Μελέτη μοριακής δυναμικής και θερμικών ιδιοτήτων της ινώδους ελαστίνης σε διάφορα ποσοστά υδάτωσης

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η δυναμική του συστήματος ελαστίνης νερού. Η ελαστίνη περιγράφεται ως ένα ιδιόμορφο ανομοιογενές σύστημα δυο φάσεων αποτελούμενη από υδρόφοβα άμορφα τμήματα αμινοξέων και υδρόφιλα τμήματα διασταυρώσεων . Σκοπός της μελέτης είναι η διερεύνηση του βαθμού στον οποίο το νερό επηρεάζει την δυναμική της ελαστίνης, η οποία χαρακτηρίζεται από χαμηλή διαλυτότητα στο νερό, καθώς και των μηχανισμών διαφορετικής χρονικής κλίμακας μέσω των οποίων εκφράζεται η επιρροή αυτή. Για αυτό το σκοπό μελετήθηκαν υδατωμένα στερεά δοκίμια ελαστίνης σε εύρος περιεκτικοτήτων 2% - 23% κ.β. Χρησιμοποιήθηκαν οι πειραματικές τεχνικές ισόθερμης υδάτωσης (ESI), η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), η μέθοδος θερμικώς διηγερόμενων θερμορευμάτων αποπόλωσης (TSDC) και η διηλεκτρική φασματοσκοπία εναλλασσόμενου πεδίου (DRS). Από τα πειράματα ισόθερμης υδάτωσης προέκυψε ότι η ελαστίνη χαρακτηρίζεται από ένα χαμηλό βαθμό υδροφιλικότητας (μέγιστη κ.β. υδάτωση 25% σε περιβάλλον σχετικής υγρασίας 98%). Επίσης, εκτιμήθηκε μία κρίσιμη τιμή hm=0.055, η οποία εκφράζει το ποσοστού νερού (gr νερού/ gr ξηρής πρωτεΐνης) που καταλαμβάνει τις πρωταρχικές θέσεις υδάτωσης (πρώτο επίπεδο υδάτωσης) σε θερμοκρασία δωματίου, σύμφωνα με την εξίσωση Gügenheim-Anderson-De Boer (GAB). Η μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων της υπό μελέτη πρωτεΐνης μέσω της τεχνικής DSC ανέδειξε την εξάρτηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) του συστήματος πρωτεΐνης-νερό, από το ποσοστό υδάτωσης και την παρουσία χαλάρωσης δομής σε θερμοκρασία λίγο κάτω από την Tg . Οι μετρήσεις των μεθόδων διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (TSDC, DRS) επέτρεψαν την παρακολούθηση της δυναμικής της πρωτεΐνης και συγκεκριμένα την ανίχνευση των εξής μηχανισμών διηλεκτρικής αποκατάστασης, κατά σειρά φθίνουσας συχνότητας: - του δευτερεύοντος β-μηχανισμού αποκατάστασης, ο οποίος σχετίζεται με γρήγορες τοπικές κινήσεις μικρών πολικών πλευρικών ομάδων της πρωτεΐνης και ενισχύεται ή επικαλύπτεται από συνεισφορές μη κρυσταλλωμένων μορίων νερού στο πρώτο επίπεδο υδάτωσης. - ενός επιπλέον μηχανισμού β2 μέσω της μεθόδου θερμορευμάτων αποπόλωσης, για ποσοστιαίες υδατώσεις 10% και 18%, η προέλευση του οποίου δεν διασαφηνίστηκε πλήρως - του μη-συνεργειακού p-μηχανισμού διηλεκτρικής αποκατάστασης, που πιθανότατα σχετίζεται με την δυναμική του νερού.

The present master thesis deals with the dynamical study of the fribilar hydrated elastin. This fibrous protein, can be described as a multiphase system, consisting of hydrophobic domains and hydrophilic cross-linking domains. The purpose of this study is to investigate the degree to which the dynamics of the insoluble elastin is affected by the dynamics of water, as well as the mechanism through which this takes place. For this reason, hydrated solid pellets of elastin were studied in the range of 2 to 23 wt% of hydration. The experimental methods used for this aim, include Equilibrium Sorption Isotherms (ESI), Differential Scanning Calorimetry (DSC) , Thermally Stimulated Depolarization Currents (TSDC), and Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS). The results of Equilibrium Sorption Isotherms (ESI) showed that hydrated elastin is characterized by a low degree of hydrophilicity (25% maximum water content in an environment of 98% relative humidity). The critical value of hm (0.55) was also estimated, expressing the water content (gr of water / gr of dry protein) corresponding to water molecules directly attached to primary sorption sites (first layer of hydration) at room temperature , according to the Gügenheim-Anderson-De Boer (GAB) equation. DSC experimental measurements was employed in order to study the thermal properties of the protein. The dependence of the glass transition temperature (Tg) of the hydrated elastin was studied, while the presence of a structural relaxation a few degrees below the Tg was also recorded Dielectric measurements showed the following relaxation modes: - the fast β-relaxation mode originating from fast local motions of small side polar groups of the protein which is enhanced or overlapped by the contribution of the non-crystallized water molecules in the first hydration layer. - an additional β2-relaxation mode, which was detected through the TSDC experiments, at hydration levels 10% and 18% , the origin of which was not fully clarified. - a non-cooperative p-relaxation mode which is propably associated with the dynamics of water.