Анотація до роботи:

Туранська С.П. Дослідження міжфазних взаємодій у системі вода - клітини - білок - кремнезем методами ¹Н ЯМР спектроскопії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 01.04.18 – фізика і хімія поверхні. – Інститут хімії поверхні НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню основних фізико-хімічних закономірностей і визначенню параметрів міжфазних взаємодій у системах, що містять воду, живі клітини, молекули білку та високодисперсний кремнезем. Використано метод ¹Н ЯМР спектроскопії із застосуванням методики виморожування рідкої фази.

На модельних системах показано, що метод ¹Н ЯМР спектроскопії в поєднанні з методикою виморожування рідкої фази дозволяє вимірювати характеристики шарів зв’язаної води і енергію міжфазних взаємодій у багатокомпонентних системах, що містять живі клітини. На основі залежності величини міжфазної енергії від концентрації зовніклітинної води визначено величину міжклітинної взаємодії у клітинній масі пресованих дріжджів. У клітинній суспензії зареєстровано фазовий перехід типу золь - гель при концентрації клітин С_ДР = 10-12 % (мас.). Для відносно малих концентрацій клітинної культури в суспензії, при яких у розчині не утворюються гелеподібні клітинні структури, визначені радіальні залежності сил адгезії від відстані до поверхні клітин.

Виявлено, що дисперсний кремнезем викликає значне зменшення концентрації зв`язаної води в системі клітини - вода. Максимальне зменшення міжфазної енергії становить 130 Дж/г. Ця величина визначає максимальну енергію взаємодії клітин з поверхнею частинок кремнезему. У концентрованих клітинних суспензіях клітини і частинки кремнезему можуть утворювати комплексні колоїдні системи, в яких величина g_S у 2 рази нижча, ніж у бінарній системі. Показано, що особливістю адсорбційного шару води на межі розділу фаз з частинками кремнезему є її слабка асоційованість, порівняно з об’ємною водою.

Досліджено вплив високодисперсного кремнезему на фазову рівновагу у водних суспензіях, що містять клітини і білок. Концентраційні залежності міжфазної енергії свідчать про те, що існує певна критична концентрація кремнезему, при якій відбувається руйнування гелеподібної фази клітини - білок (за участю молекул води) і формування нової фази клітини - білок - кремнезем - вода.

За величиною хімічного зсуву протонів у молекулах зв’язаної води проведено оцінку структури внутрішньоклітинної води для дріжджів з різним ступенем дегідратації. Порівняння результатів, одержаних для клітин і для частково гідрофобізованих кремнеземів, свідчить про існування поблизу гідрофобних ділянок поверхні особливого стану води, слабко асоційованої водневими зв’язками.

1. Вперше показано, що метод 1Н ЯМР спектроскопії в поєднанні з методикою виморожування рідкої фази може бути використаний для визначення енергії міжклітинних взаємодій у водних суспензіях живих клітин і енергії взаємодії клітин з поверхнею дисперсних частинок твердого тіла.

2. Встановлено, що величина сил адгезії може бути розрахована для відносно малих концентрацій клітинної культури в суспензії, при яких у розчині не утворюються гелеподібні клітинні структури. Сили адгезії у водних суспензіях, що містять клітини, майже на 2 порядки перевищують сили адгезії в колоїдних розчинах дисперсних оксидів.

3. Виявлено, що присутність дисперсного кремнезему призводить до значного зменшення концентрації зв’язаної води в системі клітини - вода. У концентрованих суспензіях клітини і частинки кремнезему можуть утворювати комплексні колоїдні системи, в яких величина g^S у 2 раза нижча, ніж у системі клітини - вода.

4. Зроблено висновок, що при певній критичній концентрації кремнезему відбувається руйнування гелеподібної фази клітини - білок і формування нової фази клітини - білок - кремнезем. Цей ефект відображає загальну закономірність взаємодії частинок ВДК в суспензіях з клітинами і молекулами білку.

5. Показано, що поверхня кремнезему змінює впорядковану структуру води. Експериментальні виміри хімічних зсувів зв’язаної води в суспензіях високодисперсного кремнезему свідчать про те, що особливістю адсорбційного шару води на поверхні кремнезему є мала (порівняно з об’ємною водою) асоційованість адсорбованих молекул. Одержані результати підтверджуються даними квантовохімічних розрахунків будови комплексів води на поверхні оксидів і величинами хімічного зсуву протонів у цих комплексах.

6. Вперше показано, що при концентраціях води в клітинах, які не перевищують певне критичне значення, вода має аномально малу величину хімічного зсуву, характерну для молекул води, які не беруть участі в формуванні водневозв’язаних комплексів у якості протонодонора. У відносно вузькому діапазоні зміни концентрації внутрішньоклітинної води (250-380 мг/г) відбувається перехід її молекул із слабко асоційованого водневими зв’язками стану в сильно асоційований стан. Вода, локалізована поблизу гідрофобних ділянок поверхні клітин і модифікованих кремнеземів, перебуває в особливому слабкоасоційованому стані.

Публікації автора:

1. Туров В.В., Горбик (Туранська) С.П., Чуйко А.А. Применение метода Н ЯМР спектроскопии для определения энергии взаимодействия клеток с водной средой // Доповіді НАН України. – 2002. – № 3. – С. 142-146.

Здобувачем було одержано зразки для досліджень, вивчено життєздатність досліджуваної клітинної системи та її залежність від температури, визначена енергія міжклітинної взаємодії дріжджових клітин за результатами вимірювання ¹Н спектрів зв’язаної води.

2. Туров В.В., Горбик (Туранська) С.П. Определение сил адгезии на межфазной границе клетка/вода из данных Н ЯМР спектроскопии // Украинский химический журнал. – 2003. – Т. 69, № 6. – С. 80-85.

Здобувачем було одержано зразки для досліджень, визначено показники життєздатності досліджуваної клітинної системи в процесах заморожування-відтавання, визначені радіальні залежності сил адгезії від відстані до поверхні клітин.

3. Туров В.В., Горбик (Туранська) С.П., Чуйко А.А. Влияние дисперсного кремнезема на связанную воду в замороженных клеточных суспензиях // Проблемы криобиологии. – 2002. - № 3. – С. 16-23.

Здобувачем одержано зразки для досліджень, розроблено методику визначення життєздатності, що ґрунтується на вимірюванні об’єму СО₂, виділеного клітинами в процесі анаеробного дихання, вивчена життєздатність клітин у системі дріжджові клітини - вода - кремнезем та її температурна залежність, досліджено вплив кремнезему на концентрацію зв’язаної води, визначено енергію взаємодії клітин з поверхнею ВДК.

4. Горбик (Туранська) С.П., Туров В.В., Чуйко О.О. Вивчення міжфазних взаємодій у системі клітини/вода/кремнезем методом Н ЯМР спектроскопії // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2003. – Вип. 9. – С. 123-127.

Здобувачем була визначена енергія міжклітинної взаємодії. Для розбавлених клітинних суспензій розрахована величина сил адгезії. Визначено зміну вільної енергії колоїдної системи в результаті взаємодії дріжджових клітин з поверхнею високодисперсного кремнезему.

5. Туров В.В., Гунько В.М., Горбик (Туранська) С.П., Чуйко А.А. Влияние высокодисперсного кремнезема на фазовое равновесие в водных суспензиях, содержащих клетки и белки // Доповіді НАН України. – 2003. - № 9. – С. 150-156.

Здобувачем одержано зразки для досліджень, визначені показники життєздатності клітин у системі клітини - вода - кремнезем - білок, досліджений вплив ВДК на фазовий стан модельних клітинних суспензій у водних розчинах білку, досліджено адсорбцію білку на клітинах.

6. С.П.Туранська, В.В.Туров, В.М.Гунько, В.М.Богатирьов Асоціати води у частково зневоднених дріжджах і на поверхні гідрофобного кремнезему // Хімія, фізика та технологія поверхні: Міжвід. зб. наук. пр. Ін – т хімії поверхні НАН України; Голов. ред. О.О. Чуйко. – К.: Вид. дім «КМ Академія». – 2004. – Вип. 10. – С. 207-211.

Здобувачем виготовлені зразки для досліджень та визначені

параметри взаємодії води зі структурними елементами клітин.

7. V.V.Turov, V.M.Gun`ko, V.M.Bogatyrev, V.I.Zarko, S.P.Gorbik (Туранська), E.M.Pakhlov, R.Leboda, O.V.Shulga, A.A.Chuiko Structured water in partially dehydrated yeast cells and at partially hydrophobized fumed silica surface // Journal of Colloid and Interface Science. – 2005. – Vol. 283. – P. 329-343.

Здобувачем одержано зразки для досліджень та методом ЯМР- спектроскопії визначені параметри взаємодії води з поверхнею частково дегідратованих клітин і частково гідрофобізованих кремнеземів.

8. Gorbik (Туранська) S.P., Turov V.V. Application of Н NMR spectroscopy method for determination of interaction parameters in cell-water system // VI Ukrainian –Polish Symposium “Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technological applications”. – Odessa. – 2001. – P. 79-80.

Здобувачем вивчена життєздатність дріжджових клітин у процесах заморожування-відтавання, визначена енергія міжклітинної взаємодії і енергія взаємодії клітин з водним середовищем.

9. Горбик (Туранська) С.П., Туров В.В., Чуйко О.О. ¹Н ЯМР спектроскопія міжфазних взаємодій у системі клітини – вода – неорганічний полімер // Міжнародна науково-практична конференція “Структурна релаксація у твердих тілах”. – Вінниця. – 2003. – С. 206-207.

Здобувачем одержано зразки для досліджень, розроблено методику визначення життєздатності клітин на основі контролю інтенсивності анаеробного дихання, вивчені показники життєздатності у системі дріжджові клітини - вода - кремнезем, досліджено вплив дисперсного кремнезему на гідратованість модельних клітинних суспензій і величину міжфазної енергії клітини - вода.

10. Горбик (Туранська) С.П. Дослідження міжфазних взаємодій в системі неорганічний полімер – клітини – вода // V Українська конференція молодих вчених з високомолекулярних сполук. – Київ. – 2003. – С. 44.

Здобувачем одержано зразки для досліджень, визначені показники життєздатності клітин у системі клітини - вода - кремнезем, визначено енергію взаємодії дріжджових клітин з поверхнею частинок SiO₂.

11. Горбик (Туранська) С.П., Туров В.В., Чуйко А.А. Влияние дисперсного кремнезема на фазовое состояние модельных суспензий, содержащих клетки и белки // Всеукраїнська конференція молодих вчених з актуальних питань хімії. – Київ. – 2003. – С. 134.

Здобувачем досліджено основні фізико-хімічні закономірності взаємодії компонентів у багатокомпонентних системах, що містять живі клітини, воду, молекули білку і частинки високодисперсного кремнезему, за величиною хімічного зсуву протонів у молекулах зв’язаної води проведено оцінку структури внутрішньоклітинної води для дріжджів з різним ступенем дегідратації і води на поверхні триметилсилільованих кремнеземів.