Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Флуоресцентные зонды в исследовании мембран: достоинства и недостатки 9
1. Информативные параметры флуоресценции 14
I. I. Интенсивность 14
1.2. Положение 'максимума спектра 17
2. Гетерогенность распределния зонда в мембране и методы её определния 19
2.1. Анализ кривой затухания флуоресценции 19
2.2. Спектральные методы 20
ГЛАВА 2. Электронно-колебательные спектры многоатомных молекул .24
1. Характер спектров в различных условиях 27
2. Энергетика процессов излучения и поглощения света 31
3. Теоретические исследования электронно-колебательных взаимодействий 39
Материалы и методы.
ГЛАВА 3. Метод анализа электронно-колебательных спектров жидких растворов многоатомных молекул ...51
1. Модель формирования элетронно-колебательных спектров и
система уравнений для их анализа 52
2. Процедура решения системы уравнений 59
Полученные результаты и их обсуждение.
ГЛАВА 4. Анализ спектров в гомогенных растворах б?
1. Спектры флуоресценции зондов 57
1.1. І-анилинонафталин-8-сульфонат 57
1.2. N-фенил-І-нафтиламин 75
2. Доказательства адекватности предложенной модели 82
3. Интерпретация параметров распределения неоднородного уширения спектров 69
3.1. Неоднородное уширение и мекмолекулярные взаимо
действия 92
3.2. Неоднородное уширение и энергетика флуоресценции... 99
ГЛАВА 5. Анализ спектров флуоресценции зондов, сорбированных на гетерогенных объектах 103
1. Молекула сывороточного альбумина быка 105
2. Мембрана эритроцитов ЮЗ
3. Оценка предложенного подхода III
Выводы
Список литературы
- Положение 'максимума спектра
- Энергетика процессов излучения и поглощения света
- Процедура решения системы уравнений
- Интерпретация параметров распределения неоднородного уширения спектров
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Изучение структурной организации биологических мембран и её роли в реализации мембранносвязанных функций - одна из основных задач биофизики.
Для изучения структуры клеточных мембран и составляющих их молекул применяют различные спектральные методы: электронный парамагнитный резонанс (спиновые метки), ядерный магнитный резонанс, рентгеноструктурный анализ, ИК и УФ спектроскопию, сканирующую калориметрию. Большинство из этих методов позволяют получать надёжно интерпретируемые результаты при изучении структуры сравнительно небольших молекул. При изучении же таких сложных объектов, как клеточные мембраны, интерпретация полученных результатов часто затруднена. К тому же некоторые из этих методов позволяют производить измерения только с фиксированным препаратом / 20j.
В последнее время для изучения структурной организации и функционального состояния клеточных мембран широкое распространение получил метод флуоресцентных зондов. К основным достоинствам этого метода можно отнести его высокую чувствительность к перестройкам структурного и функционального состояния мембран, а также простоту используемого оборудования. К тому же, если методы ЭПР и ЯМР спектроскопии позволяют определять, лишь характеристики подвижности зонда и его ближайшего окружения, то с помощью флуоресцентных зондов возможно определять и другие параметры, характеризующие структуру изучаемого объекта.
Применение флуоресцерующих красителей в качестве зондов обусловлено тем, что параметры их флуоресценции в значительной степени зависят от физических характеристик ближайшего окружения. Так, положение максимума спектра флуоресценции, квантовый выход, форма спектра таких наиболее часто используемых зондов, как І-анилинонафталин-8-сульфонат (АНС) и /(/-фенил-1-нафтиламин (ФНА) в значительной степени зависят от полярности растворителя. К тому же квантовый выход флуоресценции этих зондов в водных растворах значительно меньше, чем в гидрофобных растворителях.
Однако интерпретация данных, полученных с помощью флуоресцентных зондов, часто вызывает затруднения. Это обусловлено двумя причинами. Первая заключается в том, что на параметры флуоресценции зондов влияет не только полярность ближайшего окружения, но и целый ряд других физико-химических характеристик среды, определяющих особенности межмолекулярных взаимодействий. Е торая трудность связана с гетерогенностью исследуемый объектов. Молекулы зонда располагаются в центрах сорбции, обладающих различными свойствами (полярность, микровязкость), и обычно измеряются некоторые усредненные характеристики этих центров.
Цель работы и задачи исследования.
Целью данной работы был поиск такого подхода к описанию и анализу спектров флуоресценции АНС и ФНА в гомогенных растворителях и сорбированных на гетерогенных биологических объектах, который позволил бы более однозначно интерпретировать полученные данные. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
I. Построить модель формирования электронно-колебательных спектров жидких растворов многоатомных молекул, которая позволяла с достаточной точностью описывать их формы и интенсивности.
2. на основе данной модели провести анализ спектров флуоресценции АНС и ФНА в гомогенных растворителях различной полярности и вязкости;
3. найти связь между физическими характеристиками растворителей и параметрами спектров флуоресценции зондов;
4. провести анализ спектров флуоресценции АНС и Шк сорбированных на гетерогенных биологических объектах.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые найден подход к анализу спектров флуоресценции зондов (АНС и ФНА) в гомогенных растворителях, который позволяет с достаточной точностью описывать как их формы, так и интенсивности в растворителях различной полярности и вязкости. Проведён анализ спектров АНС и ФНА и найдены параметры распределения неоднородного уширения спектров в различных растворителях. Показано, что параметр у (положение центра распределения неоднородного уширения) лучше характеризует полярность растворителя, чем обычно используемый Y „от,„ (положение максимума эксперименталь-ного спектра). Установлена связь между параметром Э спектров зондов и вязкостью растворителей. С помощью этого метода показано, что молекула САБ имеет два различных типа центров сорбции АНС и ФНА. Дана характеристика этих центров. Показано, что правильно ориентированные везикулы мембраны эритроцитов имеют по крайней мере три различных типа центров сорбции обоих зондов. Определено относительное содержание зондов в каждом из этих центров и охарактеризованы их полярность и микровязкость. В мембране эритроцитов обнаружен центр сорбции шНА, полярность которого ниже полярности таких растворителей как гексан и толуол.
Практическая ценность. Предлагаемый подход к анализу спектров флуоресценции зондов позволяет получать больший объём информации о структуре исследуемого объекта, чем ранее использованные методы. Он открывает новые возможности для исследования структурного сотояния биологических мембран и макромолекул. В нашем отделе этот метод сейчас используется для изучения влияния различных факторов на структуру искусственных и природных мембран, а также для изучения особенностей структурной организации плазматических мембран при первичной артериальной гипертен-зии.
Апробация работы. Работа доложена на заседании секции биофизики МОИП (Москва, 1981), I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), 19 Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983), 9 Всемирном конгрессе кардиологов (Москва, 1982), а также на теоретических семинарах в ЦНИ лаборатории 4-го ГУ при МЗ СССР, НИЦ 2-го МОЛГшИ, кафедры общей физики и волновых процессов Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Объём работы. Работа изложена на ЇІ4 страницах текста, содержит 28 рисунков, II таблиц, 176 ссылок на цитируемую литературу и включает: обзор литературы, экспериментальную часть, обсуждение результатов и выводы.
Положение 'максимума спектра
Положение максимума спектра флуоресценции зонда, сорбированного на мембране, привлекает внимание исследователей главным образом потому, что величина стоксова сдвига, который равен разности между положениями максимумов спектров поглощения и флуоресценции, отражает такое важное свойство гомогенных растворителей как их полярность [ЪЦ .
Взаимодействие электрического дипольного момента молекулы зонда с диполями молекул ближайшего окружения приводит к переориентации (релаксации) молекул окружения и к изменению наведюнного (реактивного) электрического поля в котором находится молекула зонда. Это поле ведёт к сдвигу максимума спектра флуоресценции зонда. Расход энергии на переориентацию молекул сольватнои оболочки и является причиной сдвига максимума спектра флуоресценции в длинноволновую область. Стоксов сдвиг максимума спектра флуоресценции будет выше при следующих условиях: а) значительное изменение электрического дипольного момента молекулы зонда при переходе из основного в возбуждённое состояние; б) окружающие зонд молекулы имеют большой ди-польный момент и возможность быстрой переориентации (релаксации), по сравнению с временем нахождения зонда в возбуждённом состоянии; в) окружающие зонд молекулы обладают высокой электронной поляризуемостью.
В настоящее время отсутствует удовлетворительный параметр, характеризующий полярность среды. Для этой цели часто используют так называемый параметр Косовера ft Г23/, с которым хорошо коррелируют положения максимумов спектров поглощения и флуоресценции различных соединений. Однако, эта корреляция, вероятно, обусловлена тем, что этот эмпирический параметр в свою очередь, определяется спектроскопически по положению максимума спектра поглощения некоторого эталонного соединения в различных растворителях.
Если полярность окружения зонда может быть оценена с той или иной точностью по положению максимума спектра флуоресценции в случае одного типа мест сорбции зонда на мембране, то когда имеется тесколько типов этих мест, такая оценка стано -вится вовсе проблематичной. В самом деле, положение максимума суммарного спектра может измениться не только при изменении одной из его составляющих, но и при изменении интенсивности одного из спектров, составляющих экспериментальный.
Как было отмечено выше, одним из существенных препятствий для интерпретации данных, полученных с помощью флуоресцентных зондов, является гетерогенность их распределения в мембранах. Здесь мы коротко проанализируем данные, иллюстрирующие это положение.
Наибольшее распространение для изучения гетерогенности распределения зонда в мембранах получил метод анализа кривой затухания флуоресценции зонда после импульсного возбуждения. Для измерения кинетики затухания флуоресценции применяют два метода: прямая осциллографическая регистрация кривой затухания; и однофотонный счёт.
Большее распространение получил метод однофотонного счёта, что обусловлено меньшими трудностями его технической реализации. При этом методе после вспышки лампы (длительность вспышки 2нсек) анализатор импульсов подстывает количество квантов света (А/), испущенных в некотором временном интервале через определённое время после вспышки.
Энергетика процессов излучения и поглощения света
При изменениях внешних условий (температуры, давления пар-ров), а также в различных растворителях изменяются как силы осцилляторов элетронных переходов, так и квантовые выходы флуоресценции многоатомных молекул. Причём в изменениях этих характеристик наблюдаются сходные закономерности.
Так в работах 53,55,79J обнаружено, что для поглощения паров бензола, фталимида и их производных при изменениях давления или температуры одновременно со смещением положения спектра поглощения происходит монотонное изменение силы осциллятора электронного перехода. Аналогичные зависимости силы осциллятора от положения спектра поглощения наблюдаются и для других молекул в газообразном состоянии /80,813- Причём, более полное сопоставление положения полосы поглощения и силы осциллятора.перехода ароматических углеводородов в различных растворителях и газах при изменении внешних условий также выявило связь между этими характеристиками поглощения Г79,82Д.
Для теоретического объяснения влияния растворителя на силу осциллятора электронного перехода обычно используют представление о том, что возбуждённое э-к состояние является смешанным, а межмолекулярные взаимодействия приводят к изменению вклада каждой из составляющих в интенсивность полосы поглощения 2_83-89"J. Однако, рассчёты, основанные на этих представлениях, не могут описать экспериментальные данные с достаточной точностью (см. напр. Табл. 3).
Значительно большее число исследований выполнено для изучения влияния различных факторов на квантовый выход флуоресценции многоатомных молекул. Исследование поведения спектров флуоресценции и квантового выхода производных фталимидов (3-амино-/V-метилфталимид, 3-мономелитамино-/1/-метилфталимид, 4-гидрази-но-Д/ -метилфталимид и др.) показало, что существует связь между квантовым выходом флуоресценции и положением спектра флуоресценции в растворителях различной полярности и вязкости 9I,92j. Аналогичные изменения квантового выхода флуоресценции в различных растворителях обнаружены и для других классов молекул [93,94j.
Зависимость квантового выхода флуоресценции производных нафталина от растворителей также обнаруживают сильную зависимость квантового выхода флуоресценции от положения спектра (рис. 5) 95,96]. Квантовый выход исследуемого класса веществ линейно связан с величиной обратной квадрату разности энергий первого возбужденного синглета и нижнего триплетного уровня. На основании этого сделан вывод , что уменьшение квантового выхода при смещении возбужденного состояния "вниз" и приближения его к триплетному состоянию связано с увеличением вероятности безиз-лучательных переходов.
Изучение квантовых выходов флуоресценции и фосфоресценции 4-диметиламино-4-нитрофенила в декалине при Т=77К показало связь между положением спектра флуоресценции и квантовым выходами. Одновременно с изменением положения спектра флуоресценции изменялись и квантовые выходы флуоресценции и фосфоресценции, причем их изменение происходило в противоположные стороны /97J.
На примере многих соединений показано, что квантовый выход флуоресценции многоатомных молекул как в жидких, так и в твердых растворах, обычно, уменьшается с повышением температуры -т.н. "температурное тушение" 98-I00j. Обычно наблюдается слабая зависимость его от температуры при сравнительно низких температурах, и быстрое падение при более высоких температурах в жидкостях. Однако на примере антрацена, 9,10-дифенилбутадиена показано l04j, что в некоторых растворителях квантовый выход флуоресценции может не только уменьшаться, но и немного увеличиваться при повышении температуры.
Температурное "тушение" флуоресценции многоатомных молекул наблюдается не только в конденсированной фазе, но и в парах lI0-II5]. Причем, в газовой фазе для большинства молекул также наблюдается зависимость квантового выхода флуоресценции от частоты возбуждающего света lI6-II9j, хотя здесь также есть исключение в виде 9-метилантрацена, квантовый выход паров которого увеличивается с увеличением частоты возбуждающего света l20]. В конденсированной же фазе при возбуждении в стоксовой области квантовый выход флуоресценции сложных молекул не зависит от частоты возбуждающего света l07-I09j.
В большинстве случаев влияние среды, структуры люминесци-рующих молекул, температуры на квантовый выход многоатомных молекул закономерно связано с действием перечисленных факторов на положение спектра флуоресценции. Это проявляется: а) у одного соединения в различных растворителях при комнат ной температуре 91-95,102,473; б) у одного соединения в одной и той-же среде при изменении температуры ГіОЗ, I04J; в) у различных родственных веществ с постепенно меняющимся характером заместителя /1057.
Процедура решения системы уравнений
Для использования предлагаемого подхода к анализу спектров флуоресценции мы выбрали два зонда - І-анилинонафталин-8-сульфо-нат (АНС) и N-фенил-І-нафтиламин (НА). Обладая бесструктурными спектрами флуоресценции, они наиболее подходят для применения метода анализа спектров. Кроме того, АНС имеет отрицательно заряженную S03 группу и поэтому располагается в области полярных головок липидов мембраны. ФНА не имеет заряженных групп (за исключением некоторого разряжения электронной плотности на атоме азота) и поэтому может проникать в область гидрофобных хвостов липидного бислоя мембраны. Таким образом, с помощью этих двух зондов можно охарактеризовать как гидрофобные, так и поверхностные области мембраны.
В качестве растворителей использовали воду, этиловый, бутиловый, изоамиловый, изопропиловый спирты, ацетон, 1,4-диоксан, толуол, диметилформамид, этиленгликоль, глицерин, а также сме-си этанол-вода и глицерин-вода при температуре 305 К.
По измеренным спектрам флуоресценции определяли число испущенных квантов (в относительных единицах) по формуле
Нормированные по максимуму спектры флуоресценции I, 8-АНС в некоторых растворителях представлены на рисунке П. Значения числа испущенных квантов при флуоресценции ъ(() в относительных единицах и ширины спектров флуоресценции в различных растворителях в зависимости от положения максимума спектров флуоресценции представлены на рисунках 12 и 13, соответственно.
Как следует из модели, представленной в главе 3, спектры флуоресценции многоатомных молекул в жидких растворах должны описываться выражением
(2) где Г ( у ) - полуширина лоренцевой линии перехода между двумя вибронными подуровнями различных электронных состояний, ( ( Y% ) - вероятность распада возбужденного электронного состояния с излучением, С - концентрация возбужденных молекул, у и б"- центр и дисперсия распределения молекул по различным переходам системы. Параметры С, J?c и для спектров флуоресценции в различных растворителях определяли с помощью метода наименьших квадратов, как описано в главе 3.
В связи с сильной зависимостью квантового выхода флуоресценции I, 8-АНС от положения спектра флуоресценции и, следовательно, сильной зависимостью вероятности ЛАГ ( )/% ) от частоты перехода системы, вероятность л ( У ) была представлена как логарифм некоторой квадратичной функции на отрезках.
Причём, для всех исследованных спектров минимум h {С ,у ,6 ) достигался при С = СДл х (1+0,015), что в пределах точности измерений пропорционально концентрации возбуждённых молекул.
Полученные результаты (совпадение теоретической формулы с экспериментальными спектрами, а также совпадение коэффициента С с концентрацией молекул в возбуждённом состоянии) говорят о том, что найденные нами функции (За,б), а также использованные распределения неоднородного уширения с/ч у ) (распределения Гаусса) являются решением системы уравнений (7)-(9) (см. Гл.З) для АНС. Последнее выполняется в условиях отсутствия миграции между молекулами энергии электронного возбуждения. Это означает, что выражение (2) описывает как формы спектров, так и изменения интенсивности флуоресценции АНС в различных растворителях. Точки спектров, рассчитанные по (2) представлены на Рис.II. Рассчитанные функции /Ы. (rs ) и Г( V$ ) можно видеть соответственно на рисунках 12 и 13В качестве растворителей использовали воду, этиловый, бутиловый, изо-амиловый, изопропиловый спирты, ацетон, 1,4-диок-сан, толуол, диметилформамид, этиленгликоль, глицерин, гептан, гексан, а также смеси этанол-вода и глицерин-вода при температуре 305К.
По измеренным спектрам флуоресценции определяли число испущенных квантов (относительные единицы) по формуле (I) и ширины спектров в различных растворителях.
Нормированные по максимуму спектры флуоресценции ФНА в некоторых растворителях представлены на рисунке 15. Значения числа испущенных квантов при флуоресценции Q{ і ) в относительных единицах и значения ширин спектров флуоресценции в различных растворителях в { і ) в зависимости от положения максимума спектров флуоресценции представлены на рисунках 16 и 17, соответственно.
Сопоставление данных, полученных для АНС (Рис. 12, 13) и ФНА (РИС. 16, 17) показывает, что зависимости числа испущенных квантов и ширины спектров от положения максимума спектра флуоресценции менее ярко выражены для ШНА, чем для АНС. Для ШНА, как и в случае АНС, нам необходимо найти такие функции ru ( Vj ) и Г ( у ), которые будут удовлетворять системе уравнений (7)-(9) или при сделанных предположениях относительно возможного вида решения для распределений tj( у% ) выражению (2) (см. Гл. 3)
Интерпретация параметров распределения неоднородного уширения спектров
В связи с полученными в предыдущих главах результатами, предложенная модель формирования э-к спектров поглощения и флуоресценции многоатомных молекул в жидких растворах нуждается в более подробном обсуждении.
В последнее время в литературе широко обсуждается вопрос об однородном и неоднородном уширении в э-к спектрах многоатомных молекул в жидких растворах и стеклованных средах l68-I70j и о спектроскопических проявлениях неоднородного уширения. Тем не менее сейчас нет общепринятого определения однородной составляющей э-к спектров и их неоднородного уширения.
Под однородным обычно понимают спектр одного активного центра /і29, 150, I7lJ. Если отдельные молекулы находятся в различных условиях в конденсированных средах и их спектры смещены друг относительно друга, то это приводит к неоднородному уширению спектра. При таком подходе э-к спектры свободных многоатомных молекул в парах рассматривают как однородные.
При другом подходе рассматривают как однородную линию перехода между одним из вибронных подуровней начального электронного состояния и одним из вибронных подуровней конечного электронного состояния l67j. Форма и ширина однородной линии перехода в этом случае определяется временным законом электрон-но-вибронной релаксации и ее скоростью. Уширение спектра, обусловленное различными вибронными переходами, а также окружением рассматривают как неоднородное уширение.
Как мы показали на примере АНС и шНА, распределение молекул по частотам переходов системы т( Ys ) играет важную роль в формировании не только спектральных, но и энергетических характеристик флуоресценции.
По нашему мнению, для адекватного описания механизмов формирования э-к спектров многоатомных молекул под однородной составляющей спектров следует понимать линию перехода между одним из вибронных состояний начального электронного состояния.
Вследствие зависимости полуширины однородной лоренцевой линии перехода от частоты перехода системы Г ( ц ) неоднородное уширение линии приводит к ее ассиметрии. На рисунке 21 можно видеть постепенный переход от спектра с колебательной структурой к бесструктурному спектру. Увеличение дисперсии неоднородного уширения, вероятно, является причиной изменения формы спектров паров многоатомных молекул при увеличении частоты возбуждающего света (Рис. 4). Изучение температурных зависимостей формы линии провала в спектрах при его выжигании также показывает, что при повышении температуры форма линии провала перестает быть лоренцевой и становится ассиметричной /172J, что, вероятно, также обусловлено появлением динамического неоднородного уширения.
Основными особенностями рассмотренной модели формирования э-к спектров жидких растворов многоатомных молекул являются сделанные нами предположения о том, что полуширина однородной лоренцевой составляющей спектров и квадрат электронного матричного элемента дипольного момента перехода (вероятность распада возбужденного электронного состояния с излучением) являются функциями только частоты перехода системы и не зависят от растворителя. В различных растворителях изменяются параметры распределения неоднородного уширения спектров (положение его центра Y с и дисперсия б ), в то время как его форма также не зависит от растворителя, являясь распределением Гаусса. Рассмотрим распределение неоднородного уширения спектров и его параметры более подробно. Как следует из предложенной модели, вследствие зависимости вероятности распада возбужден ного электронного состояния с излучением рс (Уч ) и полушири ны однородной лоренцевой составляющей спектров Г ( Y% ) от час тоты перехода системы Vj положение центра распределения неод нородного уширения ус не совпадает с положением максимума экспериментального спектра Умян-г иРичем сдвиг \( относи макс "— л макс тельно у зависит как от величины дисперсии распределения неоднородного уширения б , так и от скорости изменения функции ІД ( I$ ) по частоте. Для одной молекулы (зонда) функция (1А (Kj ) является постоянной для различных растворителей и увеличение дисперсии распределения неоднородного уширения & приводит к увеличениюсдвига /,,_„„ относительно У с. Такой эффект особен-но хорошо виден в случае Шк, представленном на Рис. 22. Так, разность Y„OT,0 - /с в толуоле {(Г /6&ос ь ) составляет макс » I 923 см" , а эта же разность для смеси этанол-вода (1-4) {&2$ро хл Я -Т составляет 5x10 см . Для различных молекул эта разность зависит такие и от скорости изменения (U ( Уу ) с частотой. Природу такого сдвига нетрудно понять. Распределение излучающих молекул (спектр флуоресценции при Г ( Y$ ) = 0) определяется произведением распределения неоднородного уширения (распределение возбужденных молекул) на вероятность распада возбужденного электронного состояния с излучением - (У ( Y$ ) х fk ( Vy ).
