Агрегатов состояние меди: Агрегатное состояние Меди в цвет меди запах меди плотность меди растворимость в воде меди теплопро водность у меди Электропроводность

Содержание

Применение цветных металлов и сплавов Экопроект г. Краснодар

В технике к цветным относят все нежелезные металлы. На их основе создано большое число сплавов, обладающих широким диапазоном свойств, соответствующих требованиям к авиационным материалам. К ним относятся: значительная механическая прочность, высокий предел выносливости в сочетании с малой плотностью. Для авиастроения очень важна также стоимость материала. На современ­ном этапе развития авиации экономичность часто имеет решающее значение. Уже сегодня многие новые модели агрегатов, двигателей и самолетов не внедряются по экономическим соображениям. С учетом неотвратимо надвигающегося истощения природных запасов энерго­носителей земли (уголь, нефть, газ) затраты на производство материалов оказывают значительное влияние на стоимость каждой единицы авиатехники.

Как правило, такие металлы, как Al, Ti и др. в чистом виде в авиатехнике применяют крайне редко. На основе каждого металла создают, большое число сплавов, обладающих самым широким спект­ром свойств. Цветные металлы и их сплавы широко применяют для армирования.

В авиастроении широко применяют алюминиевые сплавы, а также сплавы магния, титана, меди. Находят применение бериллиевые сплавы, сплавы никеля и некоторые тугоплавкие сплавы. Практичес­ки весь каркас самолета или вертолета, во многих случаях корпус авиадвигателя, корпуса большинства агрегатов различных систем, многие трубопроводы изготовлены из цветных сплавов. На самолетах новых поколений многие силовые элементы авиационных конструк­ций будут изготавливать только из высокопрочных алюминиевых сплавов.

В электронных схемах, электротехнических устройствах для изготовления электропроводов широко применяют благородные металлы, сплавы алюминия, никеля, меди, кобальта и др.

Цветные сплавы систематизируют как по технологическим свойствам, так и по механическим характеристикам.

Цветные металлы, на основе которых создают сплавы, чаще всего разделяют на легкие, обладающие малой плотностью (например, Al, Mg), тяжелые (например, Си, Рв), тугоплавкие (W, Мо и др.), благород­ные (например, Au, Pt).Сплавы, полученные на основе перечисленных металлов, могут быть разделены на группы по функциональному назначению, например антифрикционные, жаропрочные и жаростойкие сплавы, конструкционные и коррозионно-стойкие сплавы.

Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие в под­вижных соединениях низкий коэффициент трения. Это повышает срок службы машины. Кроме того, антифрикционные сплавы обладают высокой износостойкостью.

Жаропрочные сплавы относятся к материалам, обладающим способностью сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием механических нагрузок при высокой температуре. Кроме того, жаропрочные сплавы обладают высоким сопротивлением ползучести.

Жаростойкими называют сплавы, способные сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Конструкционные сплавы служат для изготовления самых разно­образных деталей самолетов, вертолетов и авиадвигателей. В авиа­технике могут использоваться только те материалы, которые сочетают в себе качества, обеспечивающие выносливость, прочность, надеж­ность и долговечность при низкой плотности и малых затратах на изготовление.

Коррозионностойкие сплавы способны сопротивляться коррозион­ному воздействию окружающей среды и не подвергаться внезапному разрушению из-за высокой скорости коррозионных повреждений. Цветные сплавы по технологическому исполнению могут быть разде­лены на следующие группы: деформируемые, литейные, спеченные и др. Такое деление позволяет представить себе, как получить детали из этих сплавов, например штамповкой, ковкой или литьем.

Большую группу цветных металлов и сплавов на их основе состав­ляют проводниковые материалы, обеспечивающие наименьшее элект­рическое сопротивление. В этой группе металлов используют чистую медь с суммарным содержанием примесей 0,01 %, чистый и техничес­кий алюминий с содержанием примесей 0,02 — 0,5%. Цветные сплавы на основе Sn,Рв, Zn, Ag используют для изготовления припоев.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий — серебристо-белый металл. Он не имеет полимерных превращений и кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба.

Широкое применение алюминия обусловлено его малой плот­ностью (2,7 г/см3), высокой пластичностью, т.е. способностью обраба­тываться давлением, высокой коррозионной стойкостью. Она получа­ется за счет того, что алюминий быстро покрывается окисной плен­кой (Al2O3), предотвращая проникновение агрессивных веществ к основному металлу. Кроме того, алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

Но распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди конструкционных металлов. В земной коре содержится около 7,5 % Аl, в то время как железа — всего 5,1 %. Алюминий входит в состав всех глин, полевого шпата, боксита и других горных пород.

Сплавы на основе алюминия

Вследствие большого разнообразия свойств алюминиевые сплавы получили весьма широкое распростране­ние, особенно в авиастроении. Все алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые, литейные, спеченные порошковые.

Деформируемые алюминиевые сплавы обладают хорошей пластич­ностью. Из них изготавливают прутки, трубы, листы, профили различ­ных сечений, проволоку, поковки, штамповки. Для изготовления деталей и полуфабрикатов применяют различные методы обработки давлением: прессование, ковку, горячую штамповку, гибку, прокатку, волочение. Пластическую деформацию используют также для упрочнения алюминиевых сплавов, поскольку при этом возникает анизотропия свойств.

Все алюминиевые сплавы можно сваривать различными спосо­бами. При этом в местах сварки устраняется анизотропия свойств, чтo необходимо учитывать. Все деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на упрочняе­мые и неупрочняемые термичес­кой обраоткой (старением).

По химическому составу деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на группы, которые строят по наличию основных элементов, входящих в химический состав сплавов. Наиболее употребительна группа сплавов AI — Си — Mg(дуралюмины). Высокопрочные сплавы имеют в основе Аl — Zn — Mg — Си. Сплавы для ковки, штам­повки содержат Аl — Mg -Si — Си. Широко применяют сплавы Al — Мп и Al — Mg. Деформируемые алюминиевые сплавы маркируют буквой Д, высокопрочные — буквой В, ковочные — АК.

Литейные алюминиевые сплавы выделены в отдельный класс сплавов, поскольку их объединяет наличие основных свойств: жидко- текучесть, объемная и литейная усадка, склонность к образованию усадочных трещин и ликвации.

Среди литейных алюминиевых сплавов наиболее широко расп­ространены силумины системы Аl — Si. Для литья деталей сложной формы, кроме силуминов, применяют сплавы на основе Аl — Си — Mg, Al — Си и др. Эти сплавы отличаются от соответствующих по составу деформируемых сплавов более высоким содержанием меди и магния, а также тугоплавких добавок: титана, никеля, железа, хрома и др.

Такие сплавы могут быть использованы как жаропрочные. Как правило, отливки из этих сплавов подвергают термической обработке. Маркируют литейные алюминиевые сплавы буквами AЛ.

Имеются два класса алюминиевых сплавов, разделяемых по признаку влияния термообработки на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой. Эти сплавы широко применяются в авиастроении.

Неупрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы создают на основе систем Аl — Mg и Аl — Мn. В структуре этих сплавов раствори­мость компонентов в алюминии не изменяется и фазовые превращения при нагревании и выдержке не происходят.

Упрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы — наиболее широко распространенный класс сплавов.

Термообработка алюминиевых сплавов.

Она позволяет получить большое разнообразие структур. В этом случае можно добиться значи­тельного упрочнения, что и обеспечило самое широкое применение термообработки алюминиевых сплавов. Физический смысл термообработки сплавов алюминия состоит в том, что при этом изменяется и концентрация твердого раствора легирующих элементов валюминии, При этом меняется фазовый состав, что повышает прочность сплайн при сохранении достаточной пластичности. Рассмотрим это положение на конкретном примере. В сплаве системы Аl — Си образуется интерметаллическое соединениеCuAI2. Если этот сплав нагреть до 500 — 540°С, то частицы СuАl2 растворятся в алюминии. При быстром охлаждении фаза СuАl2 не успевает выделиться из твердого раствора и остается в нем, в результате чего получается упрочнение сплава(закалка). Фазовые изменения в алюминиевых сплавах могут происходить не только при нагреве, но и при комнатной температуре. Для алюминиевых сплавов наиболее широкое распространение получили следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение.

Отжиг применяют для улучшения пластичности. При этом полу­чается более равновесное фазовое состояние. Взависимости от поставленной цели отжиг разделяют на три вида: гомогенизирую­щий, рекристаллизационный, а также для разупрочнения.

Гомогенизирующий отжиг проводят, как правило, для устранения неоднородностей структуры сплава. Температура нагрева при этом 450 — 520°С. Время выдержки при этой температуре 4 — 40 ч. После этого сплав охлаждают.

Рекристаллизационный отжиг выполняют для обеспечения высо­кой пластичности и снижения прочности деталей после пластической деформации. Алюминиевые сплавы нагревают до 300 — 500°С, соот­ветствующих температуре окончания первичной рекристаллизации. Длительность такого отжига 0,5 — 2 ч.

Отжиг для разупрочнения применяют для снижения прочности перед последующей обработкой давлением, например штамповкой.

Закалка может быть применена только для тех сплавов, которые в твердом состоянии могут претерпевать фазовые превращения. Цель закалки — получить в сплаве предельно неравномерную структуру — пресыщенный твердый раствор с максимальным содержанием леги­рующих элементов. Такая структура обеспечивает возможность даль­нейшего упрочнения старением. Сразу после закалки алюминиевые сплавы не становятся более прочными. Они приобретаютзаданные характеристики прочности после завершения процесса старения, т.е. после окончания фазовых превращений в твердом состоянии.

Таким образом, если в сплаве находятся только компоненты, не растворимые в твердом алюминии, его закалка невозможна.

Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие элементы частично или пол­ностью растворяются в алюминии. При этой температуре сплав выдер­живают, а затем быстро охлаждают до весьма низкой температуры (10 — 20 °С). Выдержка нужна для прохождения процесса растворения. Кик правило, охлаждение алюминиевых сплавов производят в воде.

Алюминиевые сплавы могут подвергаться процессам старения при нагреве (обычно 100 — 200 °С) или при комнатной температуре. Старение с нагревом называют искусственным старением. Старение при комнатной температуре называют естественным старением.

Состояние алюминиевых сплавов сразу после закалки называют свежезакаленным. Поскольку при этом существенное повышение прочности еще не началось, деталь или заготовку можно легко обра­батывать (например, гнуть) в течение нескольких часов. Затем твердость и прочность возрастают. В самолетостроительном производстве это свойство используется очень широко.

Сплавы алюминия, применяемые в авиастроении.

В авиастроении наиболее широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы — дуралюмины Д1, Д16, Д18. Цифры после буквы Д обозначают номер I марки и никакой другой информации не содержат. Эти сплавы отно­сятся к системе Аl — Си — Mg. Из этих сплавов изготавливают прес­сованные прутки, листы, профили, плиты и поставляют в промышлен­ные предприятия.

Дуралюмин Д1 — наиболее старый сплав, предложенный еще в 1906 г. немецким исследователем А. Вильмом — относится к сплавам повышенной прочности. Дуралюмин Д16 относится к сплавам повы­шенной прочности. Он отличается от Д1 более высоким содержанием магния. Дуралюмины повышенной жаропрочности — Д19, ВАД-1, ВД-17. В них больший процент содержания Mg, Мп. Кроме того, в сплав ВАД-1 введены Ti и Zг.

Дуралюмины повышенной пластичности (Д18 и В65) отличаются пониженным содержанием Си и Mg, Это и придает им большую плас­тичность. Вот почему заклепки для авиационных конструкций изго­тавливают часто из дуралюмина В65 или Д18.

Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке и после­дующему естественному старению. При этом необходимо жестко соб­людать рекомендованную температуру нагрева дуралюминов под закалку. Например, нагрев под закалку должен соответствовать температуре 505 ‘С (Д1, Д19, ВАД-1) или 500 °С (Д16, ВД17, Д18) с допус­ком всего 5 °С. Если осуществить нагрев до более высоких температур, то произойдет оплавление легкоплавких структурных составляющих, которые при охлаждении дадут усадку, что приведет к растрескива­нию. Брак при этом получается неисправимым. При закалке дуралю­минов необходимо обеспечить высокую скорость охлаждения, так как могут произойти фазовые изменения за период переноса детали из печи в охлаждающую ванну, наполненную холодной водой.

Все дуралюмины интенсивно упрочняются при естественном старении. Для сплавов Д1 и Д16 максимальная прочность достигается через 4 суток, а для сплава ВАД1 через 10 суток. Алюминиевые сплавы подвергают различным видам термической обработки.

Приведем некоторые буквенные обозначения, которые ставятся после обозначения марки сплава. Буква А, поставленная сразу после марки, обозначает, что полуфабрикат плакирован. Плакирование представляет собой покрытие с помощью прокатки фольгой из техни­ческого алюминия. За очень короткое время он покрывается пленкой окисла Аl2O3 и предотвращает проникновение веществ окружающей среды к основному металлу.

Далее, как правило, ставят вид термообработки: Т — твердый, закаленный и естественно состаренный; Т1 — закаленный иискус­ственно состаренный; М — мягкий; МО — мягкий, отожженный; Н — нагартованный, т.е. пластически деформированный для упрочнения после закалки и естественного старения. Режимы закалки и старения обозначаются после буквы Т: Т1, Т2,…, Т7, например лист Д16АТ. Этот лист плакирован, закален и естественно состарен.

Все дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стой­костью. Вот почему их всегда защищают либо плакировкой, либо анодированием.

Промышленностью выпускаются высокопрочные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко применяют сплавы В95 и В96. Прочность у сплава В95 δb = 550 МПа, В-96 имеет δb = 630 МПа, Д16 — δb = 440 МПа. Сплавы В95 и В96 относятся к системе Аl — Си — Mg. Кроме указанных компонентов, в сплав В95 добавленZn, а в сплав В96 — еще Сг.

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и штамповки и отличающиеся высокой пластичностью при температурах обработки 450 — 475°С, подвергают закалке и старению. Наиболее характерными представителями этой группы являются сплавы АК6 и АК8 (алюми­ний ковкий № 6 или 8). Они относятся к системе Аl — Mg — Si — Си. В сплаве АК8содержится значительно больше меди, чем в АК6. Вот почему для АК8 δb  = 440 МПа, в то время как для АК6 δb = 380 МПа.

Сплав АК4-1, получающий в настоящее время широкое распрост­ранение, относится к деформируемым алюминиевым сплавам. Однако он обладает еще и свойством жаропрочности, т.е. способностью рабо­тать при температурах до 300 °С без существенных изменений механи­ческих свойств. Жаропрочность этого сплава достигается за счет добавки в сплав Fe,Ni, Ti.

Широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы систем Аl — Mg (АМг) и Аl — Мn (АМц). В сплавах АМц содержится 1 — 1,6% марганца. В сплавах АМгсодержится 2 — 6 % магния. Содержа­ние Mg обозначено в марке сплава, например АМгб (6 % Mg). Эта группа сплавов обладает прекрасными технологическими свойствами. Они хорошо деформируются и свариваются.

Деформируемые алюминиевые сплавы — основа самолето- и вертолетостроения. Из них изготавливают каркас самолета, вертолета, многие элементы управления, большое число агрегатов, отдельные узлы авиадвигателей. Эти сплавы применяют также в космической технике.

Литейные алюминиевые сплавы обладают тем преимуществом, что Вез дорогостоящей, с большими отходами механической обработки можно получить детали самой сложной пространственной формы.

В авиастроении широко применяют сплавы А л-9 системы Al-Si-Mg N Л л-19 системы Al-Cu-Mn-Ti. Временное сопротивление сплава Ал-19 достигает 360 МПа. Он обладает устойчивостью против коррозии, Юрошими показателями выносливости.

В настоящее время производят группу сложнолегированных литейных алюминиевых сплавов (Ал-20, Ал-21 и др.) системы Al-Cu-Mg с небольшими добавками Ni, Сг, Fe, Ti. Их используют как жароропрочные сплавы для работы при температурах 300 — 350 °С.

Широкое распространение получили спеченные алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые пудры (САП).

САС — сплавы, спеченные из легированного алюминиевого по­рошка. Такой порошок может быть изготовлен из легированных алюминиевых сплавов. Порошковые сплавы САС-1 и САС-2 применяют В приборостроении и других отраслях промышленности.

CAП — пудры, представляющие собой спеченный алюминий с равномерно распределенными в нем частицами окиси алюминия AI2O3. САП имеет более высокие показатели прочности, жаропрочности и жаростойкости, чем чистый алюминий. Изделия из САП применяют в некоторых узлах самолетов и энергетических атомных установках.

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Медь — один из первых металлов, с которыми познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако извест­ны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самород­ки. Медь и ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое применение.

Медь — металл красновато-розового цвета с кристаллической структурой в виде ГЦК. По электропроводности медь занимает второе место после серебра. Поэтому она — важнейший материал для изго­товления электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках (радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плот­ность 8,94 г/см3. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высо­кой пластичностью. Медь отлично обрабатывается, давлением, но плохо — резанием и имеет плохие литейные свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства.

Сплавы на основе меди

Медь имеет кристаллическую решетку ГЦК, в ней не обнаружено полиморфных превращений. Она находит широкое применение в промышленности и обозначается буквой М. Наиболее высокую чистоту имеет медь MB (медь высокой очистки), в ней содержится всего до 0,01 % примесей. Еще меньше примесей (до 0,005 %) в меди МЭ, получаемой электронно-лучевой плавкой.

Широко применяют сплавы меди с различными элементами, наиболее распространены следующие легирующие элементы для меди: цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, никель. Большая часть этих элементов образует с медью твердые растворы.

Медные сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Они могут быть термически упрочняемыми и неупрочняемыми. В промыш­ленности это деление применяют редко. Как правило, медные сплавы делят на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим |лементом является цинк. Их маркируют буквой ЛIи цифрами, харак­теризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, Латунь Л196 содержит около 96% Си и 4% Zn. Если латунь легирована, кроме цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное Обозначение легирующих элементов: С — свинец, О — олово, Ж — железо, А — алюминий, К — кремний, Мц — марганец, Н — никель, Ф — фосфор, Б — бериллий, X — хром. Цифры, поставленные после букв, обозначают процентное содержание соответствующего элемента. Например, латунь ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe, остальное цинк (38%).

Все латуни хорошо свариваются и паяются, обладают высокими литейными свойствами, легко обрабатываются резанием. Латунь применяют для трубок теплообменников (например, радиаторов), 

различных деталей арматуры (например, штуцеры), трубопроводов. Легированные латуни применяют также для изготовления деталей приборов, различных патрубков. Вследствие высокой коррозионной стойкости из латуни изготавливают детали, работающие в морской воде.

Бронзы представляют собой все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам бронзы подразделяют на оловянные, бериллиевые, свинцовые, кре­мнистые и т.п. Бронзы маркируют буквами Бр. Легирующие элементы обозначают так же, как и для латуни. Например, в бронзе БрАЖН 10-4-4 содержится 10% Аl, 4%Fe и 4% Ni, остальное Сu. Бронзы разделяют также по технологическим признакам на литейные и деформируемые.

По областям применения они могут подразделяться на жаропрочные, антифрикционные. В обозначениях марок бронз эти свойства не отражаются. Выделяют также группу конструкционных бронз.

Из бронз в авиастроении изготавливают самые разнообразные  детали, работающие на трение, пружинящие детали приборов, различные направляющие, шестерни, гайки, втулки, детали подшипник — скольжения и др.

Наиболее широко применяемые бронзы и латуни

Бронзы оловяно-фосфористые БрОФ б; 5-0,15; Бр0Ф7-0,2 хорошо обрабатываются давлением и резанием, свариваются и паяются. Эти бронзы применяют  при изготовлении деталей приборов, подшипников, работающих при небольших нагрузках.

Бронза оловянно-свинцовоцинковая БрОЦС 5-5-5 корозионностойка в атмосферных условиях и пресной воде и хорошо обрабатывается резанием. Ее применяют для изготовления втулок, прокладок.

Бронза конструкционная алюминиево-железная  БрАЖ9-4 обладает высокой коррозионностойкостью. Такую бронзу широко применяют для изготовления шестерен, ниппелей, гаек и шайб, других деталей.

Бронза алюминиево-железо-никелевая БрАЖН10-4-4 обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Ее используют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах.

Бронза алюминиево-железо-марганцовистая БпАЖМц10-3-1,5 обладает высокой коррозионной стойкостью. 

Крем­нисто-никелевая бронза БрКН1-3 относится к  группе жаропрочных бронз. Она идет на изготовление деталей, работающих при высоких температурах

Бериллиевая бронза, обладает высокой износостойкостью, прочностными показателями и высоким пределом выносливости. Она может работать при температуре от — 299 до +250 °С. Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью и токсичностью бериллия. Бериллиевые бронзы БрБ2 и др. применяют для изготовления особо ответственных плоских пружин, мембран, трубок и других деталей приборов, работающих при знакопеременных температурах и знакопеременных нагрузках. Их используют также для изготовления нагруженных деталей подшипников.

Кроме бронзы, в авиастроении используются некоторые марки латуни. Широко применяют латунь Л96, обладающую высокой кор­розионной стойкостью. Из нее изготавливают трубопроводы, радиа­торные трубки. Латунь Л68 имеет меньшую коррозионную стойкость, но хорошо обрабатывается давлением.

Большое распространение получила латунь свинцовая ЛC59-1. Она коррозионностойка даже в морской воде. Ее применяют для изготовления труб шпилек, ниппелей, втулок. Трубопроводы для топлива и корозионноактивных жидкостей изготавливают из оловянных латуней Л70-1 и Л62-1.

Наш адрес:

  • 350910, г. Краснодар,
  • ул. Почтовая, 223/1
  • (Пашковский мкр.) 

Агрегатные состояния вещества. Переходы из одного состояния в другое

Агрегатное состояние — это состояние вещества, которое зависит от температуры и давления. В природе вещества встречаются в трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Вещество, находящееся при стандартных условиях в твёрдом состоянии, называется твёрдым веществом, в жидком состоянии — жидким веществом или жидкостью, в газообразном — газообразным веществом или газом.

При одинаковых условиях (температуре и давлении) различные вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях.

Пример. В стандартных условиях:

  • железо, сера, алюминий — твёрдые вещества.
  • вода, бензол, ртуть — жидкости.
  • кислород, аргон, углекислый газ — газы.

Переходы между агрегатными состояниями

Многие вещества при изменении условий могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Пример. При температуре ниже 0 °C вода превращается в лёд, т. е. переходит из жидкого состояния в твёрдое.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется испарением.

При увеличении температуры вещества испарение становится интенсивнее. И, наконец, при определённой температуре испарение становится настолько интенсивным, что жидкость закипает. Такая температура называется температурой кипения вещества. Испарение и кипение — это два способа перехода жидкости в газообразное состояние.

Испарение происходит с поверхности жидкости, а при кипении жидкость переходит в газообразное состояние, как с поверхности, так и внутри неё.

Когда говорят о веществах в газообразном состоянии, иногда помимо термина газ используется и слово пар. Газ и пар очень похожи между собой. Они представляют собой разновидности газообразного состояния вещества.

Разница между газом и паром в том, что газ имеет температуру выше критической или равную ей, а пар — ниже.

Пример. Критическая температура воды равна примерно 374 °C. Вода в газообразном состоянии, которая имеет температуру ниже критической, например, 5 °C или 120 °С, будет именно паром, а не газом. А вот, например, кислород, гелий и азот – газы, так как они имеют температуру выше критической (у каждого из них критическая температура ниже -100 °C).

В быту под словом пар обычно подразумевают именно водяной пар.

Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением.

Переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное называется возгонкой или сублимацией. Переход из газообразного состояния в твёрдое называется десублимацией.

При всех этих явлениях частицы вещества не разрушаются. Таким образом, вещество, изменяя агрегатное состояние, не превращается в другое вещество.

Одни вещества могут иметь любое из трёх агрегатных состояний, другие — нет.

Пример. Вода может находиться в твёрдом состоянии (лёд), жидком (вода) и газообразном (водяной пар). Для сахара известны только два агрегатных состояния: твёрдое и жидкое.

При нагревании сахар плавится, затем его расплав темнеет, и появляется неприятный запах. Это свидетельствует о превращении сахара в другие вещества. Значит, газообразного состояния для сахара не существует.

Взаимные переходы веществ из одного агрегатного состояния в другое в виде схемы:

Какие плавильные печи есть у «Норникеля»?

Немного теории

Плавильных агрегатов в мировой металлургии – огромное количество. Главная особенность таких печей – в том, что исходные материалы в них обязательно меняют свое агрегатное состояние (бывают еще печи нагревательные, в которых сушат руду или придают металлу определенные формы – например, заготовки для будущего рельса; но в них ничего не плавят). Именно поэтому для человека, далекого от металлургии, сам процесс плавки выглядит настоящим волшебством, адской кухней, которая и пугает, и завораживает одновременно. 

В учебниках для металлургов плавильные агрегаты разделяют, например, по режиму работы (непрерывного или периодического действия), по форме рабочего пространства (вертикальное у шахтных и горизонтальное у пламенных печей) и т.д. Но, пожалуй, основное типологическое различие между печами – в способе генерации теплоты. На этом основании выделяют всего на три вида агрегатов – топливные, электрические и автогенные. В первом и втором случае с источником все понятно по названию, а вот автогенный процесс – поистине уникален, ведь происходит он за счет внутренних энергетических ресурсов самого сырья, без использования угля, газа или электроэнергии. 

Очевидно, что автогенная технология плавки – наиболее ресурсосберегающая, она априори обеспечивает высокую степень комплексности использования сырья и надежную защиту окружающей среды от вредных выбросов. Абсолютно автогенный процесс, изобретенный еще в XIX веке – это конвертирование: продувка воздуха через слой штейна в конвертерах, с добавлением флюса (это такой особый песок), который «связывает» железо и выводит его из расплава. Процесс этот ведут до тех пор, пока в раскаленной и вязкой жиже не останется 3,5% железа (соответственно, в файнштейне возрастет доля содержания цветных металлов).

Как объяснил «Кислород.ЛАЙФ» Леонид Крупнов, главный металлург Заполярного филиала «Норникеля», между плавильной печью и конвертером существует непреодолимое различие: «Печь плавит твердую шихту, а в конвертер заливают штейн – жидкий расплав, который остается только продувать воздухом и окислять. Но сам рудный концентрат, твердый и сухой, предварительно надо где-то расплавить – вот плавильные агрегаты за эту стадию и отвечают». 

Вся история развития пирометаллургии – это, на самом деле, планомерное движение к максимально возможной автогенности именно при плавке исходного рудного сырья. Кстати, знаменитые мартеновские печи, у которых наша Родина не смыкала очей, металлурги считали переходным видом – в них наряду с выделением теплоты сгорания топлива тепловыделение шло и от окисления углерода и других элементов, «плававших» в жидкой ванне. А в анодных топливных печах на медных заводах незначительный приход тепла также осуществляется на окислительной стадии за счет продувки кислородом загруженной шихты в печь и окисления примесей и меди. 

Плавка основных металлов на предприятиях «Норникеля», пройдя долгий путь длиной в 85 лет (именно такой юбилей в этом году отмечает компания), давно уже базируется, в основном, на автогенных процессах. Дело в том, что при производстве цветных металлов из сульфид-содержащего сырья, характерного для руд Таймыра и Кольского полуострова, основным источником генерации тепла становится… сама сера, которая в буквальном смысле «выгорает» в ходе экзотермических реакций окисления сульфидов (в первую очередь, сульфидов железа) в перерабатываемой шихте, а также реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента плавильщики «Норникеля» используют обогащенное кислородом дутье (на других комбинатах применяют и другие способы – например, нагретый до высокой температуры воздух или технический кислород). В итоге рудные концентраты обогатительных фабрик Заполярного филиала и Кольской ГМК, это «грязное» сырье с точки зрения экологии, становятся не только источником получения ценных компонентов (меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов), но и, по факту, энергетическим топливом. По некоторым расчетам, теплота сгорания 1 кг высокосернистых руд составляет порядка 6000 кДж, что соответствует сгоранию 0,2 кг условного топлива. Вот и считайте энергоэффективность такой плавки! 

После остановки в конце этого года плавцеха в пос. Никель в Мурманской области, где еще работают две из трех рудно-термических электропечей (РТП), плавильные мощности «Норникеля» останутся только в Норильском промрайоне. А там, после закрытия в 2016 году Никелевого завода, где работали схожие с печенгскими РТП, остались в работе только автогенные печи, которые различаются лишь по методу сжигания рудных концентратов. На Медном заводе – в расплаве, легендарных печах Ванюкова (т.н. «плавка в жидкой ванне»). На Надеждинском металлургическом заводе – в факеле, печах взвешенной плавки (финские ПВП, доработанные норильскими металлургами в 1980-х). Но так было не всегда. Плавильный передел на медно-никелевых заводах в СССР начинался с шахтных печей, наиболее «древнего» способа получения различных штейнов.

Контрольная работа по темам Агрегатное состояние вещества. Нагревание и плавление тел- 8 класс

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема «Агрегатные состояния вещества. Нагревание и плавление тел»

Вариант 1

1.Какое агрегатное состояние вещества не существует?

1) Жидкое 2) Твердое 3) Взвешенное

2. Что используют в холодильных установках?

1) Сжиженный газ 2) Водяной пар 3) Несжимаемую жидкость

3.Чем не определяется агрегатное состояние вещества?

1) Расположением и характером движения молекул

2) Характером взаимодействия молекул 3) Химическим составом молекул

4.Каковы расстояния между молекулами в газах?

1) Расстояния много больше размеров самих молекул

2) Расстояния много меньше размеров самих молекул

3) Расстояния равны размерам самих молекул

5. Какое из утверждений справедливо для кристаллических тел?

1) Во время плавления температура кристалла изменяется

2) В расположении атомов кристалла отсутствует порядок

3) Атомы кристалла расположены упорядоченно

4) Атомы свободно перемещаются в пределах кристалла

6. Агрегатные состояния вещества — это состояния..:

1) одного вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях
2) разных веществ в твёрдом, жидком и газообразном состояниях
3) одного вещества в температурных интервалах до 0 °С, от 0 °С до 100 °С, свыше 100 °С
4) одного вещества в моменты перехода из твёрдого в жидкое или из жидкого в газообразное

7. Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называется:

1) кристаллизацией 2) плавлением 3) парообразованием 4) конденсацией

8. Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг при температуре плавления для того, чтобы полностью расплавить его, называется

1) теплопроводностью вещества 2) удельной теплотой плавления вещества
3) количеством теплоты плавления 4) удельной теплоёмкостью вещества

9. На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени. В начальный момент времени тело находилось в твёрдом состоянии:

Температура плавления вещества тела приблизительно равна:

1) 30 °С 2) 200 °С 3) 360 °С 4) 500 °С

10. Для плавления золотого бруска потребовалось количество теплоты 1,34·105 Дж. Удельная теплота плавления золота 67 кДж/кг. Масса такого золотого бруска:

1) 1 кг 2) 2 кг 3) 4 кг 4) 8 кг

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема «Агрегатные состояния вещества. Нагревание и плавление тел»

Вариант 2

1. Выберите неправильное название агрегатного состояния вещества.

1) Вода 2) Лёд 3) Водяной газ

2. Отличаются ли молекулы одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях?

1) Нет 2) Да 3) Иногда

3.Чем определяется агрегатное состояние вещества?

1) Расположением и характером движения молекул

2) Характером взаимодействия молекул 3) Химическим составом молекул

4. Каково притяжение между молекулами газа?

1) Очень мало 2) Очень велико 3) Нет информации

5. В процессе перехода вещества из жидкого состояния в кристаллическое:

1) Существенно увеличивается расстояние между его молекулами

2) Молекулы начинают притягиваться друг к другу

3) Существенно увеличивается упорядоченность в расположении его молекул

4) Существенно уменьшается расстояние между его молекулами

6. Агрегатными состояниями вещества называются:

1) твёрдое и жидкое состояния, обусловленные отличием молекул в разных состояниях
2) твёрдое, жидкое и газообразное состояния, обусловленные отличием молекул в разных состояниях
3) твёрдое и жидкое состояния, обусловленные отличием расположения, движения и взаимодействия молекул в разных состояниях
4) твёрдое, жидкое и газообразное состояния, обусловленные отличием расположения, движения и взаимодействия молекул в разных состояниях

7. Переход вещества из жидкого состояния в твёрдое называется:

1) плавлением 2) кристаллизацией 3) парообразованием 4) конденсацией

8. В процессе плавления температура тела:

1) не изменяется 2) увеличивается
3) уменьшается 4) может как увеличиваться, так и уменьшаться

9. На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени. В начальный момент времени тело находилось в твёрдом состоянии:

Через 20 минут после начала нагревания тело находилось:

1) в твёрдом состоянии 2) в жидком состоянии
3) в твёрдом и жидком состоянии 4) в газообразном состоянии

10. Удельная теплота плавления меди 210 кДж/кг. При кристаллизации расплавленной меди массой 2 кг:

1) поглотилось количество теплоты 4,2 · 105 Дж 2) выделилось количество теплоты 4,2 · 105 Дж
3) поглотилось количество теплоты 105 кДж 4) выделилось количество теплоты 105 кДж

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Тема «Агрегатные состояния вещества. Нагревание и плавление тел»

(PDF) МАЛООТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

30

результаты исследования здесь подробно не проводятся. Достаточно

указать, что конвертерные шлаки обычно являются смесью магнетита и

силиката закиси железа приблизительно с 39% SiО2 (возможно, фаялит,

насыщенный SiО2 и содержащий растворенный FeS, который снижает

температуру отвердевания), а шлаки шахтной и отражательной плавки

состоя главным образом из загрязненных силикатов закиси железа

стекловидных силикатов и магнетита. Иногда площадь загрязненных

силикатов в шлаках шахтной плавки распадаются на кристаллы фаялита

(2FeО•SiО2), геденбергит (СаО•FeO•2SiО2) и геленита

(2СаО•А12О3•2SiО2).

До последнего времени было принято считать, что жидкие шлаки

являются растворами окислов, в которых имеются соединения,

определенные в твердых шлаках. Например, Тейлор и Чипмен объясняют

характер изо-активных линий исходя из предположения, что соединения

(2CaО•SiО2)2 и СаО•Fe3О4 существуют в растворе, и показывают, что,

если их предположение правильно, активность FeO приблизительно равна

ее молярной доле, т. е. растворы подчиняются закону Рауля.

За последние несколько лет появилась теория, что жидкие шлаки

очень сильно диссоциированы на ионы. Эта теория основывается на том,

что жидкие шлаки имеют относительно высокую электропроводность,

которая может быть объяснена только ионной проводимостью. Кроме

того, имеются еще другие доказательства. Эта теория еще полностью не

разработана, а поэтому здесь подробно не описывается. Только недавно

были напечатаны посвященные этому вопросу обзоры Чипмена и Чанга

[15], Ричардсона, Виллиса, Бокриса и Томлинсонаи других ис-

следователей. Уточнение вида ионов, существующих в отдельных

шлаках, является в настоящее время предметом споров, но ионные

группы обычно принимают в точности соответствующими структурам

затвердевших шлаков.

Создание фундаментальных основ принципиально новой технологии

переработки сульфидных медных концентратов, направленных на

повышение комплексности использования сырья и охраны окружающей

среды возможно только на базе глубокого изучения структуры и свойств

жидких и твёрдых продуктов металлургического передела.

В плане повышения комплексности использования сырья и охраны

окружающей среды решающая роль отводится переработке шлаков

медного производства. Эти шлаки представляют собой сложную,

многокомпонентную систему, состоящую из оксидов железа, кремния,

кальция, алюминия, меди, цинка и других металлов. Изучение их

Российские учёные нашли эффективное применение отходам медеплавильного производства

Токсичные шлакоотвалы могут пойти в безотходную переработку.

В среду, 15 декабря, стало известно об успешном завершении лабораторных испытаний по пятилетнему проекту организации промышленной переработки техногенных отходов медеплавильных предприятий. Он реализуется учёными Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), Российского государственного университета нефти и газа имени Губкина (оба вуза входят в состав консорциума «Недра») совместно с коллегами из Белорусского национального технического университета и фонда «Сколково». Исследования проводятся в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра по направлению «Экология».

Следующим этапом проекта станет создание на базе компании «Северсталь» экспериментальной производственной линии по переработке шлаков. Как сообщает пресс-служба ЮУрГУ, предприятие рассматривает вопрос о том, чтобы выступить заказчиком внедрения проекта в промышленных масштабах.

Исследователи предлагают альтернативу основному существующему методу утилизации отходов медного производства – гидрометаллургическому, при котором полезные компоненты шлаков избирательно переводят в состояние раствора с последующим выделением нужных металлов и соединений. Метод имеет низкую рентабельность и при этом не позволяет получить полезные вещества в чистом виде.

«Медьсодержащие отходы нежелательно использовать на металлургических заводах вследствие опасности повышения концентрации меди в шихте сталеплавильных агрегатов. Однако их утилизация необходима, потому что входящие в состав отходов элементы могут образовывать токсичные соединения, входящие во второй и первый класс опасности по силе воздействия на человеческий организм. Сегодня в России в одних лишь отвалах медеплавильных предприятий находится более 140 миллионов тонн шлака» – рассказал заведующий кафедрой «Пирометаллургические процессы» Политехнического института ЮУрГУ Павел Гамов.

Учёные нашли эффективный способ извлечения из шлака наиболее ценных компонентов – железа и цинка. Остатки, которые появятся в результате этого процесса, пойдут на производство пропанта. Он используется нефтяниками в рамках технологии гидроразрыва пласта для увеличения нефтеотдачи скважин.

Извлечённое из шлака железо будет иметь остаточное содержание меди и серы. Для большинства производств такой металл нежелателен. Однако его можно успешно использовать в производстве шарообразных мелющих тел, применяемых при измельчении полезных ископаемых.

«При высоком качестве шары имеют значительно меньшую себестоимость, так как чугун, используемый для отливки, производится из отходов медной промышленности (шлака) и не содержит дорогостоящих добавок (хрома)» – рассказали представители индустриального партнера проекта, компании «ИЦ АС Теплострой».

Выделенный цинк предполагается использовать в качестве вельц-окиси, применяемой, например, в лакокрасочной промышленности для производства цинковых белил.

Напомним, что исследователи Горного института Национального государственного исследовательского технологического университета «МИСиС» создали на основе техногенных отходов инновационный закладочный материал для выработанных пространств рудников. Сегодня в мировой практике примерно на 35% объектов подземной добычи полезных ископаемых используется метод заполнения неиспользуемых пространств шахт закладочной смесью. Она, как правило, изготавливается с добавлением цемента, песка и гравия. Учёные нашли замену этим материалам.

Простые и сложные вещества. Агрегатные состояния веществ

    Обычно в таблицах термодинамических свойств веществ приводятся стандартные значения энтальпии, представляющие собой тепловые эффекты при постоянном давлении, равном 100 кПа, отнесенные к температуре 298,16 К. В химической термодинамике, как и в термохимии, оперируют такими понятиями, как энтальпия образования сложного вещества из простых веществ или энтальпия разложения веществ, энтальпия перехода из одного агрегатного состояния в другое и т. п. Так, например, энтальпия образования СО2 представляет собой величину теплового эффекта (при p= onst) реакции образования СО2 (газ) из графита и молекулярного кислорода. Энтальпия воды (газ) соответствует тепловому эффекту реакции соединения молекулярных водорода и кислорода. При этом энтальпию образования простых веществ в их наиболее устойчивых состояниях при температуре 298 К условно считают равной нулю. [c.53]
    ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ [c.14]

    Прибор — это общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений, производственного контроля, управления машинами и установками, регулирования технологических процессов, вычислений, учета, счета. Аналитики располагают набором различных приборов, позволяющих проводить качественный и количественный анализы веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях. Приборы эти различаются по сложности, надежности, универсальности и стоимости — ЭТО и такие простые устройства, как пипетки, бюретки, секундомеры и т. п. [1], и такие сложные системы как ИК-спектрометр [2], газовый хроматограф [3], масс-спектрометр [4] и компьютер. Практическому применению приборов для химического анализа посвящено много хороших учебников [5— 9], в каждом из которых, кроме того, проводится систематизация существующих методов анализа. Химик-аналитик использует приборы не только для идентификации того или иного соединения и установления его количественного содержания, но и для проведения многих вспомогательных операций, например, таких, как отбор и предварительная обработка проб. К этому классу приборов относятся весы, пипетки (автоматические) для дозировки и разбавления проб, шприцы и клапаны для впрыскивания жидких или газообразных веществ, автоматические средства для сортировки и разделения, например центрифуги и противоточные аппараты. Приборов подобного типа очень много, однако мы ограничимся рассмотрением лишь тех из них, которые 1) могут работать в автоматическом режиме под управлением компьютера 2) требуют использования компьютера из-за сложности аналитического оборудования  [c.89]

    Основополагающим понятием современной химии является понятие о химическом элементе , т. е. виде атомов с определенной совокупностью свойств. Под свойствами изолированных атомов подразумеваются заряд ядра и атомная масса, особенности электронного строения, потенциалы ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность, атомные, орбитальные и ионные радиусы н т. д. Однако необходимо иметь в виду, что изолированные атомы как форма организации вещества могут существовать в природе лишь при достаточно высоких температурах в виде моноатомного пара. Единственным исключением являются благородные газы, для которых при любых условиях и в любом агрегатном состоянии структурной единицей является атом. Все остальные элементы существуют в природе в виде более сложных агрегатов молекул и кристаллов. Таким образом, следует строго различать понятия элемента как вида изолированных атомов и простого вещества как формы существования элемента в свободном состоянии. Следует особо подчеркнуть нетождественность этих понятий хотя бы потому, что один элемент может существовать в виде нескольких простых веществ (аллотропия) .  [c.26]


    Химический элемент — общее (широкое). Простое веще-сгво (уголь, графит, озон, металл и т. д.) частное. Таково соотношение объемов этих понятий. Следует также отличать понятия «простого вещества» и «простого тела». Под телом общепринято понимать твердые химические соединения. Тело может быть и простым веществом (медная болванка, например) и сложным (N33804 — соль). Простое вещество может существовать во всех трех агрегатных состояниях газообразном, жидком и твердом (тело). Простое тело — разновидность простого вещества. Второе понятие шире. Но чтобы понять это, науке потребовались столетия. Учение Ломоносова является концептуальным этапом в развитии атомистических представлений о строении материи. [c.25]

    Употребляются два термина, отражающих способность веществ существовать в разных формах, — аллотропия и полиморфизм. Первый относится только к простым веществам независимо от их агрегатного состояния (кислород—озон, алмаз—графит и т. п.). Второй относится только к твердому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твердых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.). [c.321]

    Химическим индивидом следует назвать наименьшее количество вещества, повторением которого в различном порядке можно воспроизвести данное вещество. Химическими индивидами являются атомы в атомной решетке простого вещества (С в решетке графита) или группы атомов в составе сложного (51С в решетке карбида кремния), молекулы в веществе молекулярного строения (Н2О в воде), ионные пары или более сложные конные комплексы в ионном веществе (НаС в поваренной соли, ЫагСОз-ЮНгО в кристаллической соде) и т. д. При таком определении изменение агрегатного состояния, полимор фный переход, механическое разрушение, образование некоторых растворов (например, газовых) не попадут в химические явления. [c.6]

    Магнитные свойства простых веществ также обнаруживают периодическую зависимость от порядкового номера элемента (рис. 126), но закономерности, которым подчиняется эта зависимость, требуют пояснения. В стандартных условиях простые вещества находятся в разном агрегатном состоянии. Все газообразные и жидкие простые вещества являются диамагнитными. Единственным исключением является кислород, парамагнетизм двухатомной молекулы которого объясняется с позиций метода МО. Сложнее обстоит дело с кристаллическими веществами. Магиитные свойства крист аллов определяются главным образом тремя вкладами диамагнетизмом атомного остова, орбитальным диамагнетизмом валентных электронов и спиновым парамагнетизмом. У неметаллов, в кристаллах которых доминирует ковгшентная связь, вклад спинового парамагнетизма пренебрежимо мал, поэтому все они диамагнитны. Парамагнитными свойствами обладают все переходные металлы с недостроенными и /оболочками, щелочные, щелочно-земельные металлы и магний, а также алюминий. -Металлы с заполненными внутренними оболочками (подгруппы меди и цинка) диамагнитны, так как у них спиновый парамагнетизм не перекрывает двух диамагнитных составляющих (орбитального диамагнетизма валентных электронов и диамагнетизма атомного остова). По той же причине диамагнитными свойствами обладают металлы подгруппы галлия, олово и свинец. [c.248]

    Свойства простых и сложных веществ 1) состав (формула) 2) агрегатное состояние, химическая связь, строение молекул, структура кристаллов 3) способность к перестройке, насколько она выражена (с качественной и количественной стороны) 4) степени окисления, реакции с типичными окислителями и восстановителями 5) отношение к воде (растворимость, взаимодействие) 6) формулы важнейших соединений 7) применение 8) получение. [c.51]

    В пособии рассматриваются классы гомо- и гетеросоедипений (простые вещества, оксиды, хлориды, гидриды бинарные и сложные, типа кислородных кислот, солей и оснований), виды химических реакций (фазовые превращения, реакции обменного разложения, окислительно-восстановительные и комплексносоединительные), учения о тепловых эффектах и скоростях химических реакций, о химическом равновесии и электрохимии. Вводятся представления об энтропии веществ в различном агрегатном состоянии, о максимальной работе химических реакций, о порядке реакции дается количественная связь между этими характеристиками и тепловым эффектом реакции, константой химического равновесия и температурой. [c.240]

    Пособие рассматривает отдельные, наиболее сложные аспекты современной химии. Излагаются основы атомно-молекулярной теории, систематика элементов, общая характеристика элементарных веществ, простых соединений, персоединений, субкомплексных и комплексных соединений общие закономерности химических процессов — химическая термодинамика, кинетика, катализ проблемы строения вещества, химической связи, агрегатные состояния вещества. Предназначается для студентов вузов. [c.2]


    Из сказанного можно сделать вывод, что для многих простых и сложных веществ в твердом агрегатном состоянии молекулярная форма существования не характерна. Такие вещества образуют различного рода немолекулярные структуры. Однако необходимо иметь в виду, что в немолекулярных структурах правила валентности и, следовательно, соотношения количеств взаимодействующих атомов, вытекающие из этих правил, соблюдаются так же, как и в молекулах. Поэтому часто формулы веществ с немолекулярной структурой записываются в виде молекул, например, ЗЮз, А Оз, ЫаС1, СаСЬ, N82804 и т. д. Но поскольку подобные молекулы не существуют, то в применении к ним лучше пользоваться термином формульная масса вместо молекулярная масса . Напри- [c.97]

    Не все агрегатные состояния вещества были предметом одинаково усиленного изучения. Меньше всего исследовались жидкости и аморфные твердые тела. Одной из причин этого являются значительные экспериментальные и вычислительные трудности, которые становятся практически непреодолимыми в случае сложных аморфных тел, например многокомпонентных стекол или смол. Кроме того, дифракционный метод является в этом случае малочувствительным. Простые же системы не всегда представляют практический интерес. [c.4]

    Применение. Реагент Карла Фишера можно применять для определения воды в многочисленных веществах [16]. Техника выполнения анализа заметно отличается в зависимости от растворимости материала, состояния воды в анализируемом веществе и агрегатного состояния вещества. Если образец можно полностью растворить в метаноле, то возможно быстрое прямое титрование. Этот метод применяли для определения воды во многих органических кислотах, спиртах, простых и сложных эфирах, ангидридах и галогенсодержащих соединениях. Прямое титрование пригодно также для анализа гидратированных солей большинства [c.220]

    Как и в термохимии, в химической термодинамике различают энтальпию образования сложного вещества из простых веществ, энтальпию разложения веществ и перехода из одного агрегатного состояния в другое и т. д. [c.45]

    Тепловой эффект реакции образования сложного вещества из простых веществ в их стандартных состояниях (наиболее устойчивая аллотропная модификация, агрегатное состояние при стандартных условиях Т = 298,15 К и Р = 1 атм) в расчете на 1 моль сложного вещества называется стандартной теплотой образования данного вещества (измеряется в кДж/моль). Теплоты образования простых веществ принимаются равными нулю. [c.18]

    Полная структурная химия вещества может быть представлена суммарно в виде схемы 1.1. Она включает не только структуру вещества в различных агрегатных состояниях, но и структурные изменения, сопровождающие плавление, испарение жидкости или твердого тела или растворение в растворителе, а также те изменения, которые имеют место в твердом, жидком или парообразном состояниях. По сложности структурная химия элементов или соединений варьирует в широких пределах. На одном конце находятся благородные газы, которые во всех агрегатных состояниях существуют в виде отдельных атомов. В этих случаях единственной записью в схеме были бы расположение атомов в твердом теле и относительно малые изменения с температурой в структуре простой атомарной жидкости. Затем идут газы, такие, как Нг, N2, О2, и галогены, которые продолжают существовать в виде двухатомных молекул в твердом, жидком и газообразном состоянии и диссоциируют на единичные атомы только при более высоких температурах. С другой стороны, сера в элементном состоянии имеет чрезвычайно сложную структурную химию (см. гл. 16). К сожалению, Для многих соединений полной картины структурной химии нет [c.35]

    Общая характеристика неметаллов. Положение неметаллов в периодической системе. Сродство к электрону — количественная характеристика окислительной способности неметаллов. Агрегатное состояние неметаллов. Соединения неметаллов с водородом и кислородом. Взаимодействие неметаллов с простыми и сложными веществами. [c.6]

    Простыми условно названы методы разделения, при которых изменение концентрации веществ в соответствующих фазах достигается лишь благодаря сообщению системе энергии, а сложными — методы с применением дополнительных разделяющих агентов (селективных растворителей, адсорбентов и т. д.), увеличивающих различие агрегатных состояний. [c.27]

    Химики тогда изучали поведение веществ, а также свойства элементов и их соединений, опираясь на сведения о молекулах — определенных частицах, которым присущи определенные свойства. Представление о простом и сложном веществе, состоявшем из молекул во всех агрегатных состояниях, лежало в основе понятия химического соединения и, следовательно, химического индивида, строго отграничивавшего индивидуальное вещество от смеси. В отличие от последней, химически индивидуальное вещество подчинялось стехиометрическим законам химии — постоянства состава, простых кратных отношений и валентных отношений. [c.190]

    Описание вещества начинается с краткой словесной характеристики, включающей цвет, (обычно для агрегатного состояния при комнатной температуре), некоторые качественные физические свойства (твердость, хрупкость, термическая устойчивость, фазовые переходы), особенности строения, устойчивость на воздухе, растворимость в воде, наличие или отсутствие взаимодействия с распространенными простыми и сложными веществами, указание на способы получения в лаборатории и в промышленно- [c.4]

    При обычных температурах это вещество представляет собой равновесную смесь кетонной и енольной форм, содержащую около 2% последней формы. С помощью соответствующих методов можно изолировать любую из этих форм, хотя они довольно быстро снова превращаются в равновесную смесь. Далее, состав равновесной смеси изменяется в зависимости от температуры и агрегатного состояния эфира. Так, например, в спиртовом растворе при комнатной температуре имеется 7,5% енола, тогда как в газовой фазе его доля гораздо больше. Таутомер-ные формы ацетоуксусного эфира отличаются по положению атома водорода, и поскольку для изменения его положения в молекуле требуется конечное время, можно изолировать каждую из таутомерных форм. (Конечно, истинный механизм взаимопревращения значительно сложнее, чем простое передвижение атома водорода, но это не влияет на приводимые аргументы.) С другой стороны, резонансные формы бензола отличаются только по положению электронов расположение атомов в обеих формах совершенно одинаково. Можно, правда, вычислить частоту колебания электронов, но она настолько велика и, следовательно, время, требуемое для изменения положений электронов с переходом от одной резонансной структуры к другой, крайне мало, так что отдельные структуры не могли бы существовать больше чем ничтожные доли секунды. Поэтому не имеет смысла говорить о быстрой осцилляции электронов. [c.125]

    Исследуемое вещество может быть газообразным, жидким или твердым. Для каждого агрегатного состояния требуются различные способы введения образца в прибор. Газы обычно помещают в стеклянную колбу, снабженную вакуумным крапом и шлифом, с помощью которого колба может быть присоединена к системе напуска. Пробу вводят просто медленным поворотом крана. Однако газообразные продукты, образующиеся нри деструкции сложных молекул, часто получаются с такими малыми выходами, что необходимые переносы с помощью колбы практически неосуществимы. В этих случаях более удобно (в частности, при пиролитической деградации) проводить пиролиз в запаянной ампуле. После окончания пиролиза ампулу помещают в специальный сосуд, соединенный с масс-спектрометром, и откачивают. Затем нри помощи железного стержня, приводимого в движение магнитом, ампулу разбивают, и летучие продукты без всяких потерь поступают в систему напуска. Этот прием можно распространить и на более высококинящие соединения, если сосуд [c.305]

    Спектроскопия вообще и молекулярная спектроскопия в частности— это разделы физики, занимающиеся изучением закономерностей взаимодействия электромагнитной радиации с веществом, сопровождающегося процессами поглощения, излучения и рассеяния света. В качестве объектов спектроскопического исследования могут использоваться самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях. В простейшем случае это разреженный газ, среднее расстояние между молекулами которого настолько велико, что их можно рассматривать изолированно друг от друга. В наиболее сложном случае это конденсированное тело, в котором каждая образующая его частица находится под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. Поэтому из спектроскопических данных можно получать информацию как о структуре и свойствах молекул, так и [c.5]

    ЖИДКОСТИ ж мн. Простые и сложные вещества, а также препараты и продукты, находящиеся в жидком агрегатном состоянии. [c.142]

    Наличие макроскопических стадий в катализированном окислении углеводородов обусловлено, по-видимому, изменением физико-химических свойств катализатора в углеводородном растворе по мере накопления молекулярных продуктов окисления. В уксуснокислых растворах, где катализатор в течение всего процесса полностью диссоциирован на ионы, макроскопической стадийности не наблюдается. В углеводородном растворе катализатор весьма чувствителен к полярным веществам. Его растворимость в значительной степени зависит от полярности среды, аниона, входящего в сосгав соли. Образование комплексов с продуктами окисления может влиять на активность катализатора. Из продуктов окисления, оказывающих влияние на агрегатное состояние катализатора, важная роль принадлежит кислотам. На опыте неоднократно наблюдалось, что в реакциях окисления катализатор выпадает в осадок в виде солей кислот, образующихся при окислении. Так, при окислении керосина катализатор выпадает в осадок в виде соли низкомолекулярных кислот, образующихся в реакции [99] при катализированном стеаратом кобальта окислении циклогексана образуется нерастворимый осадок ади-пата кобальта [49]. Однако выпадение катализатора в осадок в ходе реакции окисления — результат не простой обменной реакции между солью и кислотой, а сложный процесс, в котором наряду с кислотами принимают участие и другие продукты окисления, в частности вода. [c.226]

    Таким образом, к простому веществу типа алмаза и к сложным веществам с полярными связями типа 5102 и с ионной структурой типа ЫаС1, которые при стандартных условиях всегда будут находиться в твердом агрегатном состоянии, понятие молекулы как наименьшей частицы вещества, сохраняющей его состав, неприменимо. В самом деле, величина молекулы в таких соединениях ничем не ограничена, она будет определяться только количеством взаимодействующих атомов и каждый кусок алмаза, кварца или поваренной соли будет представлять собой гигантскую молекулу. Дробление такого куска на более мелкие части является, по сути, дроблением большой молекулы на более малые. [c.97]

    Рассмотрены отдельные, наиболее сложные вопросы химии. С современных позиций излагаются основы атомно-молекулярной теории, систематика элементов. Даиа общая характеристика элементарных веществ, простых соединений, персоединений, субкомплексных н комплексных соединений. Освещаются проблемы строения вещества, химической связи, агрегатные состояния вещества, методы изучения и строения молекул и кристаллов и стереохимия элементарных веществ и соединений. Рассматриваются общие закономерности химических процессов — химическая термодинамика, кинетика, катализ растворы и дисперсные системы окислительно-восстановительные процессы, гальванические элементы, электролиз и коррозия. [c.373]

    Теплоты образования сложных веществ из простых при базисных температурах О (АЯ/, о) или 298 К (АЯ/, гэа) можно вычислять несколькими методами, дающими разные расхождения вычисленных величин с экспериментальными значениями. Условно теплоты образования простых веществ в их наиболее устойчивом при базисной температуре агрегатном состоянии принимают за нуль. Иногда теплоту образования сложного соединения рассчитывают, используя теплоты образования не простых, а сложных веществ. Вычисленное этйм методом значение теплоты образования сложного соединения отличается от АЯ/ на сумму теплот образования исходных веществ, отнесенную к 1 моль (кмоль) целевого вещества. Обычно о таком пути расчета специально указывают в примечаниях к энтальпийным величинам. [c.33]

    Существование законов природы указывает на то, что окружающий нас мир, во всяком случае его значительная часть, — это не хаотическое нагромождение тел, а система, имеющая сложную структурную организацию. В основе ее построения и развития лежат два принципа, определяющие взаимодействия между элементами системы, — унификационный принцип строения простых составляющих и комбинационный принцип более сложных. Так, малое число одних и тех же элементарных частиц образует ограниченное количество атомных систем — элементов, которые, взаимодействуя друг с другом, составляют практически бесконечное множество соединений — молекулярных систем. Все атомы имеют однотипную, водородоподобную структурную организацию, известную как модель Резерфорда-Бора. Образование из атомов молекулярных систем подчиняется единым закономерностям. У всех веществ, независимо от агрегатного состояния, универсальны по своей природе межмолекулярные и внутримолекулярные взаимодействия атомов. [c.20]

    При заполнении внутренней полости инструмента специальной средой эффект охлаждения может быть получен как за счет активации теплоотвода, так и за счет поглощения теплоты при переходе среды из одного агрегатного состояния в другое. Простейший метод бесполив-ного охлаждения состоит в том, что внутреннюю герметически закрытую полость инструмента заполняют водным раствором Возможно заг.олнение внутренних полостей сложными охлаждающими эндотермическими смесями. Чтобы получить наиболее низкую температуру, вещества, входящие в состав смеси, берут в количестве, соответствующем криогидратной точке. Смесь из двух весовых частей снега (или мелкого льда) и одной весовой части хлористого натрия обеспечивает понижение температуры до —20 °С. Еще большее понижение температуры смеси достигается введением в ее состав двух солей, а также использованием твердой углекислоты в смеси со спиртом (—77 °С), эфиром (—72 О и другими жидкостями. [c.66]

    С этой целью различные структурпыс формы простых веществ и химических соединений одного и того же состава объединены, и мате])нал пи ним приводится вслед за химической форму, гой вещества. Исключения составляют отдельные сложные соединения, где одному и тому же составу могут отвечать совершенно различные структуры. В равной мере, в регистре объединены сведения, относящиеся к структуре веществ в разных агрегатных состояниях. Каждое соединение (за немногими исключениями) [c.809]

    Область каталитических химических реакций исключительно сложна. Рассмотрение теории каталитических превращений даже в самой элементарной и простой форме выходит из рамок данной монографии. Этому вопросу посвящены превосходные руководства, ознакомление с которыми даст читателям достаточно полное представление о современном состоянии науки о катализе [1—3]. Как хорошо известно, катализ основывается на том, что скорость некоторых химических реакций в сильной степепи зависит от присутствия некоторых веществ (называемых катализаторами) не претерпевающих превращения в ходе реакции. Катализаторы могут увеличивать (положительный катализ) или уменьшать (отрицательный катализ) скорость реакции или направлять реакцию в определенном заданном направлении. В зависимости от фазовых соотношений между катализатором и реагирующими веществами различают гомогенные и гетерогенные каталитические реакции. Гомогенные каталитические реакции характеризуются тем, что катализатор и исходные вещества находятся в одной и Т011 же фазе, в то время как при гетерогенном катализе катализатор и исходные вещества находятся в различных фазах или агрегатных состояниях. Каталитические процессы очистки газа основываются на явлениях положительного катализа. Поскольку обычно применяются твердые катализаторы, в данном случае речь идет о гетерогенных каталитических превращениях. [c.322]


Металл-дефицитные агрегаты и пониженное содержание меди в клетках, экспрессирующих мутации SOD1, вызывающие БАС

Front Aging Neurosci. 2014; 6: 110.

Megan W. Bourassa

1 Департамент химии, Университет Стони Брук, Стони Брук, штат Нью-Йорк, США

Хильда Х. Браун

2 Отдел неврологии, Центр трансляционных исследований в нейродегенеративном Disease, Медицинский центр Санта-Фе, Исследовательский центр болезни Альцгеймера, Институт мозга Макнайта, Университет Флориды, Гейнсвилл, Флорида, США

Дэвид Р.Borchelt

2 Департамент нейробиологии, Центр трансляционных исследований нейродегенеративных заболеваний, Центр исследований болезни Альцгеймера, Санта-Фе, Институт мозга Макнайта, Университет Флориды, Гейнсвилл, Флорида, США

Stefan Vogt Advanced

Источник фотонов, Аргоннская национальная лаборатория, Аргонн, Иллинойс, США

Лиза М. Миллер

1 Департамент химии, Университет Стони-Брук, Стони-Брук, Нью-Йорк, США

4 Директорат фотонных наук, Брукхейвенская национальная лаборатория, Аптон, штат Нью-Йорк, США

1 Департамент химии, Университет Стоуни-Брук, Стони-Брук, штат Нью-Йорк, США

2 Департамент нейробиологии, Центр трансляционных исследований нейродегенеративных заболеваний, Центр исследований болезни Альцгеймера в здравоохранении Санта-Фе, McKnight Brain Institute, Университет Флориды, Гейнсвилл, Флорида, США

3 Advanced Photon Источник, Аргоннская национальная лаборатория, Аргонн, Иллинойс, США

4 Управление фотонных наук, Брукхейвенская национальная лаборатория, Аптон, Нью-Йорк, США

Отредактировал: Пол Адлард, Исследовательский институт психического здоровья, Австралия

Рецензент: Катарина Оливейра, Университет Коимбры, Португалия; Питер Крауч, Мельбурнский университет, Австралия

* Для переписки: Лиза М.Миллер, Управление фотонных наук, Брукхейвенская национальная лаборатория, NSLS-II, Bldg. 743, Upton, NY 11973-5000, США e-mail: [email protected]

Эта статья была отправлена ​​в журнал Frontiers in Aging Neuroscience.

Поступило 09.03.2014; Принято 19 мая 2014 г.

Copyright © 2014 Bourassa, Brown, Borchelt, Vogt and Miller.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания автора (авторов) или лицензиара и ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятой академической практикой.Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Нарушения гомеостаза ионов металлов описывались в связи с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) в течение ряда лет, но точный механизм их участия плохо изучен. Ионы металлов особенно важны для семейных случаев БАС, вызванных мутациями в металлоферментной медно-цинковой супероксиддисмутазе (SOD1).Чтобы исследовать роль металлов в агрегации мутантного SOD1, мы исследовали локализацию ионов металлов в модели сверхэкспрессии клеточной культуры. Клетки яичника китайского хомячка (CHO-K1) трансфицировали для сверхэкспрессии SOD1, слитого с желтым флуоресцентным белком (YFP), чтобы легко идентифицировать трансфицированные клетки и внутриклеточные агрегаты, которые развиваются в клетках, экспрессирующих мутантный SOD1 или SOD1 дикого типа (WT). Концентрация и распределение железа, меди и цинка были определены для четырех мутантов SOD1 (A4V, G37R, H80R и D125H), а также для SOD1 WT с использованием рентгеновской флуоресцентной микроскопии (XFM).Результаты продемонстрировали, что агрегаты SOD1 были дефицитными по металлу в клетках, что согласуется с недавними исследованиями in vitro . Кроме того, все мутанты SOD1 показали значительно пониженное содержание меди по сравнению с клетками SOD1 дикого типа, независимо от способности мутанта связывать медь. Эти результаты предполагают, что сверхэкспрессия SOD1 создает неудовлетворенную потребность клетки в меди. Это особенно верно для мутантов SOD1, у которых также может быть нарушена доставка меди. Следовательно, мутанты SOD1 менее стабильны, чем SOD1 дикого типа, и если содержание меди ограничено, происходит формирование агрегатов мутантного белка SOD1 с дефицитом металлов.

Ключевые слова: боковой амиотрофический склероз, супероксиддисмутаза, рентгеновская флуоресцентная микроскопия, синхротрон

Введение

Боковой амиотрофический склероз (БАС) — нейродегенеративное заболевание, от которого ежегодно страдают более 30 000 человек в США, что делает его наиболее распространенным. обычное заболевание двигательных нейронов (Bruijn et al., 2004). БАС начинается с мышечной слабости, которая перерастает в прогрессирующий паралич и в конечном итоге приводит к смерти, которая обычно наступает в течение 2–5 лет после постановки диагноза болезни.В настоящее время не существует известного лекарства от этого заболевания, а доступные ограниченные методы лечения существенно не меняют течение болезни (Miller et al., 2007). Примерно 90% всех случаев БАС носят спорадический характер без известной причины. Остальные 10% имеют генетическую связь и известны как семейные случаи БАС. Одна из таких форм семейного БАС, на которую приходится 2,5% всех случаев БАС, вызвана мутациями в гене, который кодирует антиоксидантный белок медно-цинковая супероксиддисмутаза (SOD1).

SOD1 представляет собой металлофермент, который связывает один ион меди и один ион цинка на мономер для активности и стабильности белка, соответственно (Ellerby et al., 1996). Известно более 160 мутаций в SOD1, которые могут вызывать БАС (Lill et al., 2011; Abel et al., 2013). Несмотря на обширные исследования, в настоящее время непонятно, как такое большое распространение мутаций и их свойств может привести к одному и тому же заболеванию. Эти мутации распределены по всему белку и приводят к мутациям SOD1 с резко различными биохимическими свойствами, такими как сродство связывания металлов и уровни антиоксидантной активности.Таким образом, мутации подразделяются на две отдельные категории: мутации в области связывания металлов (MBR), которые напрямую влияют на способность белка связывать металл, вызывая снижение уровней активности, и мутации типа дикого типа (WTL), которые поддерживают способность связывания металлов и обладают активностью. уровни аналогичны белку дикого типа (WT) (Hayward et al., 2002; Rodriguez et al., 2002). В этом исследовании оценивались четыре мутации SOD1, включая мутации WTL (A4V и G37R) и мутации MBR (H80R и D125H).Мутация A4V возникает на границе димера SOD1 и имеет очень низкую стабильность (Deng et al., 1993; Hayward et al., 2002), тогда как мутация G37R находится в электростатической петле и имеет гораздо более высокую стабильность (Borchelt et al., 1994). Мутация H80R обнаруживается в области связывания цинка, следовательно, связывание цинка снижается (Seetharaman et al., 2010). Поскольку считается, что способность SOD1 связывать медь зависит от его способности сначала связывать цинк, эта мутация также вызывает дефицит меди. Мутация D125H возникает в заряженной петле, которая помогает координировать сайт связывания металла (Hayward et al., 2002). Хотя она не влияет напрямую на связывание металлов, эта мутация серьезно снижает сродство связывания металлов и приводит к образованию белка с низкой стабильностью.

Металлы участвуют в ряде нейродегенеративных заболеваний, включая БАС (Bush, 2003; Maynard et al., 2005; Vonk and Klomp, 2008). При неправильном регулировании ионы металлов, таких как медь и цинк, могут быть очень токсичными для клеток. Медь особенно опасна из-за ее каталитической активности и окислительно-восстановительного потенциала, что приводит к образованию повреждающих активных форм кислорода (АФК), которые приводят к распространению окислительного стресса, обнаруживаемого у пациентов с БАС (Bruijn et al., 2004; Луценко и др., 2010). Изменения концентрации цинка также могут вызывать такие проблемы, как эксайтотоксичность глутамата, при которой избыток цинка чрезмерно стимулирует нейроны, что приводит к гибели клеток (Smith and Lee, 2007). Интересно, что рилузол, единственный одобренный препарат для лечения БАС, снижает эксайтотоксичность, подавляя высвобождение глутамата (Doble, 1996). Таким образом, правильный гомеостаз металлов имеет решающее значение для поддержания здоровой клеточной среды и замедления прогрессирования заболевания.

Общей патологической особенностью SOD1-ALS является образование неправильно свернутых агрегатов SOD1 в мотонейронах спинного мозга, которые образуются одновременно с началом паралича.Белковые агрегаты обнаруживаются при нескольких других неврологических заболеваниях, таких как бляшки амилоида-β, обнаруженные при болезни Альцгеймера (БА), и тельца Леви, состоящие из α-синуклеина при болезни Паркинсона (PD; Selkoe, 2003, 2004; Soto, 2003, 2013). . Роль этих агрегатов в заболевании является предметом больших споров в течение ряда лет. Первоначально считалось, что агрегаты являются источником токсичности при этих заболеваниях. Однако было также высказано предположение, что агрегаты представляют собой клеточный ответ на секвестр токсичных растворимых белков, избегая дальнейшего повреждения неправильно свернутыми и аберрантными белками (Lee et al., 2002).

Механизмы агрегации не совсем понятны, но ионы металлов в них участвуют. Например, было замечено, что металлы могут способствовать осаждению и агрегации амилоида-β (Huang et al., 1997) и α-синуклеина (Bertoncini et al., 2005). Недавно было показано, что агрегаты SOD1, обнаруженные в модели SOD1-ALS у мышей, состоят из немодифицированного и возникающего SOD1 (Shaw et al., 2008). Возникающие и неметаллированные мутанты SOD1 относительно нестабильны по сравнению с зарождающимися SOD1 WT, что позволяет предположить, что мутанты более склонны к агрегации, чем SOD1 WT (Rodriguez et al., 2002, 2005).

В этом исследовании мы использовали рентгеновскую флуоресцентную микроскопию (XFM) для получения изображения распределения ионов металлов и состояния металлизации агрегатов SOD1 в клетках яичника китайского хомячка (CHO-K1), сверхэкспрессирующих WT SOD1 или мутантных SOD1 (A4V, G37R). , H80R и D125H). XFM — это спектроскопический метод, который можно использовать для определения концентрации и распределения ионов металлов в биологических клетках и тканях. Для визуализации трансфицированных клеток и агрегатов SOD1 был слит в рамке считывания с желтым флуоресцентным белком (YFP) (Prudencio et al., 2009; Qualls et al., 2013a, b). Результаты показали, что агрегаты SOD1 были дефицитными по металлу внутри клеток, что сходно с нерастворимыми в детергенте агрегатами, выделенными из модели SOD1-ALS у трансгенных мышей (Lelie et al., 2011). Кроме того, мы обнаружили, что клетки с мутантным SOD1 содержали более низкий уровень меди по сравнению с клетками, экспрессирующими WT SOD1, независимо от того, был ли мутант SOD1 способен связывать медь. Эти результаты были неожиданными и предполагают, что транспорт меди нарушается независимо от мутации SOD1.

Материалы и методы

Клетки яичников китайского хомячка (CHO-K1) (ATCC, Manassas, VA) поддерживали в среде F12-K с 10% фетальной бычьей сывороткой, 1% пенициллина / стрептомицина и 1% амфотерицина-β. Клетки хранили в инкубаторе при 37 ° C и 5% CO 2 . Клетки высевали на окна из нитрида кремния 2,5 × 2,5 мм (Silson, UK), материал, прозрачный для инфракрасного и рентгеновского излучения, с толщиной мембраны 500 нм. Через 20 часов, когда клетки стали примерно на 80% конфлюэнтными, их трансфицировали кДНК плазмиды (Karch et al., 2009) с использованием реагента для трансфекции lipoD293 (SignaGen, Rockville, MD) в соответствии с протоколом, предоставленным SignaGen. Клетки CHO-K1 трансфицировали для экспрессии WT или мутантной (A4V, G37R, H80R или D125H) формы SOD1, слитой с YFP-меткой, для визуализации трансфицированных клеток и агрегатов без окрашивания. Трансфекции прекращались между 19–26 часами, когда флуоресценция YFP была видна в большинстве клеток и можно было видеть точечные агрегаты (Prudencio et al., 2009). Время до завершения варьировалось так, чтобы совокупные уровни были эквивалентны для каждой используемой мутации.Клетки фиксировали, промывая окна из нитрида кремния PBS и затем погружая в холодный (~ 80 ° C) метанол трижды по 1 с каждый раз. Окнам давали высохнуть при комнатной температуре и хранили в эксикаторе до визуализации. Каждую трансфекцию проводили дважды и визуализировали клетки обеих трансфекций.

FTIR-микроскопию использовали для определения плотности белка агрегатов. Спектры получали с использованием инфракрасного микроскопа Thermo Nicolet Continuum, подключенного к каналу пучка U2B в Национальном источнике синхротронного света (NSLS) в Брукхейвенской национальной лаборатории (Аптон, штат Нью-Йорк).Объектив Шварцшильда 32 × IR давал пучок 7 × 7 мкм. Спектральное разрешение 4 см -1 и 128 сканирований на спектр использовались в средней инфракрасной области (4000-800 см, -1 ). Для нормализации дополнительной плотности белка, обнаруженной в белковых агрегатах, было снято 40–45 спектров как на агрегатах, так и на агрегатах трансфицированных клеток. Для каждого спектра содержание белка определяли путем интегрирования полосы амида I от 1610–1700 см –1 с линейной базовой линией от 1480 до 1800 см –1 .Относительную интенсивность белка определяли путем расчета отношения интенсивности на агрегатах по сравнению с агрегатами для каждой клетки.

Затем клетки были визуализированы с помощью XFM на канале 2-ID-E в усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории (Аргонн, Иллинойс) для определения распределения и концентрации ионов металлов. Падающий пучок настраивали на 10 кэВ с помощью монохроматора Si (111), а рентгеновские лучи фокусировали до размера пятна 0,5 × 0,5 мкм с помощью зонных пластин 20 см (Xradia, Pleasanton, CA).Образец располагался под углом 45 ° по отношению к падающему лучу и содержался в продуванном гелием боксе. Рентгеновская флуоресценция регистрировалась четырехэлементным кремниевым дрейфовым детектором, ориентированным под углом 90 ° относительно падающего луча, а для прошедшего рентгеновского луча использовался дифференциальный фазово-контрастный детектор. Приблизительно 15 клеток были визуализированы на одну мутацию с временем пребывания 0,5 с на точку. Для каждого пикселя был собран полный энергодисперсионный спектр. Концентрации металлов определялись на основе стандартов тонких пленок NIST 1832 и 1833.

Для анализа данных были созданы три области интереса (ROI) с помощью программы MAPS канала: (1) ядро; (2) цитоплазма; и (3) агрегаты (если они есть). ROI цитоплазмы был отделен от ядра, чтобы обеспечить более точное измерение концентраций металлов в цитоплазме, где расположен SOD1. Агрегаты были легко локализованы с использованием фазово-контрастных изображений, собранных с данными XFM. Кроме того, агрегаты были небольшими (1–3 мкм), поэтому размер луча 500 нм позволял анализировать несколько пикселей (примерно 10) от каждого агрегата.

После создания областей интереса точки данных в каждой области интереса были усреднены, а совокупные значения были нормализованы к плотности белка, определенной с помощью FTIR. Используя средние значения, было получено соотношение агрегат / цитоплазма для меди и цинка, чтобы продемонстрировать любое изменение содержания металла в агрегатах. Статистические данные были выполнены для средних значений ROI каждого типа клеток с помощью программного обеспечения SPSS (версия 14.0) с использованием непараметрического теста Краскела-Уоллиса. Затем значимые группы были протестированы с помощью Mann-Whitney U . апостериорный тест .Значимость определялась по p <0,05.

Результаты

Типичные изображения XFM и видимого света клеток из каждой группы (WT, A4V, G37R, H80R и D125H) показаны на рисунке. Как видно, концентрация железа была выше в цитозоле, в то время как содержание цинка было выше в ядре для всех типов клеток. Единственная статистически значимая разница между типами клеток была обнаружена в содержании меди в цитоплазме. В частности, клетки WT содержали примерно на 24% больше меди, чем все мутанты SOD1 (A4V, G37R, H80R и D125H), а также нетрансфицированные клетки (рисунок).Мутантные клетки SOD1 также содержали меньшее, но значимое ( p > 0,05) увеличение меди по сравнению с нетрансфицированными клетками. Интересно, что не было статистических различий между мутантными клетками SOD1, независимо от способности связываться с металлами. Также не наблюдали тенденций в концентрациях цинка, железа, фосфора, серы, калия или кальция между нетрансфицированными и трансфицированными клетками в цитоплазме или ядре.

Изображения эпифлуоресценции (первый столбец) клеток SOD1-YFP CHO-K1 с WT, A4V, G37R, H80R или D125H SOD1 .Карты XFM для серы (второй столбец), железа (третий столбец), меди (четвертый столбец) и цинка (пятый столбец). Изображения XFM показывают относительно большое количество меди и цинка, обнаруженных в клетках WT по сравнению с мутантными клетками SOD1. Минимальная и максимальная концентрации указаны в мМ.

Гистограмма уровней внутриклеточной меди (исключая ядро) для клеток SOD1-YFP . Концентрации указаны в мМ. Клетки WT содержали самый высокий уровень меди по сравнению с клетками, сверхэкспрессирующими мутации в SOD1, и нетрансфицированными клетками.Все клетки, сверхэкспрессирующие мутантный SOD1, имели значительно более высокое содержание меди, чем нетрансфицированные клетки. * указывает значительно меньше, чем клетки WT с p <0,001.

На основании данных FTIRM агрегаты показали двукратное увеличение плотности белка по сравнению с окружающей цитоплазмой. Таким образом, данные XFM для белковых агрегатов были нормализованы по этому фактору, чтобы учесть большее количество материала внутри агрегатов. В таблице показано отношение концентраций меди и цинка в агрегате к цитоплазме из клеток, содержащих агрегаты мутантного SOD1-YFP (A4V, G37R и H80R).Результаты показали, что все агрегаты мутантного SOD1-YFP содержат более низкие концентрации меди и цинка по сравнению с окружающей средой, что позволяет предположить, что агрегаты дефицитны по металлу. Эта тенденция наблюдалась как в мутациях WTL (A4V и G37R), так и в MBR (H80R и D125H).

Таблица 1

Отношение концентрации агрегата / цитоплазмы для меди и цинка в мутантных клетках SOD1 .

Мутация Тип Медь Цинк
A4V WTL 0.53 ± 0,13 0,34 ± 0,21
G37R WTL 0,45 ± 0,081 0,59 ± 0,27
H80R MBR 0,41 ± 0,041 901 0,41 ± 0,041 MBR 0,41 ± 0,041 9016

Агрегаты SOD1 в клетках являются металлодефицитными

Образование агрегатов SOD1 в спинном мозге является основной патологией, обнаруживаемой у пациентов с БАС с мутациями SOD1, но мало что известно о процессе агрегации.Точный механизм образования агрегатов необходим для понимания того, как агрегаты влияют на прогрессирование заболевания. Клетки, трансфицированные мутантным SOD1, развивают внутриклеточные агрегаты, подобные тем, которые обнаруживаются у пациентов с БАС. Представленные здесь результаты показывают, что агрегаты SOD1 в трансфицированных клетках являются металлодефицитными. Это было верно независимо от способности мутанта связывать медь (мутанты WTL и MBR). Эти данные также согласуются с предыдущим исследованием, которое показало, что нерастворимый или агрегированный SOD1, выделенный из спинного мозга мышей с БАС, не содержал металла (Lelie et al., 2011). Эти данные предполагают, что либо белок агрегировался до того, как был металлизирован, либо процесс агрегации привел к потере металла.

Агрегация возникающих SOD1 перед металлизацией также подтверждается очень высокой стабильностью большинства металлированных мутаций SOD1, что снижает вероятность их агрегации после того, как они металлизированы (Hayward et al., 2002; Rodriguez et al., 2002). Напротив, апо-SOD1 значительно менее стабилен и содержит большие, внутренне неупорядоченные области, которые делают белок гораздо более склонным к агрегации (Rodriguez et al., 2005; Шоу и Валентайн, 2007; Lelie et al., 2011).

Было показано, что в отличие от SOD1-ALS белковые агрегаты, обнаруживаемые при других нейродегенеративных заболеваниях, включая бляшки амилоида-β при БА и тельца Леви при БП, имеют высокое содержание металлов (железа, меди или цинка) (Selkoe, 2001 ; Lotharius, Brundin, 2002; Лесковян и др., 2009). Например, бляшки AD, которые состоят в основном из агрегированного белка амилоида-β и образуются в головном мозге пациентов-людей, оказались высокообогащенными металлами (кальцием, железом, медью и цинком) по сравнению с окружающей тканью мозга (Lovell et al. al., 1998; Миллер и др., 2006). Однако на мышиной модели БА было обнаружено, что бляшки не содержат повышенных ионов металлов (Leskovjan et al., 2009). Это привело к гипотезе о том, что бляшки AD могут со временем накапливать металл. Что касается БАС, представленные здесь исследования были ограничены моделью болезни на культуре клеток. В будущем потребуются дальнейшие исследования на мышиной модели и / или ткани человека, чтобы определить, сходен ли механизм агрегации белков и роль металлов с другими неврологическими заболеваниями или уникален для БАС.

Концентрация меди ниже в клетках, гиперэкспрессирующих мутации SOD1.

Клетки WT, сверхэкспрессирующие SOD1, содержали значительно больше меди, чем нетрансфицированные клетки. Это увеличение содержания меди демонстрирует, что предположительно имеется достаточно меди, доступной клеткам, чтобы металлировать экспрессированный WT SOD1.

Чтобы изучить влияние мутантного SOD1 на гомеостаз металлов, в этом исследовании использовались два разных типа мутаций SOD1, включая мутации WTL (A4V и G37R), которые, как известно, связывают медь и цинк, и мутации MBR (H80R и D125H), которые не могут связывать медь или цинк (Rodriguez et al., 2002, 2005; Валентин и др., 2005). Результаты показали, что все мутации содержали примерно на 24% меньше меди, чем клетки WT. Кроме того, все мутанты содержали аналогичные концентрации меди независимо от способности связываться с металлами.

Для WT SOD1 предыдущие исследования показали снижение включения меди при чрезмерной экспрессии в культуре клеток (Prudencio et al., 2012). Здесь мы показываем, что содержание меди в клетках WT SOD1 значительно выше, чем в нетрансфицированных клетках, но также предполагает, что все еще недостаточно меди для металлирования сверхэкспрессированного уровня SOD1.Для мутантного SOD1 в этой модели клеточной культуры значительная часть белка принимает ненативную конформацию, которая остается растворимой и свободно подвижной (Prudencio and Borchelt, 2011), также наблюдается снижение связывания меди (Ayers et al., 2014). ). Таким образом, вероятно, что более низкое содержание меди во всех клетках, трансфицированных мутантным SOD1, связано с комбинацией недостаточной доставки меди к клеткам и неэффективного связывания меди с активным сайтом.

Доставка меди в ячейки — это строго регулируемый процесс.Из-за своей потенциальной окислительно-восстановительной активности медь может быть очень токсичной, если ее не контролировать. В результате переносчики меди и белки-шапероны жестко регулируют концентрацию меди в клетке. Поддержание строгого баланса меди имеет решающее значение, и нарушение гомеостаза связано с несколькими заболеваниями, включая БАС (Gaggelli et al., 2006). Для SOD1 медь транспортируется белком-шапероном меди (CCS). CCS содержит SOD1-связывающий домен, который имеет приблизительно 50% гомологию аминокислотной последовательности с SOD1, что важно для распознавания и связывания SOD1 (Schmidt et al., 1999). Все четыре мутации, исследованные в этом исследовании, имеют остатки, которые находятся в гомологичном связывающем домене CCS, что может препятствовать эффективному связыванию CCS с SOD1, возможно, изменяя транспорт меди. Хотя в этом исследовании уровни CCS не измерялись, в будущих исследованиях будет напрямую рассмотрен вопрос о транспортировке меди.

Взятые вместе, наши результаты подтверждают взаимосвязь между агрегатами с дефицитом металлов и пониженным содержанием меди, обнаруживаемым в клетках, сверхэкспрессирующих мутантный SOD1.Мы предполагаем, что сверхэкспрессия SOD1 создает дополнительную потребность клетки в Cu, которая не удовлетворяется для WT или мутантного SOD1. В мутанте SOD1 нарушение транспорта меди к белку может даже дополнительно снизить содержание меди в клетке. Поскольку мутантные белки менее стабильны, чем SOD1 дикого типа, а медь менее доступна, происходит образование агрегатов мутантного белка SOD1 с дефицитом металлов.

Одним из ограничений этой работы является то, что в ней использовалась модель клеточной культуры, которая не всегда коррелирует с заболеванием in vivo .Тем не менее, представленные здесь данные согласуются с нашими предыдущими исследованиями нерастворимых агрегатов, извлеченных из спинного мозга мышей, которые, как было обнаружено, не содержат металлов. В будущем будет важно изучить содержание металлов в этих агрегатах непосредственно в ткани спинного мозга мышей с моделями SOD1-ALS. Также необходимо оценить уровни CCS и его способность вводить медь в SOD1. Наконец, окончательным экспериментом было бы измерение агрегатов в тканях человека, но мутации SOD1 составляют очень небольшое количество случаев БАС (~ 2.5%), поэтому количество доступных тканей человека очень ограничено. Однако очевидно, что сочетание этих исследований значительно расширило бы наше понимание металлизации SOD1 в отношении ALS.

Выводы

Как гомеостаз ионов металлов, так и образование агрегатов вовлечены в прогрессирование болезни БАС. В этом исследовании использовалась модель культуры клеток SOD1-ALS для систематического изучения гомеостаза ионов металлов и образования агрегатов в клеточной среде.Результаты показали увеличение содержания меди при сверхэкспрессии SOD1 WT, которое снижалось в клетках, трансфицированных мутантным SOD1, что свидетельствует о нарушении гомеостаза меди. Кроме того, было обнаружено, что агрегаты не содержат металлов, что подтверждает гипотезу о том, что они образуются без связывания металлов, которое стабилизирует белок. Понимание роли металлов в агрегате SOD1 может привести к разработке улучшенных лекарственных препаратов для предотвращения образования агрегатов и, надеюсь, предотвращения прогрессирования заболевания.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа частично поддержана грантом Национального института неврологических заболеваний и инсульта (P01 NS049134 — Программный проект; Дэвид Р. Борчелт). NSLS финансируется Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук в соответствии с контрактом DE-AC02-98Ch20886.Использование усовершенствованного источника фотонов в Аргоннской национальной лаборатории было поддержано Министерством энергетики США, Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, по контракту № DE-AC02-06Ch21357.

Ссылки

  • Абель О., Шатунов А., Джонс А. Р., Андерсен П. М., Пауэлл Дж. Ф., Аль-Чалаби А. (2013). Разработка приложения для смартфонов для генетического сайта: онлайн-генетическая база данных по боковому амиотрофическому склерозу (ALSoD). JMIR Mhealth Uhealth 1: e18 10.2196 / mhealth.2706 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Эйерс Дж., Лели Х., Уоркман А., Пруденсио М., Браун Х., Фромхольт С. и др. (2014). Отличительные особенности вариантов супероксиддисмутазы 1 D101N и D101G; две мутации, вызывающие быстро прогрессирующее заболевание двигательных нейронов. J. Neurochem. 128, 305–314 10.1111 / jnc.12451 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Bertoncini C. W., Jung Y. S., Fernandez C. O., Hoyer W., Griesinger C., Jovin T.М., et al. (2005). Высвобождение дальнодействующих третичных взаимодействий усиливает агрегацию нативно неструктурированного α-синуклеина. Proc. Natl. Акад. Sci. США 102, 1430–1435 10.1073 / pnas.0407146102 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Borchelt D. R., Lee M. K., Slunt H. S., Guarnieri M., Xu Z. S., Wong P. C. и др. (1994). Супероксиддисмутаза 1 с мутациями, связанными с семейным боковым амиотрофическим склерозом, обладает значительной активностью. Proc. Natl. Акад. Sci. США 91, 8292–8296 10.1073 / pnas.91.17.8292 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Bruijn L., Miller T., Cleveland D. (2004). Раскрытие механизмов, участвующих в дегенерации двигательных нейронов при БАС. Анну. Rev. Neurosci. 27, 723–749 10.1146 / annurev.neuro.27.070203.144244 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Буш А. (2003). Металлобиология болезни Альцгеймера. Trends Neurosci. 26, 207–214 10.1016 / S0166-2236 (03) 00067-5 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Дэн Х.X., Hentati A., Tainer J. A., Iqbal Z., Cayabyab A., Hung W. Y. и др. (1993). Боковой амиотрофический склероз и структурные дефекты супероксиддисмутазы Cu, Zn. Наука 261, 1047–1051 10.1126 / science.8351519 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Добл А. (1996). Фармакология и механизм действия рилузола. Неврология 47 (Приложение 4), S233 – S241 10.1212 / wnl.47.6_suppl_4.233s [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Эллерби Л. М., Кабелли Д. Э., Грейден Дж. А., Валентин Дж.С. (1996). Медно-цинковая супероксиддисмутаза: почему не зависит от pH? Варенье. Chem. Soc. 118, 6556–6561 10.1021 / ja953845x [CrossRef] [Google Scholar]
  • Гаггелли Э., Козловски Х., Валенсин Д., Валенсин Г. (2006). Гомеостаз меди и нейродегенеративные нарушения (болезнь Альцгеймера, прионная болезнь, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз). Chem. Ред. 106, 1995–2044 гг. 10.1021 / cr040410w [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Hayward L., Rodriguez J., Kim J., Tiwari A., Goto J., Cabelli D., и другие. (2002). Снижение металлизации и активности в подмножествах мутантных супероксиддисмутаз, связанных с семейным боковым амиотрофическим склерозом. J. Biol. Chem. 277, 15923–15931 10.1074 / jbc.m112087200 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Хуанг Х., Этвуд С. С., Мойр Р. Д., Хартсхорн М. А., Вонсаттель Дж. П., Танзи Р. Э. и др. (1997). Индуцированная цинком агрегация Aβ1-40 при болезни Альцгеймера опосредуется конформационными факторами. J. Biol. Chem. 272, 26464–26470 10.1074 / jbc.272.42.26464 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Карч К., Пруденсио М., Винклер Д., Харт П., Борчелт Д. (2009). Роль мутантного окисления и агрегации дисульфида SOD1 в патогенезе семейного БАС. Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 7774–7779 10.1073 / pnas.0
  • 5106 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ли Дж. П., Герин К., Биндокас В. П., Миллер Р., Гэдж Дж., Роос Р. П. (2002). Отсутствует корреляция между агрегатами супероксиддисмутазы Cu / Zn и гибелью клеток при семейном боковом амиотрофическом склерозе. J. Neurochem. 82, 1229–1238 10.1046 / j.1471-4159.2002.01056.x [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Лели Х. Л., Либа А., Бурасса М. В., Чаттопадхай М., Чан П. К., Гралла Э. Б. и др. (2011). Статус медного и цинкового металлизации медно-цинковой супероксиддисмутазы у трансгенных мышей с боковым амиотрофическим склерозом. J. Biol. Chem. 286, 2795–2806 10.1074 / jbc.m110.186999 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Лесковян А. К., Ланциротти А., Миллер Л. М. (2009). Амилоидные бляшки у мышей PSAPP связывают меньше металла, чем бляшки при болезни Альцгеймера человека.Нейроизображение 47, 1215–1220 10.1016 / j.neuroimage.2009.05.063 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Лилл К. М., Абель О., Бертрам Л., Аль-Чалаби А. (2011). В ногу с генетическими открытиями в области бокового амиотрофического склероза: базы данных ALSoD и ALSGene. Амиотроф. Боковой склер. 12, 238–249 10.3109 / 17482968.2011.584629 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Lotharius J., Brundin P. (2002). Патогенез болезни Паркинсона: дофамин, везикулы и альфа-синуклеин.Nat. Rev. Neurosci. 3, 932–942 10.1038 / nrn983 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ловелл М., Робертсон Дж., Тисдейл В., Кэмпбелл Дж., Маркесбери В. (1998). Медь, железо и цинк в старческих бляшках при болезни Альцгеймера. J. Neurol. Sci. 158, 47–52 10.1016 / s0022-510x (98) 00092-6 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Луценко С., Бхаттачарджи А., Хаббард А. Л. (2010). Мозг по обработке меди. Металломика 2, 596–608 10.1039 / c0mt00006j [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Мэйнард К.Дж., Буш А. И., Мастерс К. Л., Каппай Р., Ли К. Х. (2005). Металлы и амилоид при болезни Альцгеймера. Int. J. Exp. Патол. 86, 147–159 10.1111 / j.0959-9673.2005.00434.x [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Миллер Р. Г., Митчелл Дж. Д., Лайон М., Мур Д. Х. (2007). Рилузол при боковом амиотрофическом склерозе (БАС) / заболевании двигательных нейронов (БДН). Кокрановская база данных Syst. Ред. 1: CD001447 10.1002 / 14651858.CD001447 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Миллер Л., Ван К., Теливала Т., Смит Р., Ланциротти А., Миклосси Дж. (2006). Инфракрасные и рентгеновские изображения на основе синхротрона показывают очаговое накопление Cu и Zn, локализованных вместе с β-амилоидными отложениями при болезни Альцгеймера. J. Struct. Биол. 155, 30–37 10.1016 / j.jsb.2005.09.004 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Пруденсио М., Борчелт Д. Р. (2011). Мутации, кодирующие супероксиддисмутазу 1, связанные с БАС, принимают целый спектр неправильно свернутых состояний. Мол. Neurodegener. 6:77 10.1186 / 1750-1326-6-77 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Prudencio M., Харт П. Дж., Борчелт Д. Р., Андерсен П. М. (2009). Различия в склонностях к агрегации среди ALS-ассоциированных вариантов SOD1: корреляция с заболеванием человека. Гм. Мол. Genet. 18, 3217–3226 10.1093 / hmg / ddp260 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Пруденсио М., Лели Х., Браун Х., Уайтлегдж Дж. П., Валентин Дж. С., Борчелт Д. Р. (2012). Новый вариант супероксиддисмутазы 1 человека, несущий связанные с боковым амиотрофическим склерозом и экспериментальные мутации в металлсвязывающих остатках и свободных цистеинах, не обладает токсичностью in vivo.J. Neurochem. 121, 475–485 10.1111 / j.1471-4159.2012.07690.x [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Куоллс Д. А., Кросби К., Браун Х., Борчелт Д. Р. (2013a). Анализ взаимодействий между флуоресцентно-меченным мутантом и SOD1 дикого типа во внутриклеточных включениях. PLoS One 8: e83981 10.1371 / journal.pone.0083981 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Куоллс Д. А., Пруденсио М., Робертс Б. Л., Кросби К., Браун Х., Борчелт Д. Р. (2013b).Особенности человеческого SOD1 дикого типа ограничивают взаимодействия с неправильно свернутыми агрегатами G86R Sod1 мыши. Мол. Neurodegener. 8:46 10.1186 / 1750-1326-8-46 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Родригес Дж. А., Шоу Б. Ф., Дуразо А., Сон С. Х., Дусетт П. А., Нерсисян А. М. и др. (2005). Дестабилизации апопротеина недостаточно для объяснения патогенеза БАС, связанного с Cu, Zn-супероксиддисмутазой. Proc. Natl. Акад. Sci. США 102, 10516–10521 10.1073 / pnas.0502515102 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Rodriguez J.А., Валентин Дж. С., Эггерс Д. К., Роу Дж. А., Тивари А., Браун Р. Х. и др. (2002). Семейные мутации, связанные с боковым амиотрофическим склерозом, снижают термическую стабильность явно металлированных видов супероксиддисмутазы меди / цинка человека. J. Biol. Chem. 277, 15932–15937 10.1074 / jbc.m112088200 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Шмидт П. Дж., Рэй Т. Д., Пуфал Р. А., Хамма Т., Стрейн Дж., О’Халлоран Т. В. и др. (1999). Множественные белковые домены способствуют действию шаперона меди на супероксиддисмутазу.J. Biol. Chem. 274, 23719–23725 10.1074 / jbc.274.34.23719 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Ситараман С. В., Винклер Д. Д., Тейлор А. Б., Цао Х., Уитсон Л. Дж., Дусетт П. А. и др. (2010). Нарушены сайты связывания цинка в структурах патогенных вариантов SOD1 D124V и H80R. Биохимия 49, 5714–5725 10.1021 / bi100314n [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Selkoe D. J. (2001). Болезнь Альцгеймера: гены, белки и терапия. Physiol. Ред. 81, 741–766 [PubMed] [Google Scholar]
  • Селкое Д.Дж. (2003). Смертельное сворачивание белков. Природа 426, 900–904 10.1038 / nature02264 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Селкое Д. Дж. (2004). Клеточная биология неправильного свертывания белков: примеры болезней Альцгеймера и Паркинсона. Nat. Cell Biol. 6, 1054–1061 10.1038 / ncb1104-1054 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Шоу Б., Валентайн Дж. (2007). Как связанные с БАС мутации в супероксиддисмутазе 1 способствуют агрегации белка? Тенденции Биохим. Sci. 32, 78–85 10.1016 / j.tibs.2006.12.005 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Шоу Б. Ф., Лели Х. Л., Дуразо А., Нерсисян А. М., Сюй Г., Чан П. К. и др. (2008). Нерастворимые в моющих средствах агрегаты, связанные с боковым амиотрофическим склерозом у трансгенных мышей, содержат в основном полноразмерную немодифицированную супероксиддисмутазу-1. J. Biol. Chem. 283, 8340–8350 10.1074 / jbc.m707751200 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Смит А. П., Ли Н. М. (2007). Роль цинка в БАС. Амиотроф.Боковой склер. 8, 131–143 10.1080 / 17482960701249241 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Soto C. (2003). Раскрытие роли неправильного свертывания белков в нейродегенеративных заболеваниях. Nat. Rev. Neurosci. 4, 49–60 10.1038 / nrn1007 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Soto C. (2013). Неправильная укладка белков при нейродегенеративных заболеваниях: ключевые нерешенные вопросы. J. Neurol. Пер. Neurosci. 1, 1010–1014 [Google Scholar]
  • Валентин Дж., Дусетт П., Поттер С. (2005). Медно-цинковая супероксиддисмутаза и боковой амиотрофический склероз.Анну. Rev. Biochem. 74, 563–593 10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161647 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
  • Vonk W., Klomp L. (2008). Роль переходных металлов в патогенезе бокового амиотрофического склероза. Биохим. Soc. Пер. 36 (Pt. 6), 1322–1328 10.1042 / bst0361322 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Медный шлак — обзор

В самом деле, это, вероятно, является основным фактором изменения тенденций, наблюдаемых в данных прочности, представленных в литературе, и это может Это хорошо видно из всех данных, представленных в Таблице 4.3 в двух формах, а именно исследования, в которых, возможно, разумно, чтобы два набора смесей, смесь CS и соответствующая эталонная смесь без CS, имели одинаковую консистенцию, и эти результаты представлены в таблице 4.3 (a), и где соотношение вода / цемент считалось основным фактором и оставалось постоянным, даже если консистенция изменялась, и эти результаты представлены в Таблице 4.3 (b).

Таблица 4.3. Анализ данных по прочности на сжатие, представленных в литературе по различным исследованиям

Примечание: a: 28-дневная прочность куба на сжатие; b: относительная прочность смеси CS по отношению к эталонной смеси; c: среднее относительное значение при различном содержании CS; d: общее среднее; e: общее среднее всех данных. GC , геополимербетон; HPC , высокопрочный бетон; HSC , бетон высокопрочный; МО , миномет; НСК , бетон нормальной прочности; W.R.T , в отношении.

Ссылка: [1] Аль-Джабри (2006), [2] Аль-Джабри и др., 2009a; [3] Аль-Джабри и др., 2009b; [4] Аль-Джабри и др., 2011; [5] Альнуайми, 2009; [6] Альнуайми, 2012; [7] Amarnaath et al., 2015; [8] Ambily et al., 2015; [9] Анджана и др., 2015; [10] Anudeep et al., 2015; [11] Аривалаган, 2013; [12] Аяно и Саката, 2000; [13] Бахадур и Наяк, 2012; [14] Бринда и Наган, 2010a; [15] Бринда и Наган, 2010b; [16] Бринда и Наган, 2011; [17] Brindha et al., 2010; [18] Cachim et al., 2009; [19] Чаван и Кулкарни, 2013; [20] Cheong et al., 2007; [21] Де Схеппер и др., 2015; [22] Дхарани и др., 2015; [23] Гош, 2007; [24] Гауда и Балакришна, 2014; [25] Hwang and Laiw, 1989; [26] Иллаяраджа и др., 2014; [27] Джайвигнеш и Гандхимати, 2015; [28] Джебитта и София, 2015; [29] Karthick et al., 2014; [30] Каятри и др., 2014; [31] Kharade et al., 2013; [32] Кох и Лай, 2012; [33] Кумар, 2012; [34] Кумар и Махеш, 2015; [35] Лима и Суганья, 2015; [36] Madany et al., 1991; [37] Мадхесваран и др., 2014; [38] Мадху и Венкатаратнам, 2015; [39] Махендран и Аруначелам, 2015; [40] Махмуд и Хашми, 2014; [41] Меринклайн и др., 2013; [42] Митхун и Нарасимхан, 2016; [43] Mithun et al., 2015a; [44] Наганур и Четан, 2014; [45] Натараджа и др., 2014a; [46] Натараджа и др., 2014b; [47] Назер и др., 2012; [48] ​​Патил, 2015; [49] Патнаик и др., 2015; [50] Пажани, 2010; [51] Пинг, 2011; [52] Поозвижи, Катирвел, 2015; [53] Прадип и Рама, 2014; [54] Пракаш и Бринда, 2012; [55] Saxena, 2015b; [56] Приянка и Тахира, 2013; [57] Rajkumar et al., 2015; [58] Resende et al., 2008; [59] Хан и др., 2015a; [60] Хан и др., 2015b; [61] Sabarishri et al., 2015; [62] Сактиесваран и Ганесан, 2013; [63] Сактиесваран и Ганесан, 2014a; [64] Сактиесваран и Ганесан, 2014b; [65] Сарасвати и др., 2014; [66] Saxena, 2015a; [67] Shoya et al., 1997; [68] Шоя и др., 1999; [69] Шоя и др., 2003; [70] Шринивас и Муранал, 2015; [71] Сударвижи, Илангован, 2011; [72] Сударвижи, Илангован, 2012; [73] Суреш и Кишор, 2013; [74] Суреш и Равикумар, 2015; [75] Сушма и др., 2015; [76] Там, 2001; [77] Тамил и др., 2014; [78] Томас и др., 2012; [79] Тивари и Бхаттачарья, 2013; [80] Tokuhashi et al., 2001; [81] Вамси и Кишор, 2013; [82] Vamsit al, 2013; [83] Велумани, Нирмалкумар, 2014; [84] Vimarsh et al., 2014; [85] Wu et al., 2010a.

Примечание *: Средние данные не включают результаты Al-Jabri et al. (2009a) из-за возможной проблемы уплотнения бетона из-за низкой осадки, а также Сударвижи и Илангован (2011, 2012) для использования медного шлака в сочетании со шлаком черных металлов.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Агрегаты медных нанокластеров с регулируемым размером и их применение для определения сероводорода на бумажных устройствах

Синтез агрегатов PSS-PA-Cu NC

Агрегаты Cu NC могут быть получены путем нейтрализации заряда и последующей агрегации комплексов тиолата меди путем либо изменение фракции неорганического растворителя, либо значение pH раствора 24 .Таким образом, мы предположили, что добавление полиэлектролитов к раствору и, таким образом, изменение электростатического взаимодействия между каждым NC может быть использовано для точного контроля степени агрегации NC PA-Cu. Чтобы проверить это, в подготовленные агрегаты PA-Cu NC вводили различные заряженные полиэлектролиты, включая PSS, полиакриловую кислоту, полиметакриловую кислоту, полиэтиленгликоль и полиэтиленимин. Мы наблюдали, что только агрегаты НК PSS-PA-Cu оставались хорошо диспергированными в растворе, тогда как другие полиэлектролиты сильно осаждали НК PA-Cu (рис.S1).

Выдающуюся стабильность НК PSS-PA-Cu по сравнению с другими полиэлектролитами можно объяснить сильным отталкиванием поверхностных лигандов PSS, которые имеют сильные колумбические взаимодействия (энергия связи 821,8 кДж) с ионами Cu 2+ 25 . Бензолсульфонат натрия в качестве контроля не диспергировал агрегаты PA-Cu NC. Лучшая стабильность агрегатов PSS-PA-Cu NC была объяснена гидрофобным взаимодействием между полимерными агрегатами Cu-тиолата и основной цепью PSS.

Чтобы выяснить выдающуюся стабильность агрегатов PSS-PA-Cu NC в водной среде, агрегаты были приготовлены при различных концентрациях PSS (0,005–0,5 мас.%). В качестве контроля были приготовлены агрегаты НК PA-Cu в отсутствие PSS. На рис. 1а показано, что агрегация НК PSS-PA-Cu уменьшается с увеличением доли PSS. Свежеприготовленные НК PSS-PA-Cu становились полностью диспергированными, когда доля PSS превышала 0,1 мас.%. При УФ-возбуждении интенсивность ФЛ НК ПСС-ПА-Cu снижалась с увеличением доли ПСС, что означает, что более высокая доля ПСС приводит к более мелким агрегатам НК ПСС-ПА-Cu.Хотя механизм индуцированного агрегацией излучения нанокластеров благородных металлов остается неуловимым, предполагается, что существование более крупных агрегатов ограничивает межмолекулярные колебания и вращение нанокластеров, чтобы ингибировать безызлучательные процессы 14 .

Рисунок 1

( a ) Фотографии агрегатов НК PSS-PA-Cu, синтезированных при различных концентрациях PSS от 0,005–0,5 мас.%. Верхний ряд отображается при дневном освещении, а нижний ряд — при УФ-освещении.( b ) DLS-анализ и ( c ) дзета-потенциал агрегатов PSS-PA-Cu NC в присутствии различных концентраций PSS от 0,005–0,5 мас.%. ( d ) Схема, изображающая вероятный механизм того, как PSS стабилизирует агрегаты PA-Cu NC.

Различные образцы агрегатов PSS-PA-Cu NC были подвергнуты DLS-анализу, чтобы понять, как концентрация PSS влияет на размер агрегатов. Как показано на рис. 1b, размер агрегатов НК PA-Cu уменьшился с 5.От 5 мкм до 2,4 мкм после введения 0,005 мас.% PSS. Когда концентрация PSS достигала 0,1 мас.%, Размер агрегатов PSS-PA-Cu NC значительно уменьшался до 152 нм, наряду с уменьшением стандартного отклонения размера агрегатов, что указывает на образование гомогенных агрегатов PSS-PA-Cu NC. . Результат подтвердил нашу гипотезу о том, что PSS эффективно стабилизирует агрегаты PA-Cu NC. Более высокие фракции PSS (> 0,1 мас.%) Не образуют более мелких агрегатов PSS-PA-Cu NC, что позволяет предположить, что раствор достигает критической концентрации PSS (теоретически ~ 0.05 мМ) 26 .

Поверхностный заряд агрегатов PSS-PA-Cu NC при различных концентрациях PSS был также исследован путем измерения дзета-потенциала раствора. Как показано на рис. 1c, агрегаты PA-Cu NC были слегка положительно заряженными, тогда как все агрегаты PSS-PA-Cu NC были отрицательно заряжены из-за наличия сильно заряженных сульфонатных групп на основной цепи PSS. Схема на рис. 1d суммирует вероятный механизм образования агрегатов PSS-PA-Cu NC. НК PSS-PA-Cu, полученные с использованием 0.1 мас.% PSS были охарактеризованы и использовались в дальнейшем из-за их высокой дисперсности и сильной люминесценции.

Характеристика агрегатов PSS-PA-Cu NC

Структура агрегатов PSS-PA-Cu NC была охарактеризована с помощью HR-TEM. Изображения агрегатов (рис. S2) кажутся расплывчатыми из-за присутствия большого количества фрагментов PSS на поверхности. На основании наблюдений с помощью просвечивающей электронной микроскопии средний размер отдельных НК Cu в агрегатах НК PSS-PA-Cu был оценен как 1,7 нм (n = 100). Результаты DLS показали, что размер агрегатов НК PSS-PA-Cu составлял 152 нм.Это несоответствие можно объяснить нашим наблюдением небольших НК PA-Cu на изображениях ПЭМ, в то время как анализ методом DLS выявил общую структуру агрегатов.

MALDI-TOF-MS был использован для анализа состава агрегатов PSS-PA-Cu NC. Как показано на рис. S3, имеется широкая полоса при 4120 Да, указывающая на существование разновидностей разного размера. Для уточнения состава агрегатов НК ПСС-ПА-Cu было исследовано несколько контрольных образцов. Молекулы PSS обнаруживают широкую полосу при 6000 Да, что означает, что молекулы PSS несут более 10 зарядов.Напротив, для агрегатов NC PA-Cu не наблюдалось сигнала (данные не показаны), что объяснялось низкой эффективностью ионизации крупных агрегатов. В результате полоса m / z , наблюдаемая при 4120 Да в образце НК PSS-PA-Cu, по-видимому, возникла из агрегатов НК PA-Cu. Более того, состав этой полосы был присвоен Cu 25 PA 18 в соответствии с моделью магического числа НК благородных металлов 10,27 . Хвостовая полоса, наблюдаемая при 6047 Да для этого же образца, была отнесена к молекулам PSS.Было отмечено, что интактные агрегаты НК PSS-PA-Cu не были идентифицированы из-за фрагментации из-за слабых нековалентных связывающих взаимодействий между PSS и НК PA-Cu. Стоит отметить, что использование полиэлектролитов для диспергирования тяжелых агрегатов NC помогает в определении характеристик MALDI-TOF-MS. Насколько нам известно, это первый раз, когда агрегаты Cu NC были охарактеризованы с помощью MALDI-TOF-MS. Мы считаем, что этот метод обеспечивает альтернативный подход к изучению сильно агрегированных NC, которые были получены с помощью методов агрегации, индуцированной pH или растворителем.

Оптические свойства агрегатов НК PSS-PA-Cu

Агрегаты НК PSS-PA-Cu показали самую сильную полосу излучения при 665 нм при возбуждении на 325 нм (рис. 2). Спектр возбуждения НК PSS-PA-Cu показал острый пик, расположенный при 325 нм, что хорошо согласуется со спектром поглощения материала (рис. S4). Повышенное значение поглощения в областях> 300 нм подразумевает наличие переноса заряда лиганда на металл, что обычно встречается в НК благородных металлов 13,15,28 .Отсутствие полосы поглощения в видимом диапазоне длин волн указывает на то, что размер агрегатов НК PSS-PA-Cu был слишком мал, чтобы поддерживать плазмонный резонанс, что согласуется со средним размером агрегатов, измеренным с помощью ПЭМ. Используя сульфат хинина в качестве стандарта (QY 54%), QY агрегатов PSS-PA-Cu NC было определено как 8%, что сопоставимо с предыдущими отчетами для Cu NC и PA-Au NC агрегатов 29,30 .

Рисунок 2

Спектры возбуждения (черная пунктирная линия) и излучения (черная сплошная линия) НК PSS-PA-Cu.

Длины волн возбуждения и излучения составляли 325 нм и 665 нм соответственно.

Стабильность PSS-PA-Cu NC PL была исследована при различных значениях pH и ионной силе. Подобно предыдущим сообщениям о НК PA-Cu и агрегатах PA-Au-Cu NC, люминесценция агрегатов НК PSS-PA-Cu оказалась очень чувствительной к pH раствора (рис. S5). Люминесценция НК PSS-PA-Cu снижалась при увеличении pH с 3,0 до 7,0 из-за уменьшения меж / внутримолекулярных водородных связей молекул PA.Среды с высокой ионной силой также сильно повлияли на PL агрегатов PSS-PA-Cu NC (рис. S6). Их люминесценция уменьшалась на 69% в присутствии 10 мМ NaCl. Напротив, среды с сильной ионной силой мало влияли на агрегаты PA-Cu NC (рис. S7).

Различная реакция агрегатов PSS-PA-Cu NC и PA-Cu NC на соль может происходить по двум причинам. Во-первых, для потенциальных тушителей ФЛ, таких как кислород, относительно легче получить доступ в растворе к НК PSS-PA-Cu меньшего размера. Сильно агрегированные НК PA-Cu будут ингибировать эффективность тех же самых гасящих молекул.Во-вторых, конформация PSS чувствительна к соли из-за экранирующих эффектов внутри- и межцепочечных электростатических взаимодействий. Цепь полииона постепенно скручивается с увеличением концентрации соли, вызывая снижение вязкости PSS. В таких условиях PSS больше не может стабилизировать агрегаты PA-Cu NC, что вызывает тушение PL.

Добавление высоковязкого глицерина к раствору образца помогло снизить солевую чувствительность агрегатов PSS-PA-Cu NC. При добавлении 50% глицерина ФЛ агрегатов НК ПСС-ПА-Cu не изменялась в присутствии 50 мМ NaCl (рис.S8). Повышенная стабильность PL объясняется снижением экранирующего эффекта соли. В результате ко всем чувствительным растворам добавляли 50% глицерина, чтобы повысить солеустойчивость зондов в последующих экспериментах.

Фотостабильность НК PSS-PA-Cu также была лучше, чем у агрегатов НК PA-Cu, как показано на рис. 3. После 6-часового УФ-облучения ФЛ агрегатов НК PSS-PA-Cu снизилась менее чем на 19%. . Напротив, ФЛ агрегатов НК ПА-Cu пропадала через 1 ч УФ-облучения.Лучшая фотостабильность НК ПСС-ПА-Cu может быть объяснена переносом высокоэнергетических возбужденных состояний от агрегатов НК ПА-Cu к поверхностным молекулам ПСС. Таким образом, состав и конформация НК PSS-PA-Cu остаются неизменными при УФ-облучении. Подобные явления наблюдались в полупроводниковых квантовых точках с полимерным покрытием 31 .

Рисунок 3

Фотостабильность агрегатов PSS-PA-Cu NC (0,05 ×) и агрегатов PA-Cu NC (0,05 ×), приготовленных в натрий-фосфатных буферных растворах (pH 3.0,10 мМ).

Длина волны возбуждения 325 нм.

Обнаружение H

2 S агрегатами PSS-PA-Cu NC

Для обнаружения H 2 S 32,33 использовались различные методы и платформы, такие как хроматография, электрохимия, титрование и методы на основе транзисторов , 34,35,36,37,38 . Однако эти методы часто требуют утомительной предварительной обработки образцов, дорогостоящего оборудования, большого количества образцов и / или хорошо обученного персонала, что является проблематичным для практического применения.Напротив, PL является многообещающим методом обнаружения малых молекул из-за короткого времени обнаружения, простоты управления и высокого пространственного и временного разрешения 39,40 . Для обнаружения H 2 S ФЛ НК PSS-PA-Cu полностью гасилась в течение 1 мин после добавления 20 мкМ H 2 S. Механизм гашения объясняли образованием более крупных нелюминесцентных частиц CuS, которые наблюдались с помощью изображений ПЭМ (рис. S9). Также увеличился средний диаметр отдельных НК ПА-Cu (с 1 до 1 мм).От 7 нм до 4,2 нм).

НК агрегаты PA-Cu не могут быть применены для обнаружения H 2 S, так как PL этих агрегатов уменьшается менее чем на 16% в присутствии 20 мкМ H 2 S. Реакция PL на H 2 S также является случайным (рис. S10). Низкая чувствительность агрегатов НК PA-Cu обусловлена ​​наличием крупных агрегатов, которые препятствуют доступу H 2 S. На основании этих результатов мы пришли к выводу, что дисперсность агрегатов НК PA-Cu играет важную роль для восприятия. представление.

Интенсивности ФЛ агрегатов НК PSS-PA-Cu в отсутствие и в присутствии H 2 S обозначены как I PL0 и I PL , соответственно. [( I PL0 I PL ) / I PL0 ] агрегатов НК PSS-PA-Cu уменьшается с увеличением концентрации H 2 S (рис. 4a). Линейная зависимость (y = 0,082x + 0,021, R 2 = 0.99) была обнаружена между относительной интенсивностью ФЛ и концентрацией H 2 S в диапазоне 1–20 мкМ. Предел обнаружения (LOD) агрегатов PSS-PA-Cu NC при отношении сигнал / шум 3 для H 2 S был определен как 650 нМ, что намного ниже максимального уровня, разрешенного для питьевой воды. Всемирной организацией здравоохранения (15 мкМ; 500 частей на миллиард). Этот подход обеспечил сопоставимую чувствительность с результатами, полученными другими датчиками H 2 S 32,33,34,35,36,37,38,41 .

Рисунок 4

( a ) Спектры ФЛ агрегатов НК PSS-PA-Cu (0,05 ×) как функция H 2 S. Вставка к ( a ): Линейный график [(I PL0 — I PL ) / I PL0 ] агрегатов PSS-PA-Cu NC в зависимости от концентрации H 2 S в натрий-фосфатных буферных растворах (10 мМ, pH 3,0). ( b ) Селективность агрегатов НК PSS-PA-Cu (0,05 ×) по отношению к H 2 S по сравнению с другими анионами. Концентрации S 2- и CN составляли 20 мкМ; другие потенциально мешающие ионы находились в концентрации 100 мкМ.Смеси готовили в натрий-фосфатных буферных растворах (10 мМ, pH 3,0). I PL0 и I PL — интенсивности ФЛ при 665 нм агрегатов НК PSS-PA-Cu в отсутствие и в присутствии потенциального интерференционного иона соответственно.

Более того, агрегаты НК PSS-PA-Cu также показали выдающуюся селективность в отношении H 2 S. Как показано на рис. 4b, интенсивность ФЛ НК PSS-PA-Cu практически не изменилась в присутствии других потенциальных интерференционных ионов. (100 мкМ), которые можно найти в аналогичных источниках воды ( e.г. SO 4 2-, SO 3 2-, PO 4 3-, CO 3 2-, Ac , NO 3 , NO 2 , ClO 4 , BrO 3 , EDTA 2-, F , Cl , IO 3 , IO 4 , SCN , цитрат, B 4 O 7 2- и CN ), а интенсивность ФЛ снижалась более чем на 50% в присутствии 20 мкМ H 2 С.

Обнаружение H

2 S в образцах родниковой воды

Чтобы проверить жизнеспособность этого зонда для анализа сложных проб окружающей среды, были использованы агрегаты PSS-PA-Cu NC для обнаружения H 2 S в четырех пробы родниковой воды. Эти образцы воды содержали разные интерференционные ионы и имели разные значения pH (1,6–7,5). Для определения концентрации H 2 S в этих образцах родниковой воды с целью сравнения и подтверждения измерений, выполненных с использованием нашего собственного зонда NC, использовался традиционный метод испытаний с метиленовым синим.Результаты приведены в таблице 1. Не было обнаружено значительных различий между двумя параллельными методами тестирования H 2 S, что позволяет предположить, что зонды PSS-PA-Cu NC обладают реальным потенциалом для определения состояния окружающей среды. Более того, по сравнению с методом метиленового синего, не было необходимости добавлять ионы Fe 3+ для катализа реакции в нашей сенсорной системе, что делает нашу систему более простой и более широко применимой для использования в пробах окружающей среды с широким диапазоном pH, так как Ионы Fe 3+ имеют тенденцию к образованию Fe (OH) 3 и выпадают в осадок, когда pH больше 7.0 42 .

Таблица 1 H 2 Концентрация S в пробах родниковой воды, определенная агрегатами PSS-PA-Cu NC (n = 3).

Основное преимущество нашего метода на основе PL перед абсорбционными подходами, включая метод метиленового синего, заключается в том, что сенсорные системы на основе PL могут анализировать сложные образцы с сильным цветом фона и мутностью.

μPAD с агрегатами PSS-PA-Cu NC для обнаружения H

2 S

Обычный тест метиленового синего для обнаружения H 2 S требует наличия импинжера и спектрометра для получения результатов.Этот метод относительно трудоемок по сравнению с использованием НК PSS-PA-Cu для измерения H 2 S. В это исследование были дополнительно включены μPAD для достижения низкого расхода образцов, длительного хранения и доставки, а также быстрого мониторинга окружающей среды на месте 43,44 .

Бумага была разработана для биомедицинского зондирования и анализа в условиях ограниченных ресурсов на основе их преимуществ, связанных с необходимостью малого объема образца, быстрым обнаружением, экономической эффективностью, одноразовостью, простотой изготовления и смачиваемостью, что помогает устранить внешние системы управления потоком 19, 20,21,22,23 .Чтобы изучить эффективность распознавания PSS-PA-Cu NC на бумажном устройстве, агрегаты были отмечены в пределах круга, ограниченного гидрофобным воском, ранее напечатанного на целлюлозной бумаге 21 . Это сформировало нашу платформу из наноматериалов — μPAD, используемую здесь для обнаружения H 2 S. Типичная схема показана на рис. 5а.

Рисунок 5

( a ) Типичная схема обнаружения H 2 S на устройстве PSS-PA-Cu NC / μPAD. ( b ) Фотографии включенного / выключенного PSS-PA-Cu NC / μPAD для определения наличия H 2 S в пробах воды горячего источника Бэйтоу для определения невооруженным глазом.Контрольный образец представлял собой фосфатный буферный раствор (pH 3,0, 10 мМ) в отсутствие H 2 S. ( c ) Верхний ряд представляет собой изменение интенсивности ФЛ PSS-PA-Cu NC / μPAD при различных H. 2 S, зафиксированные с помощью смартфона. Нижний ряд представляет собой график относительной интенсивности ФЛ [(I PL0 — I PL ) / I PL0 ] PSS-PA-Cu NC / μPAD при 665 нм в зависимости от H 2 S. Врезка: линейный график [(I PL0 — I PL ) / I PL0 ] агрегатов PSS-PA-Cu NC в зависимости от концентрации H 2 S.Источником света в (b, c ) была ручная УФ-лампа.

Возможность создания этой платформы была впервые подтверждена включением / выключением H 2 S в пробе родниковой воды Бейтоу. Подготовленный μPAD помещали поверх пробирок объемом 20 мл, содержащих 15 мл образца родниковой воды. Из-за кислой среды образца пружины (pH = 1,6) раствор H 2 S испарился в атмосферу, быстро образовав газ H 2 S. Газ H 2 S вызывает гашение ФЛ агрегатов НК PSS-PA-Cu на μPAD.Чтобы ускорить выделение газа H 2 S, образец родниковой воды дополнительно нагревали до 70 ° C. Как показано на рис. 5b, люминесценция платформы значительно уменьшилась после инкубации с образцом родниковой воды при 70 ° C в течение 45 мин. Напротив, PL агрегатов PSS-PA-Cu NC в присутствии контрольного образца показала незначительные изменения при тех же условиях. Стоит отметить, что результаты можно увидеть невооруженным глазом, а также легко записать и передать с помощью смартфона.Следовательно, эту аналитическую платформу можно использовать в качестве датчика включения / выключения для определения H 2 S.

Для дальнейшего получения квазиколичественной концентрации H 2 S в образце и демонстрации возможности высокой пропускной способности и При параллельном анализе различные аликвоты H 2 S (0–100 мкМ, 5 мкл) наносили на устройство PSS-PA-Cu NC / μPAD для построения стандартной калибровочной кривой. Изменение интенсивности ФЛ впервые было зафиксировано смартфоном (рис.5г). Результаты показывают, что интенсивность ФЛ снижалась с увеличением концентрации H 2 S от 0 до 100 мкМ. Калибровочную кривую строили с использованием флюоресцентного ридера для микропланшетов. Диапазон линейного обнаружения составлял 2–10 мкМ (y = 0,0213x + 0,3531, R 2 = 0,99). LOD устройства PSS-PA-Cu NC / μPAD составлял 1 мкМ. Более узкий линейный диапазон и меньшая чувствительность (низкий наклон) устройства PSS-PA-Cu NC / μPAD по сравнению с агрегатами PSS-PA-Cu NC с зондом в растворе были приписаны неоднородной реакции между PSS-PA-Cu NC / μPAD устройство и решения H 2 S.Однако количество каждой тестовой смеси, нанесенной на каждый круг, ограниченный гидрофобным парафином, составляло всего 5 мкл, что делает эту сенсорную платформу H 2 S более быстрой, безопасной и более экономичной по сравнению с одним анализом PL, который обычно требует объем пробы 1 мл. Использование меньшего объема образца и прямое взаимодействие агрегатов НК PSS-PA-Cu с раствором H 2 S (вместо газа H 2 S) позволяет более быстро обнаруживать H 2 S (~ 30 мин. ) по сравнению с однократным анализом ФЛ (~ 60 мин).Что наиболее важно, устройства PSS-PA-Cu NC / μPAD готовы к использованию и более подходят для долгосрочной доставки и хранения по сравнению с агрегатными растворами PSS-PA-Cu NC.

Количественный анализ PSS-PA-Cu NC / μPAD для обнаружения H 2 S был дополнительно подтвержден путем определения концентрации H 2 S в пробах родниковой воды Бэйтоу. Образцы воды (5 мкл) наносили на микропланшеты и анализировали с помощью устройства для чтения микропланшетов. Один из представительных разбавленных образцов показывает, что относительная интенсивность ФЛ линейно возрастает (y = 0.0085x + 0,0697, R 2 = 0,99) (рис. S11) после добавления в растворы родниковой воды Бейтоу различных концентраций Na 2 S в диапазоне 1–20 мкМ. Концентрация H 2 S в пробе родниковой воды составила 410 ± 16 мкМ (n = 3). Обычный метод получения метиленового синего был проведен на той же пробе родниковой воды и определил, что концентрация H 2 S составляла 414 ± 12 мкМ. Основываясь на t-тесте (значение t Стьюдента составляло 1,05 при уровне достоверности 95%, трех степенях свободы), два подхода не дали существенно разных результатов, что указывает на то, что наша платформа PSS-PA-Cu NC / μPAD имеет большой потенциал. для практического анализа окружающей среды.

Связанные селеном иерархические агрегаты фталоцианинов меди как электрохимические катализаторы выделения водорода

Разработка катализаторов из неблагородных металлов для реакции выделения водорода (HER) с превосходной стабильностью и адекватными рабочими характеристиками в кислой среде имеет фундаментальное значение для недорогого производства водорода из возобновляемых источников. В этой работе были приготовлены иерархические агрегаты n -октилселанил ( n -OctSe) замещенный фталоцианин меди (CuPc), которые оценивались как эффективный катализатор для электрохимического HER.Отщепление селеноксида выполнено на ( n -OctSe) 8 -CuPc с H 2 O 2 в двух различных условиях реакции, одно в среде MeOH / DCM при комнатной температуре, а другое в толуоле. при 140 ° C, приводило к образованию наноструктурированных волокнистых агрегатов (FA) и макрочастиц (PAs) соответственно. Структурные и морфологические характеристики полученных иерархических агрегатов были систематически изучены, таким образом, сосуществование ковалентных и нековалентных связей между скелетами CuPc демонстрируется адаптивным структурным упорядочением в режиме наномасштаба.Благодаря уникальному структурному порядку иерархических агрегатов, электрокаталитическое перенапряжение HER ( η ) и характеристики межфазного переноса заряда находятся под большим влиянием. Наноструктурированные ПА показали гораздо более низкое перенапряжение HER (-0,172 В) при плотности тока 10 мА · см -2 по сравнению с перенапряжением HER современных материалов, которые входят в состав полимерных координационных комплексов и первично- металлоорганические каркасы (МОФ). Сопровождаемые высокой стабильностью в кислых условиях, высокоэффективные каталитические свойства ПА показывают многообещающие возможности для разработки новых катализаторов из неблагородных металлов.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй снова?

Химический анализ белков | Thermo Fisher Scientific

Большинство колориметрических методов анализа белков можно разделить на две группы в зависимости от типа химии: те, которые включают хелатирование белок-медь с вторичным обнаружением восстановленной меди, и методы, основанные на связывании белка с красителем с прямым обнаружением изменение цвета, связанное со связанным красителем.

Большинство коммерческих реагентов для анализа белка — это хорошо охарактеризованные, надежные продукты, обеспечивающие стабильные и надежные результаты. Тем не менее, каждый реагент для анализа имеет свои ограничения; базовое понимание химического состава каждого типа анализа необходимо для выбора подходящего метода для данного образца и правильной оценки результатов.

Аналитический состав на основе меди

Пептиды и реакция биурета

Анализы белков на основе меди, включая методы BCA и Лоури, зависят от хорошо известной «реакции биурета», при которой пептиды, содержащие три или более аминокислотных остатка, образуют окрашенный хелатный комплекс с медью. ионы (Cu2 +) в щелочной среде, содержащей тартрат натрия и калия.Это стало известно как реакция биурета, потому что она химически подобна комплексу, который образуется с органическим соединением биурета (Nh3-CO-NH-CO-Nh3) и ионом меди. Биурет, продукт избытка мочевины и тепла, реагирует с медью с образованием светло-голубого тетрадентатного комплекса.

Рисунок 1. Схема реакции биурета. При восстановлении иона меди из двухвалентной меди в одновалентную форму реакция дает слабый сине-фиолетовый цвет.

Рис. 2. Структуры мочевины, биурета и пептида. Поскольку полипептиды имеют структуру, аналогичную биурету, они могут образовывать комплекс с медью в результате реакции биурета.

Отдельные аминокислоты и дипептиды не вызывают биуретовую реакцию, но трипептиды и более крупные полипептиды или белки будут реагировать с образованием комплекса от голубого до фиолетового, который поглощает свет с длиной волны 540 нм. Один ион меди образует цветной координационный комплекс с четырьмя-шестью соседними пептидными связями. Интенсивность окрашивания пропорциональна количеству пептидных связей, участвующих в реакции.Таким образом, биуретовая реакция является основой простого и быстрого одноименного колориметрического реагента для количественного определения общей концентрации белка. Рабочий диапазон анализа биурета составляет 5–160 мг / мл, что достаточно для некоторых типов промышленных применений, но недостаточно чувствительно для большинства потребностей в исследованиях белков.

Анализ белка бицинхониновой кислоты (BCA)

Анализ белка BCA был введен Smith, et al., в 1985 году.С тех пор он стал самым популярным методом колориметрического определения и количественного определения общего белка. Одно из особых преимуществ заключается в том, что, в отличие от других методов, доступных в то время (например, анализов Брэдфорда и Лоури), анализ белка BCA совместим с образцами, которые содержат до 5% поверхностно-активных веществ (детергентов). Кроме того, анализ BCA более равномерно реагирует на различные белки, чем метод Брэдфорда.

BCA Protein Assay объединяет индуцированную белком реакцию биурета (см. Выше) с высокочувствительным и селективным колориметрическим детектированием образующегося катиона одновалентной меди (Cu1 +) с помощью бицинхониновой кислоты (BCA).Таким образом, речь идет о двух шагах. Во-первых, это реакция биурета, слабый синий цвет которой является результатом восстановления иона двухвалентной меди до иона меди. Во-вторых, это хелатирование BCA с ионом меди, в результате чего получается интенсивный пурпурный цвет. Продукт реакции пурпурного цвета образуется при хелатировании двух молекул BCA с одним ионом меди. Комплекс BCA / медь растворим в воде и демонстрирует сильное линейное поглощение при 562 нм при увеличении концентрации белка. Пурпурный цвет можно измерить на любой длине волны от 550 до 570 нм с минимальной (менее 10%) потерей сигнала.Реагент BCA примерно в 100 раз более чувствителен (нижний предел обнаружения), чем реагент биурета.

Рис. 3. Реакция BCA с ионом меди. Две молекулы BCA связываются с каждой молекулой меди, которая была восстановлена ​​пептидно-опосредованной реакцией биурета.

Реакция, которая приводит к образованию цвета BCA в результате восстановления Cu2 +, особенно зависит от присутствия трех конкретных аминокислотных остатков в белках: цистеина / цистина, тирозина и триптофана.По-видимому, эти аминокислоты независимо усиливают восстановление меди в реакции биурета, тем самым вызывая образование окрашенного хелата BCA-Cu1 +. Однако исследования, проведенные с ди- и трипептидами, показывают, что они производят больше цвета, чем можно объяснить четырьмя отдельными BCA-реактивными аминокислотами. Другими словами, пептидный каркас (и, следовательно, общее количество белка) вносит основной вклад в снижение содержания меди в реакции биурета и развитие окраски в анализе BCA.Незначительное межбелковое различие в анализе белка BCA является результатом различий между белками в составе этих трех аминокислот.

Связывание BCA с ионом одновалентной меди эффективно удаляет слабохелатированные пептиды реакции биурета. Эти пептидные группы затем могут свободно связываться с другой молекулой иона меди. Следовательно, если бицинхониновая кислота и медь присутствуют в большом избытке (как они всегда присутствуют в реагентах для анализа белка BCA), анализ белка не достигает конечной точки.Кроме того, скорость цветообразования BCA зависит от температуры инкубации. Следовательно, ключом к получению точных результатов с помощью метода анализа BCA является одновременный анализ стандартов и неизвестных образцов, чтобы они оба получали одинаковое время инкубации и температуру. Предполагая, что анализ проводится таким образом, характеристика анализа позволяет ускорить проявление или дольше ждать появления желаемого цвета по мере необходимости.

Вещества, восстанавливающие содержание меди, также будут давать цвет в анализе BCA, тем самым влияя на точность количественного определения белка.Реагенты, хелатирующие медь, также мешают, уменьшая количество окрашивания BCA, производимого белком. Некоторые отдельные аминокислоты (цистеин или цистин, тирозин и триптофан) также будут окрашивать и мешать анализу BCA. Технические советы и специализированные версии продуктов для анализа белков BCA решают ту или иную из этих проблем несовместимости образцов.

Последним достижением в колориметрических анализах белков является анализ белков BCA от Pierce Rapid Gold, который сохраняет высокую чувствительность и линейность традиционного анализа BCA, но обеспечивает готовые для считывания результаты в течение 5 минут при инкубации при комнатной температуре (RT).Напротив, с традиционными анализами BCA — в зависимости от протокола — время инкубации составляет от 30 минут до 2 часов с температурой от 37 C до 60 C.

Как и традиционный анализ BCA, Pierce Rapid Gold Анализ BCA Protein включает восстановление меди белками в щелочной среде (реакция биурета) для получения чувствительного и селективного колориметрического обнаружения с помощью нового хелатора меди. Количество восстановленной меди пропорционально количеству белка, присутствующего в растворе.Селективный хелатор меди образует комплекс оранжево-золотого цвета, который сильно поглощает свет с длиной волны 480 нм. Эти репрезентативные данные сравнивают эффективность традиционных и недавно адаптированных анализов белка BCA.

Рис. 4. Определение концентрации белка в лизатах с помощью стандартного анализа белков BCA и Pierce Rapid Gold BCA Protein Assay. Оба анализа были проведены в соответствии с протоколами производителя в формате микропланшета. Для стандартного анализа BCA 25 мкл образца добавляли к 200 мкл рабочего реагента BCA и инкубировали в течение 30 минут при 37 ° C.Для анализа белка BCA Pierce Rapid Gold 20 мкл образца добавляли к 200 мкл рабочего реагента Pierce Rapid Gold BCA и инкубировали при комнатной температуре в течение 5 минут.

Анализ белка Лоури

Анализ белка Лоури назван в честь Оливера Х. Лоури, который разработал и представил его (Lowry, et al., 1951). Он предложил значительное улучшение по сравнению с предыдущими анализами белка, и его статья стала одним из наиболее цитируемых источников в научной литературе на многие годы.Модифицированный анализ белка Лоури использует стабильный реагент, который заменяет два нестабильных реагента, описанных Лоури. По сути, анализ представляет собой усовершенствованный анализ биурета, включающий химию хелатирования меди.

Хотя механизм формирования цвета для анализа Лоури аналогичен механизму формирования цвета для анализа на белок BCA, между ними есть несколько существенных различий. Точный механизм образования окраски в анализе Лоури остается плохо изученным. Анализ проводится в два отдельных этапа.Сначала белок реагирует со щелочным сульфатом меди в присутствии тартрата в течение 10 минут при комнатной температуре. Во время инкубации из четырех пептидных связей и одного атома меди образуется тетрадентатный комплекс меди (это «реакция биурета»). Во-вторых, добавляется раствор фосфорно-молибденовой фосфорновольфрамовой кислоты. Это соединение (называемое реагентом фолин-фенол) восстанавливается, давая интенсивный синий цвет. Считается, что усиление цвета происходит, когда тетрадентатный комплекс меди переносит электроны на комплекс фосфомолибден-фосфорновольфрамовая кислота.Синий цвет продолжает усиливаться в течение 30 минут инкубации при комнатной температуре. Было высказано предположение, что во время 30-минутной инкубации перестройка исходного нестабильного синего комплекса приводит к стабильному конечному синему комплексу, который имеет более высокую абсорбцию (Lowry, et al. 1951; Legler, et al. 1985).

Окончательный синий цвет оптимально измеряется при 750 нм, но его можно измерить на любой длине волны от 650 до 750 нм с небольшой потерей интенсивности цвета. Лучше всего измерять цвет на длине волны 750 нм, поскольку некоторые другие вещества поглощают свет с такой длиной волны.

Рис. 5. Краткое описание протокола модифицированного анализа белка Лоури.

Для небольших пептидов количество цвета увеличивается с размером пептида. Присутствие любого из пяти аминокислотных остатков (тирозин, триптофан, цистеин, гистидин и аспарагин) в пептиде или белковом каркасе дополнительно усиливает цвет, поскольку они вносят дополнительные восстанавливающие эквиваленты для дальнейшего восстановления комплекса фосфорномолибденовая / фосфорновольфрамовая кислота.За исключением тирозина и триптофана, свободные аминокислоты не будут давать окрашенного продукта с реактивом Лоури; однако можно обнаружить большинство дипептидов. В отсутствие какой-либо из пяти аминокислот, перечисленных выше в основе пептида, белки, содержащие остатки пролина, имеют более низкий цветовой отклик с реагентом Лоури из-за того, что аминокислота препятствует образованию комплексов.

В отличие от анализа BCA, стадия вторичного связывания в методе Лоури не включает отщепление хелата пептид-медь.Таким образом, метод Лоури является эффективным методом анализа конечной точки. Хотя всегда лучше включать внутренние стандарты в любой анализ белка, можно получить разумные оценки белка с помощью этого метода анализа, сравнивая с ранее построенной стандартной кривой.

Протокол требует, чтобы феноловый реагент Folin был добавлен в каждую пробирку точно в конце десятиминутной инкубации. При щелочном pH реагента Лоури феноловый реагент Folin практически сразу инактивируется.Таким образом, лучше всего добавлять феноловый реагент Folin в точное время, одновременно перемешивая каждую пробирку. Поскольку это несколько обременительно, для получения стабильных результатов требуется некоторая практика. Это также ограничивает общее количество образцов, которые могут быть проанализированы за один прогон. Если используется десятисекундный интервал между пробирками, максимальное количество пробирок, которое может быть проанализировано в течение десяти минут, составляет шестьдесят (10 секунд на пробирку x 60 пробирок = 600 секунд или 10 минут).

Реагент для анализа Лоури образует осадки в присутствии детергентов или ионов калия.Когда причиной являются ионы калия, проблему иногда можно решить путем центрифугирования пробирки и измерения цвета надосадочной жидкости. Большинство поверхностно-активных веществ вызывают осаждение реагента даже при очень низких концентрациях. Единственным исключением является додецилсульфат натрия (SDS), который совместим с реагентом при концентрациях до 1% в образце. Хелатирующие агенты препятствуют связыванию меди и предотвращению образования комплекса медных пептидных связей. Восстанавливающие агенты и свободные тиолы также мешают восстановлению фосфовольфрамат-фосфомолибдатного комплекса, сразу же образуя продукт интенсивного синего цвета при их добавлении.

Модифицированный реагент для анализа протеина Лоури необходимо охлаждать для длительного хранения, но перед использованием его необходимо нагреть до комнатной температуры. Использование холодного модифицированного реагента для анализа белка Лоури приведет к низким значениям абсорбции.

Химический состав на основе красителей

Анализ белка с красителем кумасси (Брэдфорд)

Использование красителя Кумасси G-250 в качестве колориметрического реагента для обнаружения и количественного определения общего белка было впервые описано доктором Дж.Мэрион Брэдфорд в 1976 году (Bradford, 1976). Анализы Thermo Scientific Pierce Coomassie (Bradford) — это варианты реагента, о которых впервые сообщил Брэдфорд.

Рисунок 6. Химическая структура красителя Кумасси. Эта коллоидная форма красителя Кумасси, созданная в буфере фосфорной кислоты с низким pH, является основой для реагентов для анализа белка Брэдфорда.

В кислой среде реагента белок связывается с красителем Кумасси. Это приводит к спектральному сдвигу от красновато-коричневой формы красителя (максимум поглощения при 465 нм) к синей форме красителя (максимум поглощения при 610 нм).Разница между двумя формами красителя наибольшая при 595 нм, так что это оптимальная длина волны для измерения синего цвета комплекса краситель-белок кумасси. При желании синий цвет можно измерить на любой длине волны от 575 нм до 615 нм. На двух крайних участках (575 нм и 615 нм) наблюдается потеря около 10% измеренного количества цвета (поглощения) по сравнению с полученным при 595 нм.

Развитие цвета в анализах протеина Брэдфорда связано с присутствием в протеине некоторых основных аминокислот (в первую очередь аргинина, лизина и гистидина).Силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия также участвуют в связывании красителя белком. Количество лигандов красителя кумасси, связанных с каждой молекулой белка, приблизительно пропорционально количеству положительных зарядов, обнаруженных на белке. Свободные аминокислоты, пептиды и белки с низким молекулярным весом не окрашивают реагенты красителя кумасси. Как правило, масса пептида или белка должна составлять не менее 3000 дальтон, чтобы его можно было обнаружить с помощью этого реагента. В некоторых приложениях это может быть преимуществом.Например, анализ белка кумасси использовался для измерения «высокомолекулярных белков» во время ферментации в пивоваренной промышленности.

Анализ связывания красителя кумасси является самым быстрым и простым для выполнения из всех анализов белка. Анализ проводится при комнатной температуре, специального оборудования не требуется. Стандартные и неизвестные образцы добавляют в пробирки, содержащие предварительно приготовленный реагент для анализа Кумасси, и полученный синий цвет измеряется при 595 нм после короткой инкубации при комнатной температуре.Анализы белков, содержащих краситель кумасси, совместимы с большинством солей, растворителей, буферов, тиолов, восстанавливающих веществ и хелатирующих агентов металлов, встречающихся в образцах белков.

Основным недостатком протеинов на основе Кумасси является их несовместимость с поверхностно-активными веществами в концентрациях, обычно используемых для солюбилизации мембранных протеинов. Как правило, присутствие поверхностно-активного вещества в образце даже при низких концентрациях вызывает осаждение реагента. Кроме того, реагент красителя кумасси очень кислый, поэтому белки с плохой растворимостью в кислоте не могут быть проанализированы с помощью этого реагента.Наконец, реагенты кумасси приводят к примерно в два раза большему изменению соотношения между белками, чем реагенты для анализа на основе хелатирования меди.

Рис. 7. Спектры поглощения стандартов белка в анализе белков Thermo Scientific Pierce Coomassie Plus (Bradford) . Стандарты белка: 0, 125, 250, 500, 750, 1000, 1500 и 2000 мкг / мл бычьего сывороточного альбумина соответственно. Линия 2000 мкг / мл проведена толще, чем другие, для ориентации последовательности.Обратите внимание, что обратная зависимость между концентрацией белка и оптической плотностью наблюдается ниже 525 нм (максимум при 465 нм).

Готовые жидкие реагенты красителя кумасси следует аккуратно перемешать путем переворачивания непосредственно перед использованием. Краситель в этих жидких реагентах образует рыхлые агрегаты в течение 60 минут в невозмущенных растворах. Осторожное перемешивание реагента путем переворачивания бутылки равномерно диспергирует краситель и гарантирует однородность аликвот. После связывания с белком краситель также образует агрегаты белок-краситель.К счастью, эти агрегаты белок-краситель можно легко диспергировать, перемешивая реакционную трубку. Это характерно для всех жидких реагентов на основе красителя кумасси. Поскольку эти агрегаты образуются относительно быстро, также лучше регулярно перемешивать (встряхивать в течение 2-3 секунд) каждую пробирку или пластину непосредственно перед измерением цвета.

Анализ белка Pierce 660 нм

Представленный в 2008 году анализатор белка 660 нм Thermo Scientific Pierce представляет собой реагент на основе красителя, который обеспечивает такое же удобство, как и тесты на основе кумасси, но преодолевает ряд их недостатков.В частности, анализ Pierce 660 нм совместим с большинством детергентов и дает более линейную кривую отклика.

Подробная химия анализа является частной собственностью, но основной механизм можно резюмировать следующим образом. Реагент содержит запатентованный комплекс краситель-металл в кислотном буфере. Комплекс краситель-металл связывается с белком в кислой среде, вызывая сдвиг максимума поглощения красителя, который измеряется при 660 нм. Реагент имеет красновато-коричневый цвет и меняет цвет на зеленый при связывании с белком.

Рис. 8. Максимум поглощения комплекса реагент-металл при длине волны 660 нм сдвигается пропорционально при связывании с БСА. Спектры поглощения регистрировали для реагента для анализа белка Pierce 660 нм в диапазоне от 340 до 800 нм с использованием спектрофотометра. Белок в присутствии комплекса реагент-металл вызывает значительный сдвиг оптической плотности на длине волны 660 нм.

Цвет, полученный в анализе, является стабильным и увеличивается пропорционально широкому диапазону увеличения концентрации белка.Изменение цвета происходит за счет депротонирования красителя при низком pH, чему способствуют белковые взаимодействия через положительно заряженные аминокислотные группы и отрицательно заряженный депротонированный комплекс краситель-металл.

Анализ связывается с белками аналогично красителю Кумасси. Таким образом, он имеет такую ​​же вариабельность от белка к белку, что и методы анализа Кумасси (Брэдфорд). Однако, в отличие от тестов на основе Кумасси, анализ белка Pierce 660 нм полностью совместим с неионогенными детергентами, обычно используемыми в образцах белков.Фактически, при использовании с реагентом для совместимости с ионным детергентом (IDCR), анализ Pierce 660 нм также совместим с образцом, содержащим буфер образца Laemmli SDS с бромфеноловым синим и другими буферами, содержащими обычные ионные детергенты.

Флуоресцентный анализ белка

Методы определения количества белка на основе флуоресценции обеспечивают превосходную чувствительность, что означает, что для количественного анализа используется меньше образца белка, оставляя больше образцов, доступных для экспериментов.Для описанных ниже анализов требуется несколько шагов, и время не имеет решающего значения, поскольку продолжительность сигнала обычно составляет часы, поэтому анализы можно адаптировать для автоматизированной обработки в высокопроизводительных приложениях. Сигнал флуоресценции можно обнаружить с помощью флуориметра или считывающего устройства для микропланшетов.

Флуоресцентные белковые анализы обычно обеспечивают исследователям большую чувствительность, чем то, что можно измерить с помощью колориметрических белковых анализов. Анализы белков Thermo Scientific Quanti-iT, Qubit и NanoOrange основаны на связывании молекулы красителя с детергентным покрытием на белках и гидрофобных областях белков, что приводит к флуоресценции, в то время как несвязанный краситель не является флуоресцентным.Длина волны обнаружения для всех трех анализов составляет 470/570 нм. Первые два создают квазилинейную стандартную кривую от 0,5 до 4 мкг в образце объемом 200 мкл с объемом образца 1-20 мкл, в то время как NanoOrange имеет более низкий диапазон чувствительности от 10 нг / мл до 10 мкг / мл. Для обнаружения липопротеинов или белков в сложной липидной среде можно использовать набор CBQCA Protein Quantitation Kit. Эти репрезентативные данные показывают типичную стандартную кривую, полученную с использованием набора для анализа флуоресцентного белка.

Рис. 9. Низкое межбелковое различие в тесте Qubit Protein Assay.

Набор для количественного определения белка NanoOrange содержит очень чувствительный и простой анализ для количественного определения белка с обнаружением всего 10 нг / мл белка в растворе. Этот флуоресцентный краситель подходит для использования со спектрофлуорометрами и считывающими устройствами для микропланшетов. Для обнаружения липопротеинов или белков в сложной липидной среде воспользуйтесь нашим набором для количественного определения белков CBQCA.

Набор CBQCA Protein Quantitation Kit — это очень чувствительный анализ для количественного определения белков в растворе, способный определять даже 10 нг белка на мл.По чувствительности, аналогичной нашему реагенту для количественного определения белка NanoOrange (N-6666), CBQCA лучше подходит для точного количественного определения белков в присутствии липидов, мембранных фракций или детергентов, а также для липопротеинов и небольших пептидов. Этот анализ основан на реакции красителя с первичными аминогруппами в присутствии цианида или тиолов, в результате чего краситель становится флуоресцентным. Непрореагировавший краситель остается нефлуоресцентным. Этот анализ белка может обнаруживать белки в диапазоне от 10 нг / мл до 150 мкг / мл.

Наконец, набор EZQ Protein Quantitation Kit обеспечивает основанный на флуоресценции анализ белка, который облегчает быстрое количественное определение образцов белка, подготовленных для гель-электрофореза. Анализ основан на электростатическом связывании красителя с основными аминокислотами, дополненном дополнительными гидрофобными взаимодействиями, что приводит к флуоресценции, которую можно считывать при 280 нм и 450/618 нм.

Определение флуоресцентного протеина

Флуорометры — это инструменты, которые измеряют интенсивность флуоресцентного сигнала от красителей, прикрепленных к биологическим молекулам, а также от естественно флуоресцентных молекул на основе длин волн возбуждения (Ex) и излучения (Em).Флуорометры были разработаны для количественного определения, обнаружения и мониторинга аналитов и их реакций с высокой степенью чувствительности и специфичности.

Флуорометр Invitrogen Qubit — настольное устройство, которое точно измеряет ДНК, РНК и белок с помощью высокочувствительных количественных анализов Qubit. В сочетании с оптимизированными алгоритмами флуориметр Qubit 3 использует флуоресцентные красители, которые производят сигнал только при связывании с интересующей целью, тем самым сводя к минимуму влияние загрязняющих веществ, включая деградированную ДНК или РНК, на результаты экспериментов.

Рекомендуемая литература

  1. Брэдфорд, ММ. (1976) Быстрый и чувствительный метод количественного определения количества белка в микрограммах, использующий принцип связывания белок-краситель. Аналитическая биохимия. 72, 248-254.
  2. Смит П.К., Крон Р.И., Хермансон Г.Т. и др. (1987) Измерение белка с использованием бицинхониновой кислоты. Аналитическая биохимия.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *