Кинетика адсорбции белков и их комплексов с ПАВ, полиэлектролитами и наночастицами на границе жидкость-газ

Определен механизм формирования адсорбционных пленок в нескольких водных системах, содержащих белки, агрегаты белков, комплексы белков с дифильными веществами различной химической природы и твердыми наночастицами. Развита кинетическая модель адсорбции глобулярных белков и комплексов белков с ионами низко- и высокомолекулярных веществ, основанная на применении уравнения Смолуховского для описания диффузии во внешнем электрическом поле и теории случайной последовательной адсорбции для учета стерических эффектов. Результаты расчета по полученным уравнениям сравнивали с экспериментальными кинетическими зависимостями величины адсорбции, полученными с помощью эллипсометрии, для нескольких систем. Выявлена кинетика адсорбции комплексов лизоцима, фибриногена и миоглобина с поверхностно-активными веществами (ПАВ) и полиэлектролитами, а также развернутых молекул глобулярных белков в растворах, содержащих хаотропные денатуранты и дитиотреитол. Обнаружено, что в поверхностном слое раствора смеси миоглобина и гидрохлорида гуанидина при высокой концентрации денатуранта (более 3 М) происходит формирование прочных связей между молекулами белка, приводящих к образованию жесткой адсорбционной пленки с высокой поверхностной упругостью (более 200 мН/м). В этом случае установлены три основные стадии формирования адсорбционной пленки: быстрая адсорбция частично развернутых молекул, образование дальней области поверхностного слоя и сетки межмолекулярных связей. Подобные явления (резкое увеличение динамической поверхностной упругости в процессе адсорбции) наблюдаются и для растворов смеси лизоцима и дитиотреитола, когда между молекулами возможно образование дисульфидных связей. Для всех других изученных систем добавление денатуранта (ПАВ, хаотропный денатурант, полиэлектролит) к раствору белка приводит к уменьшению динамической поверхностной упругости, свидетельствуя об образовании более рыхлой структуры адсорбционной пленки, например в результате разрушения третичной структуры белка или вытеснения белка ПАВ с поверхности жидкости. Для растворов смеси миоглобина и додецилсульфата натрия в отличие от других систем образование петель и хвостов в поверхностном слое происходит в результате последовательного вытеснения из ближней области поверхностного слоя относительно гидрофильных и затем более гидрофобных частей молекулы, что приводит к возникновению двух интервалов резкого уменьшения поверхностной упругости, разделенных областью плато. Если анионное ПАВ полностью вытесняет белок из поверхностного слоя в области мицеллярных растворов, то комплекс катионного ПАВ с миоглобином оказывается прочнее, и белок присутствует в поверхностном слое даже при мицеллярных концентрациях ПАВ. Показано, что сильные полиэлектролиты образуют комплексы с фибриногеном, приводя к изменениям кинетических зависимостей динамической поверхностной упругости. Образование комплекса возможно даже при одноименном заряде компонентов, если персистентная длина полиэлектролита достаточно мала. Кинетика адсорбции определяется как зарядом образующихся в растворе агрегатов, так и их размером. Определены динамические свойства адсорбционных и нанесенных пленок комплексов наночастиц и белков на границе жидкость - газ. Динамическая поверхностная упругость в этом случае определяется поверхностной концентрацией комплексов наночастица/белок. Показано, что дисперсии фибрилл бета-лактоглобулина характеризуются высокой поверхностной упругостью (примерно 160 мН/м), но эта величина убывает при уменьшении размера фибрилл.