книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

Ребиндер и сотр. [47—49] на основе исследований устойчи­ вости пузырьков и жидких капель в растворах ПАВ считали, что устойчивость их определяется высоким стабилизирующим дей­ ствием коллоидных адсорбционных слоев, которые являются своеобразными пленочными (двухмерными) студнями, сильно сольватированными дисперсионной средой и диффузно переходящими в золь с удалением от поверхности. При этом указывалось, что механические свойства слоя должны возрастать параллельно изотерме адсорбции до полного его насыщения. При исследова­ нии устойчивости пузырьков в растворах некоторых веществ Ребиндер и Венстрем [47] обнаружили максимум устойчивости в области насыщенных слоев. Достижение максимума прочности при насыщении слоя также наблюдалось Лубман [50] на поста­ ревших растворах сапонина.

Талмуд и Суховольская [51] исследовали стабилизующее дей­ ствие адсорбционных слоев. Максимальная стабилизация наблю­ далась в ненасыщенных слоях, однако в этих условиях они обла­ дали максимальной прочностью.

Следующим этапом развития учения о поверхностных слоях биополимеров была попытка исследователей разобраться в ме­ ханизме поверхностного или межфазного структурообразования. Еще Ленгмюр [52], исследуя механические свойства белковых монослоев, пришел к выводу, что прочность монослоев является мерой числа и силы поперечных связей между полипептидными цепями. Различие в механических свойствах белковых моно­ слоев, по мнению Ленгмюра, указывает на то, что поперечные связи между боковыми цепями являются важным условием обра­ зования твердых поверхностных слоев. Картины «расширенных фигур», наблюдавшихся Ленгмюром, идентичны для белков и полимеров. По мнению Ленгмюра, это является доказательством того факта, что глобулярные белки образуют монослой на по­ верхности воды, который состоит из цепей, связанных друг с другом поперечными связями.

На то, что прочные пространственные структуры поверх­ ностных и межфазных слоев биополимеров могут быть стабили­ зованы водородными связями, указывает результат, полученный Александером и сотр. [53—55]: введение в субстрат агентов, раз­ рушающих водородные связи, приводило к исчезновению струк­ турной вязкости и упругости монослоев белков. В тех же работах обсуждена роль солевых связей в упрочнении белковых пленок. Авторы считают, что эластические свойства сывороточного аль­ бумина обусловлены возникновением большого числа солевых связей в межфазных слоях. Пленки этого белка чувствительны к изменению электрического потенциала.

Японскими учеными [56] при исследовании полимеров — про­ изводных поливинилового спирта — было найдено, что поверх­ ностная вязкость поливинилового спирта, поливинилацетата и поливинилстеарата является функцией степени полимеризации

160

п структуры мономерной единицы и, в особенности, структуры ее боковой цепи. Монослои поливинилового спирта и поливинил­ ацетата относятся к разреженному типу, а монослои поливинилстеарата — к конденсированному типу. Поверхностная вязкость поливинилстеарата имеет неныотоновский характер и довольно велика по порядку величины даже при очень высоких площадях, приходящихся на одну молекулу, когда поверхностное давление почти не чувствуется. В случае поливинилового спирта и поли­ винилацетата сопротивление сдвигу замечается лишь при ощути­ мом значении поверхностного давления. Совпадение значений площадей, приходящихся на молекулу, при точках изгиба на обоих графиках зависимости текучесть — площадь и сжимае­ мость — площадь говорит о том, что поверхностная вязкость тес­ но связана с плотной упаковкой в пленке.

Все нанесенные поверхностные слои полимеров без исключе­ ния расширяются и занимают гораздо большую площадь на гра­ ницах раздела с насыщенными маслами, чем на границе с возду­ хом, указывая на то, что дисперсионные силы взаимодействия между полимерными цепями значительно понижаются в присут­ ствии масла [57].

Когда полимер не растворяется в масляной фазе (например полиметакрилат в циклогексане), кривая зависимости поверх­ ностного давления от площади обнаруживает изгиб, при котором пленка перестает вести себя как ньютоновская жидкость и наначинает проявлять явную упругость [58].

Формирование поверхностных слоев с позиций явлений гелеобразования рассматривалось в работах [59, 60]. Авторы вводят понятие о критической площади гелеобразования — той наи­ большей площади, при которой белковая пленка обнаруживает вязкоупругие свойства.

Анализу межмолекулярных взаимодействий в монослоях сы­ вороточного альбумина посвящена работа Бланка [61]. Хотя для установления механизма формирования межфазных слоев ВПАВ, безусловно, нужны исследования зависимости механи­ ческих характеристик (а следовательно, и структурных свойств)

изучать роль различных невалентных связей, температуры и др.), на основании приведенных работ невозможно сформулиро­ вать механизм межфазного структурообразования. И это связа­ но прежде всего с тем, что собственно механические свойства поверхностных и межфазных слоев должны быть строго опреде­ лены и подробно изучены на основе полных реологических иссле­ дований. Реологические исследования в будущем дадут ключ к пониманию процессов формирования межфазных слоев биопо­ лимеров.

В настоящее время еще ощущается недостаток подобных стро­ гих исследований, однако уже можно говорить о новой науке —

реологии пленок, возникшей на перекрестке биологии (молеку­ лярной биологии, биофизики, цитологии), физической химии, физико-химической механики дисперсных систем и реологии.

Результаты измерений поверхностной вязкоэластичности, по­ лученные с использованием торсионного поверхностного виско­ зиметра [62—65], а также по методу, разработанному Майгеймером и Шехтером [66], привели к выводу о полной аналогии поверхностной и объемной реологии при условии, что измерения реологических свойств поверхностных слоев проводятся на пло­ ской межфазной поверхности.

Следовательно, математический аппарат, разработанный для описания реологических свойств трехмерных систем, может быть применен к изучению межфазных вязкоэластических свойств.

При анализе экспериментальных результатов измерения сдви­ говой вязкости в работе [67] дан подробный разбор источников экспериментальных ошибок, возможных при использовании вра­ щающихся дисков, расположенных в поверхностных слоях.

Кинси [68] исследовал вязкоупругие свойства монослоев по- ли-й-Х-аланина и сывороточного альбумина с помощью крутиль­ ного маятника с кольцом из тефлона.

Он установил различие вязкоэластических свойств монослоев этих двух полимеров, которое, очевидно, обусловлено различием структур, образующихся на поверхности, вследствие особеннос­ тей первичной структуры этих биополимеров.

Реология двухмерных пленок ВПАВ на межфазных границах изучена Бойдом и Шерманом [69] с использованием прибора, работающего на принципе вращающихся цилиндров с усовер­ шенствованным воздушным подшипником для центрирования и поддержания кольца или диска на межфазной поверхности.

Отмечены специфические изменения вязкоэластических свойств слоев в результате старения. Если свежеприготовленная пленка

вязкость. Это объясняется тем, что формирование белковой пленки протекает в неравновесных условиях. При этом могут возникать хаотические метастабильные структуры, содержащие в различ­ ной степени развернутые белки; при образовании равновесной пленки структура ее становится менее сложной и более упорядо­ ченной.

Реологические методы исследований межфазных адсорбционных слоев

Реологические свойства структур биополимерных веществ, являющихся предметом обсуждения данной монографии, состав­ ляют область, промежуточную по свойствам между двумя край­ ними простейшими типами систем: ньютоновской жидкостью и гуковским твердым телом.

162

Деформационные свойства идеально упругого твердого тела описываются законом Гука

Деформационные свойства жидкости описываются законом

Оба эти уравнения предполагают мгновенное установление деформаций или скоростей деформаций, соответствующих задан­ ным напряжениям и далее не изменяющихся во времени при по­ стоянном напряжении. Уравнению Ньютона подчиняются в области ламинарного потока все газы и обычные жидкости; уравне­ нию Гука лишь в первом приближении в области малых деформа­ ций подчиняются многие материалы, однако у большинства реаль­ ных тел процессы деформации протекают во времени, причем не вся деформация является упругой. Такие упругопластические тела сочетают в себе характерные признаки как идеально упруго­ твердого тела, так и жидкостей.

Первым уравнением, описывающим свойства промежуточных тел, было уравнение Максвелла, предложенное им в 1867 г. [70]. Исходя из молекулярно-кинетических представлений о явлении релаксации, т. е. рассасывании упругих напряжений вследствие теплового движения, аналогично процессам диффузии, Максвелл предположил, что деформационные свойства тела, обладающего модулем упругости на сдвиг и вязкостью, описываются следую­ щим уравнением:

ратная 0, характеризует скорость убывания упругих напряжений в теле. Эта константа названа Максвеллом периодом релакса­ ции. Тело Максвелла, подчиняющееся данному уравнению, мо­ жет быть представлено механической моделью, состоящей из последовательного сочетания идеально упругой пружины с мо­ дулем упругости Е и поршня или шара, движущегося в ньюто­ новской жидкости и моделирующего вязкое сопротивление т) (рис. 1, а).

Абсолютное удлинение этой системы при приложении к ней определенного усилия моделирует относительную деформацию сдвига.

При последовательном сочетании упругого и вязкого элемен­ тов имеем: Р = РЕ — Р^ (индексы Е и г) относятся соответственно

6* 163

Уравнение (7) совпадает с предложенным Максвеллом уравне­ нием (3). Рассмотрим некоторые частные случаи поведения тела Максвелла.

1. К системе приложено постоянное напряжение сдвига Р = = const; уравнение (7) имеет вид

Таким образом, под влиянием постоянного напряжения в теле Максвелла возникает пропорциональная ему скорость де­ формации. Величина Ев играет в данном случае роль вязкости. Изменение деформации во времени будет протекать по уравне­ нию

8 = 80 + ^ т. (6')

Графически поведение тела Максвелла при Р = const представ­

ние в системе падает по экспоненциальному закону с периодом релаксации 0. Графически это представлено на рис. 1, в.

Тело Максвелла — жидкость, обладающая упруговязкими свойствами; она релаксирует до конца, т. е. с течением времени вся упругая деформация, созданная в ней, переходит в пласти­ ческую.

Уравнение Максвелла никогда не выполняется в реальных системах точно, хотя качественно оно хорошо передает многие,

164

в = smax ■е-т/0 = (Р1г\)е-т/°; в = PIE [1 —е_т,(Ч, где PIE = етах— мак­ симальная деформация, которую при данном напряжении Р может развить элемент Кельвина, описывается уравнением

в = в (1 —е-т'°г).

После снятия нагрузки деформация уменьшается по закону

где 02 в отличие от периода релаксации 0 называется периодом последействия или временем запаздывания.

Полученные уравнения показывают, что при постоянном на­ пряжении деформация лишь постепенно достигает своего предель­ ного значения, а при снятии напряжения спадает также во вре­ мени (рис. 2, б).

2. в = в0 = const. Прежде всего необходимо отметить, что создать мгновенную деформацию в данной модели нельзя. Если же заданную с той или иной скоростью деформацию поддержи­ вать постоянной, то и соответствующее напряжение будет по­ стоянным — релаксация напряжений в этой системе невозможна. Система ведет себя как упругое тело без релаксации напряжений, но проявляет некоторое запаздывание, обусловленное внутрен­ ним трением.

Более общей моделью, отражающей как упругое последейст­ вие, так и релаксацию, является модель, состоящая из последо­ вательного сочетания элементов Максвелла и Кельвина (рис. 3, а). Эта модель была разобрана Френкелем и Образцовым. Для слу­

деформации ее составных частей, то для случая Р = const мы получим следующую зависимость деформации от времени:

166

Уравнения касательных, проведенных к конечному (В) и

р_

( И " )

■щ

Предположим, что р = оо, т. е. что мы имеем последовательное сочетание идеально упругой пружины Гука и элемента Кельвина (Ег, т|2), и рассмотрим поведение такой системы. При е = е0 = = const (в первый момент мгновенного задания деформации)

Рис. 3. Модель, состоящая из последовательного сочетания элементов Макс­ велла и Кельвина

вся деформация будет обусловлена пружиной Е — динамомет­ ром; затем деформация пружины (ex) будет уменьшаться за счет роста деформации элемента Кельвина (е2), так что е0 = Ех + -j- е2 = const и соответственно

167

Обозначим ц2/(£\ -f- Е2) = 0* и, подставив в~"(13), получим

Полученное соотношение показывает, что в системе будет происходить процесс, внешне напоминающий релаксацию, так как напряжение, необходимое для поддержания постоянной де­ формации е0, будет падать от Р 0 до PL по экспоненциальному за­ кону с периодом релаксации 0* = т)2/(£]. + i?2)- Однако при этом не будет перехода упругих деформаций в пластическую, так как спад напряжения, измеряемого в качестве динамометра пру­

упругим последействием, всегда приводит к напряжений, со­ ставляющему определенную долю от первоначального.

ЕслиТ) ф оо, то в системе при постоянной деформации будут происходить два рода процессов — релаксация за счет упругого последействия и истинная релаксация, обусловленная упругим элементом, ведущим к появлению остаточной деформации.

Для того чтобы сделать возможным моделирование тела с предельным напряжением сдвига, вводят представление о порш­

168

нях, обладающих статическим трением, не зависящим от скорости движения поршня. Примером может служить модель, представ­

упругое последействие {Ркг — предел текучести); при Р ^ > Р к 1 в теле начинается течение и появляется остаточная деформация.

Увеличивая в модели число элементов и соединяя их различ­ ными способами, можно получить разнообразные системы, все ближе воспроизводящие свойства реальных тел. Такое моделиро­ вание облегчает изучение структурно-механических свойств дис­ персных систем, помогает разумной постановке опыта и обра­ ботке экспериментальных результатов. Большое преимущество модельных представлений заключается в их простоте и нагляд­ ности, как показали работы Ребиндера и сотр. [72—74], даже с помощью отдельных моделей можно с успехом передавать основ­ ные деформационные свойства многих дисперсных систем.

Определение реологических характеристик межфазных адсорбционных слоев

Реологические характеристики межфазных адсорбционных сло­ ев определялись по методу закручивания диска, расположен­ ного на границе фаз и подвешенного на упругой нити, предложен­ ному Ребиндером и Трапезниковым [75], на приборе, разработан­ ном в Институте физической химии АН СССР [76]. Схема прибора показана на рис. 5.

Принцип действия его состоит в следующем. К крутильной головке 6

слимбом, разделенным на 360? с ценой деления 0,008°, жестко закрепляют вольфрамовую нить 1 длиной 25 или 50 см, не дающую остаточных деформаций

после разгрузки. На другом конце нити подвешивают стеклянный диск 2, выше которого укрепляют зеркальце 3. Внизу на устойчивой металлической плите помещают подъемный столик, который может вращаться от мотора 8

спостоянной скоростью, изменяющейся от 6• 1()~4 до 15-10-1 рад/сек. На сто­ лике ставят кристаллизатор 4 с исследуемой системой. Поднятием столика

кристаллизатор подводят под стеклянный диск так, чтобы граница жидкости 9 совпала со средней образующей диска, фиксируемой специальной чертой.

Затем сверху наливают масляную фазу. Определение показаний угла закру­ чивания упругой нити под действием прилагаемой нагрузки (вращения сто­ лика или вращения верхнего конца нити) производят специальным отсчетным устройством, состоящим из осветителя, светового зайчика и шкалы. Мил­ лиметровая шкала, по которой отмечаются углы смещения диска, предвари­ тельно калибруется в угловых градусах. В нашем случае 1° соответствовал

35мм.

Для защиты от пыли и обеспечения надежности термостатирования весь

прибор устанавливают в шкафу 5, постоянную температуру (измеряется термометром 7) в котором поддерживают с точностью ± 0 ,1 ° С пропускани­

ем термостатируемой воды либо с помощью электрического нагревателя с точ­ ностью ±0,5° С.

169