Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

XIV Всероссийская Интернет-олимпиада

Всероссийская Интернет-олимпиада школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых в области наносистем, наноматериалов и нанотехнологий "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!"

Химия (7-11 классы), ответы: 08. Концентрированные белки

1. Сможет ли биохимик приготовить раствор белка в воде или каком-нибудь другом растворителе? А приготовить 5M раствор каких-либо сферических наночастиц? Ответы обоснуйте. (4 балла)

1) Наночастицы любого вещества, будь то белок или фуллерен, обладают массой и размером. При этом, наночастицы, как любое твердое вещество, сложно сжимаемы; если объем 1 моля наночастиц окажется больше 1 литра, то, дополнительно добавив растворитель, мы уже не сможем уместить получившийся раствор в 1 л. Оценим концентрации частиц в твердых веществах, состоящих из плотно упакованных наночастиц: чтобы была возможность приготовить растворы, эти концентрации должны оказаться строго меньше заданных в условии.

Очевидно, что чем меньше частицы, тем больше их может поместиться в 1 литре.

Поскольку для одной частицы V = m/ρ, то наименьший занимаемый объем при фиксированной плотности будет у частицы с минимальной массой. Значит, наибольшей концентрацией (из расчета на 1 л) будет обладать белок с минимальной массой частиц, т.е. с минимально возможным для белка числом остатков из самой легкой аминокислоты. Это будет (Gly)50, масса одного остатка Gly равна 75 – 18 = 57 Да, всего белка 57·50 + 18 ≈ 2,9 кДа (полным баллом также оценивался расчет массы «усредненного» белка из 50 аминокислот с массой 110·50 + 18 ≈ 5,5 кДа).

Рассмотрим 1 л белка (Gly)50 (103 см3). В качестве оценки сверху рассчитаем мольную концентрацию белка в самом себе, грубо считая, что его молекулы полностью заполняют весь объем без пустот (при наличии пустот число частиц и, соответственно, их концентрация будет меньше). Количество белка в 1 литре тогда составит: ρ·V/M = 1,38·103/2900 = 0,48 моль, то есть 1М раствор белка даже теоретически невозможно приготовить ни в воде, ни в любом другом растворителе.

2) Повторим ту же схему решения для сферических наночастиц. В этом случае, ни масса ни плотность частицы не известны, однако в решении они и не понадобятся, поскольку мы можем сразу оценить минимальный размер (диаметр) частиц – 1 нм.

Если сферические частицы упакованы «как кубики» (рис. а, центры частиц лежат в вершинах куба с ребром 1нм), то на одну частицу приходится объем (1·10-9)3 м3, в 1 л (1·10-3 м3) будет содержаться 1·10-3/(1·10-9)3 = 1·1024 частиц или 1·1024/Na = 1·1024/6,02·1023 = 1,66 моль частиц.

Однако, если в упаковке рис (а) каждый второй слой «сдвинуть» так, чтобы он попал в лунки предыдущего слоя, то частицы упакуются плотнее (рис. б). При этом расстояние между слоями уменьшиться в 1,4 раза (от 2R до R; R – высота квадратной пирамиды, все стороны которой равны 2R, рис. б). Соответственно концентрация увеличится до 1,66·1,4 ≈ 2,3М, но и так не сможет достигнуть 5М. Полным баллом оценивались работы с любым вариантом упаковки сферических наночастиц.

Значит, 5M раствор наночастиц нельзя получить даже теоретически.

2. Приведите два примера, где в человеческом организме содержатся такие концентрированные растворы, если их локальные объемы различаются более чем в 108 раз. Как называются белки, образующие эти два раствора, и зачем понадобилось их концентрировать? Почему организмом при этом используются именно растворы, а не твердые материалы? (3,5 балла)

а) Гемоглобин в эритроците – концентрация до 370 г/л.

б) Попробуем логически вывести вторую «емкость» с концентрированным раствором белка. Поскольку объем пропорционален третьей степени линейного размера, размеры «емкостей» будут отличаться более чем в (1·108)1/3 ≈ 500 раз. При размере эритроцита около 10 мкм объем второй «емкости» будет либо меньше 20 нм, либо больше 5 мм. Первый вариант сравним с размерами самих белков (заведомо исключаются органеллы клеток, сложно подобрать что-либо разумное). Поскольку большинство растворов белков прозрачны (гемоглобин – скорее исключение, связанное с наличием атома переходного металла), то нужно представить себе, где в человеческом теле нужны прозрачные «емкости», чьи размеры > 5 мм. Это – хрусталики в глазах (диаметр ~9-10 мм) (с натяжкой также можно назвать роговицу и белок альбумин). Используя Интернет несложно найти, что основной белок хрусталика - кристаллин (массовая доля превышает 50%).

Чтобы объяснить, зачем понадобились именно концентрированные растворы белков, необходимо понять, какие функции выполняют эритроциты и хрусталики, и представить, почему они не смогут эффективно работать, если их содержимое разбавить водой, или же оно затвердеет (закристаллизуется).

с) Максимально возможные концентрации белков были нужны чтобы:

- эритроцит: увеличить емкость по кислороду и углекислому газу (уменьшить затраты на транспорт газов в организме)

- хрусталик: получить максимальный показатель преломления в минимальном объеме. Это позволяет уменьшить габариты хрусталика и, соответственно, глаза, а также улучшает его физико-биологические характеристики (например, скорость и легкость фокусировки).

д) В твердых телах молекулы вещества «фиксированы» около своих положений, поэтому, в отличие от растворов, твердые тела не могут так же обратимо свободно менять свою форму, и имеют гораздо более низкую реакционоспособность. Скорость реакций с газами для эритроцита критична, поэтому его нельзя заполнить твердым гемоглобином. Возможность изменения формы эритроцита также важна для увеличения скорости газообмена: «протискиваясь» сквозь узкие капилляры, эритроцит может приобретать форму бочонка, обеспечивая при этом более тесный контакт внутреннего содержимого и стенок капилляров, т.о. ускоряя газообмен с окружающими тканями. При этом эритроцит может «катится» как гусеница танка по капилляру (раствор внутри эффективно перемешивается), что также ускоряет процессы газообмена.

Для хрусталика же пластичность формы дает возможность фокусировать взгляд на разных расстояниях.

3. Оцените молярную (моль/л) и массовую (г/л) концентрации фибриногена в плазме, если его молекула имеет длину около 50 нм и содержит около 3 000 аминокислотных остатков (считать, что фибриноген целиком состоит из аминокислот). (2,5 балла)

При решении этого пункта допускалось любое оценочное упрощение/предположение о взаимном расположении молекул. Например, что все молекулы находятся в центре прямоугольных параллелепипедов со сторонами 50х50х100 нм. Тогда на одну молекулу приходится объем 50·10-9·50·10-9·100·10-9 = 2,5·10-22 м3 или 2,5·10-19 л. В 1л плазмы будет 1/(2,5·10-19) = 4·1018 молекул фибрина, что составит 4·1018/Na = 6,6·10-6 моль/л или 6,6 μМ.

Массовая концентрация составит n·M = 6,6·10-6·110·3000 = 2,2 г/литр.

Если же при решении считать, что на одну молекулу приходится куб с ребром 50нм, то все концентрации получатся в 2 раза больше.

Важно отметить, что, несмотря на довольно грубые приближения и допущения, мы получаем очень близкий к реальности результат: в норме литр плазмы содержит 2 – 4 г фибриногена.

 

Прикрепленные файлы:
 



Непослушные цифры
Непослушные цифры

Дистанционный лекторий ФНМ МГУ
Опубликованы приглашения на 4 интересные лекции онлайн лектория проекта дистанционного образования факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова на ближайшую неделю.

Евгений Кац: Перовскит, загадка названия и история открытия
28 мая 2020 г. в 18:00 мск. в рамках развития дистанционного образования ФНМ МГУ имени М.В.Ломоносова состоялась онлайн лекция известного ученого, профессора Евгения Каца (Ben-Gurion University of the Negev) "Перовскит, загадка названия и история открытия", который известен не только своими выдающимися научными достижениями в области химии твердого тела, углеродных наноматериалов, перовскитной фотовольтаики, но и большим вкладом в популяризацию науки.

М.Гретцель "The stunning rise of perovskite solar cells"
28 мая 2020 г. в 19:00 мск. в рамках развития дистанционного образования ФНМ МГУ имени М.В.Ломоносова состоялась онлайн лекция всемирно известного ученого, профессора М.Гретцеля (Федеральная политехническая школа Лозанны) "The stunning rise of perovskite solar cells".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии
Гудилин Е.А., Горбунова Ю.Г., Калмыков С.Н.
Отделение химии и наук о материалах РАН, а также химический факультет и факультет наук о материалах МГУ инициируют реализацию открытого образовательного проекта «Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии». В рамках проекта ведущие ученые, члены Российской и международных Академий, видные представители вузовской науки прочитают тематические образовательные лекции по химии, науках о материалах, современным подходам в биологии и медицине. Видеозаписи лекций будут размещены в открытом доступе и могут быть использованы ВУЗами в основной и дополнительной образовательных программах, а также для самоподготовки и мотивации студентов и аспирантов на будущие научные достижения.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.