Biopolimery Tom 2

W organizmach zarówno roślin, zwierząt, jak i ludzi występują miliardy białek, które są biopolimerami. Pełnią one funkcje związane z podtrzymywaniem i regulacją procesów życiowych oraz stanowią materiał budulcowy struktur komórkowych i tkanek. Biopolimery są materiałami odnawialnymi, biodegradowalnymi, co ma duże znaczenie w ekosystemie. Mają szeroki wachlarz zastosowań od przemysłu spożywczego, tekstylnego aż do medycyny i kosmetyki włącznie. O znaczeniu biopolimerów i konieczności poznania ich roli w życiu człowieka i ich przemianach w przyrodzie świadczy ogromna liczba badań, których wyniki są opublikowane w licznych publikacjach. O ważności tych badań dla ludzkości świadczy m.in. uhonorowanie licznych naukowców zajmujących się biopolimerami Nagrodą Nobla. Książka prezentuje wybrane zagadnienia, szczególnie ważne dla tematyki biopolimerów. Są one opracowane systematycznie w możliwie najprzystępniejszy sposób. Rysunki i tabele uzupełniają treść i warto je dokładnie przeanalizować. Dużo znamiennych terminów, z różnych dziedzin, m. in. z chemii, biologii i medycyny ma objaśnienie znaczenia umieszczone na aplach. Szczególną uwagę Autor poświecił badaniom eksperymentalnym biopolimerów i wskazówkom do przeprowadzania ćwiczeń laboratoryjnych z tego zakresu. Każdy rozdział kończy się spisem literatury, który umożliwi zainteresowanemu czytelnikowi rozszerzenie wiedzy w oparciu o oryginalne źródło. Z recenzji

1. RÓŻNE ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z BADANIAMI POLIMERÓW 1 1.1. Biopolimery a polimery syntetyczne 1 1.1.1. Czym są biopolimery 1 1.1.2. Podstawowe różnice między polimerami a biopolimerami 2 1.1.3. Metodyka badań biopolimerów 9 1.2. Wiązania chemiczne w biopolimerach 10 1.2.1. Siły van der Waalsa 13 1.2.2. Wiązania wodorowe 15 1.2.3. Rola wiązania wodorowego w biopolimerach 18 1.2.4. Oddziaływania donorowo-akceptorowe (koordynacyjne) 21 1.2.5. Oddziaływania stackingowe 21 1.2.6. Oddziaływania jonowe 22 1.2.7. Oddziaływania jon–dipol 22 1.2.8. Transport elektronów w układach biologicznych 23 1.3. Konformacje strukturalne 25 1.3.1. Konformacja chiralna 25 1.3.2. Konformacja helikalna (spiralna) 28 1.4. Woda w strukturach biopolimerów 28 1.4.1. Struktura fizyczna wody 28 1.4.2. Oddziaływanie wody z biopolimerami 31 1.4.3. Otoczka hydratacyjna 34 1.4.4. Wiązanie wody przez peptydy 35 1.4.5. Oddziaływania hydrofilowe 36 1.4.6. Oddziaływania hydrofobowe 36 1.5. Oddziaływanie międzycząsteczkowe w roztworach 38 1.5.1. Rozpuszczanie biopolimerów 38 1.5.2. Roztwory i jednostki stężeń 41 1.5.3. Termodynamiczne podstawy przebiegu reakcji biochemicznych 44 1.5.4. Makrocząsteczka w roztworze 45 1.5.5. Proces pęcznienia 46 1.5.6. Kompleksy międzycząsteczkowe 49 1.5.7. Asocjacja, aglomeracja i agregacja białek 50 1.5.8. Agregacje makrocząsteczek 52 1.5.9. Surfaktanty (detergenty) – środki pomocnicze 53 1.5.10. Błony komórkowe 55 1.5.11. Biokoloidy 62 1.5.12. Micele 62 1.5.13. Pęcherzyki – micele wielowarstwowe 65 1.6. Wilgoć 66 1.6.1. Wilgotność względna i bezwzględna 66 1.6.2. Właściwości higroskopijne biopolimerów 68 1.7. Ekstrakcja 69 1.8. Suszenie biopolimerów 73 1.8.1. Metody suszenia 73 1.8.2. Sita molekularne 76 1.9. Przygotowywanie próbek do badań 77 1.9.1. Oczyszczanie białek 79 1.9.2. Wysalanie białek 80 1.9.3. Denaturacja białek 81 1.10. Procesy oksydacyjne biopolimerów 84 1.10.1. Reakcje wolnych rodników z biopolimerami 84 1.10.2. Nadtlenek wodoru 90 1.10.3. Wychwyt rodnika tlenku azotu (.NO) 93 1.10.4. Stres oksydacyjny 94 1.10.5. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem molekularnym 95 1.10.6. Mechanizmy działania antyutleniaczy 98 1.10.7. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem singletowym 104 1.10.8. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem atomowym 106 1.10.9. Degradacja oksydacyjna biopolimerów ozonem 107 1.11. Homeostaza 109 1.12. Modyfikacja fizyczna i chemiczna biopolimerów – zagadnienia ogólne 110 1.13. Niebezpieczne preparaty w badaniach z biopolimerami 111 LITERATURA 115 2. CHROMATOGRAFICZNE METODY SEPARACJI I WYDZIELANIA BIOPOLIMERÓW 125 2.1. Techniki separacyjne – chromatografia 125 2.2. Podstawy chromatografii 126 2.3. Chromatografia cienkowarstwowa 129 2.4. Chromatografia powinowactwa 134 2.5. Kolumnowa chromatografia cieczowa 138 2.6. Klasyczna chromatografia HPLC 142 2.7. Polimerowe adsorbenty porowate 148 2.8. Metody rozwijania chromatogramu 150 2.9. Chromatografia jonowymienna 152 2.9.1. Jonity organiczne 152 2.9.2. Wymiana jonowa na kolumnie 157 2.9.3. Oznaczanie pojemności wymiennej 161 2.9.4. Oznaczanie pęcznienia jonitów 162 2.10. Chromatografia sitowa (wykluczenia) 162 2.11. Chromatografia gazowa 167 2.12. Wybór techniki chromatograficznej 172 LITERATURA 173 3. ELEKTROFORETYCZNE METODY SEPARACJI I WYDZIELANIA BIOPOLIMERÓW 177 3.1. Podstawy praktyczne elektroforezy 177 3.2. Elektroforeza bibułowa 178 3.3. Elektroforeza żelowa 181 3.3.1. Nośniki żelowe 183 3.4. Rozdział elektroforetyczny białek 185 3.5. Oznaczanie elektroforetyczne rodzaju białek w materiale biologicznym metodą Western blot 187 3.6. Pozostałe metody elektroforetyczne 190 3.7. Elektroforeza kapilarna 192 3.8. Elektroforeza swobodna z przepływem elektrodynamicznym 194 3.9. Przygotowywanie próbek do elektroforezy 195 3.10. Wyznaczanie względnej masy cząsteczkowej białka za pomocą elektroferezy 197 3.11. Elektroforetyczny rozdział białek i kwasów nukleinowych 198 3.12. Test immunoenzymatyczny ELISA 200 3.13. Znakowanie immunologiczne rozdzielonych białek 205 LITERATURA 207 4. FIZYKOCHEMICZNE METODY IDENTYFIKACJI STRUKTURY BIOPOLIMERÓW 209 4.1. Wyznaczanie mas molowych metodami sedymentacyjnymi 209 4.1.1. Wyznaczanie mas molowych za pomocą pomiarów sedymentacyjnych 209 4.1.2. Wyznaczanie mas molowych metodą pomiaru szybkości sedymentacji 211 4.1.3. Aparatura do ultrawirowania 212 4.1.4. Współczynnik sedymentacji 215 4.1.5. Współczynnik dyfuzji 216 4.1.6. Pomiar współczynnika dyfuzji 218 4.1.7. Wyznaczanie mas cząsteczkowych metodą pomiaru równowagi sedymentacyjnej 220 4.1.8. Wyznaczanie mas cząsteczkowych metodą pomiaru sedymentacji w gradiencie gęstości 221 4.2. Wyznaczanie mas molowych metodą spektrometrii mas 222 4.2.1. Mechanizm jonizacji 222 4.2.2. Pomiar widm masowych 224 4.3. Metody spektroskopowe badania biopolimerów 232 4.3.1. Spektrometria absorpcyjna w zakresie widzialnym 232 4.3.2. Widma elektronowe 236 4.3.3. Podstawowe prawa spektroskopii UV/VIS 237 4.3.4. Aparatura do pomiarów widm absorpcyjnych 245 4.3.5. Spektroskopia absorpcyjna aminokwasów i białek 247 4.3.6. Spektroskopia absorpcyjna kwasów nukleinowych 248 4.4. Spektrofotometria emisyjna fluorescencji 249 4.4.1. Podstawy spektroskopii emisyjnej 249 4.4.2. Wygaszanie fluorescencji 250 4.4.3. Bezpromieniste przeniesienie energii wzbudzenia 252 4.4.4. Aparatura do pomiarów widm fluorescencji 254 4.4.5. Spektroskopia emisyjna aminokwasów, białek i kwasów nukleinowych 257 4.4.6. Znakowanie biopolimerów do badań spektroskopowych 259 4.4.7. Zielona fluorescencja 268 4.4.8. Widma emisyjne fluorescencji chlorofilu 269 4.4.9. Efekt Kautsky’ego 270 4.4.10. Fluorescencyjne badanie rozwijania i zwijania białek 270 4.4.11. Metody badania szybkich reakcji w analizie przepływowej 272 4.5. Zastosowanie dichroizmu w badaniach biopolimerów 273 4.5.1. Dichroizm kołowy w badaniu struktury konformacyjnej białek 274 4.6. Metody optyczne badania biopolimerów 277 4.6.1. Dwójłomność 277 4.6.2. Skręcalność optyczna 279 4.6.2.1. Dyspersja skręcalności optycznej 280 4.6.3. Metoda dynamicznego rozpraszania światła 282 4.6.4. Małokątowe rozpraszanie światła (SALS) 286 4.7. Spektrometria w podczerwieni (IR) 287 4.7.1. Widma oscylacyjno-rotacyjne biopolimerów 287 4.7.2. Pomiar widm absorpcyjnych w podczerwieni (IR) 288 4.7.3. Przygotowywanie próbek biopolimerów do badań widm IR 291 4.7.4. Widma spektrofotometrii wewnętrznego odbicia promieniowania IR 294 4.7.5. Widma spektrofotometrii odbicia dyfuzyjnego 297 4.7.6. Spektroskopia IR wiązania wodorowego 303 4.7.7. Zastosowanie spektroskopii IR do badania deuterowanych biopolimerów 304 4.7.8. Spektrofotometria absorpcyjna IR w świetle spolaryzowanym 304 4.7.9. Spektroskopia IR w bliskiej podczerwieni 306 4.7.10. Analiza i zastosowania widm IR w badaniach biopolimerów 307 4.8. Badanie struktur polimerowych metodami spektroskopii Ramana 308 4.8.1. Podstawy spektroskopii Ramana 308 4.8.2. Pomiar widm Ramana 309 4.8.3. Badanie biopolimerów za pomocą spektroskopii Ramana 311 4.9. Badanie struktur polimerowych metodami magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) 312 4.9.1. Podstawy spektroskopii NMR 312 4.9.2. Pomiar widm NMR biopolimerów 317 4.9.3. Przesunięcie chemiczne 321 4.9.4. Interpretacja widm NMR białek 324 4.9.5. Spektroskopia 13C NMR białek 325 4.9.6. Spektroskopia NMR w fazie stałej 327 4.9.7. Dwuwymiarowa spektroskopia 2D-NMR 327 4.9.8. Metoda chemicznie indukowanej dynamicznej polaryzacji jąder 330 4.10. Spektroskopia elektronowego rezonansu jądrowego (EPR) w badaniach rodników 330 4.10.1. Podstawy rezonansu jądrowego 330 4.10.2. Pomiar rezonansu jądrowego 333 4.10.3. Znakowanie spinowe 338 4.10.4. Badanie rozwijania i zwijania białek za pomocą znaczników spinowych 340 4.11. Krystalizacja peptydów i białek 341 4.11.1. Podstawy krystalizacji 341 4.11.2. Krystalizacja polipeptydów i białek 342 4.11.3. Zagadnienia analizy krystalograficznej 349 4.12. Metody rentgenograficzne badania morfologii biopolimerów 350 4.12.1. Podstawy spektrometrii rentgenowskiej 350 4.12.2. Analiza rentgenograficzna metodami WAXS i SAXS 353 4.12.3. Bazy danych krystalograficznych 360 4.13. Metody mikroskopowe 364 4.13.1. Transmisyjna mikroskopia elektronowa 366 4.13.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa 371 4.13.3. Skaningowa mikroskopia sił atomowych 374 4.13.4. Badanie mechanicznego rozwijania białka metodą AFM 377 LITERATURA 380 SKOROWIDZ 395 DOROBEK NAUKOWY PROF. JANA F. RABKA 409