On aggregation in binary biopolymer systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The main structural protein of the human eye, which accounts for about 50 % of the mass of all water-soluble proteins comprising the lens, is α-crystallin. Alpha-crystallin functions as a molecular chaperone, preventing other lens crystallins from interfering in the vital activity. Alpha-crystallins partially or fully stabilise unfolded proteins, preventing the formation of deposits, helping to preserve the lens transparency and reducing the risk of a number of diseases, including cataracts. This biological phenomenon can be considered in the framework of materials science when considering the problem of slowing down the aging processes of polymers. In the present study, methods for slowing down the process of aggregation of α-lactalbumin in solution are considered, using the binary system α-lactalbumin–αA-crystallin as an example. To this end, experimental data on the rate of change of the aggregation process were formalised, i.e. expressed in terms of transition temperatures and plasticisation functions of the components. The proposed expressions make it possible to clarify the concentration dependence of the initial aggregation rate, its order, and also to quantify the effect of the dose of UV irradiation on the aging process of the system. The experimentally obtained result means that an increase in the content of α-crystallin leads to an additional blocking of hydrogen bonds in the surface layers of α-lactalbumin and, accordingly, to an increase in the plasticising effect. In addition, the obtained expression of the activation energy of polymer chain rearrangement helps to account for the influence of infrared radiation on the development of so-called thermal cataracts (usually occurring in glassblowers, steelmakers, blacksmiths, welders, etc.), when the etiological factor consist in infrared rays having wavelengths from 0.74 to 2.50 microns, which freely pass through the cornea and iris without damaging them, and are largely adsorbed by the lens, causing its overheating.

About the authors

Yu. I. Matveev

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: yu.matveev@mail.ru

E. V. Averyanova

Biysk Technological Institute (branch) of the Altay State Technical University

Email: lena@bti.secna.ru

References

  1. Павлов М.Р., Николаев Е.В., Андреева Н.П., Барботько С.Л. К вопросу о методике оценки стойкости полимерных материалов к воздействию солнечного излучения (обзор) // Труды ВИАМ. 2016. N 7 (43). С. 98–112. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2016-0-7-11-11. URL: http://viamworks.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/987.pdf
  2. Tweeddale H.J., Hawkins C.L., Janmie J.F., Truscott R.J., Davies M.J. Cross-linking of lens crystallin proteins induced by tryptophan metabolites and metal ions: implications for cataract development // Free Radical Research. 2016. Vol. 50. Issue 10. P. 1116–1130. https://doi.org/10.1080/10715762.2016.1210802
  3. Королева И.А., Егоров А.Е. Метаболизм хрусталика: особенности и пути коррекции // РМЖ. Клиническая офтальмология. 2015. Т. 15. N 4. С. 191–195.
  4. Муранов К.О., Островский М.А. Молекулярная физиология и патология хрусталика глаза. М.: Торус Пресс, 2013. 295 с.
  5. Borzova V.A., Markossian K.A., Muranov K.O., Polyansky N.B., Kleymenov S.Yu., Kurganov B.I. Quantification of anti-aggregation activity of UV-irradiated alpha-crystallin // International Journal of Biological Macromolecules. 2015;73:84–91. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.10.060
  6. Bumagina Z.M., Gurvits B.Y., Artemova N.V., Muranov K.O., Yudin I.K., Kurganov B.I. Mechanism of suppression of dithiothreitolinduced aggregation of bovine alpha- lactalbumin by alpha-crystallin // Biophysical chemistry. 2010. Vol. 146. P. 108–117. https://doi.org/10.1016/j.bpc.2009.11.002
  7. Borzova V.A., Markossian K.A., Kurganov B.I. Relationship between the initial rate of protein aggregation and the lag period for amorphous aggregation // International Journal of Biological Macromolecules. 2014. Vol. 68. P. 144–150. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.04.046
  8. Глесстон С, Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций / пер. с англ. М.: Государственное издательство иностранной литературы, 1948. 584 с.
  9. Matveyev Y.I., Askadskii A.A. Additive scheme for determining the activation energy of low temperature transitions in polymers // Polymer Science U.S.S.R. 1991. Vol. 33. Issue 6. P. 1154–1161. https://doi.org/10.1016/0032-3950(91)90221-B
  10. Matveev Yu.I. Determination of the temperatures of transition into the state of viscous flow, denaturation, and the onset of intensive destruction of proteins with various structures // Polymer Science. Series A. 1997. Vol. 39. Issue 4. P. 476–484.
  11. Matveev Yu.I., Plashchina I.G. Effect of the degrees of polymerization of an enzyme and a substrate on the catalytic activity of the enzyme Polymer Science. Series A. 2012. Vol. 54. Issue 9. P. 718–723. https://doi.org/10.1134/S0965545X1208007X
  12. Matveev Y.I., Grinberg V.Y., Tolstoguzov V.B. The plasticizing effect of water on proteins, polysaccharides and their mixtures. Glassy state of biopolymers food and seeds // Food Hydrocolloid. 2000. Vol. 14. Issue 5. P. 425–437. https://doi.org/10.1016/S0268-005X(00)00020-5
  13. Колмогоров А.Н. К статистической теории кристаллизации металлов // Известия АН СССР. Серия математическая. 1937. Вып. 3. С. 355–359.
  14. Buera M.P., Roos Y., Levine H., Slade L., Corti H.R., Reid D.S., et al. State diagrams for improving processing and storage of foods, biological materials, and pharmaceuticals (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2011. Vol. 83. Issue 8. P. 1567–1617.
  15. Чалых А.Е. Диффузия – метод исследования полимерных систем // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2001. Т. 43. N 12. С. 2304–2328.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».