분자 응집계에서 결합 상호작용과 미세환경에 대한 분광학적 연구 = Spectroscopic investigation of the binding interaction and microenvironment in the molecular aggregate systems

국문 초록 (Abstract)

계면활성제 수용액에서 양이온성의 메틸렌 블루(MB)와 티오닌(Th) 염료와 여러 전하의 계면활성제 사이의 상호작용을 자외선/가시광선 흡수 분광법을 사용하여 연구하였다. 계면활성제의 농도가 변함에 따라 MB와 Th의 흡수 스펙트럼들은 스펙트럼 특징의 큰 변화를 보였으며, 특히 도데실황산 나트륨(SDS)이나 에어로졸-OT(AOT)와 같은 음이온성의 계면활성제 수용액에서 변화가 가장 두드러졌다. 음이온성의 계면활성제 용액에서 염료들의 흡수 스펙트럼은 CMC 이하의 농도에서 새로운 스펙트럼의 발생 및 이의 변화를 나타내었다. 이 결과는 계면활성제가 미셀을 형성하기 전에, 양이온성의 염료와 음이온성의 계면활성제 분자들이 정전기적 상호작용을 통하여 이온쌍 착물을 형성하는 것을 암시한다. 계면활성제의 농도가 CMC 이상으로 증가함에 따라 염료의 흡수 스펙트럼은 수용액에서의 스펙트럼과 유사하나 염료의 이합체에 대한 단량체의 비율이 증가하는 것을 보였고, 이는 미셀 용액은 염료의 이합체나 그 이상의 응집체보다는 단량체의 형성에 유리하다는 것을 나타낸다. 또한 미셀 용액에서 염료 흡수띠의 파장 이동을 여러 용매에서의 Bayliss 함수와 관련지어 미셀 용액의 용매극성을 유추하였다. 추가로 여러 농도의 계면활성제 용액에서 염료의 흡수 스펙트럼으로부터 염료와 계면활성제 분자 사이의 평형(K_(A)) 및 염료와 미셀 사이의 평형(K_(B))에 대한 평형상수를 결정하였다.
단백질-리간드 결합 상호작용과 결합사이트에 대한 이해를 높이기 위하여 단백질 BSA(bovine serum albumin)과 여러 리간드, 특히 계면활성제 사이의 상호작용을 형광분석법을 사용하여 연구하였다. 고유형태로 접혀있는 BSA에 계면활성제나 요소와 같은 변성제의 농도를 변화시키며 BSA의 자체 형광 또는 외부 조사 염료의 형광 스펙트럼의 변화를 관찰하였고, 이로부터 BSA의 구조 변화와 상호작용을 유추하였다. 특히 서로 다른 메커니즘에 의하여 형광 특징 변화를 나타내는 여러 형광 염료들을 사용하여 결합 상호작용과 구조 변화에 대한 다양한 접근 및 실험 결과의 비교를 시도하였다. 또한 계면활성제의 농도 변화에 따라 여러 형광 염료들의 형광 스펙트럼의 변화 및 차이를 관찰하였고, 이로부터 단백질-계면활성제의 상호작용과 주변 미세환경에 대한 정보를 유추하였다. BSA와 음이온성 계면활성제 SDS의 경우, 형광 스펙트럼은 SDS의 농도가 증가함에 따라 몇 개의 특징적인 단계를 통하여 변하는 것을 관찰하였다. 그러나 양이온성 계면활성제 CTAB는 SDS의 경우에 비하여 좀 더 단순한 형광 스펙트럼의 변화를 나타내었으며, 이는 BSA와 음이온성 계면활성제 사이의 상호작용은 양이온성 계면활성제에 비하여 훨씬 복잡함을 의미한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The interaction of the cationic dyes, methylene blue and thionine, with surfactants of various charge types in the aqueous surfactant solutions were studied by UV/Vis absorption spectroscopy. As the concentration of the surfactant changes, the absorption spectra of methylene blue and thionine exhibit spectral variations, most notably in the anionic surfactant solutions such as sodium dodecylsulfate (SDS) or Aerosol-OT (AOT). In particular, the absorption spectra of the dyes in anionic surfactant solutions display new spectral features developed and changed at the concentration below CMC. This suggests that the cationic dye and anionic surfactant molecules form an ion-pair complex resulting from electrostatic interactions, before the surfactant molecules form micelles. As the concentration of the surfactant increases above CMC, the absorption spectra of the dyes are similar to that in water, but the ratio of monomer to dimer bands of the dye increases, indicating that the micellar solutions favor the formation of monomers rather than dimers and higher aggregates. Also in the micellar solutions, the wavelength shifts in the absorption bands were observed, and the polarities of the micellar solutions were estimated by relating the wavelength shifts with Bayliss functions of the dye in various solvents. The association constant, K_(A), for the formation of a dye-surfactant complex and the binding constant, K_(B), for the formation of a dye-micelle complex were also determined.
In order to understand better about interactions of protein-ligand and the binding sites, interactions between BSA(bovine serum albumin) and ligands, especially surfactants, were studied by fluorescence technique. The concentrations of denaturants such as surfactants or urea were changed in the native BSA buffer solutions, and the structural changes and interactions in BSA were extracted by observing fluorescence from BSA itself or external probe fluorophores. Especially the use of the several fluorophores which exhibit fluorescence characteristics via different mechanism affords diverse approach to the binding interaction and structural changes as well as the comparisons of the experimental results. Also as the concentration of the surfactant varied the changes and differences in the fluorescence spectra from the different probe fluorophores were observed, and information about the interaction of protein-surfactant and the microenvironment were extracted. In the case of BSA and the anionic surfactant SDS, the fluorescent spectra were changed th개ugh several distinct steps as the concentration of the surfactant increased. On the other hand, the cationic surfactant CTAB exhibited the relatively simple variation in the fluorescence spectra, compared to the case of SDS, and this suggests that the interactions between BSA and the anionic surfactants are much more complicated, compared to those between BSA and cationic surfactants.

목차 (Table of Contents)

• PART Ⅰ 계면활성제 수용액에서의 염료-계면활성제 상호작용 = 1
• 1. 국문요약 = 2
• 2. 서론 = 3
• 3. 실험방법 = 5
• 4. 결과 = 6
• 5. 논의 = 23
• 6. 참고문헌 = 24
• PART Ⅱ 단백질-리간드 결합 상호작용과 결합사이트의 미세환경의 분광학적 연구 = 26
• 1. 국문요약 = 27
• 2. 서론 = 28
• 3. 실험방법 = 32
• 4. 결과 = 33
• 5. 논의 = 62
• 6. 참고문헌 = 63
• 영문요약 = 65