Большой практикум / 3_Электрокинетические явления
.docx
Электрокинетические явления
АННОТАЦИЯ
Работа посвящена изучению электрокинетических явлений на примере электрофорезы дрожжевых клеток. Для каждой дрожжевой клетки высчитана электрофоретическая подвижность, электрокинетический потенциал, проведена статистическая обработка результатов для каждого рН. Была проведена проверка на нормальность – распределение значений соответствует нормальному. Было показано, что при различных значения pH меняется электрофоретическая подвижность. Изоэлектрическая точка для дрожжевых клеток находится в области рН = 3, потому что при этом значении рН значительно снизилась электрофоретическая подвижность клеток.
ВВЕДЕНИЕ
Биологические объекты – сложные гетерогенные системы со множеством границ раздела. С одной стороны, отдельная клетка представляет собой коллоидную гетерогенную систему, образованную высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями. С другой стороны, ткань можно считать гетерогенной системой более высокого порядка, где дисперсная фаза и дисперсионная среда представлены соответственно клетками и окружающей их жидкостью.
Электрокинетическими явлениями называется движение фаз гетерогенной системы (дисперсной фазы и дисперсионной среды) друг относительно друга при наложении внешнего электрического поля или же возникновение разности потенциалов в системе при механическом движении фаз под действием каких-либо иных сил. Примерами являются электрофорез, электроосмос, потенциал течения и потенциал оседания.
Движение частиц под действием электрического поля называется электрофорез. На макромолекулы с суммарным зарядом q в электрическом поле с напряженностью Е действует электрическая сила: Fэ = qE. Под действием этой силы происходит ускоренное движение макромолекул. В результате такого движения возникает сопротивление вязкой среды с силой трения Fс. Через определенное время, когда силы уравновешиваются (Fэ = Fс), наступает стационарное состояние и макромолекулы движутся с постоянной скоростью. Электрофоретическая подвижность дает информацию о форме и размерах макромолекул.
Электрофорез является действенным и удобным средством анализа и разделения белков и нуклеиновых кислот. Согласно всем теориям электрофореза подвижность прямо пропорциональна отношению суммарного заряда к коэффициенту трения. Такая зависимость позволяет использовать электрофорез для получения информации об относительной величине заряда (для молекул, которые имеют одинаковые размеры и форму) или об относительных размерах (для молекул, которые имеют одинаковые заряды). Наиболее распространено применение электрофореза для разделения и качественного анализа смесей молекул, опирающееся на различия в размерах и форме отдельных компонентов.
Электрофоретическая подвижность U – отношение скорости движения частиц V к напряжению электрического поля Е:
· Скорость V выводится из отношения расстояния, пройденного клеткой (S) на время (t):
Расстояние, преодолеваемое клеткой, составляло одно узкое деление камеры Горяева, равное 0,05 мм.
Время для каждой клетки рассчитывалось индивидуально, напряжение при проведении опытов составляло 10 Вольт
Электрокинетический потенциал ξ выводится из формулы Смолуховского:
где V – скорость передвижения клеток, η – коэффициент вязкости дисперсионной среды (для воды при температуре 20 Со равна 0,001 Па*с), ε – диэлектрическая проницаемость (для воды равна 81), E – напряжение, равно 10 Вольт.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве живых клеток использовались дрожжи. Для определения скорости перемещения клеток была использована камера Горяева с покровным стеклом. Суспензии дрожжей были приготовлены в цитратном буфере pH = 8; 4,6; 3; 2,6. В ходе работы для было замерено время, за которое клетка проходит расстояние в 0,05 мм в камере Горяева; было проведено по 30 таких измерений для каждой суспензии. Далее были подсчитаны электрофоретическая подвижность и электрокинетический потенциал и проведена статистическая обработка результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Таблица 1 — параметры электрокинетических явлений для pH=8 и pH=4,6.
|
pH=8 |
pH=4,6 |
||||||
№ |
t, c |
V, м/с * 105 |
U, м2/с * 105 |
ξ, В * 105 |
t, c |
V, м/с * 105 |
U, м2/с * 105 |
ξ, В * 105 |
1 |
4,980 |
0,201 |
0,020 |
0,311 |
7,000 |
0,143 |
0,222 |
0,222 |
2 |
3,700 |
0,270 |
0,027 |
0,419 |
6,830 |
0,146 |
0,227 |
0,227 |
3 |
3,630 |
0,275 |
0,028 |
0,427 |
8,810 |
0,114 |
0,176 |
0,176 |
4 |
3,740 |
0,267 |
0,027 |
0,415 |
9,310 |
0,107 |
0,167 |
0,167 |
5 |
4,100 |
0,244 |
0,024 |
0,378 |
7,220 |
0,139 |
0,215 |
0,215 |
6 |
2,900 |
0,345 |
0,034 |
0,535 |
9,130 |
0,110 |
0,170 |
0,170 |
7 |
4,800 |
0,208 |
0,021 |
0,323 |
6,960 |
0,144 |
0,223 |
0,223 |
8 |
3,720 |
0,269 |
0,027 |
0,417 |
9,150 |
0,109 |
0,169 |
0,169 |
9 |
3,860 |
0,259 |
0,026 |
0,402 |
7,590 |
0,132 |
0,204 |
0,204 |
10 |
4,030 |
0,248 |
0,025 |
0,385 |
11,270 |
0,089 |
0,138 |
0,138 |
11 |
4,310 |
0,232 |
0,023 |
0,360 |
9,440 |
0,106 |
0,164 |
0,164 |
12 |
4,060 |
0,246 |
0,025 |
0,382 |
8,130 |
0,123 |
0,191 |
0,191 |
13 |
4,220 |
0,237 |
0,024 |
0,367 |
4,160 |
0,240 |
0,373 |
0,373 |
14 |
4,580 |
0,218 |
0,022 |
0,339 |
6,930 |
0,144 |
0,224 |
0,224 |
15 |
4,430 |
0,226 |
0,023 |
0,350 |
5,340 |
0,187 |
0,290 |
0,290 |
16 |
4,560 |
0,219 |
0,022 |
0,340 |
7,680 |
0,130 |
0,202 |
0,202 |
17 |
3,980 |
0,251 |
0,025 |
0,390 |
5,150 |
0,194 |
0,301 |
0,301 |
18 |
4,900 |
0,204 |
0,020 |
0,316 |
9,490 |
0,105 |
0,163 |
0,163 |
19 |
5,510 |
0,181 |
0,018 |
0,281 |
6,410 |
0,156 |
0,242 |
0,242 |
20 |
3,930 |
0,254 |
0,025 |
0,395 |
6,570 |
0,152 |
0,236 |
0,236 |
21 |
5,040 |
0,198 |
0,020 |
0,308 |
6,440 |
0,155 |
0,241 |
0,241 |
22 |
4,050 |
0,247 |
0,025 |
0,383 |
7,460 |
0,134 |
0,208 |
0,208 |
23 |
4,180 |
0,239 |
0,024 |
0,371 |
7,770 |
0,129 |
0,200 |
0,200 |
24 |
3,560 |
0,281 |
0,028 |
0,436 |
8,160 |
0,123 |
0,190 |
0,190 |
25 |
3,080 |
0,325 |
0,032 |
0,503 |
6,430 |
0,156 |
0,241 |
0,241 |
26 |
5,000 |
0,200 |
0,020 |
0,310 |
8,110 |
0,123 |
0,191 |
0,191 |
27 |
5,040 |
0,198 |
0,020 |
0,308 |
5,790 |
0,173 |
0,268 |
0,268 |
28 |
3,910 |
0,256 |
0,026 |
0,397 |
7,070 |
0,141 |
0,219 |
0,219 |
29 |
4,040 |
0,248 |
0,025 |
0,384 |
7,800 |
0,128 |
0,199 |
0,199 |
30 |
5,020 |
0,199 |
0,020 |
0,309 |
6,060 |
0,165 |
0,256 |
0,256 |
|
4,229 |
0,242 |
0,024 |
0,375 |
7,455 |
0,140 |
0,217 |
0,222 |
S |
0,616 |
0,037 |
0,004 |
0,057 |
1,507 |
0,031 |
0,048 |
0,227 |
σ |
0,113 |
0,007 |
0,001 |
0,010 |
0,275 |
0,006 |
0,009 |
0,176 |
Таблица 2 — параметры электрокинетических явлений для pH=3 и pH=2,6.
|
pH=3 |
pH=2,6 |
|||||||
№ |
t, c |
V, м/с * 105 |
U, м2/с * 105 |
ξ, В * 105 |
t, c |
V, м/с * 105 |
U, м2/с * 105 |
ξ, В * 105 |
|
1 |
9,150 |
0,109 |
0,011 |
0,169 |
5,670 |
0,176 |
0,018 |
0,273 |
|
2 |
11,000 |
0,091 |
0,009 |
0,141 |
3,430 |
0,292 |
0,029 |
0,452 |
|
3 |
10,000 |
0,100 |
0,010 |
0,155 |
4,020 |
0,249 |
0,025 |
0,386 |
|
4 |
9,500 |
0,105 |
0,011 |
0,163 |
5,130 |
0,195 |
0,019 |
0,302 |
|
5 |
12,080 |
0,083 |
0,008 |
0,128 |
6,580 |
0,152 |
0,015 |
0,236 |
|
6 |
11,560 |
0,087 |
0,009 |
0,134 |
6,770 |
0,148 |
0,015 |
0,229 |
|
7 |
8,490 |
0,118 |
0,012 |
0,183 |
5,890 |
0,170 |
0,017 |
0,263 |
|
8 |
11,540 |
0,087 |
0,009 |
0,134 |
4,610 |
0,217 |
0,022 |
0,336 |
|
9 |
12,050 |
0,083 |
0,008 |
0,129 |
4,110 |
0,243 |
0,024 |
0,377 |
|
10 |
10,560 |
0,095 |
0,009 |
0,147 |
5,900 |
0,169 |
0,017 |
0,263 |
|
11 |
9,310 |
0,107 |
0,011 |
0,167 |
6,660 |
0,150 |
0,015 |
0,233 |
|
12 |
11,240 |
0,089 |
0,009 |
0,138 |
5,020 |
0,199 |
0,020 |
0,309 |
|
13 |
10,300 |
0,097 |
0,010 |
0,151 |
4,920 |
0,203 |
0,020 |
0,315 |
|
14 |
12,660 |
0,079 |
0,008 |
0,122 |
4,990 |
0,200 |
0,020 |
0,311 |
|
15 |
10,060 |
0,099 |
0,010 |
0,154 |
6,090 |
0,164 |
0,016 |
0,255 |
|
16 |
11,400 |
0,088 |
0,009 |
0,136 |
3,520 |
0,284 |
0,028 |
0,441 |
|
17 |
10,100 |
0,099 |
0,010 |
0,154 |
6,710 |
0,149 |
0,015 |
0,231 |
|
18 |
9,960 |
0,100 |
0,010 |
0,156 |
5,250 |
0,190 |
0,019 |
0,295 |
|
19 |
10,300 |
0,097 |
0,010 |
0,151 |
3,320 |
0,301 |
0,030 |
0,467 |
|
20 |
12,150 |
0,082 |
0,008 |
0,128 |
4,360 |
0,229 |
0,023 |
0,356 |
|
21 |
9,070 |
0,110 |
0,011 |
0,171 |
4,880 |
0,205 |
0,020 |
0,318 |
|
22 |
11,280 |
0,089 |
0,009 |
0,137 |
6,980 |
0,143 |
0,014 |
0,222 |
|
23 |
10,210 |
0,098 |
0,010 |
0,152 |
5,050 |
0,198 |
0,020 |
0,307 |
|
24 |
11,360 |
0,088 |
0,009 |
0,136 |
5,520 |
0,181 |
0,018 |
0,281 |
|
25 |
12,790 |
0,078 |
0,008 |
0,121 |
4,210 |
0,238 |
0,024 |
0,368 |
|
26 |
10,330 |
0,097 |
0,010 |
0,150 |
6,000 |
0,167 |
0,017 |
0,258 |
|
27 |
9,720 |
0,103 |
0,010 |
0,160 |
6,550 |
0,153 |
0,015 |
0,237 |
|
28 |
8,140 |
0,123 |
0,012 |
0,190 |
5,250 |
0,190 |
0,019 |
0,295 |
|
29 |
9,610 |
0,104 |
0,010 |
0,161 |
6,490 |
0,154 |
0,015 |
0,239 |
|
30 |
11,300 |
0,088 |
0,009 |
0,137 |
4,240 |
0,236 |
0,024 |
0,366 |
|
|
9,150 |
0,096 |
0,010 |
0,149 |
5,271 |
0,198 |
0,020 |
0,307 |
|
S |
11,000 |
0,011 |
0,001 |
0,017 |
1,072 |
0,044 |
0,004 |
0,069 |
|
σ |
10,000 |
0,002 |
0,000 |
0,003 |
0,196 |
0,008 |
0,001 |
0,013 |
|
Рисунок 1 — Гистограмма распределения клеток по электрофоретической подвижности для рН = 8
Рисунок 2 — Гистограмма распределения клеток по электрофоретической подвижности для рН = 4,6
Рисунок 3 — Гистограмма распределения клеток по электрофоретической подвижности для рН = 3
Рисунок 4 — Гистограмма распределения клеток по электрофоретической подвижности для рН = 2,6
Рисунок 5 — Зависимость электрофоретической подвижности от рН
ВЫВОДЫ
Электрокинетический потенциал дрожжевых клеток при сдвиге рН изменяется нелинейно: на промежутке рН от 2,6 до 3 величина потенциала падает, а на промежутке от 3 до 8 - возрастает. Исходя из этого можно сделать вывод, что изоэлектрическая точка для дрожжевых клеток находится в области рН = 3.
При уменьшении рН клетки наблюдалась гибель клеток, поэтому растворы для различных рН заливались в кювету дважды.
Была проведена проверка на нормальность – распределение значений соответствует нормальному.
Наибольшая активность дрожжей наблюдается при рН = 8.