Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
с -10,6
1,0
с = 33,0
0,0 0,1 0,2 0,3
Напряжение сдвига. йин/смг
А
РИС. 13-3.
А — зависимость г1уд ДНК фага Т2 (Л1 = 106* 106) от напряжения сдвига, выраженная в процентах от величины Т1УД при нулевом сдвиге. Представлены кривые для двух различных концентраций (в миллиграммах на 1 мл). Отдельно изображено изменение формы при очень малых сдвигах. Наклон при нулевых значениях показывает, почему для исследований нативной ДНК очень важны вискозиметры, позволяющие работать при низких сдвигах, а именно потому, что экстраполяция к нулевому сдвигу из области больших значений может вызвать большие ошибки [Crothers D. М., Zimtn В. ИJ. Mol. Biol. 12, 525—536 (1965)]. Б — кривые, показывающие влияние молекулярной массы на зависимость [г]] от G. (Данные лишь приблизительны, они отобраны из ряда несвязанных экспериментов.)
Если форма зависит от градиента сдвига (например, если сдвиг деформирует молекулу), то [у\]у которая зависит от формы [см. уравнение (5)], будет также уменьшаться с увеличением G. Поэтому для того, чтобы определить молекулярные параметры из значения [л]. необходимо измерить зависимость [т^] от G и экстраполировать к G = 0. К сожалению, не существует специального обозначения для [г\] при G = 0 (хотя обозначение [т]]о представляется разумным), однако в научной литературе [у] постоянно означает величину, приведенную к G = 0, если имеется зависимость от G. На рис. 13-3, А показано, почему [ц] следует преимущественно измерять при низких сдвигах, а не просто экстраполировать из области высоких значений.
Эти рассуждения приводят к двум качественным эмпирическим правилам, которые можно применять, чтобы установить, большое или малое осевое отношение имеет данная молекула: 1) если [т]]отп велика при низкой концентрации, макромолекула должна иметь высокое осевое отношение, и аналогично, если т|отн мало при высоких концентрациях, молекула должна быть до некоторой степени компактной; 2) если т]0тн значительно уменьшается с увеличением градиента сдвига, осевое отношение должно быть высоким.
fi i*
о
о е
3
X 3 ? Е 1° н
[«-------Радиус трубки ---------->]
РИС. 13-4.
Стержнеобразная молекула в градиенте скорости, образующемся при протекании жидкости по трубке.
Линии потока жидкости вблизи центра трубки движутся быстрее, чем у стенок. Следовательно. на один конец молекулы действует движущая сила, а на другой — сила сопротивления. Они могут быть разложены на вращающую силу FBvaui (вызывающую вращение молекулы) и растягивающую силу ^рас. которая может разорвать молекулу около ее середины, / — более быстро движущийся конец молекулы; 2 —менее быстро движущийся конец молекулы.
Два других действия деформации сдвига на ч\0Т11 обозначают как деградацию и реопексию.
Термином «деградация» обозначают разрушение длинных и тонких молекул при высоком напряжении сдвига. На рис. 13-4 рассмотрено положение такой молекулы в градиенте скорости (показанном на рис. 13-1,5). Заметьте, что вследствие непостоянства скорости протекания по трубке концы любой молекулы, расположенной под углом к линиям потока, будут двигаться с различными скоростями. Это будет приводить к вращению молекулы до тех пор, пока она не выравняется по линии потока, в этом случае на нее не будут действовать никакие силы. Следовательно, когда молекула находится под углом к линиям потока, на ее концы действуют различные силы. Эти силы могут быть разложены на перпендикулярные (вызывающие вращение) и параллельные (вызывающие растяжение) силы (рис. 13-4). Можно показать, что растягивающая сила максимальна: 1) в центре молекулы и 2) в том случае, когда молекула находится под углом 45° к линиям потока. Поскольку наибольшая сила действует в середине, наиболее вероятно, что молекула сломается пополам. Было проведено несколько интересных исследований этого явления разрыва пополам ДНК, некоторые результаты приведены на рис. 13-5.
Скорость течения, мл/с
РИС. 13-5.
Разрыв ДНК фага Т2 при прохождении через капилляр диаметром 0,25 мм прп концентрации 0,1 мг/мл и различных скоростях течения.
Размер молекулы ДНК был определен зональным центрифугированием в градиенте концентрации D20—Н20. При критической скорости течения молекула ДНК фага Т2 разрывается пополам, но не на более мелкие части. При второй критической скорости каждая половинка разрывается еще раз пополам (на четверти). [Несколько идеализированные кривые получены при экстраполяции данных Leventfial С., Davidson Р, F., J. Mol. Biol., 3, 671—683 (1961).] / — целые молекулы; 2 — половинки; 3 — четверти.
Экспериментально деградация проявляется либо в резком уменьшении т]0тн при некотором значении G на кривой зависимости г|оти от G, как показано на рис. 13-3, Б, либо в уменьшении величины т]отн при повторных измерениях цотп при данном значении G. Деградация при сдвиге имеет большое значение для высокомолекулярной ДНК (гл. 18).
Реопексия обозначает такое явление, при котором величина т|отп при относительно высоких напряжениях сдвига и концентрации увеличивается со временем. Это наблюдается только для веществ с очень высокой молекулярной массой, таких, как ДНК хромосом эукариотов, и это явление не совсем понятно. Поскольку т]оти принимает нормальное значение после снятия сдвига, реопексию обычно наблюдают только тогда, когда цотн измеряется путем повторных определений в условиях продолжающегося сдвига, как в вискозиметре Зимма — Крозерса (см. следующий раздел).
