Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Особенности растворов биополимеров



Высокомолекулярные соединения могут образовывать как ис­тинные, так и лиофильные коллоидные растворы. Характер рас­твора зависит от молекулярной массы макромолекул ВМС, их лиофильности и концентрации в системе. Чем больше концентрация ВМС и его молекулярная масса, а лиофильность макро­молекул меньше, тем больше вероятность возникновения лиофильных коллоидных растворов, в которых макромолекулы образуют мицеллы. Общие свойства лиофильных коллоидных растворов уже рассмотрены (разд. 27.3.2). Теперь обратим внимание на особенности растворов биополимеров.

Важнейшими биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, которые синтезируются в организме в результате реакции поликонденсации. Свойства этих высоко­молекулярных соединений, и прежде всего биологические, за­висят не только от того, какие структурные звенья входят в состав макромолекулы, но и от их взаимного пространственного расположения, т. е. от их конформации в растворе.

Конформации макромолекулы в растворе представляют собой различные ее пространственные формы, возникаю­щие в результате вращения отдельных молекулярных фрагментов вокруг ординарных связей и стабилизирую­щиеся вследствие возникновения межмолекулярных свя­зей между отдельными группами данной макромолекулы или с молекулами веществ, находящимися в окружаю­щем растворе.

Взаимные переходы конформации макромолекул в растворе осуществляются без разрыва ковалентных связей, поэтому они обычно не требуют больших энергетических затрат, но могут приводить к значительным изменениям биологических и физиологических функций макромолекул. Таким образом, конформа­ции молекул биополимеров в растворах изменяются в зависимо­сти от состояния системы дисперсионная среда/биополимер. Со­стояние этой системы зависит от природы добавляемого реагента и от воздействия различных полей.

Набухание и растворение. В отличие от процесса растворе­ния низкомолекулярного вещества, при котором происходит в основном диффузия растворяемого вещества в растворитель, на­чальная стадия процесса растворения ВМС заключается в диффу­зии молекул растворителя в объем полимера. Проникновение молекул растворителя в объем биополимера сопровождается про­цессом набухания.

Набухание - самопроизвольный процесс поглощения по­лимером растворителя, сопровождаемый увеличением объема и массы взятого образца ВМС.

Количественной мерой набухания является степень набуха­ния a, которая может иметь объемное и массовое выражение, последнее дает более точный результат:

где V0 и V, т0 и т — соответственно объемы и массы исходного и на­бухшего образца полимера.

Степень набухания прежде всего зависит от природы поли­мера, т. е. от жесткости его цепей, обусловленной межмолеку­лярными взаимодействиями между ними, и лиофильности его макромолекул (сродства к растворителю). В зависимости от этих факторов и температуры набухание может быть ограниченным или неограниченным (рис. 27.12). При ограниченном набухании а достигает предельного значения, после чего не зависит от вре­мени. Так набухают амилаза (составляющая крахмала) и жела­тин в теплой воде * 50 °С). В этих случаях межмолекулярные взаимодействия в полимере достаточно сильны, и растворитель не в состоянии разобщить макромолекулы, поэтому набухание прекращается. В горячей воде для амилазы и желатина харак­терно неограниченное набухание, при этом значение а вначале возрастает, а затем падает до нуля в результате постепенного растворения желатина или амилазы.

Процесс набухания с позиции термодинамики характеризу­ется уменьшением энергии Гиббса

системы: G = Н T S < 0. В начале набуха­ния происходит специфиче­ское

взаимодействие моле­кул растворителя и ВМС с образованием новых межмо­лекулярных связей.

Этот процесс экзотерми-чен ( Н < 0), а изменение эн­тропии незначительно ( S = 0).

 
 

Рис. 27.12. Кинетика набухания различных ВМС

Даже в тех случаях, когда сольватация приводит к увеличению жесткости цепи и S уменьшается, это изменение относительно невелико: |T S| < | Н|, поэтому всегда G < 0 (процесс самопро­извольный).

На заключительной стадии набухания, когда закончился про­цесс сольватации ВМС, энтальпия системы практически не изме­няется ( Н = 0), но зато возрастает энтропия ( S > 0). Это проис­ходит потому, что разрыхление сетки ВМС приводит к частичному освобождению макромолекул (ограниченное набухание) или к переходу их в раствор (неограниченное набухание). Таким обра­зом, система переходит из более упорядоченного состояния в ме­нее упорядоченное. Следовательно, и заключительная стадия на­бухания характеризуется следующими неравенствами: T S > 0, G * -T S < 0 (процесс также самопроизвольный).

Степень набухания полимера, кроме упомянутых факторов, зависит от природы растворителя. В соответствии с правилом "подобное в подобном" полярные биополимеры - белки, нук­леиновые кислоты и полисахариды - в воде набухают лучше, чем в менее полярных растворителях (спирте и ацетоне).

На процесс набухания полимеров в воде влияет присутствие электролитов и значение рН среды. Влияние электролитов свое­образно прежде всего тем, что влияние оказывают в основном анионы, а катионы - лишь в незначительной степени. Причем одни анионы усиливают набухание, а другие ослабляют:

В целом этот ряд можно объяснить на основе изменения ак­тивности молекул воды в системе, а также поляризуемости обсуж­даемых частиц. Следует обратить внимание на этот ряд и с пози­ции высаливания полимера из водного раствора (разд. 27.3.2).

Влияние рН среды на набухание полимера больше всего проявляется в растворах белков, поскольку их молекулы - по-лиамфолиты (рис. 27.13). Так, минимум набухания белков ле­жит в области их изоэлектрической точки рН = рI. По разные стороны от этой точки степень набухания возрастает и, достиг­нув максимумов, вновь уменьшается. Такое влияние рН на на­бухание связано с тем, что в изоэлектрической точке конформация макромолекул белка наиболее плотная и поэтому степень его гидратации, а следовательно, и склонность к набуханию и растворению минимальны. Появление максимумов в кислой и

 
 

Рис. 27.13. Влияние рН раствора на набухание белков

щелочной среде связано с переходом белка в этих средах в ка­тион или анион и разрыхлением его структуры из-за электро­статического отталкивания одноименных зарядов. Таким обра­зом, по зависимости степени набухания от рН можно опреде­лить изоэлектрическую точку белка.

Число и прочность межмолекулярных связей между макро­молекулами и внутри них с течением времени увеличивается, и плотность системы возрастает. Поэтому на процесс набухания влияет возраст биополимера - чем он моложе, тем больше его степень набухания, т. е. тем больше он удерживает воды. Это на­ходит полное подтверждение, если проследить за содержанием воды в организме человека, состоящем в основном из биополи­меров. В начале утробной жизни эмбриона - в период интен­сивного деления клеток и роста - система сильно удерживает воду и ее содержание составляет 95 % от массы эмбриона. У новорожденного содержание воды около 80 %, а у взрослого -60 %. Постепенное старение организма сопровождается замед­лением процессов обмена, происходит буквальное усыхание человека, сопровождающееся появлением морщин, вследствие утраты способности клеток мышц и кожи к набуханию.

Вязкость. Вязкость растворов характеризует меру сопротив­ления среды движению. Вязкость растворов, содержащих макро молекулы, обычно значительно выше вязкости растворов низко­молекулярных соединений при тех же концентрациях. Это обусловлено тем, что цепь макромолекулы располагается во многих слоях жидкости и, сшивая их за счет межмолекулярных взаимо­действий, препятствует перемещению относительно друг друга. Зависимость вязкости растворов полимеров от концентрации, тем­пературы, давления не подчиняется обычным закономерностям. Особенности вязкости растворов ВМС объясняются изменением во времени конформации макромолекул, взаимодействием их между собой, образованием ассоциатов и структурированием системы в целом. Так, с повышением температуры вязкость растворов ВМС может изменяться по-разному. Если раствор образован сильно разветвленными молекулами, то вязкость раствора понижается с увеличением температуры вследствие уменьшения возможности структурирования. Вязкость растворов, содержащих длинные неразветвленные молекулярные цепи, с повышением температуры может повышаться из-за увеличения интенсивности движения фрагментов макромолекулы, что препятствует ориентации мак­ромолекулы в потоке.

Вязкость водного раствора белка при рН = рI минимальна (как и его набухание), так как в этом случае конформации мак­ромолекул наиболее компактны.

С течением времени в растворах биополимеров происходит значительное их структурирование, что, естественно, приводит к увеличению вязкости.

Таким образом, вязкость растворов ВМС сложным образом связана с формой и структурой макромолекул, а также характе­ром межмолекулярных взаимодействий как внутри макромоле­кул, так и между ними. Это необходимо учитывать при работе с биологическими средами и при описании их движения в орга­низме, особенно в капиллярах.

Осмотическое давление. Экспериментально определенное ос­мотическое давление для раствора ВМС заданной концентрации значительно превышает вычисленное по закону Вант-Гоффа. Это связано с тем, что макромолекула благодаря большим размерам и гибкости цепи ведет себя в растворе как несколько более ко­ротких молекул. Поэтому роль кинетического элемента играет уже не вся макромолекула, а соответствующие ее сегменты, об­ладающие относительной подвижностью. Число подвижных сег­ментов возрастает с увеличением гибкости цепи макромолекулы и с ростом концентрации ВМС в растворе. Для расчета осмотиче­ского давления растворов ВМС используется уравнение Галлера:

где С - массовая концентрация ВМС в растворе, г/л; М - средняя мо­лярная масса ВМС, г/моль; B - коэффициент, учитывающий гибкость и форму макромолекулы.

 
 

Рис. 27.14. Зависимость π/С от концентрации раствора полимера

При небольших концентра­циях полимера (B С2 -> 0) и для полимеров, молекулы кото­рых имеют форму сфериче­ских глобул, например гемо­глобина (B = 0), уравнение Галлера переходит в уравне­ ние Вант-Гоффа: π = RTC/M. Экспериментальное изучение влияния концентрации ВМС в растворе на его осмотическое давление позволяет с помощью графической зависимости вели­чины π от С найти значения средней молярной массы поли­мера М и коэффициента Р, который численно равен значению tga (рис. 27.14).

В сложных биологических системах, содержащих неэлектро­литы, электролиты и белки, каждый из этих компонентов вносит свой вклад в суммарное осмотическое давление. Вклад, обуслов­ленный наличием белков, называется онкотическим давлением (разд. 6.4.2).

Мембранное равновесие Доннана. Наличие в клетке ионов белков, которые, в отличие от низкомолекулярных ионов обыч­ных электролитов, не могут диффундировать сквозь мембрану, приводит к установлению мембранного равновесия Доннана.

 
 

Мембранным равновесием Доннана называют равнове­сие, устанавливающееся в системе растворов, разделен­ных мембраной, непроницаемой хотя бы для одного вида ионов, присутствующих в системе. Условием этого рав­новесия является равенство произведения концентраций подвижных ионов по обе стороны мембраны.

Задерживаемый мембранойион может быть ионом любого полимера (полиэлектролита) или гранулой мицеллы лиофобного коллоидного раствора.

Рассмотрим биологическую систему клетка - наружный раствор (межклеточная жидкость). Допустим, что внутриклеточная жидкость содержит только соль белка, катионы которой способ­ны проникать через клеточную мембрану, т. е. они подвижны, а анион белка задерживается мембраной (рис. 27.15). Наружный раствор содержит только подвижные ионы сильного электроли­та, причем общее число ионов пусть будет такое же, как внутри клетки. С учетом данного условия внутренний и наружный рас­твор должны быть изотоничны (π вн = π нар). Однако они не рав­новесны в отношении распределения подвижных ионов, спо­собных к диффузии, по обе стороны мембраны.

 
 

Рис. 27.15. Мембранное равновесие Доннана

В соответствии с законами диффузии сквозь мембрану пре­жде всего будут проникать подвижные анионы, увлекая за собой соответствующее число подвижных катионов. Движение катио­нов обусловлено не только диффузией, но и их электростатическим взаимодействием с анионами. Этот переход будет осуще­ствляться до тех пор, пока произведение количества подвижных ионов по обе стороны мембраны не выравняется:

Именно это мы имеем в нашем примере при установлении мем­бранного равновесия Доннана:

Перераспределение подвижных ионов вследствие эффекта Доннана всегда приводит к повышению осмотического давле­ния в клетке и уменьшению его снаружи. При этом внутриклеточный раствор становится гипертоническим по отношению к наружному, и тем самым клетка поддерживается в состоянии тургора. Кроме того, за счет присутствия в клетке солей белка сумма концентраций подвижных ионов внутри клетки всегда бу­дет больше, чем в наружном растворе. Это обусловливает воз­никновение разности потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны, называемой мембранным потен­циалом. Знак заряда внутренней поверхности мембраны будет совпадать со знаком заряда иона белка.

Таким образом, при мембранном равновесии Доннана осмо­тические (диффузионные) свойства системы уравновешиваются ее электростатическими свойствами.

Коацервация. В растворах с достаточно высокой концентра­цией ВМС, особенно биополимеров, может происходить самопро­извольное расслоение на две несмешивающиеся фазы. Одна из них представляет собой концентрированный раствор полимера, называемый коацерватом, а другая - разбавленный раствор по­лимера. Это явление называется коацервацией. Вначале коацерват находится в исходном растворе в виде капель, а затем образуется сплошной слой (происходит расслоение системы). Процес­су коацервации способствует не только высокая концентрация ВМС, но и факторы, вызывающие самопроизвольную агрегацию мицелл или макромолекул: введение в раствор электролитов или неэлектролитов, низкая температура, изменение рН среды, а также воздействие различных полей. Действие электролитов или неэлектролитов связано с их гидратацией, которая может происходить за счет молекул воды гидратных оболочек полиме­ров. В результате возникновения «оголенных» фрагментов у мак­ромолекул происходит их дополнительная агрегация. Коацервация является процессом самоорганизации и структурирова­ния органических веществ в водной среде в самостоятельную фазу. Самопроизвольное образование коацерватов в мировом океа­не лежит в основе гипотезы А.И. Опарина (1922) о происхож­дении жизни.

По мнению автора, явление коацервации внутри биологической системы под действием неполярных и малополярных веществ лежит в основе анестезии. Неэлектролиты, особенно летучие, легко проникают сквозь клеточные мембраны и, структурируя вокруг себя «рыхлую» воду, способствуют дегидратации молекул биосубстратов, включая те, из которых построены рецепторы. Это приводит к коацервации, т. е. к расслоению этих систем, с появлением новой границы раздела во­круг рецептора, служащей препятствием для диффузии катионов ка­лия и натрия, необходимых для передачи нервного импульса от ре­цептора данной клетки к клеткам мозга (разд. 11.3).





Дата публикования: 2014-10-16; Прочитано: 7297 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2025 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.007 с)...