Μελέτη Μοριακής Δυναμικής και Μεταπτώσεων Φάσης σε Συστήματα Κολλαγόνου-Νερού

Abstract

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετάται η μοριακή δυναμική καθώς και οι μεταπτώσεις φάσης που παρουσιάζουν συστήματα κολλαγόνου-νερού σε μια ευρεία περιοχή κλασμάτων υδάτωσης της ινώδους πρωτεΐνης. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν η διερεύνηση του βαθμού στον οποίο η προσθήκη νερού στα μητρικά δοκίμια επηρεάζει τη δυναμική και θερμική απόκριση αφενός του κολλαγόνου και αφετέρου του νερού, καθώς αυτό εμφανίζει δυναμική συμπεριφορά που διαφοροποιείται ανάλογα με τον χωρικό εντοπισμό του εντός της δομής της πρωτεΐνης. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των μετρήσεων είναι η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης-[Differential Scanning Calorimetry], η μέθοδος των θερμορευμάτων αποπόλωσης-[Thermally Stimulated Depolarization Currents], η διηλεκτρική φασματοσκοπία εναλλασσόμενου πεδίου-[Dielectric Relaxation Spectroscopy] και οι μετρήσεις ρόφησης-εκρόφησης νερού σε ισορροπία και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος-[Equilibrium Sorption Isotherms]. Πρόκειται για τεχνικές που εφαρμόζονται ως επί το πλείστον σε συστήματα πολυμερικών υλικών και γι’αυτό το λόγο το κολλαγόνο αντιμετωπίστηκε ως ένα φυσικό πολυμερές ή αλλιώς βιοπολυμερές, αποτελούμενο από μία αλληλουχία μονομερών-αμινοξέα- που σχηματίζουν τις γνωστές πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Από τα πειράματα ισόθερμης υδάτωσης-ESI-εκτιμήθηκε το ποσοστό νερού που καταλαμβάνει τις πρωταρχικές θέσεις υδάτωσης- πρώτο επίπεδο υδάτωσης- και καταγράφηκε βρόχος υστέρησης κατά τη διαδικασία της εκρόφησης νερού. Με την τεχνική DSC παρατηρήθηκαν τα φαινόμενα κρυστάλλωσης και τήξης των ξηρών ή ενυδατωμένων δοκιμίων κολλαγόνου και καταγράφηκαν επίσης μεταβολές στη θερμοκρασία και την ενθαλπία των εν λόγω μεταπτώσεων φάσης με την αλλαγή της περιεκτικότητας σε νερό. Σημειώθηκε επίσης η απουσία υαλώδους μετάβασης-Tg- του συστήματος για τη θερμοκρασιακή περιοχή του πειράματος. Τέλος, οι μετρήσεις των μεθόδων διηλεκτρικής φασματοσκοπίας-TSDC,DRS-επέτρεψαν τον εντοπισμό μηχανισμών διηλεκτρικής αποκατάστασης. Η εξέλιξη αυτών συναρτήσει της θερμοκρασίας και της συχνότητας για τα δοκίμια διαφορετικών κλασμάτων υδάτωσης παρείχε πληροφορίες για τη δυναμική της πρωτεΐνης αλλά και των μορίων νερού που συνδέονται χαλαρά ή ισχυρά στη δομή της, προσδίδοντάς της νέες ιδιότητες.

In the present master thesis, we study the molecular dynamics as well as the phase transitions in the case of collagen-water systems, over a wide range of hydration levels of the fibrous protein. The aim of this work was to investigate the degree to which the addition of water to native samples affects the dynamic and thermal response of both, collagen and water. Especially in the case of water, it was found that its dynamic behavior varies, depending on its spatial localization within the protein structure. The experimental methods used for this purpose include Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermally Stimulated Polarization Currents (TSDC), Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) and Equilibrium Sorption Isotherms (ESI). These are techniques mostly used in polymeric materials and for this reason collagen was treated as a natural biological polymer, consisting of a sequence of monomers -amino acids -, linked together in order to form the polypeptide chain. Using ESI results it became feasible to estimate the percentage of water molecules occupying the primary hydration sites -first hydration layer- at room temperature. At the same time an hysteresis loop was recorded during the desorption process. Crystallization and melting events concerning dry or hydrated collagen samples were observed by the DSC technique. Fluctuations in temperature and enthalpy corresponding to these phase transitions and directly associated with the change of water content, were also recorded. No glass transition was detected in the experimental temperature range. Dielectric spectroscopy measurements -(TSDC, DRS)- allowed the identification of several relaxation modes. Their evolution with hydration level as a function of temperature and frequency, provided information about the dynamics of both collagen and water molecules loosely or tightly bound to its structure, attributing new properties to the protein.