Адсорбция белков

Адсорбция (не путать с абсорбцией ) - это накопление и адгезия молекул, атомов, ионов или более крупных частиц к поверхности, но без проникновения через поверхность. Адсорбция более крупных биомолекул, таких как белки, имеет большое физиологическое значение, и поэтому они адсорбируются с помощью других механизмов, чем их молекулярные или атомные аналоги. Некоторые из основных движущих сил адсорбции белка включают: поверхностную энергию, межмолекулярные силы, гидрофобность и ионное или электростатическое взаимодействие. Зная, как эти факторы влияют на адсорбцию белка, ими можно управлять с помощью механической обработки, легирования и других инженерных методов, чтобы выбрать наиболее оптимальную производительность в биомедицинских или физиологических приложениях.

Актуальность [ править ]

Многие медицинские устройства и изделия контактируют с внутренними поверхностями тела, такими как хирургические инструменты и имплантаты. Когда чужеродный материал попадает в организм, происходит первая стадия иммунного ответа, и внеклеточный матрикс хозяина и белки плазмы объединяются с материалом в попытках сдержать, нейтрализовать или изолировать повреждающий агент. ^[1] Эти белки могут способствовать прикреплению различных типов клеток, таких как остеобласты и фибробласты, которые могут способствовать восстановлению тканей. ^[2] Сделав шаг вперед, имплантируемые устройства могут быть покрыты биоактивным веществом.материал для стимулирования адсорбции определенных белков, образования фиброзных капсул и заживления ран. Это снизит риск отторжения имплантата и ускорит восстановление за счет выбора необходимых белков и клеток, необходимых для эндотелиализации. После образования эндотелия организм больше не будет подвергаться воздействию инородного материала и остановит иммунный ответ.

Белки, такие как коллаген или фибрин, часто служат каркасом для клеточной адгезии и роста клеток. Это неотъемлемая часть структурной целостности клеточных пластов и их дифференциации в более сложные структуры тканей и органов. Адгезионные свойства белков к небиологическим поверхностям сильно влияют на то, могут ли клетки косвенно прикрепляться к ним через каркасы. Имплант, такой как замена тазобедренного стержня, требует интеграции с тканями хозяина, и адсорбция белка способствует этой интеграции.

Хирургические инструменты могут быть сконструированы так, чтобы их было легче стерилизовать, чтобы белки не оставались адсорбированными на поверхности, что может привести к перекрестному загрязнению. Некоторые заболевания, такие как болезнь Крейтцфельдта-Якоба и куру (оба связаны с коровьим бешенством ), вызваны передачей прионов , которые представляют собой ошибочные или неправильно свернутые формы обычно нативного белка. Хирургические инструменты, загрязненные прионами, требуют специального метода стерилизации для полного уничтожения всех микроэлементов неправильно свернутого белка, поскольку они устойчивы ко многим из обычно используемых методов очистки.

Однако в некоторых случаях адсорбция белка на биоматериалах может быть крайне неблагоприятным событием. Адгезия факторов свертывания крови может вызвать тромбоз , что может привести к инсульту или другим засорам. ^[3] Некоторые устройства предназначены для взаимодействия с внутренней средой тела, например, сенсоры или средства доставки лекарств, и адсорбция белка может снизить их эффективность.

Основы адсорбции белка [ править ]

Белки - это биомолекулы, состоящие из аминокислотных субъединиц. Каждая аминокислота имеет боковую цепь, которая получает или теряет заряд в зависимости от pH окружающей среды, а также от ее собственных индивидуальных полярных / неполярных качеств. ^[4]

Заряженные области могут в значительной степени способствовать тому, как этот белок взаимодействует с другими молекулами и поверхностями, а также его собственной третичной структурой (сворачиванием белка). В результате своей гидрофильности заряженные аминокислоты обычно располагаются вне белков, где они могут взаимодействовать с поверхностями. ^[5] Это уникальное сочетание аминокислот, которое придает белку его свойства. С точки зрения химии поверхности , адсорбция белкаэто критическое явление, которое описывает агрегацию этих молекул на внешней стороне материала. Тенденция белков оставаться прикрепленными к поверхности во многом зависит от свойств материала, таких как поверхностная энергия, текстура и относительное распределение заряда. Более крупные белки с большей вероятностью адсорбируются и остаются прикрепленными к поверхности из-за большего количества участков контакта между аминокислотами и поверхностью (рис. 1).

Энергия адсорбции белка [ править ]

Фундаментальная идея спонтанной адсорбции белка заключается в том, что адсорбция происходит, когда выделяется больше энергии, чем получается в соответствии с законом Гиббса о свободной энергии.

Это видно в уравнении:

${\ displaystyle \ Delta _ {ads} G = \ Delta _ {ads} H- {T} \ Delta _ {ads} S <0}$

где:

• ∆ _ads - чистое изменение параметров
• G - свободная энергия Гиббса
• T - температура (единица СИ: кельвин )
• S - энтропия (единица СИ: джоуль на кельвин)
• H - энтальпия (единица СИ: джоуль)

Для того , чтобы адсорбции белка возникает спонтанно, А _{объявления} G должен быть отрицательным числом.

Эффект Вромана [ править ]

Белки и другие молекулы постоянно конкурируют друг с другом за участки связывания на поверхности. Эффект Вромана, разработанный Лео Вроманом, предполагает, что маленькие и многочисленные молекулы будут первыми, кто покроет поверхность. Однако со временем молекулы с более высоким сродством к этой конкретной поверхности заменят их. Это часто наблюдается в материалах, которые контактируют с кровью, где фибрин, которого обычно много, сначала связывается с поверхностью и со временем заменяется более крупными белками. ^[6]

Скорость адсорбции [ править ]

Чтобы белки адсорбировались, они должны сначала войти в контакт с поверхностью через один или несколько из этих основных транспортных механизмов: диффузия , тепловая конвекция , объемный поток или их комбинация. При рассмотрении транспорта белков ясно, как градиенты концентрации, температура, размер белка и скорость потока будут влиять на прибытие белков на твердую поверхность. В условиях низкого расхода и минимальных температурных градиентов скорость адсорбции может быть смоделирована по уравнению скорости диффузии. ^[5]

Уравнение скорости диффузии [ править ]

${\ Displaystyle {dn \ over dt} = C_ {o} ({D \ over \ pi t}) ^ {1/2}}$

где:

• D - коэффициент диффузии
• n - поверхностная концентрация белка
• Co - объемная концентрация белков
• т время

Более высокая объемная концентрация и / или более высокий коэффициент диффузии (обратно пропорциональный размеру молекулы) приводит к большему количеству молекул, прибывающих на поверхность. Последующие взаимодействия с белками на поверхности приводят к высоким локальным концентрациям адсорбированного белка, достигающим концентрации до 1000 раз выше, чем в основном растворе. ^[5] Однако тело намного сложнее, оно содержит поток и конвективную диффузию, и это необходимо учитывать при оценке скорости адсорбции белка.

Течение в тонком канале [ править ]

${\ Displaystyle {\ partial C \ over \ partial t} + V (y) {\ partial C \ over \ partial x} = D {\ partial ^ {2} C \ over \ partial y ^ {2}}}$

а также

${\displaystyle {V(y)=\gamma y(1-{y \over b})}}$

где:

• C - концентрация
• D - коэффициент диффузии
• V - скорость потока
• x - расстояние по каналу
• γ - скорость сдвига стенки
• b - высота канала

Это уравнение ^[5] особенно применимо для анализа адсорбции белка биомедицинскими устройствами в артериях, например стентами .

Силы и взаимодействия, влияющие на адсорбцию белка [ править ]

Четыре основных класса сил и взаимодействия при адсорбции белка: 1) ионное или электростатическое взаимодействие, 2) водородная связь , 3) гидрофобное взаимодействие (в основном энтропийное) и 4) взаимодействия с переносом заряда или типа донора / акцептора электронов частиц. . ^[7]

Ионные или электростатические взаимодействия [ править ]

Заряд белков определяется pKa его боковых аминокислотных цепей, а также конечной аминокислоты и карбоновой кислоты. Белки с изоэлектрической точкой (pI) выше физиологических условий имеют положительный заряд, а белки с pI ниже физиологических условий имеют отрицательный заряд. Чистый заряд белка, определяемый суммарным зарядом его составляющих, приводит к электрофоретической миграции в физиологическом электрическом поле. Эти эффекты кратковременны из-за высокой диэлектрической постоянной воды, однако, как только белок приближается к заряженной поверхности, электростатическая связь становится доминирующей силой. ^[8]

Водородная связь [ править ]

Вода имеет такую ​​же склонность к образованию водородных связей, как и любая группа в полипептиде . Во время процесса сворачивания и ассоциации пептидные и аминокислотные группы обмениваются водородными связями с водой. Таким образом, водородная связь не оказывает сильного стабилизирующего действия на адсорбцию белка в водной среде. ^[9]

• Иллюстрация двух молекул воды, взаимодействующих с образованием водородной связи

Гидрофобные взаимодействия [ править ]

Гидрофобные взаимодействия по существу являются энтропийными взаимодействиями, в основном из-за явлений порядка / беспорядка в водной среде. Свободная энергия, связанная с минимизацией межфазных поверхностей, отвечает за минимизацию площади поверхности водяных капель и пузырьков воздуха в воде. Этот же принцип является причиной того, что боковые цепи гидрофобных аминокислот ориентированы от воды, что сводит к минимуму их взаимодействие с водой. гидрофильныйгруппы на внешней стороне молекулы приводят к растворимости белка в воде. Охарактеризовать это явление можно, рассматривая эти гидрофобные отношения с концепциями межфазной свободной энергии. Соответственно, можно рассматривать движущую силу этих взаимодействий как минимизацию полной межфазной свободной энергии, то есть минимизацию площади поверхности. ^[10]

Взаимодействие с переносом заряда [ править ]

Взаимодействия с переносом заряда также важны для стабилизации белков и поверхностного взаимодействия. В общих донорно-акцепторных процессах можно думать о наличии избыточной электронной плотности, которая может быть передана электрофильным частицам. В водных средах эти взаимодействия растворенных веществ в первую очередь обусловлены эффектами пи-орбитальных электронов. ^[11]

Другие факторы, влияющие на адсорбцию белка [ править ]

Температура [ править ]

Температура влияет как на состояние равновесия, так и на кинетику адсорбции белка. Количество белка, адсорбированного при высокой температуре, обычно выше, чем при комнатной температуре. Изменение температуры вызывает конформационные изменения в белке, влияющие на адсорбцию. Эти конформационные перестройки в белках приводят к увеличению энтропии, которое действует как основная движущая сила для адсорбции белка. Влияние температуры на адсорбцию белка можно увидеть в процессах производства пищевых продуктов, особенно жидких пищевых продуктов, таких как молоко, которое вызывает сильное загрязнение поверхностей стенок оборудования, где проводится термическая обработка. ^{[12] [13]}

Ионная сила [ править ]

Ионная сила определяет длину Дебая, которая коррелирует с расстоянием затухания электрического потенциала фиксированного заряда в электролите. Таким образом, чем выше ионная сила, тем короче электростатические взаимодействия между заряженными объектами. В результате адсорбция заряженных белков на противоположно заряженных субстратах затрудняется, тогда как адсорбция на одинаково заряженных субстратах усиливается, тем самым влияя на кинетику адсорбции. Кроме того, высокая ионная сила увеличивает склонность белков к агрегации. ^[12]

Мультибелковая система [ править ]

Когда поверхность подвергается воздействию мультибелкового раствора, адсорбция одних белковых молекул предпочтительнее, чем других. Молекулы белка, приближающиеся к поверхности, конкурируют за сайты связывания. В мультибелковой системе может происходить притяжение между молекулами, тогда как в однобелковых растворах преобладают межмолекулярные отталкивающие взаимодействия. Кроме того, происходит зависящее от времени распространение белка, когда молекулы белка первоначально контактируют с минимальными участками связывания на поверхности. С увеличением времени пребывания белка на поверхности белок может разворачиваться для взаимодействия с дополнительными сайтами связывания. Это приводит к зависящему от времени увеличению точек контакта между белком и поверхностью. Это дополнительно снижает вероятность десорбции . ^[5]

Экспериментальные подходы к изучению адсорбции белков [ править ]

Техника истощения раствора [ править ]

Этот метод измеряет изменение концентрации белков в объеме раствора до и после адсорбции , Δc _p . Любое изменение концентрации белка приписывается адсорбированному слою Γ _p .

Γ _p = Δc _p V / A _tot

где:

• V = общий объем белкового раствора
• A _tot = Общая площадь, доступная для адсорбции

Для этого метода также требуется материал с большой площадью поверхности, такой как адсорбенты в виде частиц и шариков. ^[14]

Эллипсометрия [ править ]

Эллипсометрия широко используется для измерения кинетики адсорбции белка, а также структуры адсорбированного белкового слоя. Это оптический метод, который измеряет изменение поляризации света после отражения от поверхности. Этот метод требует плоских отражающих поверхностей, предпочтительно кварца, кремния или кремнезема, и сильного изменения показателя преломления при адсорбции белка. ^[12]

Атомно-силовая микроскопия [ править ]

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) - это мощный метод микроскопии , используемый для исследования образцов в наномасштабе и часто используемый для изображения распределения белков на поверхности. Он состоит из кантилевера с наконечником для сканирования поверхности. Это ценный инструмент для измерения взаимодействия белок-белок и белок-поверхность. Однако ограничивающим фактором многих исследований АСМ является то, что визуализация часто выполняется после высыхания поверхности, что может повлиять на сворачивание белка и структуру белкового слоя. Более того, кончик кантилевера может вытеснять белок или гофрировать белковый слой. ^{[12] [15]}

Поверхностный плазмонный резонанс [ править ]

Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) широко используется для измерения адсорбции белка с высокой чувствительностью. Этот метод основан на возбуждении поверхностных плазмонов, продольных электромагнитных волн, возникающих на границе раздела металлов и диэлектриков. Осаждение на проводящую поверхность молекул и тонких слоев в пределах 200 нм изменяет диэлектрические свойства системы и, следовательно, отклик ППР, сигнализируя о присутствии молекул на металлической поверхности. ^[16]

Кварцевые микровесы [ править ]

Кварцевые микровесы (QCM) - это акустический датчик, построенный вокруг кварцевого кристалла в форме диска . Он использует обратный пьезоэлектрический эффект. QCM и расширенные версии, такие как QCM-D , широко используются для исследований адсорбции белка, особенно для мониторинга в реальном времени адсорбции белка без меток. В дополнение к исследованиям адсорбции QCM-D также предоставляет информацию о модулях упругости, вязкости и конформационных изменениях ^[17]

Оптическая волноводная световая спектроскопия [ править ]

Оптическая волноводная световая спектроскопия (OWLS) - это устройство, основанное на тонкопленочном оптическом волноводе, содержащем дискретное количество направленных электромагнитных волн. Наведение осуществляется с помощью решетчатой ​​муфты. Он основан на измерениях эффективного показателя преломления тонкопленочного слоя над волноводом. Этот метод работает только на очень прозрачных поверхностях. ^[17]

Другие методы, широко используемые для измерения количества белка, адсорбированного на поверхностях, включают радиоактивное мечение, анализ Лоури , угловую рефлектометрию, флуоресценцию полного внутреннего отражения , анализ бицинхониновой кислоты и т. Д.

Адсорбция белков на металлах [ править ]

Химический состав [ править ]

Металлическая связь относится к определенной связи между положительными ионами металлов и окружающими облаками валентных электронов. ^[18] Эта межмолекулярная сила относительно велика и приводит к повторяющейся кристаллической ориентации атомов, также называемой его системой решетки . Есть несколько типов общих решетчатых образований, и каждый имеет свою уникальную плотность упаковки и атомную близость. Отрицательно заряженные электронные облака ионов металлов будут стерически препятствовать адгезии отрицательно заряженных областей белка из-за отталкивания зарядов , тем самым ограничивая доступные места связывания белка с поверхностью металла.

Формирование решетки может привести к соединению с открытыми потенциальными сайтами адгезии, зависящими от ионов металлов (MIDAS), которые являются сайтами связывания коллагена и других белков. ^[19] Поверхность металла имеет свойства, отличные от основной, поскольку нормальные кристаллические повторяющиеся субъединицы оканчиваются на поверхности. Это оставляет поверхностные атомы без соседнего атома с одной стороны, что по своей сути изменяет распределение электронов. Это явление также объясняет, почему поверхностные атомы имеют более высокую энергию, чем объемные, часто называемую просто поверхностной энергией . Это состояние с более высокой энергией неблагоприятно, и поверхностные атомы будут пытаться уменьшить ее, связываясь с доступными реактивными молекулами. ^[20]

Это часто достигается за счет адсорбции белка, когда поверхностные атомы восстанавливаются до более выгодного энергетического состояния.

Внутренняя среда тела часто моделируется как водная среда при 37 ° C и pH 7,3 с большим количеством растворенного кислорода, электролитов, белков и клеток. ^[5] При длительном воздействии кислорода многие металлы могут окисляться и повышать степень окисления поверхности за счет потери электронов. ^[21] Этот новый катионныйСостояние оставляет поверхность с чистым положительным зарядом и более высоким сродством к отрицательно заряженным боковым группам белка. Среди огромного разнообразия металлов и металлических сплавов многие из них подвержены коррозии при имплантации в тело. Элементы, которые являются более электроотрицательными, корродируют быстрее при воздействии водной среды, богатой электролитом, такой как человеческое тело. ^[22] Как окисление, так и коррозия снизят свободную энергию, тем самым влияя на адсорбцию белка, как показано в уравнении. 1. ^[23]

Эффекты топографии [ править ]

Шероховатость и текстура поверхности оказывают неоспоримое влияние на адсорбцию белка на всех материалах, но с учетом повсеместного распространения процессов обработки металлов полезно рассмотреть, как они влияют на поведение белков. Важна начальная адсорбция, а также поддержание адгезии и целостности. Исследования показали, что шероховатость поверхности может способствовать адгезии белков каркаса и остеобластов и приводит к увеличению минерализации поверхности. ^[24] Поверхности с большим количеством топографических особенностей и шероховатостью будут иметь большую открытую поверхность для взаимодействия белков. ^[5] С точки зрения приложений биомедицинской инженерии, микромеханическая обработкаметоды часто используются для увеличения адгезии белков к имплантатам в надежде сократить время восстановления. Техника лазерного рисунка создает бороздки и шероховатость поверхности, которые влияют на адгезию, миграцию и выравнивание. Пескоструйная обработка, метод, аналогичный пескоструйной очистке, и химическое травление оказались успешными методами придания шероховатости поверхности, которые способствуют долговременной стабильности титановых имплантатов. ^[25] Повышение стабильности является прямым результатом наблюдаемого увеличения внеклеточного матрикса и прикрепления коллагена, что приводит к усилению прикрепления и минерализации остеобластов по сравнению с негрубыми поверхностями. ^{[26] Однако} адсорбция не всегда желательна. Адсорбция может отрицательно повлиять на оборудование, особенно сАдсорбция белка в пищевой промышленности .

Адсорбция белков полимерами ^[27] [ править ]

Полимеры имеют большое значение при рассмотрении адсорбции белка в биомедицине. Полимеры состоят из одного или нескольких типов «меров», повторно связанных вместе, обычно направленными ковалентными связями. Поскольку цепь растет за счет добавления мер, химические и физические свойства материала диктуются молекулярной структурой мономера. Путем тщательного выбора типа или типов мер в полимере и процесса его производства химические и физические свойства полимера могут быть адаптированы для адсорбции определенных белков и клеток для конкретного применения.

Эффекты конформации [ править ]

Адсорбция белков часто приводит к значительным конформационным изменениям, которые относятся к изменениям вторичных , третичных и четвертичных структур белков. В дополнение к скорости и количеству адсорбции решающее значение имеют ориентация и конформация. Эти конформационные изменения могут влиять на взаимодействие белка с лигандами , субстратами и антигенами, которые зависят от ориентации интересующего сайта связывания. Эти конформационные изменения в результате адсорбции белка также могут денатурировать белок и изменить его нативные свойства.

Адсорбция на полимерных каркасах [ править ]

Тканевая инженерия - относительно новая область, в которой каркас используется в качестве платформы, на которой пролиферируют желаемые клетки. Неясно, что определяет идеальный каркас для определенного типа ткани. Соображения сложны, и адсорбция белка только усложняет задачу. Хотя архитектура, структурная механика и свойства поверхности играют ключевую роль, понимание деградации и скорости адсорбции белка также имеет ключевое значение. В дополнение к основам механики и геометрии подходящая конструкция каркаса будет обладать свойствами поверхности, которые оптимизированы для прикрепления и миграции типов клеток, представляющих особый интерес.

Как правило, было обнаружено, что каркасы, которые очень похожи на естественную среду конструируемой ткани, являются наиболее успешными. В результате было проведено много исследований по изучению природных полимеров, которые можно адаптировать с помощью методологии обработки к конкретным критериям проектирования. Хитозан в настоящее время является одним из наиболее широко используемых полимеров, поскольку он очень похож на встречающийся в природе гликозаминогликан (ГАГ) и разлагается ферментами человека . ^[28]

Хитозан [ править ]

Хитозан представляет собой линейный полисахарид, содержащий связанные остатки на основе хитина, и широко изучается как биоматериал из-за его высокой совместимости с многочисленными белками в организме. Хитозан является катионным и поэтому электростатически реагирует с многочисленными протеогликанами , анионными ГАГ и другими молекулами, обладающими отрицательным зарядом. Поскольку многие цитокины и факторы роста связаны с GAG, каркасы с комплексами хитозан-GAG способны удерживать эти белки, секретируемые прикрепленными клетками. Еще одно качество хитозана, которое придает ему хороший потенциал биоматериала, - это его высокая плотность заряда в растворах. Это позволяет хитозану образовывать ионные комплексы со многими водорастворимыми анионными полимерами, расширяя диапазон белков, которые могут связываться с ним, и тем самым расширяя его возможные применения.^[29]

Прогноз адсорбции белка [ править ]

Адсорбция белка имеет решающее значение для многих промышленных и биомедицинских приложений. Точный прогноз адсорбции белка позволит добиться прогресса в этих областях.

База данных биомолекулярной адсорбции [ править ]

База данных биомолекулярной адсорбции (BAD) - это свободно доступная онлайн-база данных с экспериментальными данными адсорбции белка, собранными из литературы. База данных может использоваться для выбора материалов для изготовления микрожидкостных устройств и для выбора оптимальных условий эксплуатации устройств типа « лаборатория на кристалле» . Количество белка, адсорбированного на поверхности, можно предсказать, используя прогнозирование на основе нейронных сетей, доступное в BAD. Было подтверждено, что этот прогноз имеет ошибку менее 5% для всех данных, доступных в BAD. Другие параметры, такие как толщина белковых слоев и поверхностное натяжение покрытых белком поверхностей, также могут быть оценены. ^{[ необходима цитата ]}

Ссылки [ править ]