Opis
W organizmach zarówno roślin, zwierząt, jak i ludzi występują miliardy białek, które są biopolimerami. Pełnią one funkcje związane z podtrzymywaniem i regulacją procesów życiowych oraz stanowią materiał budulcowy struktur komórkowych i tkanek.
Biopolimery są materiałami odnawialnymi, biodegradowalnymi, co ma duże znaczenie w ekosystemie. Mają szeroki wachlarz zastosowań od przemysłu spożywczego, tekstylnego aż do medycyny i kosmetyki włącznie. O znaczeniu biopolimerów i konieczności poznania ich roli w życiu człowieka i ich przemianach w przyrodzie świadczy ogromna liczba badań, których wyniki są opublikowane w licznych publikacjach. O ważności tych badań dla ludzkości świadczy m.in. uhonorowanie licznych naukowców zajmujących się biopolimerami Nagrodą Nobla.
Książka prezentuje wybrane zagadnienia, szczególnie ważne dla tematyki biopolimerów. Są one opracowane systematycznie w możliwie najprzystępniejszy sposób. Rysunki i tabele uzupełniają treść i warto je dokładnie przeanalizować. Dużo znamiennych terminów, z różnych dziedzin, m. in. z chemii, biologii i medycyny ma objaśnienie znaczenia umieszczone na aplach. Szczególną uwagę Autor poświecił badaniom eksperymentalnym biopolimerów i wskazówkom do przeprowadzania ćwiczeń laboratoryjnych z tego zakresu. Każdy rozdział kończy się spisem literatury, który umożliwi zainteresowanemu czytelnikowi rozszerzenie wiedzy w oparciu o oryginalne źródło.
Tematyka zawarta w obu tomach publikacji Biopolimery dotyczy materiałów syntezowanych przez organizmy żywe a zatem odnawialnych, co ma niebagatelne znaczenie dla ekosystemu. Materiały te są znane i stosowane przez ludzkość od setek lat. Jednakże poznanie struktury i niektórych wysublimowanych zastosowań biopolimerów jest dziełem naukowców głównie XX i XXI wieku. Autorowi udało się przedstawić olbrzymi zasób wiedzy w sposób czytelny, unikając wielu zawiłości i wzorów matematycznych. Liczne wzory chemiczne są wizualnie przejrzyste, a mikrofotografie obiektów badań uzyskane za pomocą technik pozwalają wniknąć w głąb materii.
Prof. dr hab. Danuta Żuchowska
Spis treści
1. Różne zagadnienia związane z badaniami polimerów / 1
1.1. Biopolimery a polimery syntetyczne / 1
1.1.1. Czym są biopolimery / 1
1.1.2. Podstawowe różnice między polimerami a biopolimerami / 2
1.1.3. Metodyka badań biopolimerów / 9
1.2. Wiązania chemiczne w biopolimerach / 10
1.2.1. Siły van der Waalsa / 13
1.2.2. Wiązania wodorowe / 15
1.2.3. Rola wiązania wodorowego w biopolimerach / 18
1.2.4. Oddziaływania donorowo-akceptorowe (koordynacyjne) / 21
1.2.5. Oddziaływania stackingowe / 21
1.2.6. Oddziaływania jonowe / 22
1.2.7. Oddziaływania jon–dipol / 22
1.2.8. Transport elektronów w układach biologicznych / 23
1.3. Konformacje strukturalne / 25
1.3.1. Konformacja chiralna / 25
1.3.2. Konformacja helikalna (spiralna) / 28
1.4. Woda w strukturach biopolimerów / 28
1.4.1. Struktura fizyczna wody / 28
1.4.2. Oddziaływanie wody z biopolimerami / 31
1.4.3. Otoczka hydratacyjna / 34
1.4.4. Wiązanie wody przez peptydy / 35
1.4.5. Oddziaływania hydrofilowe / 36
1.4.6. Oddziaływania hydrofobowe / 36
1.5. Oddziaływanie międzycząsteczkowe w roztworach / 38
1.5.1. Rozpuszczanie biopolimerów / 38
1.5.2. Roztwory i jednostki stężeń / 41
1.5.3. Termodynamiczne podstawy przebiegu reakcji biochemicznych / 44
1.5.4. Makrocząsteczka w roztworze / 45
1.5.5. Proces pęcznienia / 46
1.5.6. Kompleksy międzycząsteczkowe / 49
1.5.7. Asocjacja, aglomeracja i agregacja białek / 50
1.5.8. Agregacje makrocząsteczek / 52
1.5.9. Surfaktanty (detergenty) – środki pomocnicze / 53
1.5.10. Błony komórkowe / 55
1.5.11. Biokoloidy / 62
1.5.12. Micele / 62
1.5.13. Pęcherzyki – micele wielowarstwowe / 65
1.6. Wilgoć / 66
1.6.1. Wilgotność względna i bezwzględna / 66
1.6.2. Właściwości higroskopijne biopolimerów / 68
1.7. Ekstrakcja / 69
1.8. Suszenie biopolimerów / 73
1.8.1. Metody suszenia / 73
1.8.2. Sita molekularne / 76
1.9. Przygotowywanie próbek do badań / 77
1.9.1. Oczyszczanie białek / 79
1.9.2. Wysalanie białek / 80
1.9.3. Denaturacja białek / 81
1.10. Procesy oksydacyjne biopolimerów / 84
1.10.1. Reakcje wolnych rodników z biopolimerami / 84
1.10.2. Nadtlenek wodoru / 90
1.10.3. Wychwyt rodnika tlenku azotu (.NO) / 93
1.10.4. Stres oksydacyjny / 94
1.10.5. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem molekularnym / 95
1.10.6. Mechanizmy działania antyutleniaczy / 98
1.10.7. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem singletowym / 104
1.10.8. Degradacja oksydacyjna biopolimerów tlenem atomowym / 106
1.10.9. Degradacja oksydacyjna biopolimerów ozonem / 107
1.11. Homeostaza / 109
1.12. Modyfikacja fizyczna i chemiczna biopolimerów – zagadnienia ogólne / 110
1.13. Niebezpieczne preparaty w badaniach z biopolimerami / 111
Literatura / 115
2. Chromatograficzne metody separacji i wydzielania biopolimerów / 125
2.1. Techniki separacyjne – chromatografia / 125
2.2. Podstawy chromatografii / 126
2.3. Chromatografia cienkowarstwowa / 129
2.4. Chromatografia powinowactwa / 134
2.5. Kolumnowa chromatografia cieczowa / 138
2.6. Klasyczna chromatografia HPLC / 142
2.7. Polimerowe adsorbenty porowate / 148
2.8. Metody rozwijania chromatogramu / 150
2.9. Chromatografia jonowymienna / 152
2.9.1. Jonity organiczne / 152
2.9.2. Wymiana jonowa na kolumnie / 157
2.9.3. Oznaczanie pojemności wymiennej / 161
2.9.4. Oznaczanie pęcznienia jonitów / 162
2.10. Chromatografia sitowa (wykluczenia) / 162
2.11. Chromatografia gazowa / 167
2.12. Wybór techniki chromatograficznej / 172
Literatura / 173
3. Elektroforetyczne metody separacji i wydzielania biopolimerów / 177
3.1. Podstawy praktyczne elektroforezy / 177
3.2. Elektroforeza bibułowa / 178
3.3. Elektroforeza żelowa / 181
3.3.1. Nośniki żelowe / 183
3.4. Rozdział elektroforetyczny białek / 185
3.5. Oznaczanie elektroforetyczne rodzaju białek w materiale biologicznym metodą Western blot / 187
3.6. Pozostałe metody elektroforetyczne / 190
3.7. Elektroforeza kapilarna / 192
3.8. Elektroforeza swobodna z przepływem elektrodynamicznym / 194
3.9. Przygotowywanie próbek do elektroforezy / 195
3.10. Wyznaczanie względnej masy cząsteczkowej białka za pomocą elektroferezy / 197
3.11. Elektroforetyczny rozdział białek i kwasów nukleinowych / 198
3.12. Test immunoenzymatyczny ELISA / 200
3.13. Znakowanie immunologiczne rozdzielonych białek / 205
Literatura / 207
4. Fizykochemiczne metody identyfikacji struktury biopolimerów / 209
4.1. Wyznaczanie mas molowych metodami sedymentacyjnymi / 209
4.1.1. Wyznaczanie mas molowych za pomocą pomiarów sedymentacyjnych / 209
4.1.2. Wyznaczanie mas molowych metodą pomiaru szybkości sedymentacji / 211
4.1.3. Aparatura do ultrawirowania / 212
4.1.4. Współczynnik sedymentacji / 215
4.1.5. Współczynnik dyfuzji / 216
4.1.6. Pomiar współczynnika dyfuzji / 218
4.1.7. Wyznaczanie mas cząsteczkowych metodą pomiaru równowagi sedymentacyjnej / 220
4.1.8. Wyznaczanie mas cząsteczkowych metodą pomiaru sedymentacji w gradiencie gęstości / 221
4.2. Wyznaczanie mas molowych metodą spektrometrii mas / 222
4.2.1. Mechanizm jonizacji / 222
4.2.2. Pomiar widm masowych / 224
4.3. Metody spektroskopowe badania biopolimerów / 232
4.3.1. Spektrometria absorpcyjna w zakresie widzialnym / 232
4.3.2. Widma elektronowe / 236
4.3.3. Podstawowe prawa spektroskopii UV/VIS / 237
4.3.4. Aparatura do pomiarów widm absorpcyjnych / 245
4.3.5. Spektroskopia absorpcyjna aminokwasów i białek / 247
4.3.6. Spektroskopia absorpcyjna kwasów nukleinowych / 248
4.4. Spektrofotometria emisyjna fluorescencji / 249
4.4.1. Podstawy spektroskopii emisyjnej / 249
4.4.2. Wygaszanie fluorescencji / 250
4.4.3. Bezpromieniste przeniesienie energii wzbudzenia / 252
4.4.4. Aparatura do pomiarów widm fluorescencji / 254
4.4.5. Spektroskopia emisyjna aminokwasów, białek i kwasów nukleinowych / 257
4.4.6. Znakowanie biopolimerów do badań spektroskopowych / 259
4.4.7. Zielona fluorescencja / 268
4.4.8. Widma emisyjne fluorescencji chlorofilu / 269
4.4.9. Efekt Kautsky’ego / 270
4.4.10. Fluorescencyjne badanie rozwijania i zwijania białek / 270
4.4.11. Metody badania szybkich reakcji w analizie przepływowej / 272
4.5. Zastosowanie dichroizmu w badaniach biopolimerów / 273
4.5.1. Dichroizm kołowy w badaniu struktury konformacyjnej białek / 274
4.6. Metody optyczne badania biopolimerów / 277
4.6.1. Dwójłomność / 277
4.6.2. Skręcalność optyczna / 279
4.6.2.1. Dyspersja skręcalności optycznej / 280
4.6.3. Metoda dynamicznego rozpraszania światła / 282
4.6.4. Małokątowe rozpraszanie światła (SALS) / 286
4.7. Spektrometria w podczerwieni (IR) / 287
4.7.1. Widma oscylacyjno-rotacyjne biopolimerów / 287
4.7.2. Pomiar widm absorpcyjnych w podczerwieni (IR) / 288
4.7.3. Przygotowywanie próbek biopolimerów do badań widm IR / 291
4.7.4. Widma spektrofotometrii wewnętrznego odbicia promieniowania IR / 294
4.7.5. Widma spektrofotometrii odbicia dyfuzyjnego / 297
4.7.6. Spektroskopia IR wiązania wodorowego / 303
4.7.7. Zastosowanie spektroskopii IR do badania deuterowanych biopolimerów / 304
4.7.8. Spektrofotometria absorpcyjna IR w świetle spolaryzowanym / 304
4.7.9. Spektroskopia IR w bliskiej podczerwieni / 306
4.7.10. Analiza i zastosowania widm IR w badaniach biopolimerów / 307
4.8. Badanie struktur polimerowych metodami spektroskopii Ramana / 308
4.8.1. Podstawy spektroskopii Ramana / 308
4.8.2. Pomiar widm Ramana / 309
4.8.3. Badanie biopolimerów za pomocą spektroskopii Ramana / 311
4.9. Badanie struktur polimerowych metodami magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) / 312
4.9.1. Podstawy spektroskopii NMR / 312
4.9.2. Pomiar widm NMR biopolimerów / 317
4.9.3. Przesunięcie chemiczne / 321
4.9.4. Interpretacja widm NMR białek / 324
4.9.5. Spektroskopia 13C NMR białek / 325
4.9.6. Spektroskopia NMR w fazie stałej / 327
4.9.7. Dwuwymiarowa spektroskopia 2D-NMR / 327
4.9.8. Metoda chemicznie indukowanej dynamicznej polaryzacji jąder / 330
4.10. Spektroskopia elektronowego rezonansu jądrowego (EPR) w badaniach rodników / 330
4.10.1. Podstawy rezonansu jądrowego / 330
4.10.2. Pomiar rezonansu jądrowego / 333
4.10.3. Znakowanie spinowe / 338
4.10.4. Badanie rozwijania i zwijania białek za pomocą znaczników spinowych / 340
4.11. Krystalizacja peptydów i białek / 341
4.11.1. Podstawy krystalizacji / 341
4.11.2. Krystalizacja polipeptydów i białek / 342
4.11.3. Zagadnienia analizy krystalograficznej / 349
4.12. Metody rentgenograficzne badania morfologii biopolimerów / 350
4.12.1. Podstawy spektrometrii rentgenowskiej / 350
4.12.2. Analiza rentgenograficzna metodami WAXS i SAXS / 353
4.12.3. Bazy danych krystalograficznych / 360
4.13. Metody mikroskopowe / 364
4.13.1. Transmisyjna mikroskopia elektronowa / 366
4.13.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa / 371
4.13.3. Skaningowa mikroskopia sił atomowych / 374
4.13.4. Badanie mechanicznego rozwijania białka metodą AFM / 377
Literatura / 380
Skorowidz / 395
Dorobek naukowy prof. Jana F. Rabka / 409
Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie