Проявление структуры воды в электрофизических свойствах биосистем и методы мониторинга

• Автор: Саргаев, Павел Маркелович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 235 с.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .

ВВЕДЕНИЕ .

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ .

1.1. Состояние электрофизического контроля биосистем в промышленном биосинтезе .

1.1.1. Особенности электрофизического контроля гетерогенных биосистем .

1.1.2. Суспензии клеток микроорганизмов .

1.1.3.Аминокислоты и белки

1.2. Состояние по структуре воды в биосистемах

1.2.1. Гидратация белков и плазматических мембран биологических клеток .

1.2.2. Особенности свойств дисперсионной среды
1.3. Молочная железа как природный биореактор и технические методы контроля е состояния .
1.3.1. Классификация мастита и выбор объектов исследования .
1.3.2. Выбор методики исследования молока .
1.3.3. Современное состояние и совершенствование технических средств контроля мастита у коров .
1.4. Постановка задачи
Глава 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРИБОРЫ, МЕТОДИКИ.
2.1. Выбор объектов исследования
2.1.1. Объекты экспериментальных исследований .
2.1.2. Объекты структурных исследований .
2.2. Аппаратура электрофизических исследований
2.2 .1. Особенности сред в биотехнологии и требуемые качества измерительной техники
2.2.2. Выбор измерительных приборов
2.3. Методика
Глава 3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ
3.1. Экспериментальные данные
3.1.1. Диэлектрическая проницаемость и потери растворов ферментов
3.1. 2 . Диэлектрическая проницаемость и потери растворов
белков и суспензий белкового препарата
3.2. Особенности релаксации
3.2.1. Релаксационный процесс в водных растворах оксидазы Оаминокислоты .
3.2.2. Релаксационный процесс в водных растворах белков и пепсина
3.3. Диэлектрические спектры в связи со структурой зоды
и гидратацией компонентов системы .
3.3.1. Релаксация и гидратация электролитов
3.3.2. Структура воды и гидратация электролитов в параметрах вязкости и диэлектрических спектров
3.3.3. Количественная оценка некоторых характеристик структуры воды .
3.3.4. Оценка области собственных частот вращений структурных единиц жидкости .
Глава 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВОДЫ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИКАХ СУСПЕНЗИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ КЛЕТОК .
4.1. Проявление структурных особенностей воды в процессах гидратации поверхности дисперсной фазы .
4.1.1. Количественная оценка размеров структурных единиц
жидкости в условиях равновесия жидкой и тврдой
4.1.2. Вода и структура мембраны
4.1.3. Вода и гидратация полимерных цепей .
4.1.4. Количественная оценка толщины гидратного слоя дисперсной фазы суспензий биологических клеток
4.2. Проявление структурных особенностей воды в свойствах дисперсионной среды .
4.2.1. Электропроводимость воды
4.3. Электрофизика биосистем в зависимости от свойств
растворителя и клеток микроорганизмов
4.3.1. Экспериментальные материалы .
4.3.2. Диэлектрические и электроповерхностные свойства
клеток микроорганизмов i ii .
4.3.3. Особенности ионного обмена клеток i ii . .
4.3.4. Электропроводимость и ионный обмен клеток активного ила в процессе седиментации в воде
4.4. Электрофизические параметры процессов биосинтеза.
4.4.1. Особенности электрофизических свойств суспензий
флотирующих микроорганизмов
4.4.2. Особенности электрофизических параметров растущего
мицелия . продуцента амфотерицина В
4.5. Релаксация суспензий микроорганизмов
глава 5. ПРОЯВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ВОДЫ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВАХ НАТИВНЫХ КЛЕТОК В ПРОЦЕССЕ ГИПЕРТЕРМИИ
5.1. Активность клеток в процессе гипертермии
5.2. Экспериментальные материалы
5.2.1. Методика измерений
5.2.2. Результаты измерений .
5.2.3. Эффективность трансмембранных процессов переноса
ионов калия и натрия .
5.3. Трансмембранные процессы переноса ионов в связи с
гидратацией пор клеточных мембран
Составляющие переноса и сольватация ионов .
Оценка размеров пор в связи с особенностями движения ионов через клеточную мембрану .
Параметры пор клеток как функция структуры воды
Метод перколяции з моделировании структуры воды .
Количественные аспекты локализации слабых связей в структурных единицах жидкости
Поверхностное натяжение и характеристики кластеров
Давление Лапласа в структурных единицах и объмные характеристики воды
Динамика структуры воды в процессе гипертермии
Вклад структуры воды в увеличение размера пор клеток молочной железы в процессе гипертермии .
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЕЕШЕНИЯ В ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ БИОСИСТЕМ
Способы контроля содержания биомассы в суспензиях микроорганизмов
Концентрирование клеток электроудержанием в измерении концентрации микроорганизмов .
Способ измерения концентрации суспензии флотирующих микроорганизмов
Датчики .
Датчики измерения концентрации биомассы .
Датчики измерения концентрации флотирующих микроорганизмов .
Устройство для измерения концентрации интактных клеток в суспензии нефлотирующих микроорганизмов
Первичные преобразователи для исследования свойств молока .
Датчик электропроводимости
Устройство для контроля ионного состава молока
6.3. Новизна во зторичных преобразователях .
6.4. Методика измерений концентрации активного ила .
6.5. Оценка погрешности измерений
6.5.1. Описание переменных и оценка их вкладов в погрешность измерения концентрации биомассы .
6.5.1.1. Проба суспензии .
6.5.1.2. Дистиллированная вода .
6.5.1.3. Разбавление .
6.5.1.4. Термостатирование .
6.5.1.5. Время седиментации
6.5.1.6. Прочие факторы
6.5.2. Суммарная погрешность в измерении концентрации взвешенных веществ в суспензии активного ила
6.6. Результаты производственных испытаний .
6.6.1. Апробация систем электрофизического контроля концентрации клеток микроорганизмов
6.6.1.1. Результаты производственных испытаний методики измерений концентрации активного ила .
6.6.1.2. Результаты производственных испытаний системы контроля концентрации биомассы флотирующих микроорганизмов .
6.6.2. Результаты производственных испытаний систем электрофизического контроля состояния молочной железы коров .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .
ЛИТЕРАТУРА


Аналогичные величины могут быть использованы также для исследования содержания интактных клеток в суспензии микроорганизмов. Сравнение чувствительности отмеченных методик проведено в работе 3, в которой представлены характеристики интактных клеток относительно таковых для инактивированных при 3 К в течении с и частично инактивированных и в течении 0 с. Наиболее чувствительным свойством к состоянию клеток является поверхностная электропроводимость Ур , которая в случае интактных клеток в сотни раз превышает таковую для инактивированных. Коэффициент жизнеспособности Кт на порядок менее чувствителен величины Ур. Ещ меньшей чувствительностью обладает электрокинетический потенциал клеток , однако поверхностная электропроводимость дисперсных систем тесно связана с последним , . Последняя широко используется как характеристика поверхности з физике полупроводников и коллоидной химии 4, , . Смм в случае поверхностной проводимости используют также размерность См . Коэффициент жизнеспособности клеток определяется из отношения диэлектрической проницаемости или электропроводимости на зысокой частоте область МГц к таковым, измеренным на низкой частоте в области кГц Электропроводимость является неотъемлемой частью диэлектрических свойств дисперсных систем и должна рассматриваться как теоретически, так и экспериментально вместе с диэлектрической проницаемостью . Явление зависимости электропроводимости суспензий живых клеток от времени контакта с дисперсионной средой может иметь практические приложения для контроля биосистем в промышленном биосинтезе, однако оно всесторонне не изучено, показывает необходимость дополнения электрофизических исследований концентрационными, а также ограниченность возможностей стационарных методик. Когда необходимо учитывать поверхностную проводимость, существенное значение имеет поляризация двойного электрического слоя , происхождение которого связано с особенностями гидратации ионогенных компонентов системы и взаимодействием последних с поверхностью плазматических мембран биологических клеток. Механизмы формирования ДЭС могут быть связаны с адсорбционными явлениями и диссоциацией поверхностных ионогенных групп под влиянием полярной дисперсионной среды . Первый из них связан с различием коэффициентов адсорбции ионов. Интенсивно адсорбируемый ион оказывается в избытке на поверхности белка, а менее адсорбируемый ион в избытке в жидкой части ДЭС, вследствие чего и возникает двойной слой. Во втором случае растворнные белки взаимодействуют с кислотами и основаниями подобно аминокислотам. Соли аминокислот являются сильными электролитами, большая белковая молекула может превратиться в гигантский многовалентный ион просто в результате взаимодействия с кислотой или основанием. В первом приближении амфотерность мономерных звеньев белковой молекулы может характеризоваться следующей моделью
При больших и малых резко преобладает диссоциация групп одного знака, и, например, при рН2 белковая молекула несет положительный заряд, с ростом наблюдается изоэлектрическая точка и дальнейшее увеличение обеспечивает обращение знака потенциала. В ряде работ по исследованию диэлектрических свойств растворов аминокислот и белков ставилась задача вычисления дипольного момента и размеров молекул этих соединений. Был предложен ряд формул . Аарон и Грант получили значение дипольного момента для глицина . Д и для диглицина дипептида . Д , Шеферд и Грант для аминокапроновой кислоты . Д . Дипольные моменты измерены у большинства аминокислот . В случае белков они существенно больше у миоглобина 0 Д, инсулина 0 Д, яичного альбумина 0 Д, сывороточного альбумина 0 Д . На основе дипольных моментов ряд авторов вычисляли расстояние между группами 3 и С аминокислоты. Так, Грант определил расстояние между указанными группами для глицина, ааланина и раланина, получив соответственно 0. В работах Онкли , на оснсве представлений Дебая, определены форма и размеры ряда белков. Полученные им значения асимметрии внешней формы имеют значения для яичного альбумина 5, сывороточного альбумина 6, эдестина 9.