High-Resolution Proton Magnetic Resonance Studies of Gelatin Solutions and Gels

Abstract

We have obtained IOO-MHz high-resolution proton magnetic resonance (pmI') spectra of gelatin solutions and gels under a variety of conditions. An analysis of these narrow-line spcctra in term of contributions from individual amino acid residue types has resulted in the assignment of all the principal spectral peaks. A computer program that sums individual subspectra from model systems (polypeptides, homopolyamino acids, amino acids, etc.) has enabled nearly quantitative curve resolution involving all the major amino acid constituents. In certain cases (e.g., arginine) good quantitative analysis can be made rapidly by pmI'. The poll' spectra of concentrated, rigid gels show considerable high-resolution intensity, observable even after 18 hours of equilibration at. A gradual increase of pmI' intensity accompanies increase in temperature and gives a sigmoidal curve of intensity vs. temperature. The data are discussed in terms of thc isola table "nongelling" component of gelatin.

Résumé

Le but de la présente étude était de rechercher les éléments responsables de l’élasticité des gels de gélatine. On s’est efforcé à plusieurs reprises (1-5) de déduire la concentration de ces éléments de quantités variant au cours de la prise en gel. Tous ces essais, ont en commun de ne pas faire intervenir de connaissances sur la structure des gels pour interpréter les paramètres de la réaction mais simplement de profiter d´un formalisme mathématique adéquate.

Les caractéristiques moléculaires des la gélatine ont été déterminées par chromatographie sur gel, électrophorèse sur gel et mesure de diffusion de la lumière.

Les éléments de structure du gel de gélatine ont été visualisés par deux méthodes indépendantes: la coloration négative et le cryo-décapage. Les échantillons résultant furent observés avec un microscope électronique à transmission.

La structure du gel de gélatine du type association de fibres a ensuite été décrite d´une manière plus quantitative par mesure de la penetration de l’eau à travers le réseau du gel.

Le processus de la prise en gel a été suivi à l’aide d’un viscosimètre à coupelleo scillante, cette méthode étant particulièrement sensible pour detécter le premier reseau elastiquement actif.

On a pu montrer qu’une partie bien dèfinie seulement de la gélatine est convertie en éléments élastiquement actif.

Quelques correlations grossieres ont été trouvées entre d’une part, l’épaisseur et le nombre des fibrilles élastiquement actives et d’autre part, les paramètres de la prise en gel, à savoir la temperature de figeage, la concentration de la gélatine el la durée du conditionnemen.

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der elastisch aktiven Elemente in Gelatinegelen. Es hat verschiedene Versuche gegeben (2-5), Größen, die sich im Verlauf der Gelierung ändern, zur Konzentration von elastisch aktiven Elementen eines Netzwerkes in Beziehung zu setzen. All diese Ansätze basieren jedoch nicht auf einer wirklichen Kenntnis der resultierenden Gelstruktur sondern setzen bestimmte mathematische Modelle voraus. Der molekulare Zustand der Gelatine konnte durch Gelchromatographie, Gel-Elektrophorese und Lichtstreumessungen bestimmt werden.

Zur Sichtbarmachung der Strukturelemente des Gelatinegels im Elektronenmikroskop wurden zwei voneinander unabhängige Präparationsmethoden benutzt: negative staining und Gefrierätzung. Die Fibrillenstruktur des Gelatinegels wurde weiterhin durch Messung des Wasserdurchtritts durch das Gelnetzwerk in der Ultrazentrifuge untersucht. Der Gelierungsprozeß wurde mit Hilfe eines SchwingungsViskosimeters verfolgt. Diese Methode ist besonders geeingnet zum Nachweis des ersten Stadiums des Aufbaues des elastisch aktiven Netzwerkes. Es konnte gezeigt werden, daß nur ein Teil der Gelatine in elastisch aktive Elemente überführt wird. Einige Korrelationen zwischen Dicke und Anzahl der elastisch aktiven Fibrillen einerseits und den Gelierungsparametern (Erstarrungstemperatur, Gelatinekonzentration, Lagerungszeit) andererseits wurden gefunden.

Riassunto

Lo spirito di questo lavoro è stato quello di investigare gli elementi elasticamente attivi nelle gelatine allo stato di gel.

Ci sono stati parecchi tentativi per convertire le quantità che subiscono variazioni durante la gelificazione, in concentrazione di elementi elasticamenteattivi.

Tutti questi tentativi hanno in comune il fatto che questa conversione non è basata sull´effettiva conoscenza delle strutture risultanti del gel, ma da aspetti matematici che ne hanno suggerito l´applicazione.

La caratterizzazione molecolare è stata definita mediante cromatografia su gelo, mediante elettroforesi su gelo e con misure di luce diffusa.

Gli elementi strutturali dei geli sono stati resi visibili mediante due metodi indipendenti di preparazione: colorazione e congelamento.

I campioni risultanti sono stati osservati in trasmissione al microscopio elettronico.

Le strutture tipiche di associazioni fibrose dei gel sono state in seguito meglio definite mediante misure di permeabilità all´acqua degli strati.

Il processo di gelificazione è stato seguito con misure di viscosità. Il metodo è particolarmente sensibile per rivelare i primi elementi elasticamenteattivi.

Dovrebbe essere dimostrato che, solamente una parte distinta della gelatina è convertita in elementi elasticamente attivi.

Alcune correlazioni grossolane sono state trovate tra lo spessore dello strato e il numero di fibrille elasticamente attive, da una parte, e i vari parametri della gelatina, come: temperatura di rappresa, concentrazione e durata del condizionamento dall´altra.