Ответ 1.

Преимущества золотых наночастиц вкратце:

1. Интенсивная окраска, молярный коэффициент поглощения составляет 10⁷-10⁹ М^-1×см^-1
2. Высокая стабильность наночастиц в коллоидной системе и множество вариантов дополнительной стабилизации (покрытие полиэлектролитами или монослоем бифукциональных органических молекул, содержащих –SH группу на одном конце (для взаимодействия с золотом) гидрофобной цепи и заряженную группу на другом)
3. Простота получения конъюгатов с биомолекулами – за счет адсорбции или через тиолы.
4. золото – биосовместимый материал
5. золото химически инертно
6. наночастицы золота способны нагреваться под действием инфракрасного излучения, безопасного для организмов.

Ответ 2.

Методов разделения как биомолекул, так и наночастиц существует очень много, основной вопрос состоит в детекции. Как же можно определить, сколько молекул белка связалось с наночастицей, и связались ли вообще?

Например, УФ-спектроскопия. Не подходит, поскольку золотые нанокристаллы поглощают ультрафиолетовый свет значительно сильнее, чем белковые молекулы, поэтому взаимодействия белок-нанокристалл будут незаметными.

Еще один метод, электронная микроскопия, например ТЕМ, не дает достаточно четких и точных картинок, поскольку в белковых молекулах есть только легкие атомы.

Ответ 3. F₁ – выталкивающая сила (сила Архимеда), или сила плавучести; F₂ – сила трения; F₃ – центробежная сила. От вязкости среды зависит сила трения, а от скорости вращения – центробежная сила и сила трения.

Ответ 4.

Коэффициент седиментации представляет собой отношение скорости оседания частицы при центрифугировании (v) к омега²r, то есть S = v/омега²r, где омега- угловая скорость вращения ротора, а r – расстояние от оси вращения до местоположения наночастицы. Угловая скорость вращения задается исследователем, а скорость оседания и расстояние, на котором находится наночастица, нужно определить.

а) Согласно формуле для определения константы седиментации сферической частицы: (1) нужно знать диаметр частицы и ее плотность, потому что плотность и вязкость воды при 20С – табличные величины.

б) Для определения константы седиментации опыты проводят в специальных растворах. Поэтому пользуются другой формулой: (2) или (3)
где v – скорость оседания частицы, см/час, N – число тысяч оборотов в минуту, r_min – расстояние мениска пробирки от оси вращения, величина известная для данного ротора с данным типом пробирок.

При этом нужно знать скорость частицы и ее плотность, а также плотность и вязкость раствора, в котором происходит центрифугирование. Остальные величины или задаются экспериментатором, или табличные.

Конечно, для экспериментального определения константы пользуются стандартными веществами, константы седиментации которых известны. Кроме того, используют раствор с градиентно изменяющимися свойствами среды, так называемый градиент плотности. Причем профиль градиента должен быть таков, что увеличение расстояния от оси вращения компенсируется изменениями плотности и вязкости среды вдоль него, и все частицы движутся с постоянными скоростями, которые определяются только их размерами. В этом случае отношение констант седиментации двух частиц будет равно отношению расстояний от мениска жидкости до зоны, где находится частица, к моменту окончания эксперимента: S_20,w1/ S_20,w2 = l1/l2

Ответ 5.

Силы, противодействующие движению частицы, увеличиваются, поскольку 1) меняется общая плотность частицы и 2)меняется форма, то есть жидкости приходится обтекать уже не сферический нанокристалл, а сферу, на которой выпячиваются молекулы белка. Это приводит к уменьшению S_20,w в зависимости от числа молекул белка, «прилипшего» к наночастице.

Ответ 6.

Молекулярная масса белка иммуноглобулина IgG 167000, а миоглобина 16700, то есть в 10 раз меньше. Поскольку масса = плотность*объем, следовательно, увеличение массы в 10 раз при той же плотности означает увеличение объема в 10 раз. А это означает, что на одной наночастице может разместиться молекул IgG в 10 раз меньше, чем молекул Mb.

Следовательно картинка слева соответствует IgG, а картинка справа – миоглобину.

Для определения количества белка в полученном конъюгате можно белок пометить, например радиоактивной меткой, и посчитать количество метки в полученной суспензии, то есть радиоактивность.

Другой вариант – определить концентрацию белка методом Лоури или Бредфорд, если концентрация находится в необходимом интервале концентраций для данного метода, а в растворе нет веществ, мешающих определению.

Ответ 7.

Сначала общее замечание. Поскольку в смеси присутствуют частицы двух типов – собственно золотые нанокристаллы, и наноконъюгаты, то время полного оседания всех частиц будет равно времени оседания самой легкой частицы, то есть той, у которой меньше всего коэффициент седиментации. Исходя из приведенных графиков, он составляет около 850S.

Далее эту задачку можно решать двумя способами:

Способ 1. Поскольку коэффициент седиментации, как уже указывалось в решении вопроса 3, (4), а скорость седиментации, по определению скорости (5) то, подставляя выражение для скорости в выражение для коэффициента седиментации, получим (6).

Из последнего выражения получаем (7), т.е. для вычисления скорости надо проинтегрировать полученное выражение в пределах r_min до r_max , т.е. (8).

Поскольку не зависят от , то их можно вынести за знак интеграла, т.е. (9).

Подставляя значения, получаем (10), (11)

Способ 2. Оценочный, хотя и не совсем верный.

Этот способ подходит именно для оценки общего времени оседания, и ответ будет отличаться от точно рассчитанного предыдущим способом, но не более чем в несколько раз, то есть с точностью до порядка. Поскольку (12), то можно провести графическое интегрирование. Величины коэффициента седиментации и угловой скорости вращения не зависят от расстояния, пройденного частицей, поэтому (13), где (14).

Если обозначить (15) то получается простое выражение для времени: (16), величина Σ зависит от среды, в которой происходит центрифугирование, и для всех роторов данного типа (r_max = 1,25*r_min) может быть найдено по номограммам. В данном случае, когда центрифугирование происходило в разбавленном буфере, можно взять номограмму из учебника Л.А. Остермана по методам исследования белков и нуклеиновых кислот, раздел ультрацентрифугирование, рис. 59 для градиента сахарозы 5-20% (поскольку плотность сахарозы в этих пределах не сильно отличается от 1). Из этой номограммы при 20С Σ = 3,5, тогда (17).

Этот ответ, конечно, не совпадает с точным ответом, рассчитанным первым способом, но отличается от него незначительно. Различия связаны в основном с тем, что разбавленный буферный раствор сильно отличается от раствора сахарозы по вязкости, хотя и практически не отличается по плотности.