимерные антитела!!! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Структури́рованная вода́» «Память воды» Структури́рованная вода́ — термин, чаще всего встречающийся в текстах по нетрадиционной медицине и эзотерике, используемый для обозначения некой «воды с изменѐнной относительно равновесия к окружающей среде структурой». Зачастую структурированная вода предлагается в качестве «сверхлекарства», способного якобы лечить заболевания, признаваемые неизлечимыми медициной. С идеей структурированной воды тесно связано предположение гомеопатов о «памяти воды». Основоположник гомеопатии Ганеман считал, будто сильное разведение препаратов превращает вещества, усиливающие симптомы болезни, в лекарства. Оказалось, что обычные гомеопатические препараты разбавлены настолько сильно, что не содержат ни одной молекулы «действующего» вещества. Тогда гомеопаты придумали «память воды», с тех пор это базовая идея для теоретических основ гомеопатии. Согласно этой идее, вода якобы на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворѐнном, и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нѐм не остаѐтся ни одной молекулы ингредиента. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Молекулярный импринтинг Цель: получить полимер, комплементарно связывающийся с заданной молекулойшаблоном «Пластиковые антитела» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Импринтинг - впечатывание online.mirea.ru Конрад Лоренц Центр дистанционного обучения Ко́нрад Захариас Ло́ренц; 7 ноября 1903, Вена — 27 февраля 1989, там же) — выдающийся австрийский зоолог и зоопсихолог, один из основоположников этологии — науки о поведении животных, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине (1973, совместно с Карлом фон Фришем и Николасом Тинбергеном). В 2015 году был посмертно лишѐн почѐтной докторской степени университета в Зальцбурге в связи с «приверженностью идеологии нацизма» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Синтез импринтированных полимеров Полимеризация в массе 1. Приготовление реакционной смеси (Молекула-шаблон, 4х кратный избыток мономера, до 90% сшивающего реагента) 2. Реакция полимеризации (свободнорадикальная) 3. Измельчение полимерных частиц (до 25-38 мкм) 4. Отмывка полимера от молекулы-жаблона (многократная экстракция) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Связи и взаимодействия, характерные для нековалентного импринтинга а) π-π взаимодействия; б) гидрофобные взаимодействия или взаимодействия Ван-дерВаальса; в) обратимые ковалентные г) металл-лигандные взаимодействия; д) водородные связи; е) ионные взаимодействия online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 2. Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия Определяются взаимодействием электрических диполей молекул. Ван-дер-Ваальсово взаимодействие имеет характер притяжения и возникает между любыми молекулами как полярными, так и неполярными. На малых расстояниях оно компенсируется отталкиванием электронных оболочек. Основные типы взаимодействий, называемых Ван-дерВаальсовыми. 1) диполь-дипольное взаимодействие полярных молекул; 2) индукционное взаимодействие диполя полярной молекулы с индуцированным диполем другой молекулы; 3) дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей двух молекул. Ван-дер-ваальсовые силы явно проявляются в виде трения и адгезии (слипания) при соприкосновении двух поверхностей. Например, насекомые и ящерицы гекконы могут двигаться по вертикальными поверхностями благодаря дисперсионным взаимодействиям между поверхностями их лапок и стен, online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 2. Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия Определяются взаимодействием электрических диполей молекул. Основные типы взаимодействий, называемых Ван-дер-Ваальсовыми. 1) диполь-дипольное взаимодействие полярных молекул; 2) индукционное взаимодействие диполя полярной молекулы с индуцированным диполем другой молекулы; 3) дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей двух молекул. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3. Электростатические силы обеспечивают взаимодействие между полностью или частично заряженными функциональными группами как внутри биомолекулы, стабилизируя её, так и между биомолекулами, способствуя образованию ансамблей. Они не являются направленными и действуют симметрично во всех направлениях от заряженного центра. Виды электростатических взаимодействий биообъектов: 1. Солевые мостики, образующиеся между функциональными группами, несущими формальный заряд. Солевые мостики могут стабилизировать структуры. Фосфорилирование и сульфатирование белков могут значительно изменить их конформацию. 2. Белки часто включают в себя ионы металлов – магний, цинк железо и кобальт – для стабилизации структуры или для выполнения специфических химических функций. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 4. Гидрофобные взаимодействия Когда гидрофобные молекулы помещаются в воду, молекулы воды, окружающие эти гидрофобные молекулы, теряют свою способность свободно формировать и перестраивать водородные связи с соседними молекулами воды. Они формируют клатратную конструкцию вокруг каждого углеводородного включения, что снижает энтропию, а значит, энергетически невыгодно. 1 – гидрофобное вещество; 2 – упорядоченные молекулы воды; 3 – молекулы воды, освобожденные в объѐм раствора Чем меньше поверхность контакта воды и гидрофобных поверхностей молекул, тем меньше свободная энергия системы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 4. Гидрофобные взаимодействия в клетке • Движущей силой формирования третичной структуры являются гидрофобные взаимодействия - сворачивание белков происходит таким образом, чтобы большинство гидрофобных аминокислот оказались внутри глобулы и не контактировали с водой. • Четвертичная структура белков образуется также за счет взаимодействий гидрофобных сайтов на поверхности полипептидов. • Фосфолипидная плазматическая мембрана и мембраны органелл – наиболее стабильная надмолекулярная структура этих амфифильных молекул, так как в ней гидрофобные жирнокислотные цепи не контактируют с водой Чем меньше поверхность контакта воды и гидрофобных поверхностей молекул, тем меньше свободная энергия системы, тем стабильней система. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Самосборка молекулы белка или самоорганизация? Водородные связи – движущая сила образования вторичной структуры Гидрофобные взаимодействия движущая сила образования третичной и четвертичной структуры online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Серповидноклеточная анемия Заболевание связано с мутацией гена HBB, вследствие чего синтезируется аномальный гемоглобин S, в молекуле которого вместо глутаминовой кислоты в шестом положении цепи находится валин. Glu/E Val/V GAU, GAC GUU, GUC, GUA, GUG Это приводит к появлению дополнительного гидрофобного сайта на поверхности -глобина. По этим сайтам гемоглобин слипается, образуя длинные жесткие цепи. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Самоорганизация вируса табачной мозаики Лист табака, пораженный болезнью и вирусные частицы Самосборка ВТМ Вирус табачной мозаики (ВТМ), впервые был исследован методом электронной микроскопии в 1939 г. Показано, что вирусные частицы похожи на ровные полые стержни длиной 300 нм, с внутренним диаметром 4, а внешним 18 нм. Каждый ВТМ включает 2130 белковых субъединиц, расположенных по правозакрученной спирали, внутри которой находится молекула вирусной РНК. ВТМ - первая молекулярная структура, самосборка, которой была продемонстрирована in vitro в 1957 г. Френкель-Конрат и Вильямс показали спонтанное образование вирусных частиц при инкубации очищенных белков оболочки вируса и РНК вируса, которая происходила благодаря их специфическому взаимодействию. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Супрамолекулярная самоорганизация. Тobacсo mosaic virus Вирус Тоbacсo mosaic cостоит из 2130 белковых молекул и одной молекулы РНК. Процесс самосборки ВТМ начинается со связывания белковых субъединиц – двуслойных дисков с определенным местом каркаса, роль которого играет вирусная РНК. После связывания с РНК конформация белковых молекул изменяется, в результате путѐм самосборки, основанной на молекулярном узнавании, образуется спиральный нуклеопротеиновый комплекс. Вся информация необходимая для сборки вируса содержится в его online.mirea.ru строительных блоках. Центр дистанционного обучения Молекулярное узнавание Молекулярное узнавание – способность молекул взаимодействовать друг с другом с высокой аффинностью и специфичностью. Оно основано на множественном и поэтому специфическом нековалентном взаимодействии между молекулами, обеспечивающим образование стабильного надмолекулярного комплекса Самый прочный нековалентный комплекс (KD ≈ 10−15M) образуется гликопротеидом авидином и низкомолекулярным соединением, относящим к водорастворимым витаминам группы В, биотином online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Аффинность биологических взаимодействий Аффинность - (лат. affinitas — родственность) — термодинамическая характеристика, описывающая силу взаимодействия веществ. Для её количественной оценки используют значение константы диссоциации образованного комплекса - Кd А+В АВ Кd=[A]x[B]/[AB], М [A], [B], [AB] – равновесные мольные концентрации Kd=1*10-9M – «наномолярная аффинность» - имеет отношение к online.mirea.ru нанотехнологии??? Центр дистанционного обучения Кинетика процесса молекулярного узнавания k+ - скорость образования комплекса k- - скорость диссоциации Метод поверхностного плазмонного резонанса (serface plasmon resonance) - SPR Поверхостный плазмон – электромагнитная волна, распространяющаяся по поверхности раздела фаз металлической основы и покрытия. Приборы SPR регистрируют изменения показателя преломления при связывании целевого соединения с биопокрытием, нанесенным на металлическую поверхность online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Кинетика процесса молекулярного узнавания k+ - скорость образования комплекса k- - скорость диссоциации Метод поверхностного плазмонного резонанса (serface plasmon resonance) - SPR При SPR-измерениях: 1. Раствор молекул, для которых требуется оценить кинетику вводится в камеру, на поверхности которой иммобилизована молекула, участвующая в связывании 2. Регистрируется изменение резонансного сигнала в реальном времени 3. Подается раствор-носитель, начинается диссоциация, которая тоже регистрируется online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Специфичность биологических взаимодействий Специфичность биологического взаимодействия определяется относительной аффинностью, т.е. сродством данной молекулы по отношению к ее молекулемишени по сравнению с аффинностью к другим, неспецифичным мишеням. Специфическим считают такое связывание, которое имеет Кd ниже 1х10-6 М Например: Фермент – ингибитор Антиген - антитело Лиганд - рецептор Фермент – субстрат Кd 1х10-6 - 1х10-15 М Кd 1х10-9 - 1х10-12 М Кd 1х10-6 - 1х10-10 М Кd ????? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Термодинамика молекулярного узнавания = RTln(Kd) – общая энергия взаимодействия Образование высокоаффинных комплексов основано на уменьшении свободной энергии в реакции связывания Образование комплекса – процесс, ведущий к повышению упорядоченности, т. е. к снижению энтропии. По результатам калориметрии процесс направляется увеличением энтропии, а не ростом энтальпии. Н- энтальпия, мера теплоты реакции; S – энтропия, мера неупорядоченности реакции Количество молекул «связанной»воды уменьшается online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Явления, в которых молекулярное узнавание играет ключевую роль 1. Взаимное узнавание молекул белков - рецептор-лиганд 2. Узнавание фермент-субстрат (ингибитор) 3. Узнавание молекулами белков – антителами - различных соединений (органического, неорганического, биологического и небиологического происхождения). 4. Узнавание белками нуклеиновых кислот – ДНКсвязывающие белки 5. Взаимное узнавание нуклеиновых кислот взаимодействие комплементарных цепей ДНК и РНК online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Аффинность и специфичность комплекса авидин-биотин Аффинность связывания авидина с биотином очень высока (константа диссоциации комплекса – Кd =10-15 М). Одна молекула авидина состоит из 4-х субъединиц и может связать четыре молекулы биотина. Авидин содержится в яичном белке птиц и рептилий, белок с молекулярной массой 62.4 кДа и изоэлектрической точкой рI = 10,5. 1 мг авидина связывает до 14 мкг биотина. Образующийся при этом биологически неактивный комплекс, устойчив в интервале рН 2-13. При избытке авидина в пище у человека может развиться недостаточность биотина. Хотя авидин имеет 4 сайта связывания с биотином, в реакциях ИФА из-за стерических затруднений авидин может взаимодействовать только с двумя молекулами биотинилированного белка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Реакция авидин-биотин Биотин – гетероциклическое соединение. Молекула образована тетрагидроимидазольным и тетрагидротиофеновыми циклами, в тетрагидротиофеновом кольце один из атомов водорода замещен на валериановую кислоту. Биотин является кофактором ферментов, участвующих в метаболизме жирных кислот, лейцина и в процессе глюконеогенеза. Его молекулярная масса равна 244,3 Да. В последние годы широкое распространение в ИФА получила реакция между авидином и биотином (или стрептавидином), позволяющая осуществлять связь между различными компонентами специфического комплекса на твердой фазе. Для нее характерны высокое значение константы связывания (1015 М-1), легкость присоединения биотина к антителам без заметного нарушения их антительной активности, высокая стабильность авидина и наличие у него реакционных групп, позволяющих ковалентно присоединять его к различным реагентам. Разработаны наносенсоры на основе авидина позволяющие тестировать наличие биотина в разных сложных смесях. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Взаимодействие фермент-ингибитор. Модуль барназа-барстар online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Димеризационный модуль барназабарстар Этот модуль можно использовать как молекулярный наноконструктор для создания: •агентов для визуализации раковых клеток; •иммунотоксинов; •мультивалентных мини-антител online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Получение стерически стабилизированных липосомных препаратов доксорубицина с возможностью иммобилизации химерных белков с доменом барназы Возможные функции, присоединяемые к липосоме через комплекс барстар-барназа Электронная микрофотография липосом с присоединенными мишенями (в качестве мишеней – частицы коллоидного золота, связанные с барназой) Лаборатория молекулярной иммунологии С.М.Деева, ИБХ, кафедра биотехнологии, Безруков Д. А., Каплун А.П., МИТХТ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема получения термочувствительных стерически стабилизированных липосом, загруженных доксорубицином и способных присоединяться к субстанциям, несущим барназу online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Антитела как молекулярные сенсоры узнавания. Структура и свойства иммуноглобулинов Антитела (иммуноглобулины, Ig) — особый класс гликопротеинов, присутствующих на поверхности B-лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов и в сыворотке крови и тканевой жидкости в виде растворимых молекул, и обладающих способностью очень избирательно связываться с конкретными видами молекул – антигенами. Антиген (англ. antigen от antibody-generator — «производитель антител») — это любая молекула, которая специфично связывается с антителом. Антигены, как правило, являются белками или полисахаридами и представляют собой части бактериальных клеток, вирусов и других микроорганизмов Иммуноглобулины расщепляются протеиназой папаином на два Fab-фрагмента и один Fc-фрагмент. Оба Fabфрагмента (англ. antigen binding fragment) состоят соответственно из одной L-цепи и N-концевой части H-цепи. Изолированные Fab-фрагменты сохраняют способность связывать антиген. Fс-Фрагмент (англ. fragment crystallizable) состоит из С-концевой части обеих H-цепей. Эта часть IgG выполняет функции связывания с клеточной поверхностью, взаимодействия с системой комплемента и участвует в переносе антител клетками online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение антител для решения медико-технологических задач 1. Диагностика. Конъюгаты специфических антител с ДНК-маркированными магнитными наночастицами позволяют обнаруживать простатспецифический антиген (ПСА) – индикатор рака простаты – в аттомолярных концентрациях, 10-18 М 2. Фармакология. Моноклональные антитела к различным опухольассоциированным антигенам, позволяют создавать препараты направленного действия против широкого спектра онкологических заболеваний: • низкодифференцированных неходжкинских лимфом и В-клеточных лейкозов (анти-CD20 препараты), • Т-клеточных лимфом и хронического лимфолейкоза (ХЛЛ) (анти-CD5 препараты), • рака молочной железы (анти-Her2/neu препараты), • рака яичника (анти-Muc-1 препараты), • рака предстательной железы (анти-PSA препараты) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Строение иммуноглобулинов В иммуноглобулинах соблюдается общий принцип строения. Обе тяжелые пептидные цепи (Н-цепи) IgG состоят из четырех глобулярных доменов VH, СH1, СH2 и СH3, обе легкие (L- цепи) — из двух глобулярных доменов CL и VL. При этом буквы С и V соответственно обозначают константные (англ. constant) и вариабельные (англ. variable) области. Обе тяжелые цепи, а также тяжелая цепь с легкой, связаны дисульфидными мостиками. Дисульфидные мостики внутри доменов стабилизируют третичную структуру. Домены имеют длину около 110 аминокислот и обладают взаимной гомологией. В центральной области молекул иммуноглобулинов расположен шарнирный участок, который придает антителам внутримолекулярную подвижность. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Легкая цепь иммуноглобулина Вторичная структура доменов иммуноглобулинов – бета-складка CDRs: complementaritydetermining regions, гипервариабельный участок online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Иммунный комплекс Иммуноглобулины взаимодействуют не с целой антигенной молекулой, а с отдельными ее участками – эпитопами: группами аминокислотных остатков белкового антигена или участком полисахаридной цепи. Обычное число аминокислот или сахаров, составляющих эпитоп B-лимфоцита 6-8 мономеров. Множество нековалентных связей с антигеном образуют отдельные аминокислотные остатки гипервариабельных участков (CDR), сосредоточенных на концах Fab-ветвей. Эти взаимодействия весьма слабы, однако при большом их числе суммарная энергия связывания получается значительной. Именно действием этих сил обусловлена online.mirea.ru специфичность антител к данному антигену. Центр дистанционного обучения Взаимодействие рецепторов с лигандами Рецептор-лиганд (Р-Л) взаимодействие — процесс узнавания растворимых молекул мембраной клетки и связывания сенсорными поверхностными молекулами (рецепторами) комплементарных им молекул эндо- и экзогенного происхождения (лигандов или агонистов). 1. Рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью Рецепторы первого типа - являются мембранными белками, имеющими одну трансмембранную полипептидную цепь. Это аллостерические ферменты, активный центр которых расположен на внутренней стороне мембраны. Многие из них являются тирозиновыми протеинкиназами. К этому типу принадлежат рецепторы инсулина, ростовых факторов и цитокинов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Типы мембранных рецепторов 2. Рецепторы – ионные каналы Рецепторы второго типа – олигомерные мембранные белки, образующие лиганд-активируемый ионный канал. Связывание лиганда ведет к открыванию канала для ионов Na+, К+ или Cl-. По такому механизму осуществляется действие нейромедиаторов, таких, как ацетилхолин (никотиновые рецепторы: Na+- и К+-каналы) и γ-аминомасляная кислота (Аonline.mirea.ru рецептор: Cl--канал). Центр дистанционного обучения Типы мембранных рецепторов 3. Рецепторы, сопряженные с G-белками Рецепторы третьего типа, сопряженные с ГТФ-связывающими белками. Их полипептидная цепь включает семь трансмембранных тяжей. Такие рецепторы передают сигнал с помощью G-белков на белки-эффекторы, которые являются сопряженными ферментами или ионными каналами. Функция этих белков заключается в изменении концентрации вторичных мессенджеров online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Взаимодействие рецептор-лиганд Процесс узнавания мембраной клетки растворимых молекул и связывания поверхностными молекулами (рецепторами) комплементарных им молекул эндо- и экзогенного происхождения (лигандов или агонистов) характеризуется : 1. Многоточечным взаимодействием с помощью слабых нековалентных связей (электростатических, водородных, гидрофобных): образуются комплексы рецептор-лиганд 2. Скорость образования комплекса пропорциональна концентрации свободных рецепторов и молекул лиганда (закон действующих масс). 3. Скорость распада — характеризуется определенной константой диссоциации. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Общие принципы конструирования природных бионаномашин 1. Модульность Комплексы образованы из множества идентичных модулей, что позволяет программировать образование больших структур небольшим количеством информации и облегчает контроль ошибок самоассемблирования. 2. Тщательная проработка межмодульных интерфейсов Модули ассемблируются только во вполне определенных взаимных ориентациях, при которых они комплементарны друг другу по форме и взаимодействуют друг с другом посредством множества слабых нековалентных взаимодействий. 3. Уникальность взаимодействий между субъединицами Каждое из взаимодействий между субъединицами должно быть единственно возможным для исключения ошибочного соединения частей Не понимаю, как и для чего эти «принципы» можно использовать? Включил в лекцию в надежде, что вам это может пригодиться online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Общие принципы конструирования природных бионаномашин 4. Спонтанность самоассемблирования подразумевает самопроизвольную сборку частей без использования энергии внешнего источника и обеспечивается балансом между энтальпией самоассемблирования и энтропией объединения изначально свободных субъединиц 5. Кооперативность процесса: присоединение одного модуля облегчает присоединение последующих модулей, меняя кинетику процесса спонтанного ассемблирования по принципу «всё или ничего». Думаю, следует обсудить на семинаре эти «принципы» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вопросы по лекции №2. Молекулярное узнавание и самосборка биологических наноструктур 1. Дайте определение понятию САМОСБОРКА. На каких процессах она основана. 2. За счёт каких взаимодействий происходит самосборка? 3. Дайте определение понятию МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ 4. Назовите самые прочные нековалентные комплексы молекул (не считая дуплексы ДНК). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спасибо за внимание! online.mirea.ru ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам материалы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения Online-edu.mirea.ru к Центр дистанционного обучения Бионанотехнология Каплун А.П., д.х.н. проф. каф. БТиПФ, ИТХТ им. М.В.Ломоносова online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция 3 Методы исследования нанообъектов и наносистем • Микроскопия. Оптическая, конфокальная микроскопия. • Электронная микроскопия (просвечивающая и сканирующая). • Зондовая микроскопия: сканирующая туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп. Измерение внутримолекулярных сил в белках с помощью АСМ. Анализатор «Атомные весы». • Оптико-спектральные методы измерения параметров наночастиц: динамическое рассеяние света, дзета-потенциал, гистограммы распределения частиц по размеру. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Оптическая микроскопия Схема работы светового микроскопа 1–осветительная лампа; 2–линза, используемая для равномерного освещения объекта; 3–полевая диафрагма для ограничения светового пучка; 4–зеркало; 5 – апертурная диафрагма для ограничения светового пучка; 6–конденсор; 7– рассматриваемый объект (препарат); 7’–увеличенное действительное изображение объекта; 7’’– увеличенное мнимое изображение объекта; 8–объектив; 9–окуляр; 10–предметный столик online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Ограничения оптической микроскопии дифракцио́нный преде́л Английский физик Джон Рэлей в 70х годах XIX века сформулировал принцип, в соответствии с которым предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длины волны освещающего объект света. Дифракцио́нный преде́л — это минимальное значение размера пятна (пятно рассеяния), которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение. Меньший размер пятна не позволяет получить явление дифракции электромагнитных волн Оптический микроскоп не способен различать объекты, размер которых меньше значения λ/(2n sin θ), где θ — так называемый апертурный угол (у хороших микроскопов θ близок к 90°, и следовательно, предельное разрешение близко к дифракционному пределу λ/(2n)), где λ — длина электромагнитной волны в вакууме, n — показатель преломления среды. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Методы уменьшения дифракционного предела: увеличение показателя преломления среды 1. Дифракционный предел обратно пропорционален показателю преломления среды. Поэтому его можно значительно уменьшить, помещая объект в прозрачную среду с большим коэффициентом преломления. Это используется в оптической микроскопии с помощью иммерсионной системы — оптической системы, в которой пространство между первой линзой и предметом заполнено иммерсионной жидкостью. Применяются: Вода (показатель преломления 1,3329) Физиологический раствор (1,3346) Водный раствор глицерина (1,434) Кедровое или минеральное масло (1,515) Монобромнафталин (1,656) Вазелиновое масло (1,503) Йодистый метилен (1,741) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Методы уменьшения дифракционного предела: использование более коротковолнового излучения 2. Дифракционный предел dmin пропорционален длине волны, следовательно, уменьшить его можно, используя более коротковолновое излучение. Например, использование фиолетового лазера (λ = 406 нм) вместо красного (λ = 650 нм) позволило увеличить ёмкость оптических дисков с 700 МБ (CD) до 25 ГБ (Blu Ray), Переход на коротковолновые (ультрафиолетовые) лазеры позволяет совершенствовать технологические нормы производства микросхем. Использование рентгеновского диапазона позволяет на порядок повысить разрешающую способность микроскопов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Рентгеновские микроскопы Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нм, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нм). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нм Изображение растения, полученное при помощи рентгеновского микроскопа online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Преодоление дифракционного предела: использование суперлинз 3. Получить разрешение несколько лучшее, чем дифракционный предел можно с помощью суперлинз (пластинки, действующей как метаматериал). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Метаматериа́л Метаматериа́л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложно достижимыми технологически, либо не встречающимися в природе. Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например, отрицательные по величине значения как диэлектрической ε, так и магнитной μ проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления как у фотонных кристаллов), наличие возможности управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и т. д. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Преодоление дифракционного предела: сканирующая оптическая ближнепольная микроскопия 4. Преодолеть дифракционный предел позволяет сканирующая оптическая ближнепольная микроскопия (достигнуто разрешение 13 нм). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (оптическая ближнепольная микроскопия) Исследование оптических свойств поверхности твердых тел методом ближнепольной сканирующей оптической микроскопии (БСОМ) http://window.edu.ru/resource/614/45614/files/unn041.pdf online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия (БОМ) — обеспечивает разрешение лучшее, чем у обычного оптического микроскопа. Повышение разрешения БОМ достигается детектированием рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длина волны света. Зонд (детектор) микроскопа ближнего поля снабжен устройством пространственного сканирования. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей и объектов с разрешением ниже дифракционного предела. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Принцип работы СБОМ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения История Идея БОМа была предложена в 1928 году Сингом (E. H. Synge), но она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически не замеченной. Её первое подтверждение было получено Эшем (E. A. Ash) в опытах с микроволнами в 1972 году. В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM во главе с Дитером Полем (D. W. Pohl) проникла внутрь дифракционного предела и продемонстрировала разрешение /20 на приборе, работающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название сканирующего оптического микроскопа ближнего поля. Чуть раньше в той же лаборатории был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принесший ей всемирную известность Создание туннельного микроскопа положило начало целой области исследований — сканирующей зондовой микроскопии. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Если в качестве зонда взять миниатюрную диафрагму с отверстием в несколько нанометров — апертуру, то в соответствии с законами волновой оптики, видимый свет (с длиной волны несколько сот нанометров) проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния, в так называемом «ближнем поле», поставить образец, рассеянный от него свет будет регистрироваться. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от образца, как в туннельном микроскопе, получим растровое изображение поверхности. Позднее были разработаны ближнепольные микроскопы, не использующие апертуру — безапертурный СБОМ. Уникальность ближнепольной оптической микроскопии по сравнению с другими сканирующими методами состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Флуоресцентный конфокальный микроскоп online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Электронная микроскопия (просвечивающая или трансмиссионная) Электро́ нный микроско́ п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). Длина волны де Бройля электронов, λ = h/mv, ускоренных в электрическом поле c разностью потенциалов 1000 В, равна 0,4 Å, что много меньше длины волны видимого света. Вследствие этого, разрешающая способность электронного микроскопа в более чем 10000 раз может превосходить разрешение традиционного оптического микроскопа. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи электромагнитного поля. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Волны де Бройля Волны де Бройля – волны, связанные с любой движущейся материальной частицей. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект корпускула, но и как волна, причём длина этой волны даётся формулой λ = h/р, где h = 6.6·10-34 Дж.с – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Эта волна и получила название волны де Бройля (в честь французского физикатеоретика Луи де Бройля, впервые высказавшего гипотезу о таких волнах в 1923 г.). Если частица имеет массу m и скорость v << с (с – скорость света), то импульс частицы р = mv и дебройлевская длина волны связаны соотношением λ = h/mv. Волновые свойства макроскопических объектов не проявляются из-за малых длин волн. Так для тела массой 200 г, движущегося со скоростью 3 м/с, длина волны ≈10-31 см, что лежит далеко за пределами наблюдательных возможностей. Однако для микрочастиц длины волн лежат в доступной наблюдению области. Например, для электрона, ускоренного разностью потенциалов 100 В, длина волны ≈10-8 см, что соответствует размеру атома. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема электронного микроскопа Электроны, вылетающие из электронной пушки, проходят через конденсорные линзы, которые фокусируют электроны на объекте. Пучок электронов проходит через образец. Линзы объектива и линзы проектора увеличивают прошедший луч и проецируют его на люминесцентный экран. Попадание высокоэнергетичных электронов возбуждает молекулы люминофора в экране, в результате чего создаётся видимое увеличенное изображение образца. Изображение регистрируется различными детекторами, такими, например, как камера прибора с зарядовой связью (charge coupled device, CCD). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Приготовление образцов биологического материал для изучения их в просвечивающем электронном микроскопе 1. Образцы должны быть достаточно маленькими, чтобы позволить быстрое проникновение химических реагентов по всей толщине ткани (по крайней мере в одном из направлений их размер не должен превышать 0,7 мм). 2. Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в четырехокиси осмия, и затем обезвоживаются в органических растворителях (спирте или ацетоне). 3. Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами, которые затем полимеризуются. 4. Получающиеся твердые блоки из смол с заключенными в них образцами, режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нм. 5. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром 3 мм) и контрастируются соединениями тяжелых элементов (урана, свинца, вольфрама и др., например, уранилацетатом (UO2(CH3COO)2 ). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сферические аморфные наночастицы (САНЧ) из тритерпеноидов бересты CH2 H3C CH2 H CH3 H H CH3 H3C OH H H CH3 CH3 CH3 CH3 HO H3C CH3 H H CH3 HO H3C CH3 CH2 H3C H CH3 CH3 H O H H HO O H3C HO CH3 CH3 OH Д.б.н. Попенко В.И. Негативное контрастирование уранилацетатом. МИТХТ, каф. БТ. Сымон А.В., Каплун А.П. Размер в среднем 100 нм. Дзета-потенциал online.mirea.ru = -35 мВ Центр дистанционного обучения Липосомы (200 нм), нагруженные Ag, на поврежденной роговице и внутри нее через 2 ч после нанесения Молекулы коллагена Совместно с МНТК «Микрохирургия глаза» создан препарат для лечения повреждения роговицы. Липосомы адсорбируются на роговице, проникают в рану (левая микрофотография); в роговице располагаются между слоями кератина (правая микрофотография). Все это увеличивает время контакта online.mirea.ru субстанции. От минут до нескольких дней. Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Растровый электронный микроскоп (РЭМ или Сканирующий электронный микроскоп, СЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нм) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на взаимодействии электронного пучка с исследуемым объектом. Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 3-10 крат (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов. Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности, от биологии до наук о материалах. Существует огромное число выпускаемых рядом фирм разнообразных конструкций и типов РЭМ, оснащённых детекторами различных типов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Микрофотография пыльцы позволяет оценить возможности режима вторичных электронов (ВЭ) РЭМ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема РЭМ, оснащѐнного детектором рентгеновских лучей — «РСМА» (микрозондом) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Типичные изображения: а - оптического микроскопа; б - сканирующего электронного микроскопа; в - просвечивающего электронного микроскопа Очень хорошая статья: https://tescan.ru/primenenie/akademiya-teskan/korotko-o-sem/ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Взаимодействие электронов с веществом Электроны зонда (пучка) взаимодействуют с материалом образца и генерируют различные типы сигналов: • вторичные электроны, • обратноотраженные электроны, • Оже-электроны, • рентгеновское излучение, световое излучение (катодолюминесценция) и т. д. Эти сигналы являются носителями информации о топографии и материале образца. Почти каждое из перечисленных сигналов может быть отдельно зафиксировано и использовано для получения специфической информации. Например, • Вторичные электроны используют для получения трѐхмерного изображения (топографии) • Рентгеновское излучение – для определения химического состава поверхностного слоя (материала) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вторичные электроны В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам образца. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Часто электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов. Так как энергия вторичных электронов невелика, их выход возможен только с приповерхностных слоев материала (менее 10 нм). Благодаря небольшой кинетической энергии эти электроны легко отклоняются небольшой разностью потенциалов. Это делает возможным существенно повысить эффективность детекторов (собрать максимально возможное количество электронов) и получить высококачественные изображения с хорошим отношением сигнал/шум и разрешением лучше 1 нм. Количество вторичных электронов зависит от угла столкновения электронного пучка с поверхностью образца, то есть от топографии. Поэтому сигнал вторичных электронов применяется для воспроизведения топографии образца. То есть, успех РЭМ определяется потрясающими современными возможностями дифференциального сбора данных и их компьютерной online.mirea.ru обработки Центр дистанционного обучения Зондовые микроскопы – революция в получении изображения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема работы сканирующего туннельного микроскопа Схема работы СТМ Основой СТМ является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью, почти касаясь ее (зазор между иглой и поверхностью составляет менее одного нанометра). При этом вследствие туннельного эффекта между острием иглы и поверхностью образца возникает туннельный ток. Сильная зависимость туннельного тока от расстояния (при изменении зазора на 0,1 нм ток изменяется в 10 раз) обеспечивает высокую чувствительность микроскопа. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сканирующий туннельный микроскоп Баланс иглы на столь малом расстоянии от исследуемой поверхности обеспечивается следящей системой, управляющей пьезоманипулятором по результатам измерения туннельного тока. Измеряя величины управляющих сигналов, определяют высоту исследуемой области, перемещая иглу вдоль поверхности образца, определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов. Сканирующий механизм туннельного микроскопа online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Атомно–силовая микроскопия В 1986 г в лаборатории цюрихского отделения IBM были созданы микроскопы следующего поколения – атомно-силовые (АСМ, atomic force microscopy, AFM). Они позволяют исследовать поверхности с атомарной точностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Принцип действия атомно–силового микроскопа Работа атомно-силового микроскопа основана на использовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Кантилеверы Клинова. Радиус острия 1 нм www.femtoscan.net online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Молекула ДНК на кремниевой подложке online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения DBNP (dibenzo(cd,n)naphtho(3,2,1,8-pqra)perylene), CAS: 109278-09-3 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Виды сканирующей зондовой микроскопии Сегодня наиболее известны следующие их разновидности зондовой микроскопии: Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) — в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор и измеряется изменение ѐмкости вдоль поверхности образца. Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура неприменима. Сканирующий фрикционный микроскоп “скребется” по поверхности, составляя карту сил трения. Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) — в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор и измеряется изменение ѐмкости вдоль online.mirea.ru поверхности образца. Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Измерение внутримолекулярных сил в белках с помощью АСМ Развёртывание белков а- титина, б-д - бактериородопсина Г. Зависимость силы, регистрируемой АСМ, от расстояния между мембраной и зондом кантилевера. Д. Рассчитанные по этим данным величины внутримолекулярных сил и online.mirea.ru свободной энергии при растяжении молекулы бактериородопсина Центр дистанционного обучения Титин Титин, также известный как коннектин — самый большой из одиночных полипептидов. Он играет важную роль в процессе сокращения поперечнополосатых мышц. Ген титина содержит самое большое количество экзонов. Титин, состоящий из 38138 аминокислот — самый большой из известных белков. Молекулярная масса белка равна приблизительно 2 993 442.763 Да, его теоретическая изоэлектрическая точка равна 6.01. Период полураспада (время, требующееся для исчезновения половины содержащегося белка в клетке после его синтеза) равен примерно 30 ч (в ретикулоцитах животных). Титин состоит главным образом из линейных блоков модулей двух типов: тип I (фибронектиновый домен III типа) и тип II (иммуноглобулиноподобный домен). Мутации в гене титина связаны с наследственной гипертрофической кардиомиопатией и прогрессирующей дистальной мышечной дистрофией Миоши. Аутоантитела против титина вырабатываются у больных аутоиммунной склеродермией online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Определение сил межмолекулярного взаимодействия с помощью АСМ Для того чтобы присоединить молекулу антитела к зонду АСМ, сначала к аминогруппе на конце зонда присоединяют Nгидроксисукцинимид (NHS) линкера альдегид-PEG-NHS (а). Затем один из лизинов антитела образует шиффово основание. Силу межмолекулярного взаимодействия измеряют по максимальному изгибу кантилевера при его подъѐме от поверхности (б). Изменяя скорость движения кантилевера, можно получить детальную информацию о кинетике разрыва связи (в). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Определение сил межмолекулярного взаимодействия с помощью АСМ Появилась возможность непосредственно измерить силу взаимодействия мембранного рецептора иммобилизованной клетки с соответствующим лигандом, присоединённым к зонду кантилевера с помощью биотинстрептавидинового сопряжения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нанобиодетекция с использованием возможностей АСМ Схема сенсорного массива кантилеверов В АСМ сканирование образца зондом кантилевера вызывает два вида движений: 1. вертикальные смещения зонда регистрирует топографию поверхности образца 2. тангенциальное смещение зонда при сканировании вызывает торсионный изгиб кантилевера. Используя такую экстрачувствительность кантилеверов, были созданы линейные массивы кантилеверов, в которых считывание информации о состоянии каждого из элементов массива осуществляется сканированием лазерного луча online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нанобиодетекция с использованием возможностей АСМ Режимы работы сенсора А) В статическом режиме изменение формы кантилевера происходит в результате осаждения молекул аналита, например, на верхней поверхности кантилевера. Б) В динамическом режиме переменным внешним полем возбуждают осцилляции кантилевера, частота которых определяется механическими свойствами кантилевера. При адсорбции на кантилевер молекул аналита изменяется его масса, а, следовательно, собственная частота и амплитуда колебаний, что и фиксируется системой детектирования. В) В тепловом режиме биметаллическая пластина кантилевера изгибается при изменении температуры. Такой термодатчик способен зарегистрировать изменения температуры до 10–5 К. https://docplayer.ru/83221265-Nanobiotehnologiya-osnovyonline.mirea.ru molekulyarnoy-biotehnologii-a-n-ogurcov.html Центр дистанционного обучения Нанобиодетекция с использованием возможностей АСМ ДНК-гибридизационный кантилеверный сенсор 1 2 3 1. Два кантилевера из всего массива, функционализированные различными ДНК-зондами. 2. При гибридизации с ДНК-аналитом один кантилевер изогнулся относительно других кантилеверов. 3. Такая относительная деформация Δx регистрируется при сканировании массива лазерным лучом. Сенсор способен регистрировать наличие в растворе целевой ДНК с концентрацией 100 пМ. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Оптико-спектральные методы измерения параметров наночастиц динамическое рассеяние света (фотонная корреляционная спектроскопия) электрофоретическая корреляционная спектроскопия абсорбционная спектрофотометрия спектроскопия резонансного рассеяния мультиугловое статическое рассеяние света флуоресцентная спектроскопия атомная спектрометрия online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основы динамического рассеяния света Броуновское движение дисперсных частиц или макромолекул в жидкости приводит к флуктуациям локальной концентрации частиц. Результатом этого являются локальные неоднородности показателя преломления и соответственно - флуктуации интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через такую среду. Коэффициент диффузии частиц обратно пропорционален характерному времени релаксации флуктуаций интенсивности рассеянного света. Это характерное время, в свою очередь, есть время затухания экспоненциальной временной корреляционной функции рассеянного света, которая измеряется с помощью цифрового коррелятора. Размер частиц рассчитывается по формуле СтоксаЭйнштейна, которая связывает размер частиц с их коэффициентом диффузии и вязкостью жидкости. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема регистрации динамического рассеяния света Лазерное излучение направляется на кювету, в которой находится взвесь исследуемых частиц. Излучение, рассеянное под некоторым углом teta попадает на фотоприемник. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Броуновское движение и рассеяние света (две частицы) Конструктивная интерференция Деструктивная интерференция Световые пучки, рассеянные разными частицами, будут интерферировать между собой. В результате такой интерференции возникают либо интерференционные максимумы (конструктивная интерференция), либо минимумы (деструктивная интерференция) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Броуновское движение и рассеяние (много частиц) Наночастицы, взвешенные в жидкости, участвуют в броуновском движении, которое обусловлено ударами молекул жидкости о частицу. Если рассеяние происходит не на двух а на многих частицах, то в результате интерференции образуется пятнистая или спекл-структура, состоящая из темных и светлых зерен. Если бы рассеивающие частицы были неподвижны, то эта картина не менялась бы во времени. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Характерное время флуктуации, автокорреляционной функции рассеянного излучения для больших и малых частиц Автокорреляционные функции для больших и малых частиц Флуктуации интенсивности рассеянного излучения Чем больше частицы, тем меньше скорости броуновского движения, т.е. тем больше характерное время флуктуаций. Характерное время флуктуаций может быть достаточно точно оценено по автокорреляционной функции (АКФ) интенсивности рассеянного излучения. online.mirea.ru Ход АКФ определяется коэффициентом диффузии частиц Центр дистанционного обучения Автокорреляционная функция — зависимость взаимосвязи между функцией (сигналом) и её сдвинутой копией от величины временного сдвига. Для детерминированных сигналов автокорреляционная функция (АКФ) сигнала f(t) определяется интегралом: и показывает связь сигнала (функции f(t) с копией самого себя, смещённого на величину . Звёздочка означает комплексное сопряжение. Для случайных процессов АКФ случайной функции X(t) имеет вид: где — математическое ожидание, звёздочка означает комплексное сопряжение. Если исходная функция строго периодическая, то на графике автокорреляционной функции тоже будет строго периодическая функция. Таким образом, из этого графика можно судить о периодичности исходной функции, а, следовательно, и о её частотных характеристиках. Автокорреляционная функция применяется для анализа сложных колебаний, например, online.mirea.ru электроэнцефалограммы человека. Центр дистанционного обучения Уравнение Стокса-Эйнштейна dH kT 3D Гидродинамический диаметр dH = гидродинамический диаметр (м) k = постоянная Больцмана Измеряемый с помощью ДРС (J/k=кг·м2/(с2·K) диаметр частицы определяется ее T = температура (K) движением в жидкости вместе с η = вязкость раствора (кг/м·с) сольватной оболочкой 2 D = коэффициент диффузии (м /с) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Несферические частицы = Быстро Медленно Эквивалентная сфера Эффективный гидродинамический диаметр – это диаметр сферы, имеющей тот же коэффициент диффузии, что и анализируемая частица online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Анализатор Zetasizer Nano ZS Принципиальная схема • 1 – лазер • 2 – кювета • 3 – детекторы • 4 – ослабитель лазерного излучения • 5 –аппаратный автокоррелятор • 6 – компьютер online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Гидродинамический диаметр (слева) и -потенциал (справа) Для измерения дзета потенциала регистрируют лазерное излучение, рассеянное частицами, которые движутся в электрическом поле. Такие частицы участвуют как в хаотическом броуновском движении (это диффузия), так и в направленном движении в электрическом поле. С помощью этого прибора могут быть измерены гидродинамический диаметр и дзета потенциал, который характеризует электрический заряд частиц и устойчивость коллоидной системы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Гистограммы распределения частиц по размеру, полученные методом динамического рассеяния света online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Как правило, важно знать выход наночастиц определенного размера Так как масса пропорциональна объему, то для этой цели надо использовать распределение по объему. Для этого используется интегральная кривая (красная линия, правая шкала). На приведенной гистограмме выход первой фракции составляет 24% Распределение по интенсивности для практических целей бесполезно. Распределение по числу частиц может пригодиться для расчета соотношения общей площади частиц разных фракций Интегральная кривая online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спасибо за внимание! online.mirea.ru ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к Центр дистанционного обучения ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам материалы к ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения Online-edu.mirea.ru online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция 4 Биомолекулы как структурные элементы в бионанотехнологии. Липиды Наноструктуры, образуемые липидами. Монослои, мицеллы, липосомы. Перспективность для целей бионанотехнологии. Биологические мембраны. Особенности строения и основные функции. Наноструктуры живой природы – прообраз для построения искусственных наноструктур Липосомы как новая лекарственная форма ФИО преподавателя: Каплун Александр Петрович e-mail: alex.kaplun@mail.ru, kaplun@mirea.ru online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вопросы по методам исследования наноструктур (по материалу лекции 3) 1. Какие методы исследования нанообъектов вам известны? 2. Чем определяется предельное разрешение микроскопа? 3. На чём основам метод электронной микроскопии? 4. Каков основной принцип действия сканирующего туннельного микроскопа? 5. Назовите различия туннельного и атомного-силового микроскопа. 6. Какие оптико-спектральные методы измерения параметров наночастиц вы знаете? 7. Что позволяет определить метод динамического рассеяния света? 8. Какую информацию о системе даёт параметр дзета-потенциал? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Наноструктуры живой природы – прообраз для построения искусственных наноструктур online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Строение животной и растительной клетки 1. Плазматическая мембрана 2. Митохондрия 3. Лизосома 4. Ядро 7. Гладкий эндоплазматический ретикулум 7. Шероховатый эндоплазматич. ретикулум 8. Аппарат Гольджи 9. Секреторные везикулы 10.Пероксисомы 11.Элементы цитоскелета 12.Микроворсинки 13.Клеточная стенка 14.Вакуоли 15.Хлоропласты online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Роль и состав мембранных структур в клетке Биологические мембраны – это полупроницаемые барьеры, отделяющие содержимое клетки и внутриклеточные органеллы от окружающей среды Основные компоненты биомембран: Липиды 93-99% Белки Углеводы (в составе гликолипидов и гликопротеинов) 1-7% Мембрано-связанная вода online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Липи́ ды (от др.-греч. λίπος — жир) — обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. • Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, • сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках. Полярные липиды - основные компоненты биологических мембран, они влияют и на проницаемость мембран и активность мембранных ферментов. Триглицериды образуют энергетический резерв организма, участвуют в создании термоизоляционных покровов, защищают различные органы от механических воздействий и др. К липидам относят некоторые жирорастворимые вещества, в молекулы которых не входят жирные кислоты, например, терпены, стерины. Многие липиды используются в промышленности и медицине. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Границы определения Используемое ранее определение липидов, как группы органических соединений, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях (бензол, хлороформ) и практически нерастворимых в воде, является слишком расплывчатым. Во-первых, такое определение вместо чёткой характеристики класса химических соединений говорит лишь о физических свойствах. Вовторых, в настоящее время известно большое количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или же, наоборот, хорошо растворимых в воде, которые, тем не менее, относят к липидам. В современной органической химии определение термина «липиды» основано на биосинтетическом родстве данных соединений — к липидам относят жирные кислоты и их производные. В то же время в биохимии и других разделах биологии к липидам попрежнему принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы. Это определение позволяет включать сюда холестерин, который вряд ли можно считать производным жирной кислоты. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Липиды служат предшественниками стероидных гормонов, жёлчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов. Гидрокортизон Эстрадиол Альдостерон Тестостеро́н online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Липиды служат предшественниками жёлчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов Phosphatidylinositol3,4,5-trisphosphate Дезоксихолевая кислота Таурохолевая кислота Простагландин E1 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения В крови содержатся отдельные компоненты липидов: насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты, триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется система транспорта липидов. • Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. • Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме липопротеидов. • Некоторые липиды используются для создания наночастиц, например, липосом. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определённых условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Липопротеины online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ЛПВП и ЛПНП online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Классификация липидов Классификация липидов, как и других соединений биологической природы, — весьма спорный и проблематичный процесс. Предлагаемая ниже классификация хоть и широко распространена в липидологии, но является далеко не единственной. Она основывается, прежде всего, на структурных и биосинтетических особенностях разных групп липидов. Простые липиды — липиды, включающие в свою структуру С, H и O. • Жирные кислоты — алифатические одноосновные карбоновые кислоты, содержащиеся в этерифицированной форме в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения. • Жирные альдегиды — высокомолекулярные альдегиды, с числом атомов углерода в молекуле выше 12 (в сотсаве плазмалогенов). • Жирные спирты — высокомолекулярные спирты, содержащие 1-3 гидроксильные группы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Простые липиды • Триглицериды (жиры). • Сфингозиновые основания. • Воски — сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. • Стерины (например, холестерин) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сложные липиды — липиды, включающие в свою структуру помимо С, H и О другие химические элементы. Чаще всего: Р, S, N. Полярные Фосфолипиды — сложные эфиры многоатомных спиртов (глицерина) и высших жирных кислот, содержащие остаток фосфорной кислоты и связанные с ней спирты (холин, этаноламин, глицерин, мио-инозит). Гликолипиды — сложные липиды, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. Фосфогликолипиды. Сфинголипиды — класс липидов, относящихся к производным алифатических аминоспиртов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основной фосфолипид биологических мембран – фосфатидилхолин (лецитин) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Полярные липиды 1. Глицерофосфолипиды • Самые распространенный класс мембранных липидов •Х - полярная группа • sn – номенклатура Х – Полярная группа • фосфатная группа в sn -3 положении глицерина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Глицерофосфолипиды Структура Название Фосфатидовая кислота (ФК) CH2CH2N (CH3)3 Фосфатидилхолин (ФХ) CH2CH2NH2 Фосфатидилэтаноламин (ФЭА) CH2 CH COOH Фосфатидилсерин (ФС) Фосфатидилглицерин (ФГ) Фосфатидилинозит (ФИ) H + CH2OCOR1 R2OCO C H CH2 O O P O - NH2 CH CH2OH O CH2 OH OH OH OH OH OH O CH2 O P O CH2 CH2OCOR1 R2OCO C H CH2 O CHOH O P O CH2 - O - O H C OCOR2 Дифосфатидилглицерин (ДФГ) CH2OCOR1 (Кардиолипин) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 2. Гликоглицеролипиды Структура H2COH O HO O Название CH2 CHOCOR 2 OH Моногалактозилдиглицерид (МГДГ) CH2OCOR 1 OH H2COH O HO OH O Дигалактозилдиглицерид CH2 O OH HO O CH2 (ДГДГ) Гликоглицеролипиды содержаться в основном в мембранах растений, синезеленых водорослях и бактериях. CHOCOR 2 OH CH2OCOR 1 OH H2C SO3H O OH Сульфолипид Сульфолипид OH O OH CH2 CHOCOR 2 CH2OCOR 1 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3. Сфинголипиды Название Структура Церамид (Сеr) Фосфосфинголипиды H O + CH3(CH2)12 CH CH CH OH CH3(CH2)n C O P OCH2CH2N (CH3)3 Сфингомиелин - O O NH C H CH2 O Cer-1-фосфорилэтаноламин P OCH2CH2NH2 - O Гликосфинголипиды Соответствует остатку глицерина в глицеролипидах b D Gal b D Glc Галактозилцерамид Глюкозилцерамид Ганглиозиды Glc Gal NeuNAc Glc Gal GalNAc GM3 GM2 NeuNAc Glc Gal GalNAc NeuNAc Gal GM1 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения O O O O O P O O N(Me)3 Фосфатидилхолин (ФХ), лецитин O Фосфатидилэтаноламин (ФЭ), кефалин NH 3 Фосфатидная кислота (ФК) H COOH Фосфатидилсерин (ФС) NH 3 OH Фосфатидилглицерин (ФГ) OH HO HO OH OH Фосфатидилинозит (ФИ) Основные классы полярных глицеролипидов HO O O O O P O O O O OH O O O O O P Дифосфатидилглицерин, (ДФГ), кардиолипин (Кл) O O O O OH OH O O HO Моногалактозил-диглицерид (МГД) O OH O online.mirea.ru O Центр дистанционного обучения NH 2 HO OH Сфингенин (сфингозиновое основание) HO HO NH O Церамид (N-ацилсфингенин) Основные классы сфинголипидов HO O (Me)3N O P O NH O O Сфингомиелин (СМ) Цереброзид (показан наиболее часто встречающийся в мозге, содержащий 2-гидроксикарбоновую кислоту) OH OH HO O O HO NH OH O OH OH OH HO O O O S O OH O O NH Цереброзид сульфат, сульфатид online.mirea.ru O OH Центр дистанционного обучения Нейтральные липиды. Масла, Жиры Сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Растительные масла. • Подсолнечное • Оливковое • Соевое • Пальмовое • Кокосовое Все природные жирные кислоты имеют четное количество атомов углерода. Двойные связи имеют цис-конфигурацию online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Масла, Жиры Животные жиры • Сливочное масло • свиной жир, • говяжий жир, • бараний жир, • норковый жир, • рыбий жир, • китовый жир Все природные жирные кислоты имеют четное количество атомов углерода. Двойные связи имеют цис-конфигурацию online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нейтральные липиды. Воск смесь простых липидов. В основном сложные эфиры длинноцепочечных спиртов и высших жирных кислот. Животные воски: • пчелиный воск из него пчёлы строят соты; • шерстяной (ланолин) предохраняет шерсть и кожу животных от влаги, засорения и высыхания; • спермацет добывается из спермацетового масла кашалотов; Растительные воски покрывают тонким слоем листья, стебли, плоды и защищают их от размачивания водой, высыхания, вредных микроорганизмов, иногда в качестве резервных липидов входят в состав семян (т. н. «масло» жожоба). Большинство растений производят вещество, называемое эпикутикулярным воском (это вещество можно заметить в виде белого налета на свежих огурцах и сливах). Эпикутикулярный воск отражает ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, благодаря чему становится возможным распознавание «зелёных» участков Земли по спутниковым снимкам. Ископаемый воск (озокерит) состоит главным образом из предельных углеводородов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Маргарин. Спрэды. Трансжиры Трансжиры (трансизомеры жирных кислот) — разновидность ненасыщенных жиров, в молекулах которых двойные связи имеют транс-конфигурацию. В малых количествах трансжиры присутствуют в натуральных мясных и молочных продуктах, а также в подвергнутых высоким температурам растительных маслах, в частности в дезодорированных. В больших количествах они образуются в процессе гидрогенизации ненасыщенных жиров, например, при производстве маргарина. Показано, что потребление трансжиров связано с увеличением вероятности сердечно-сосудистых заболеваний и смертности. В связи с этим ВОЗ и другие организации здравоохранения рекомендуют отказываться от потребления трансжиров. Природная олеиновая кислота online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Некоторые полиненасыщенные жирные кислоты Общая формула: СН3—(СН2)m— (CH=CH—(CH2)х (СН2)n—COOH Тривиальное название Систематическое название (IUPAC) цис,цис-9,12Линолевая кислота октадекадиеновая С17Н31COOH кислота цис,цис,цис-6,9,12γ-Линоленовая октадекатриеновая С17Н29COOH кислота кислота цис,цис,цисα-Линоленовая 9,12,15С Н COOH кислота октадекатриеновая 17 29 кислота цис-5,8,11,14Арахидоновая эйкозотетраеновая С19Н31COOH кислота кислота Дигомо-γ8,11,14линоленовая эйкозатриеновая С19Н33COOH кислота кислота 4,7,10,13,16,19Цервоновая докозагексаеновая С21Н31COOH кислота кислота IUPAC формула IUPAC формула (с (с метил. конца) карб.конца) Рациональная полуразвёрнутая формула 18:2ω6 18:2Δ9,12 СН3(СН2)3—(СН2—СН=СН)2— (СН2)7—СООН 18:3ω6 18:3Δ6,9,12 СН3—(СН2)—(СН2— СН=СН)3—(СН2)6—СООН 18:3ω3 18:3Δ9,12,15 СН3—(СН2—СН=СН)3— (СН2)7—СООН 20:4ω6 20:4Δ5,8,11,14 СН3—(СН2)4—(СН=СН— СН2)4—(СН2)2—СООН 20:3ω6 20:3Δ8,11,14 СН3—(СН2)4—(СН=СН— СН2)3—(СН2)5—СООН 22:6ω3 22:3Δ4,7,10,13,16,1 СН3—(СН2)—(СН=СН— 9 СН2)6—(СН2)—СООН online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Некоторые мононенасыщенные жирные кислоты Общая формула: СН3—(СН2)m—CH=CH—(CH2)n—COOH (m = ω − 2; n = Δ − 2) Систематическое название (IUPAC) Пальмитолеиновая цис-9-гексадеценовая кислота кислота цис-9-октадеценовая Олеиновая кислота кислота транс-9Элаидиновая кислота октадеценовая кислота цис-11-октадеценовая Цис-вакценовая кислота кислота транс-11Транс-вакценовая кислота октадеценовая кислота цис-13-докозеновая Эруковая кислота кислота цис-15-тетракозеновая Нервоновая кислота кислота Тривиальное название Бруттоформула IUPAC формула (с IUPAC формула (с метил.конца) карб.конца) С15Н29СOOH 16:1ω7 16:1Δ9 С17Н33СOOH 18:1ω9 18:1Δ9 С17Н33СOOH 18:1ω9 18:1Δ9 С17Н33СOOH 18:1ω7 18:1Δ11 С17Н33СOOH 18:1ω7 18:1Δ11 С21Н41СOOH 22:1ω9 22:1Δ13 С23Н45СOOH 24:1ω9 24:1Δ15 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Насыщенные жирные кислоты Тривиальное название Систематическое название (IUPAC) Брутто формула Рациональная полуразвернутая формула Тпл, °C Каприновая кислота Декановая кислота C9H19COOH CH3(CH2)8COOH 31 Лауриновая кислота Додекановая кислота С11Н23СООН CH3(CH2)10COOH 43,2 Миристиновая кислота Тетрадекановая кислота С13Н27СООН CH3(CH2)12COOH 53,9 Пальмитиновая кислота Гексадекановая кислота С15Н31СООН CH3(CH2)14COOH 62,8 Стеариновая кислота Октадекановая кислота С17Н35СООН CH3(CH2)16COOH 69,4 Арахиновая кислота Эйкозановая кислота С19Н39СООН CH3(CH2)18COOH 76,2 Бегеновая кислота Докозановая кислота С21Н43СООН CH3(CH2)20COOH 80 Тетракозановая кислота С23Н47СООН CH3(CH2)22COOH Гексакозановая кислота С25Н51СООН CH3(CH2)24COOH Лигноцериновая кислота Церотиновая кислота 87,4 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Самосборка: структурообразование липидных агрегатов в воде online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Движущая сила образования липидных агрегатов в водной среде - гидрофобные взаимодействия Мицелла Липосома Полярные липиды – амфифильные молекулы Фосфолипидный бислой online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные липидные агрегаты в воде Ламеллярная фаза Бислой Мицеллярная фаза Обращенная мицелла Прямая мицелла Дискообразные мицелла, бицелла Гексагональная фаза Липосомы HI HII - инвертированная online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Гидрофобные взаимодействия – движущая сила образования надмолекулярных структур Дисперсия липидов в воде нарушает структуру воды Образование липидных кластеров – уменьшение площади контакта с молекулами воды Мицеллы – упорядоченные липидные агрегаты. С водой контактируют лишь полярные головки липидов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Фазовые переходы липидов в водной среде В водной среде липидные структуры ведут себя как анизотропные жидкости (жидкие кристаллы), обладающие упорядоченностью в одном направлении. Кристалл Жидкость Такие структуры обладают свойствами: - термотропного мезоморфизма (зависимость фазового состояния от температуры ). - лиотропного мезоморфизма (зависимость фазового состояния от степени гидратации) online.mirea.ru Лиотропный и термотропный мезоморфизм связаны между собой. Центр дистанционного обучения Фазовые Изменение структуры бислоя при переходе из жидкокристаллического в состояние геля и обратно при изменении температуры Фазовые переходы в суспензии фосфолипидных везикул (липосом) по данным дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК) Температура фазового перехода online.mirea.ru Центр дистанционного обучения От чего зависит форма агрегатов в воде? Ламеллярная фаза Бислой Мицеллярная фаза Обращенная мицелла Прямая мицелла Дискообразные мицелла, бицелла Гексагональная фаза Липосомы HI HII - инвертированная online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Полиморфная фаза Форма молекулы Форма образующихся агрегатов зависит от динамической формы молекул липидов Перевернутый конус Цилиндр Мицеллярная Бислойная (L) Конус Сочетание нескольких типов молекул Гексагональная Кубическая (HII) (Q) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Полиморфные фазы и динамическая форма молекул липидов online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Динамическая форма молекул липидов зависит от свойств окружающей среды ФлА2 + Т - H+ Ca2+ Фосфолипаза А2 отщепляет одну жирно-кислотную цепь, что уменьшает объем гидрофобной области При нагревании в основном увеличивается объем гидрофобной области При протонировании или в присутствии двухвалентных катионов уменьшается гидрататиция полярных головок, что приводит уменьшению ее объема online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Транспортные системы в организме и клетке: эритроциты, хиломикроны и липопротеиды плазмы крови, белкипереносчики, вирусы, транспортные везикулы внутри клетки 7 мкм эритроциты хиломикроны и липопротеиды плазмы крови аденовирус online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Транспортные везикулы осуществляют транспорт между компартментами клетки Основным транспортным средством между органеллами клетки выступают транспортные везикулы. Они отпочковываются, например, от ШЭР, перемещаются к аппарату Гольджи, распад транс-цистерны последнего приводит к образованию массы везикул, значительная часть которых достигает плазматической мембраны, с которой они сливаются, и содержимое оказывается вне клетки. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Транспортные везикулы осуществляют транспорт между компартментами клетки Долгое время предполагали, что везикулы диффундируют между компартментами клетки. Но оказалось, что они двигаются по «монорельсам» - микрофиламентам. Причем двигаются направленно с помощью специальных шагающих белков. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Направленный транспорт веществ внутри клетки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Секреторный путь: (на слайде слева снизу вверх, красные стрелки) синтез секреторных и мембранных белков завершается на ШЭР (1). Белки упаковываются в транспортные везикулы (2), которые отпочковываются от ШЭР и сливаются между собой, образуя новую цис-Гольджи цистерну. Белки ШЭР, попавшие в аппарат Гольджи, возвращаются в ШЭР везикулами (3) обратно. Цистерны двигаются от цис- к транс стороне комплекса Гольджи (4). Во всех клетках часть белков двигается к клеточной поверхности в транспортных везикулах (6) и секретируется постоянно (конститутивная секреция). Предназначенные для лизосом мембранные и растворимые белки транспортируются в везикулах от трансГольджи (8) сначала в поздние эндосомы, а затем в лизосомы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Эндоцитозный путь: (на слайде справа сверху вниз, черные стрелки) мембранные или растворимые экстрацеллюлярные белки, попавшие в везикулы, отпочковываются от плазматической мембраны (9) также могут двигаться к лизосоме через эндосому. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Транспортные системы в организме 7 мкм А это модели природных переносчиков Липосомы Жировые эмульсии, Твердые липидные наночастицы Виросомы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Рождение» липосом В 1965 году английский биохимик Алек Бэнгхем с коллегами заметили, что оболочка липосомы (это название утвердилось года три спустя) весьма напоминают мембраны клеток. • Bangham A.D., Horne R.W. Negative Staining of Phospholipids and their Structured Modification by Surface Agents as Observed in the Electron Microscope // J. Mol. Biol. 1964. Vol. 8. P. 660– 668. • Bangham A.D., Standish M.M., Watkins J.C. Diffusion of Univalent Ions Across the Lamelae of Swollen Phospholipids // Ibid. 1965. Vol. 13. P. 238–252. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Как модели мембран, липосомы позволили исследовать ряд их свойств: электрическое сопротивление, проницаемость для полярных молекул, в том числе для содержимого клеток. Липосомы используются, кроме того, для изучения действия на мембраны витаминов, гормонов, антибиотиков и других препаратов. В настоящее время разработано несколько лекарственных липосомальных препаратов online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Различные виды липосом МЛВ – мультиламеллярные везикулы БМВ – большие моноламеллярные везикулы ММВ – малые моноламеллярные везикулы ОЛВ – олиголамеллярные везикулы ОВЛ – олиговезикулярные липосомы Дискомы – дискообразные липосомы Тубулярные - трубчатые везикулы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Получение липосом Липидная пленка или порошок Самопроизвольный процесс Гидратация (выделение энергии) Мультиламеллярные Лс Измельчение •Экструзия •УЗ (поглощение энергии) Моноламеллярные Лс online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Способы включения различных веществ в липосомы • Включение во внутренний водный объем (водорастворимые вещества) • Включение в гидрофобную область бислоя • Адсорбция на поверхности • Химическое связывание с компонентами бислоя online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Загрузка полярных веществ Эффективность включения до 10%, зависит • от размера Лс, • концентрации Лс Соотношение активное вещество/носитель менее 0.01% online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Загрузка липофильных веществ Гидратация Эффективность включения около 100% Редко включается до 10% мольн. от липидов мембраны – больше не растворяется в бислое online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Получение липосом «замещением растворителя» Спиртовой раствор липидов Вода 1) Смешение 2) Упаривание спирта Моноламеллярные Лс online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Активная загрузка липосом слабыми основаниями 1. Загружают соль слабого основания и сильной кислоты ((NH4)2SO4) 2. Добавляют активное вещество (доксорубицин, дофамин или другое слабое основание) 3. Происходит обмен активного вещества на аммиак Эффективность включения до 100% online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Активная загрузка липосом слабыми основаниями Активная загрузка ЛФ в липосомы происходит за счет создания градиента сульфата аммония между водным содержимым липосом и внешней средой online.mirea.ru Центр дистанционного обучения При активной загрузке доксорубицина его концентрация в липосомах превышает растворимость и он формирует кристаллы внутри липосом online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основной недостаток липосом – малая стабильность при хранении Самый распространенный способ преодоления – лиофилизация. Криопротектор (дисахариды: сахароза, лактоза, мальтоза) – создает матрикс, препятствует контакту между липосомами в процессе замораживания и регидратации. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пролипосомы – альтернативный способ получения липосом «Пролипосомы» при смешении с водой самопроизвольно образуют моноламеллярные липосомы Известны три типа пролипосом: • Раствор ФЛ в смеси спирта, глицерина и воды (М.А.Schubert, C.C.Muller-Goymann. Solvent injection as a new approach for manufacturing lipid nanoparticles - evaluation of the method and process parameters.// Eur. J. Pharm. Biopharm., 2003, V.55, P.125-131) • ФЛ осажденные на высокопористом сорбите • Смесь полярных липидов из мозга животных online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пролипосомы на основе сорбита Прибор для получения пролипосом на основе сорбита Keon-Hyoung Song, Suk-Jae Chung, Chang-Koo Shim. Preparation and evaluation of proliposomes containing salmon calcitonin. Journal of Controlled Release 84 (2002) 27–37 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Электронные микрофотографии частиц сорбита (а) и пролипосом при различном увеличении (b-f) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пролипосомы на основе цереброзидов/цереброзид-сульфатов (Ветрова, Михайлова, Каплун, 2006) CH3 O OH - S O CH3 OO O HO O HN O OH OH В.В. Ветрова, А.П. Каплун, Э.И. Мухтаров, Н.А. Михайлова. Способ получения цереброзидцереброзидсульфат содержащего липидного комплекса. Патент РФ RU 2274460 публ. 2006. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Структуры из смеси GalCer/GalCerSulf Самопроизвольное образование «нанополумакарон» при гидратации при комнатной температуре 200 нм online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Структуры из смеси GalCer/GalCerSulf После нагревания выше Тс или после озвучивания «нанополумакароны» распадаются на липосомы 200 нм online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Преимущества липосомных препаратов Эффект Накопление в сердце (доксорубицин) Липосомный препарат/р-р 1/2.3 LD50 (доксорубицин) 2.3 Накопление в опухоли (доксорубицин) 8.5 Концентрация в плазме (рифампицин дауномицин) 3.3-185 Время выживания животных (доксорубицин) Равноэффективная доза (дауномицин, ДОФА) Увеличение растворимости (бетулиновая кислота) 2 1/10 1000 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные причины использования липосомных препаратов Депонирование при местном введении Офтальмология Обработка раневых и ожоговых поверхностей Легочные инфекции Нацеливание в клетки ретикуло-эндотелиальной системы (РЭС) Грибковые и бактериальные внутриклеточные инфекции Вакцины Нацеливание в области воспаления: долгоциркулирующие липосомы Противоопухолевые препараты Инфекции online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные сферы использования липосомных препаратов • Противоопухолевая терапия • Лечение грибковых и бактериальных внутриклеточных инфекций • Вакцины online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Первые липосомальные препараты Субстанция (название) Компания Применение Дауномицин (Daunoxome) Nexstar Pharm. 1995 Саркома Капоши Доксорубицин (Doxil/Caelyx) Sequus Pharm. 1997 Саркома Капоши Амфотерицин В (Ambiosome) Nexstar Pharm. 1997 Грибковые инфекции Доксорубицин (Липодокс) Биолек/МИТХТ 1999 Саркомы мягких тканей Белки гепатита А (Epaxal) Berna Biotech 1994 Вакцина против гепатита А Вирус гриппа (Inflexal) Противогриппозная вакцина Berna Biotech 1999 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спасибо за внимание! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Дополнительные материалы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Термотропные фазовые переходы (полиморфные переходы) Gel Т Liquid-crystalline online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Изменение молекулярного объема и теплоемкости дисперсии ДПФХ при нагревании Температура фазового перехода Тс online.mirea.ru Центр дистанционного обучения В смесях различных липидов может происходить сегрегация отдельных типов липидов с образованием доменов (rafts) Повышенное содержание холестерина в клеточных мембранах может приводить к атеросклерозу (?) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Причины разделения фаз в бислойных мембранах I) Разделение фаз двух несмешивающихся липидов II) Внешние эффекты, приводящие к латеральному разделение фаз a) Индукция комплексообразованием с ионами (внешний монослой); b) Индукция комплексообразованием с полимерами (внешний монослой) c) Индукция изменением температуры online.mirea.ru d) выделение отдельной фазы мембранным белком Центр дистанционного обучения Разделение фаз приводит к появлению: доменов, rafts и caveolae Домены и rafts 1 мкм АСМ: Бислой из ДОФХ/СМ/Хол (37.5/ 37.5/25). «Высокие» домены состоят их СМ и Хол, окруженные жидкими липидами. В – разрез по линии А; разница в высоте около 1 нм. С – молекулярная организация бислоя, изображенного на А. D – тот же бислой, обработанный детергентом при 4С, показывает разницу в высоте 6 нм. Масштабный трезок – 1 online.mirea.ru мкм. ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам материалы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения Online-edu.mirea.ru к Центр дистанционного обучения Бионанотехнология Каплун А.П., д.х.н. проф. каф. БТиПФ, ИТХТ им. М.В.Ломоносова online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лекция 5 Биомолекулы как структурные элементы в бионанотехнологии. Белки ФИО преподавателя: Каплун Александр Петрович e-mail: alex.kaplun@mail.ru, kaplun@mirea.ru online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Литература http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPIPress/28102/1/Ogurtsov_Vvedenie_v_bionanotekhnologiyu_2010.pdf online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из L-альфааминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например фотосинтетический комплекс. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Функции белков online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК • Каталитическая. Белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. • Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. • Двигательная функция. По микротрубочкам и микрофиламентам перемещаются моторные белки; актин и миозин определяют сокращение мышц. • Регуляторная. Активаторы и репрессоры генов; гормоны (сигнальные вещества, вырабатываемые клетками тела и влияющие на клетки других частей тела) и их рецепторы. • Пластическая функция. Белки — важная часть питания животных, поскольку в их организмах не могут синтезироваться все незаменимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты гидролизуют потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения • Некоторые белки выполняют транспортную функцию. а) осуществляют перенос веществ через мембраны, формируют в них каналы; б) белки крови: гемоглобин, переносит кислород из легких в ткани, сывороточный альбумин — свободные жирные кислоты. Ионы железа переносятся трансферрином, а ионы меди – церулоплазмином и т.п. • Защитная функция. Иммуноглобулины связываются с чужеродными субстанциями, что приводит к их элиминированию. • Белки в качестве запасных веществ. Такие белки откладываются в семенах многих растений (алейроновые зерна), в яйцах животных (овальбумин) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Особенные функции отдельных аминокислот online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Глицин – самая маленькая аминокислота и находится в местах белковой цепи, имеющих максимальный изгиб. Пролин - циклическая аминокислота, которая формирует жесткий изгиб ( кинк) в белковой цепи. В коллагене такие кинки обеспечивают образование тугой тройной белковой спирали. Аланин, валин, лейцин, изолейцин – неполярные алифатические аминокислоты, обеспечивают фолдинг белковой цепи. Например, плотно упакованный кластер внутри глобулы инсулина. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Фенилаланин, тирозин, триптофан – ароматические также гидрофобные аминокислоты, обеспечивают фолдинг белковых цепей, причём ароматические кольца часто располагаются стопкой друг над другом или над основаниями ДНК (в ДНК-связывающих белках) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Серин, треонин, гистидин, аспарагин и глутамин участвуют в образовании водородных связей. Они располагаются, как правило, на поверхности белковой глобулы. Гистидин участвует в формировании специализированных каталитических активных центров ферментов таких как трипсин или металл-связывающих центрах online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в физиологических условиях отрицательно заряжены, часто располагаются на поверхности белков, взаимодействуют с окружающей водой и ионами кальция Кальмодулин – кальций-связывающий регуляторный белок использует для связывания ионов кальция три кислотные аминокислоты. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лизин, аргинин при физиологических условиях положительно заряжены, располагаются, как правило, на поверхности, могут взаимодействовать с отрицательно заряженными молекулами, например ДНК online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Тиольная группа (SH) цистеина образует дисульфидные мостики, участвует в образовании связей с металлами. Метионин - гидрофобная аминокислота. Цистеин и метионин используются в малом электрон-несущем белке ферредоксин. Четыре цистеина удерживают железосерный кластер, а два метионина стабилизируют его внутри белка. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вторичная структура белка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Геометрия пептидной связи Практически невозможно вращение Участок полипептидной цепи. Показаны плоскости, соответствующие планарной пептидной связи и углы ϕ и ψ, вокруг которых возможно относительно свободное вращение online.mirea.ru Центр дистанционного обучения В каких случаях реализуется такая конфигурация? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Вторичная структура белка. Допустимые углы фи и пси для образования спиралей online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Допустимые углы фи и пси для образования β-складок online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема строения антипараллельного и параллельного β-складчатого листа Отличительной особенностью β-складчатого листа является его готовность продолжать разрастание в ширину, т.е. можно приложить еще слои с различных сторон online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Антипараллельная -складка Параллельная -складка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Предпочтительное расположение различных аминокислот в различных элементах вторичной структуры online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Надвторичная структура белка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Надвторичная структура белка – это некоторый специфический порядок чередования вторичных структур. Под доменом понимают обособленную часть молекулы белка, обладающую в определенной степени структурной и функциональной автономией. Сейчас домены считают фундаментальными элементами структуры белковых молекул: соотношение и характер компоновки α-спиралей и β-слоев дает для понимания эволюции белковых молекул и филогенетических связей больше, чем сопоставление первичных структур. Главной «задачей» эволюции является конструирование все новых белков. Бесконечно мал шанс случайно синтезировать такую аминокислотную последовательность, которая бы удовлетворила условиям упаковки и обеспечила выполнение функциональных задач. Поэтому часто встречаются белки с различной функцией, но сходные по структуре настолько, что кажется, что они имели одного общего предка или произошли друг от друга. Похоже, что эволюция, столкнувшись с необходимостью решить определенную задачу, предпочитает не конструировать для этого белки сначала, а приспособить для этого уже хорошо отлаженные структуры, адаптируя их для новых целей. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Экономична мудрость бытия: Все новое в ней шьется из старья! К. М. Фофанов (приписывается либо Шекспиру, либо Шоу) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Константи́н Миха́йлович Фо́фанов Константи́ н Миха́йлович Фо́ фанов (18 (30) мая 1862 года, Санкт-Петербург, Российская империя — 17 (30) мая 1911 года, Санкт-Петербург, Российская империя) — яркий русский поэтромантик, не входивший явно ни в одну из поэтических школ. Предвосхитил в своём творчестве модернизм и символизм online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Некоторые примеры часто повторяющихся надвторичных структур online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 1) αα’ – белки, содержащие только α-спирали (миоглобин, гемоглобин); 2) ββ’ – белки, содержащие только β-структуры (иммуноглобулины, супероксиддисмутаза); 3) βαβ’ – структура β-бочонка, каждый β-слой расположен внутри бочонка и связан с α-спиралью, находящейся на поверхности молекулы (триозофосфоизомераза, лактатдегидрогеназа); 4) «цинковый палец» – фрагмент белка, состоящий из 20 аминокислотных остатков, атом цинка связан с двумя остатками цистеина и двумя гистидина, в результате чего образуется «палец» из примерно 12 аминокислотных остатков, может связываться с регуляторными участками молекулы ДНК; 5) «лейциновая застежка-молния» – взаимодействующие белки имеют αспиральный участок, содержащий по крайней мере 4 остатка лейцина, они расположены через 6 аминокислот один от другого, то есть находятся на поверхности каждого второго витка и могут образовывать гидрофобные связи с лейциновыми остатками другого белка. С помощью лейциновых застежек, например, молекулы сильноосновных белков гистонов могут объединяться в комплексы, преодолевая отталкивание положительных зарядов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения αα’-Белки - глобины online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ββ’-Белки Молекула иммуноглобулина: две тяжёлые цепи показаны красным и синим, две лёгкие цепи показаны зелёным и жёлтым online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ββ’-Белки Супероксиддисмутаза-1 — антиоксидантный фермент. Фермент защищает внутриклеточное пространство от супероксид-анионов, катализируя их превращение в молекулярный кислород и пероксид водорода. В активном центре СОД1 содержится атом меди. Кроме этого, для стабилизации структуры белка необходим цинк, поэтому эту супероксиддисмутазу часто обозначают Cu ,Zn-SOD online.mirea.ru Центр дистанционного обучения βαβ’-Структура. Триозофосфоизомераза βαβ’ – структура β-бочонка, каждый β-слой расположен внутри бочонка и связан с α-спиралью, находящейся на поверхности молекулы 3D structure of the protein triose phosphate isomerase. The barrel of 8 beta strands is shown by green arrows and the 8 alpha-helices as brown spirals. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения βαβ’-Структура. Лактатдегидрогеназа Lactate dehydrogenase M tetramer (LDH5), Human online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Zn-Палец Остатки цистеина и гистидина участвуют в связывании иона цинка. Над цинком располагается петля из аминокислот (вариабельный участок). Zn-пальцы могут узнавать определенные участки ДНК или связываться с участками мембраны. Не напоминает петлю антиген-узнающей области иммуноглобулина? online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Zn-Палец Цинковый палец (англ. zinc finger) — небольшой структурный мотив белка, стабилизированный одним или двумя ионами цинка, связанными координационными связями с аминокислотными остатками в составе белка. Как правило, цинковый палец включает около 20 аминокислот, ион цинка связывает 2 гистидина и 2 цистеина. Цинковые пальцы являются белковыми модулями, взаимодействующими с ДНК, РНК, другими белками или небольшими молекулами. Основными группами белков с цинковыми пальцами являются ДНКсвязывающие факторы транскрипции, а также искусственные ферменты рестрикции, получаемые слиянием ДНК-связывающего домена цинкового пальца с ДНК-разрезающим доменом нуклеазы. Домен цинкового пальца может быть спроектирован так, чтобы узнавать желаемую последовательность ДНК и связываться с ней. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Комплекс трёх «цинковых пальцев» Egr1 (синий) и ДНК (красный). Ионы цинка показаны зелёным цветом. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Лейциновая молния Лейциновая застѐжка-молния англ. leucine zipper) — тип белковой структуры, белковый мотив. Часто встречается в ДНК-связывающих факторах транскрипции. В лейциновой застѐжке аминокислота лейцин находится приблизительно в каждом 8-м положении альфа-спирали, в результате чего лейциновые остатки оказываются на одной еѐ стороне, образуя амфипатическую спираль, в которой одна сторона обладает гидрофобными свойствами. Лейциновая застѐжка образует димерный белок благодаря связыванию двух параллельных альфа-спиралей подобно застѐжке-молнии online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема образования гидрофобных контактов между двумя αспиралями, содержащими остатки лейцина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Диаграмма двух параллельных белковых альфа-спиралей лейциновой застёжки (вид с торца). Лейцин показан как d. A cartoon of a parallel coiled coil showing interactions between a Комплекс лейциновой застёжки с ДНК. Остатки and d positions in the heptad лейцина, обеспечивающие закрепление repeat. белковых спиралей обозначены красным цветом. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Суперспирализованная α-спираль, характерная для кератинов, тропомиозина и «хвоста» миозина Показано образование гидрофобных контактов между остатками a’-d и a-d’, а также возможные солевые мостики между остатками e-g’ и e’-g online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Третичная структура белка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Консервативная третичная структура гем-содержащих белков Гемоглобин и миоглобин, типичные α-спиральные белки, имеющие сходную третичную структуру. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Энергетический профиль сворачивания полипептидной цепи Считается, что белок в процессе сворачивания полипептидной цепи как бы опускается на дно «энергетической воронки». Сначала он в разупорядоченном состоянии, только после того как будет большинство гидрофобных участков будет связано внутри, а гидрофильные располагаться на поверхности и будет достигнут минимум энергии белок примет свою нативную структуру. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Различные механизмы сворачивания полипептидных цепей В процессе сворачивания сложных белков участвуют специальные белки помощники – молекулярные шапероны. Это белки теплового шока. Короткие белки сворачиваются сами, а белки промежуточной сложности требуют участия молекулярных шаперонов, а совсем сложные белки требуют участия более сложных механизмов online.mirea.ru Центр дистанционного обучения https://studylib.ru/doc/2293322/oshibki-pravil._nogo-svorachivaniya-belka-i online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Типы связей, стабилизирующих третичную структуру белка: Электростатическое взаимодействие гидрофобные взаимодействия и водородные связи дисульфидные связи online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Некоторые нейродегенеративные заболевания, связанные с неправильным сворачиванием белков online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Амилоидные фибриллы Возможный механизм образования ß – амилоидных структур В основе лежит переход -спиральных фрагментов в -складку с гидрофобными поверхностями. Самосборка приводит к формированию бляшек online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Амилоидная гипотеза» болезни Альцгеймера Предшественник бета-амилоида (англ. Amyloid precursor protein, APP) — трансмембранный белок, экспрессируемый во многих тканях и концентрирующийся в синапсах нейронов. Его основная функция неизвестна. В образовании бетаамилоидных пептидов участвуют бетасекретаза и гамма-секретаза online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Четвертичная структура белков online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Коллаген - фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т. п.) и обеспечивающий её прочность и эластичность. В структуре коллагена постоянно повторяется триплет Gly-X-Y, причем положение X часто занимает пролин, а Y — гидроксилизин (а) - три полипептидные цепи, (b) - показано положение всех α-углеродных атомов и пунктиром обозначены водородные связи, стабилизирующие структуру коллагена. Все остатки Gly расположены внутри тройной спирали online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные элементы цитоскелета эукариотических клеток -«строительные леса» и системы для направленного перемещения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Актиновые микрофиламенты (AF) из глобулярного белка актина Промежуточные филаменты (IF) из фибриллярных белков Тубулиновые микротрубочки (МТ) из глобулярного белка тубулина Флуоресцентная микрофотография, выявляющая кератиновые промежуточные филаменты фибробластов 7нм 10 нм online.mirea.ru 25нм Центр дистанционного обучения Белки промежуточных филаментов online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Тубулиновые микротрубочки и промежуточные филаменты связаны между собой На этой иммуноэлектронной микрофотографии фибробласта микротрубочки окрашены красным, промежуточные филаменты синим, а короткие соединяющие нити между ними зеленым. Антитела, меченные золотом, против плектина показывают, что названные нити содержат плектин online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Промежуточные филаменты (ПФ) - нитевидные структуры из особых белков (кератин, десмин, виментин, глиальный фибриллярный кислый белок, белки нейрофиламентов, ядерные ламины). Средний диаметр ПФ — около 10 нм (9-11 нм) Полипептид обычно имеет два глобулярных домена на N- и Cконцах, которые соединены протяженным суперскрученным палочковидным доменом, состоящим из альфа-спиралей. Основной строительный блок филамента — димер, а не мономер. Он образован двумя полипептидными цепями, обычно двух разных белков, которые взаимодействуют между собой своими палочковидными доменами, образующими двойную суперскрученную спираль. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Глобулярные белки, образующие филаменты online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Актин - М 42 000, состоит из 376 аминокислотных остатков (G-актин). С каждой молекулой G-актина связана одна молекула АТФ. При добавлении Mg2+ актин быстро полимеризуется, образуя двунитчатую спиральную структуру — F-актин, содержащий АДФ. Тонкие филаменты мышцы образованы такими двунитчатыми структурами, внутри которых молекулы актина связаны между собой нековалентными связями. G- актин F- актин Модель актинового микрофила мента, показаны 13 субъединиц online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Полимеризация и деполимеризация актина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Тубулин - глобулярный белок, образующий микротрубочки Схема строения димера тубулина GTPсвязывающий домен обозначен красным цветом, активирующий домен –синим цветом, центральная спираль, соединяющая два домена, - желтым цветом, С-концевая последовательность – зеленым цветом. GTP-связывающий участок формируется петлями Т1-Т6 αтубулина и Т7 β-тубулина. GTP, связанный на β-тубулине гидролизован до GDP благодаря участию петель Т7 и Т8 αтубулина. GTP α-тубулина не обменивается, GTP β-тубулина сравнительно легко обмениваем L.A. Amos, D.Schlieper Adv. Protein Chem. 71, 257-297, 2005 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Процесс полимеризации тубулина Wiese, Zheng,J. Cell Sсi 119, 4143-4153, 2006 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сравнение свойств актина и тубулина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Участие различных белков-моторов в транспорте органелл online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Таким образом проиллюстрировано, что белки представляют собой абсолютно уникальный материал для построения любой конструкции, в том числе и движущейся. Генетическая инженерия – универсальная технология, позволяющая комбинировать генами (фрагментами генов) , и следовательно создавать любые фьюжнбелки. Знания о строении белков и взаимосвязи «структурасвойства» завершает набор инструментов для конструирования любого мыслимого ансамбля online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Наноматериалы на основе пептидов и белков online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Белки- размножаемые «кирпичики» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Белки – настраевыемые «кирпичики». Мутантные белки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Конъюгация белков с неорганическими нанообъектами online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Молекулярное «Lego». Самосборка!!! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пептидные наноструктуры - нанодатчики online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пептидные наноструктуры - нанопровода online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Получение специфических пептидов на нанотрубке. Скриннинг пептидов с помощью фаговых библиотек online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пептиды, используемые для создания наночастиц для доставки макромолекул внутрь клеток Пептиды состоят из вариабельного N-конца, линкера, содержащего последовательность WSQP, и последовательности KKKRKV, обеспечивающей проникновение в клетку и ядро. Пептиды могут содержать в своем составе α-спирали или βскладки. Размер наночастиц и эффективность доставки зависят от соотношения пептид/карго. Morris et al., Biol. Cell 2008, v.100,p. 201, online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Возможный механизм доставки макромолекул в клетку 1-образование наночастицы, 2-взаимодействие наночастицы с поверхностью клетки, 3,4-прямое взаимодействие компонентов наночастицы с фосфолипидами с образование трансмембранной спирали или складки, 5,6-освобождение карго внутрь клетки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Актиновые филаменты online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нанопровода на основе актиновых филаментов К актиновым мономерам ковалентно присоединили наночастицы серебра и провели полимеризацию. Затем на филаменты нанесли золотое покрытие, используя частицы серебра как центры кристаллизации. В результате получились золотые проводники длиной 1-4 мкм и толщиной 80-200 нм, обладающие очень хорошей электропроводностью. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения S – Слои белков online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Получение искусственных S- слоёв online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Полезные свойства S – слоёв online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Формирование упорядоченных двумерных массивов наночастиц при помощи S-слоев online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Формирование упорядоченных массивов полупроводников с использованием S-слоев online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Молекулярное «Lego». Модульные нанотранспортёры ПЯЛ – последовательность ядерной локализации online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Выбор нужного белкового модуля. Химерные белки Реально соединяются фрагменты генов, кодирующие соответствующие модули. Конечный нанотранспортер синтезируется на основе экспрессионной плазмиды online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Модульные нанотранспортеры и их модули online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Внутриклеточная локализация модульных нанотранспортеров и фотосинсибилизаторов A, DTox-HMP-NLS-EGF в клетках A431; B, те же клетки A431 с ДНК, окрашенной ToPro-3 глиома C6 Фотосенсибилизаторы не локализуются в ядрах клеток – структурах, наиболее чувствительных к активным формам online.mirea.ru кислорода Центр дистанционного обучения Эффективность и клеточная специфичность фотосенсибилизаторов, доставляемых модульными нанотранспортёрами online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Фотодинамическая терапия мышей с эпидермоидной карциномой человека online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Благодарю за внимание! online.mirea.ru ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения материалы к ДИСЦИПЛИНА Бионанотехнология полное название дисциплины без аббревиатуры ИНСТИТУТ Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова КАФЕДРА Биотехнологии и промышленной фармации полное название кафедры ГРУППА/Ы ХББО-01-17, ХББО-02-17, ХББО-03-17 номер групп/ы, для которых предназначены материалы ВИД УЧЕБНОГО Лекция материал к практическим занятиям; контрольно-измерительные МАТЕРИАЛА лекция; практическим занятиям; руководство к КР/КП, практикам материалы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Каплун Александр Петрович фамилия, имя, отчество СЕМЕСТР 7 указать номер семестра обучения Online-edu.mirea.ru к Центр дистанционного обучения Лекция 6 Бионанотехнологии. Нуклеиновые кислоты ФИО преподавателя: Каплун Александр Петрович e-mail: alex.kaplun@mail.ru, kaplun@mirea.ru online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Биомолекулы как структурные элементы в клетке online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Нуклеиновые кислоты обладают уникальным биологическим действием. Но они представляют уникальные возможности для конструирования наноансамблей online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Напоминание online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Способность к самосборке вследствие образования водородных связей online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные параметры двойных спиралей ДНК online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Плавление- отжиг - обратимый процесс ежит в основе самосборки наноансамблей online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Отличные от двойной спирали структуры online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Неканонические взаимодействия online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК нанотехнологии – быстро развивающаяся область фармацевтической нанотехнологии online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Быстрый синтез нуклеиновых кислот – залог технологичности ДНК-нанотехнологий online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Твердофазный синтез олигонуклеотидов Фосфорамидит DTM – 4,4, диметокситритил online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Биотехнологические способы получения ДНК ПЦР Клонирование Схема самого известного плазмидного вектора online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-электроника online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Измерение проводимости индивидуальной ДНК Спейсер –COO-(СН2)6 -NH ДНК может проводить значительный ток порядка 100 нА (1012 электронов в секунду) через одну молекулу ДНК длиной 10 нм. ДНК содержит нуклеиновые основания, расположенные стопкой друг над другом. Молекулярные π-орбитали этих оснований перекрываются, образуя цепь для перемещения электронов вдоль ДНК S. Roy et al. Direct Electrical Measurements on Single-Molecule Genomic DNA Using SingleWalled Carbon Nanotubes. : Nano Lett. 2008, 8, 1, 26–30 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Проводимость индивидуальной ДНК зависит от первичной последовательности online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Альтернативный синтез нанопроводника методом металлизации ДНК Система золотых электродов Присоединение олигонуклеотидных линкереров ДНК-сшивка с липкими концами Нанесение на ДНК-мостик слоя катионов серебра Кластеры атомов серебра Формирование проводника длиной 100 нм online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Воспоминания: Попытка получить «серебряные» сферические аморфные наночастицы CH2 H3C H CH3 H3C H OH O H HO O CH3 H H3C CH3 HO 3-О-Кофеоилбетулин, (3)-28гидроксилуп-20(29)-ен-3-ил-(2E)-3-(3,4дигидроксифенил)акрилат Электронная микрофотография (контрастирование уранилацетатом) дисперсии сферических аморфных наночастиц, полученной из обедненного фенолами экстракта после добавления [Ag(NH3)2]NO3 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Молекулярная литография на ДНК online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК- материалы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Проектирование ДНК-структур ДНКлигаза схема элемента Y-ДНК и сборки дендримера из трёх Y-ДНК online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Структуры Холлидея – прообраз четырёхсвязного узла Структура Холлидея и четырёхсвязный узел. (а) В структуре Холидея каждая красная цепь ДНК комплементарна любой из голубых цепей, благодаря чему середина перекрёстка может смещаться в любую сторону - Holliday junction обеспечивает процесс гомологической рекомбинации. (b) в четырёхсвязном узле голубая цепь комплементарна красной, оранжевая – светло-зелёной и так далее, что приводит к самосборке единственно online.mirea.ru возможного мотива с фиксированным местом пересечения. Центр дистанционного обучения Четырёхсвязный узел (b) в четырёхсвязном узле голубая цепь комплементарна красной, оранжевая – светло-зелёной и так далее, что приводит к самосборке единственно возможного мотива путем взаимодействий липких концов с фиксированием места пересечения посредством ДНК-лигазы. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сборка наноконструктов ДНК (двухмерных кристаллов) на основе четырёхсвязных узлов с липкими концами Почти графен?! online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Перспективы Нейдриена Симана -1994 г. 1. Решетки из ДНК могли бы удерживать множество копий больших биологических молекул для определения их структуры методами рентгеновской кристаллографии - важный шаг в разработке лекарств. 2. Кроме того, такие решетки могут служить строительными лесами, заготовками или операционными устройствами при создании наноэлектронных компонентов. Структура материалов, состоящих из ДНК или изготовленных с ее помощью, может быть выверена с молекулярной точностью. 3. Движущиеся механизмы из ДНК могли бы выполнять функции наноскопических датчиков, переключателей, зажимов и других сложных робототехнических приспособлений. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Надриан Симэн (англ. Nadrian С. Seeman (род. 16 декабря 1945, Чикаго, США) — американский учёныйбиохимик. Труды в основном посвящены нанотехнологии и кристаллографии. В 1966 году получил степень бакалавра в Чикагском университете. В 1970 году получил степень доктора философии в Питтсбургском университете. С 1988 года работает в Нью-Йоркском университете. Известен как создатель направления нанотехнологии на основе ДНК. Награды и признание William H. Nichols Medal Award (2008) Alexander Rich Lecture (2010) Стипендия Гуггенхайма (2010—11) Премия Кавли (2010) Медаль Бенджамина Франклина (2016). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Эшер и Симан online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-ансамбли 3-, 4- и 6лучевые ДНК-блоки и сборки из них треугольные и ромбические ДНК-блоки и сборка из них; 3-, 6- и 8-ДНКпучки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «Декорированные» ДНК-сборки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Построение ДНК-нанотрубок с программируемым диаметром P. Yin et al. Programming DNA Tube Circumferences. Science 08 Aug 2008:Vol. 321, pp. 824-82 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Некоторые простые ДНК–мотивы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3D- ДНК - наноансамбли ДНК-полиэдры • являются потенциальными контейнерами для лекарств, • регуляторами белкового фолдинга и белковой активности, • регуляторами ассемблирования трёхмерных каркасов для катализа и биомолекулярной кристаллизации. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Прямая аналогия (2008 г.): Модульные нанотранспортеры и их модули online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Прямая аналогия (2003 г): Природные переносчики: вирусы Модели: Конструкции на основе липосом online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-оригами https://biomolecula.ru/articles/dnk-origami-put-ot-graviury-do-nanorobotov-dlinoi-v-30-let online.mirea.ru Центр дистанционного обучения С помощью ДНК-оригами можно кардинально улучшить протокол кристаллизации белков https://biomolecula.r u/articles/dnkorigami-put-otgraviury-donanorobotov-dlinoiv-30-let online.mirea.ru Центр дистанционного обучения «В 2006 году Пол Ротемунд опубликовал статью в авторитетнейшем научном издании Nature, в которой был описан метод получения точных ДНКструктур с заданной формой, а также были представлены детальные результаты и анализ такого направленного конструирования. В отличие от других исследователей, ему удалось строить не решетки из отдельных молекул, а настоящие плоские фигуры шириной в несколько цепочек ДНК. Эта статья сразу разлетелась по научнопопулярным журналам, новостям и блогам, ведь представленные структуры и изображения впечатляли даже неподготовленного с научной точки зрения читателя. Не удивительно, что иллюстрации эксперимента красовались на обложке выпуска журнала». Paul W. K. Rothemund. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302; online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Технология ДНК-оригами online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК – оригами с поверхностью для сортировки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-мотор 1 3 2 1. Схема ДНК-реле ; 2 Переключение ДНК- структуры ;3- Электронные микрофотографии online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК- механизм – «нано-пинцет» ТЕТ- tetrachlorofluorescein (536 нм) TAMRA – carboxytetramethylrodamine online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК- механизм - Шагающая ДНК Используя такое поочерёдное присоединение "прохожего" к "дорожке" молекулами А и отсоединение молекулами D, можно реализовать перемещение груза, присоединённого к ДНКмолекуле транспортёра, вдоль ДНК-молекулы "дорожки". online.mirea.ru Центр дистанционного обучения В- и Z-форма ДНК ДНК, состоящей из чередующихся остатков гуанина и цитозина , при добавлении соли Co(NH3)63+ переходит в Z-форму online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК- переключатель online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Прямая аналогия: Пептидные наноструктуры - нанодатчики online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Гибридизация ДНК и углеродных нанотрубок Стекинг взаимодействия ДНК с углеродной нанотрубкой online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-биосенсор SwCN- одностенная углеродная нанотрубка Детектирование молекул: ДНК метанола; триметиламина; метанола и пропионовой online.mirea.ru кислоты Центр дистанционного обучения Используя различные олигонуклеотиды можно "настраивать" чувствительность CNT-ДНК-нанобиосенсора к различным молекулярным примесям. Все эти качества делают устройства такого рода перспективными кандидатами на роль "электронного носа" или "электронного языка" как для медицинской диагностики, так и для систем раннего обнаружения промышленного, военного и экологического назначения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения pH-Зависимая i-форма ДНК позволяет конструировать молекулярные устройства, чувствительные к кислотности среды online.mirea.ru Центр дистанционного обучения PNAS, 2006, 103, 19658-19663. Biochemistry (2006, 45, 1354313550; 2003, 42, 11960-11967). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Переключение под воздействием внешних условий online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК - рН сенсор online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК-вычисления https://habr.com/ru/post/444842/ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДНК- вычисления online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Благодарю за внимание! Больше читайте! online.mirea.ru
