2 курс / Биохимия / Высокомолекулярные соединения

Ограниченное набухание полимеров приводит к образованию студней. Примером могут служить такие системы как набухший в органическом растворителе каучук или застывший при охлаждении раствор желатины.

Студни получаются из растворов ВМС, а гели из золей. Студень представляет собой пространственную сетку из макромолекул полимера, заполненную молекулами растворителя. Студень система гомогенная.

Студни могут образовываться не только в результате набухания, но и из твёрдых полимеров, а также из их растворов. Схематически процесс студнеобразования можно представить следующей схемой:

Застудневание (желатинирование) – процесс фазового перехода из жидкого состояния в твёрдое состояние. Образование студня происходит в результате взаимодействия между макромолекулами ВМС. Макромолекулы неоднородны и имеют лиофильные (по отношению к воде – гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные) участки. У гидрофильных групп макромолекул (-NH2, -COH, =NH, -OН, -COOH) образуются гидратные слои. Эти слои экранируют отдельные участки макромолекул. Гидрофобные группы (например, -СН2 – боковых звеньев белков) неспособны формировать подобные слои. Наличие свободных, не защищённых сольватной (гидратной) оболочкой участков макромолекул при определённых условиях, в частности при росте концентрации ВМС, приводит к возникновению взаимодействия между этими участками; в результате образуется структура (каркас, сетка) из макромолекул ВМС, а раствор ВМС переходит в студень. Причины возникновения прочных связей могут быть разными. Например, если полимер содержит ионогенные группы, то взаимодействие этих групп, несущих противоположные по знаку заряды, является одной из причин образования межмолекулярных связей. Полярные группы макромолекул также могут взаимодействовать друг с другом. Иногда возможно образование и водородных связей.

Застудневание (или желатинирование) может происходить самопроизвольно под действием электролитов и при изменении температуры. Так, например, 30 – 34%-й раствор желатина застудневает при 303 К, а 10% -й раствор при более низкой температуре, равной 295К. Повышение концентрации ВМС всегда увеличивает вероятность застудневания, так как при этом возрастает вероятность столкновения макромолекул или их фрагментов. При этом возрастает вероятность образования межмолекулярных связей и, следовательно, появления в системе каркаса. Обычно такой эффект вызывает и понижение температуры, хотя бывают и исключения. Исключения объясняются отрицательным температурным коэффициентом растворимости ВМС.

Электролиты по-разному влияют на скорость застудневания: одни – ускоряют, другие – замедляют, а некоторые – даже исключают возможность перехода ВМС в студень. На застудневание главным образом влияют анионы. Эксперименты показали, что соли серной и уксусной кислот ускоряют процесс застудневания, хлориды и йодиды замедляют, а роданиды приостанавливают этот процесс. Анионы располагаются в следующий ряд по мере уменьшения их действия на процесс застудневания:

SO42- > CH3COO1- > Cl1- > Br1- > I1- > CNS1-

Различия в указанных свойствах электролитов объясняются степенью их гидратации, которая уменьшается у анионов слева направо в данном ряду. Замедляющее действие анионов на процесс застудневания наблюдается, начиная с иона хлора.

На способность к застудневанию водных растворов белков (амфотерные полиэлектролиты) сильно влияет рН среды. Процесс образования студня лучше всего идёт при значении рН, отвечающем изоэлектрической точке, так как при этом по всей длине молекулярной цепи расположено одинаковое число противоположно заряженных ионизированных групп, что способствует установлению связи между отдельными макромолекулами. С изменением рН (в обе стороны от изоэлектрической точки) макромолекулы приобретают одноимённый заряд, что препятствует образованию связей между ними. При добавлении больших количеств кислоты или щёлочи степень ионизации ионогенных групп уменьшается и тенденция к застудневанию снова увеличивается.

Повышение температуры, если только в системе не происходит необратимых химических изменений, обычно препятствуют застудневанию. Это связано с возрастанием интенсивности микроброуновского движения сегментов макромолекул и уменьшением вследствие этого числа связей между макромолекулами. Наоборот, понижение температуры, как правило, способствует застудневанию, так как возрастает число контактов между макромолекулами, связи между ними упрочняются.

На процесс застудневания влияют размеры макромолекул и их разветвлённость. Особенно легко образуют студни ВМС, у которых длина макромолекул достигает нескольких тысяч ангстрем и в тысячи раз превышает их поперечные размеры.

[Ангстрем – внесистемная единица длины, 1А = 10-10 м = 10-8 см = 0,1 нм; применяется в оптике, атомной физике, физике твёрдого тела и т.д.]

Застудневанию растворов ВМС всегда способствует повышение концентрации, так как при этом возрастает частота столкновений между макромолекулами или их участками и увеличивается число связей, образующихся в единице объёма студня. Однако, если молекулы полимера вытянуты, то застудневание может проходить и в очень разбавленных растворах. Так, при обычной температуре раствор агара образует студень при его содержании в нём 0,2% сухого вещества.

Чем выше концентрация полимера в растворе, тем выше температура, при которой растворы ВМС переходят в студни. Например, 30 – 45%-ные растворы желатина способны переходить в студни при 300С, 10%-ный раствор переходит в студень при ≈220С. Объём системы при застудневании обычно уменьшается.

СВОЙСТВА СТУДНЕЙ Все студни (и гели) обладают свойствами и твёрдого тела и жидкости. К

свойствам, характерным для твёрдого тела, относятся прочность, упругость, эластичность, способность сохранять определённую форму. Упругость студней определяется прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки в них, а также свойствами ориентированных молекул растворителя. Особенно это характерно для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку студня.

Упругие и эластичные свойства студней проявляются при работе мышц человека. Мышцы состоят из волокон ткани, которые образуют студни. Под влиянием нервных импульсов и вследствие эластичности эти своеобразные студни способны сокращаться, совершать работу и обеспечивать двигательные процессы организма человека.

Структурно-механические свойства студней зависят от прочности каркаса, образованного макромолекулами. Если в студне каркас образован за счёт прочных химических связей или водородными связями, то при механическом воздействии на такие студни структура разрушается и такие студни не восстанавливают свою структуру. Однако, если связи между макромолекулами слабые, имеют малую прочность, то после механического воздействия структура студня восстанавливается. Такие студни являются тиксотропно-обратимыми.

Тиксотропия – это обратимое изменение физико-механических свойств полимерных и дисперсных систем при механических воздействиях на эти системы в изотермических условиях.

Примерами могут служить такие продукты как кефир, маргарин, тиксотропными свойствами обладают тесто, строительные растворы и т.д. Тиксотропными свойствами обладают и студни желатина и агар-агара.

[Желатина – продукт денатурации коллагена – белка соединительной ткани. Получают вывариванием костей, хрящей, сухожилий. Применяют в пищевой промышленности.

Агар (агар-агар) смесь двух полисахаридов, содержащихся в клеточных стенках красных водорослей. Растворяется в горячей воде, при охлаждении образует плотный студень. Применяется в кондитерской промышленности, вы биологии как основа питательных сред для выращивания клеток и микроорганизмов].

Жидкость, заполняющую сетку студня, часто называют интермицелярной, её можно разделить на свободную, которая механически включена в каркас студня и не входит в сольватную оболочку, и связанную. Количество связанной воды в студне зависит от степени гидрофильности макромолекулы: чем больше количество гидрофильных групп, тем больше связанной воды в студне.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большой плотностью, пониженной температурой замерзания и т.д. Связанная вода студней играет большую роль в природе: её присутствие в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает “водные запасы”, определяет морфологические структуры клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды у младенцев составляет примерно 70%, а у пожилых людей – до 40%, что обусловливает появление морщин, дрялость кожи.

При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом. Синерезис сопровождается уплотнением пространственной структурной сетки и уменьшением объёма студня за счёт выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса – отделение сыворотки при свёртывании крови, при скисании молока и т.д. В человеческом организме синерезис идёт достаточно медленно и скорость его индивидуальна. Следует отметить, что при синерезисе вначале выделяется свободная вода, а затем, частично, связанная. Студни не способны восстанавливать свою структуру.

Для студней амфотерных белков наибольший синерезис осуществляется в изоэлектрической точке. С отклонением рН среды в ту или другую сторону от изоэлектрической точки синерезис уменьшается, так как фрагменты макромолекулы приобретают одноименный заряд, что приводит к взаимному отталкиванию цепочек макромолекул друг от друга. Это в свою очередь вызывает увеличение объёма студня, а следовательно, и уменьшение синерезиса. Влияние низкомолекулярных электролитов на синерезис различно, но, как правило, электролиты, способствующие набуханию, уменьшают синерезис.

Из-за наличия пространственной сетки в студнях отсутствуют перемешивающие конвекционные потоки. Поэтому в них реагирующие вещества соприкасаются в результате медленной диффузии. Поэтому химические реакции, протекающие в студнях, имеют свои особенности. Например, если в студень желатины заранее ввести некоторое количество дихромата калия, а потом добавить более концентрированный раствор нитрата серебра, то возникает окрашенный осадок дихромата серебра:

K2Cr2O7 + 2AgNO3 → Ag2Cr2O7↓ + 2KNO3.

При стоянии в результате диффузии нитрата серебра осадок распространяется вглубь студня, но не сплошной массой: возникают периодические зоны осадка (кольца Лизеганга) отделённые друг от друга совершенно прозрачными промежутками. Эти реакции получили названия периодических. Их впервые наблюдал немецкий химик Р. Лизеганг (1886), отсюда и название «кольца Лизеганга»..

Периодическими реакциями объясняют сложное распределение окраски многих минералов, генерацию нервных импульсов, мышечные сокращения, сложное строение камней, образующихся в почках, печени и желчном пузыре.

На механические свойства студней сильно влияет концентрация ВМС в студне. Если в студне в единице объёма малое число постоянных межмолекулярных связей, то такой студень весьма эластичен. Студни с

большим числом связей между макромолекулами малоэластичны, у них достаточно жесткая образовавшаяся сетка из макромолекул.

Коацервация. При нарушении устойчивости раствора белка или полисахарида возможно образование коацервата – новой жидкой фазы, обогащённой биополимером. Коацерват может выделяться в виде капель или образовывать сплошной слой, что приводит к расслаиванию системы на две фазы. Одна из фаз представляет собой раствор ВМС в растворителе, а другая

– раствор растворителя в ВМС.

Коацервацию можно вызвать изменением температуры, рн среды или введением низкомолекулярных веществ.

Наиболее изучена коацервация белков и полисахаридов в водных растворах. Академик Л.И. Опарин считал, что коацерваты сыграли большую роль в процессах происхождения жизни на Земле.

Коацервацию используют при микрокапсулировании лекарственных веществ. Для этого лекарственное вещество диспергируют в растворе полимера. В результате на поверхности лекарственного вещества формируется оболочка из адсорбированных капелек коацервата полимера. Капельки сливаются в сплошной слой на поверхности частиц лекарственного вещества и специальной обработкой переводятся в твёрдое состояние. Образовавшаяся твёрдая оболочка обеспечивает устойчивость, увеличивает длительность действия и устраняет неприятный вкус лекарственного вещества.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ

1.Какие соединения называются высокомолекулярными?

2.Как их можно классифицировать по происхождению и строению молекул?

3.В чём состоит сходство и различия между растворами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений?

4.Какова природа устойчивости растворов полимеров? Сравните её с природой устойчивости растворов низкомолекулярных веществ и лиофобных коллидов.

5.Чем принципиально отличаются растворы ВМС от коллоидных систем?

6.Какой процесс называется набуханием, и какой величиной оно характеризуется?

7.В чём состоят особенности ограниченного и неограниченного набухания?

8.Как изменяются энтальпия, энтропия и свободная энергия Гиббса при набухании?

9.Какова роль набухания в физиологии животных и растений?

10.Что такое вязкость жидкостей? Какие жидкости (растворы) называют ньютоновскими, а какие неньютоновскими и почему?

11.В чём причины того, что растворы ВМС обладают высокой вязкостью?

12.Объясните, что такое: а) относительная вязкость; б) удельная вязкость; в) приведённая вязкость и характеристическая вязкость?

13.Уравнение Марка-Куна-Хаувинка. Для чего используют это уравнение? От чего зависит показатель α?

14. Осмотическое давление, уравнение осмотического давления ВантГоффа.

15.Осмотическое давление растворов полимеров, уравнение Галлера. Определение М полимера по измерению осмотического давления растворов ВМС.

16.Осмос в природе. Что такое изотонические, гипертонические и гипотонические растворы?

17.Объясните, что такое эндосмос и экзосмос?

18.Осмолярная концентрация растворов, её связь с молярной концентрацией.

19.Применение в медицине изотонических и гипертонических растворов.

20.Что такое онкотическое давление, от каких факторов оно зависит?

21.Мембранное равновесие. Уравнение Доннана.

22.Мембранный потенциал, механизм его возникновения, способы измерения.

23.Белки: общая характеристика.

24.Каково строение молекул белка?

25.Какие ВМС называются полиэлектролитами? Примеры.

26. На какие группы делятся полиэлектролиты?

27.Белки как полиэлектролиты. Как диссоциирует молекула белка в кислой среде, щелочной среде. Изоэлектрическая точка белка.

28. Как доказать, что в большинстве случаев у частиц ВМС имеется заряд? Чем этот заряд отличается от заряда частиц лиофобных коллоидов?

29.Электрофорез белков.

30.Какие факторы вызывают денатурацию белка? Каков механизм денатурации?

31.Сопоставьте механизмы коагуляции лиофобных коллоидов и нарушение устойчивости растворов ВМС.

32.Какие системы являются студнями? Гомогенны ли они или нет и почему?

33.Объясните, какие есть способы получения студней?

34.Укажите факторы, влияющие на процесс застудневания.

35.Влияние электролитов на процесс застудневания, влияние рН среды.

36.Почему студни обладают свойствами и твёрдого тела и свойствами жидкости?

37.Что такое тиксотропия? Какие студни тиксотропны и почему?

38.Что такое интермицелярная жидкость? Какими особыми свойствами обладает связанная вода?

39.Синерезис студней. Влияние электролитов на процесс синерезиса студней.

40.Что такое периодические реакции? Почему они происходят в студнях?

41.Коацервация, причины этого явления.

Примеры решения задач

Задача 1.

Рассчитайте относительную молекулярную массу поливинилового спирта, если постоянные в уравнении Марка-Куна-Хаувинка следующие: К = 4,53∙10-5 см3/г; α = 0,74; характеристическая вязкость [η] = 0,15 см3/г.

Решение

Подставляя значения в уравнение Марка-Куна-Хаувинка [η] =КМα получаем

0,15 = 4,53∙10-5∙М 0,74

или

М 0,74 = 105 =3,311 ∙ 10-2 ∙ 105 = 3,311 ∙ 103, т.е. М 0,74 = 3311.

Это равенство логарифмируют: 0,74 lgM = lg 3311. Значение lg 3311 находят по таблице логарифмов.

lgM = = 4,757, т.е. lgM = 4,757. Далее по таблице антилогарифмов находят

значение М. Оно равно 57 150.

Ответ: 57 150.

Задача 2.

Рассчитайте относительную молекулярную массу белка миоглобина, если постоянные в уравнении Марка-Куна-Хаувинка для раствора данного белка в воде следующие: К = 2,32 ∙10-2 см3/г; α = 0,5; характеристическая вязкость [η] = 3,1 см3/г.

Решение

Для расчетов пользуемся уравнением Марка-Куна-Хаувинка и подставляем в него данные:

3,1 = 2,32 ∙ 10-2М 0,5; М 0,5 = = 1,336 ∙ 102 = 1,33,6, т.е. М 0,5 = 133,6.

Возводим обе части равенства в квадрат и получаем относительную молекулярную массу: М = (133,6)2 = 17 849.

Ответ: 17 849.

Задача 3.

В четыре пробирки с 1 М растворами СН3СООК, КСNS, K2SO4 и KCl поместили по 0,5 г полярного полимера. В каком из растворов электролита набухание полимера максимально, в каком – минимально и почему?

Решение

Действие ионов электролитов и набухание ВМС связано с их способностью к гидратации. По способности уменьшить набухание анионы располагаются в ряд (при одном и томже катионе):

CNS1- > I1- > Br1- > NO31- > Cl1- > CH3COO1- > SO42-

Поскольку ионы CNS1- усиливают набухание, а ионы SO42- - тормозят, то в растворе KCNS набухание максимально, а в растворе К2SO4 – минимально.

Задача 4

Изоэлектрическая точка пепсина желудочного сока находится при Рн 2,0. Каков будет заряд макромолекулы фермента при помещении его в буферный раствор с рН 8,5?

Решение

При помещении пепсина в раствор с рН среды большей ИЭТ подавляется диссоциация аминогрупп и макромолекулы фермента приобретают отрицательный заряд:

‾ООС – R – NH3+ + R – COO ‾ + H2O

Задача 5

Желатина помещена в буферный раствор с рН 3. Определите знак заряда частиц желатины, если изоэлектрическая точка белка равна 4,7.

Решение

При помещении желатины в раствор с рН среды, меньшим ИЭТ, подавляется диссоциация карбоксилььных групп и частицы желатины приобретают положительный заряд:

‾ООС – R – NH3+ + Н+ ↔ НООС – R – NH3+

Задача 6

Изоэлектрическая точка белка альбумина равна 4,9. Белок помещен в буферную смесь с концентрацией водородных ионов 10 -6 моль/л. Определите направление движения частиц белка при электрофорезе.

Решение

Если концентрация ионов водорода 10 -6 моль/л, то рН среды равен 6, так как рН = -lg[H+].

Поскольку рН среды > ИЭТ (6 > 4,9), то согласно следующему уравнению белок приобретает отрицательный заряд и при электрофорезе перемещается к аноду:

H3N+ – CH(R) – COO ‾ + OH ‾ ↔ H2N – CH(R) – COO ‾ + H2O

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 1.

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОПОЛИМЕРОВ

Цель работы: Экспериментально подтвердить зависимость степени набухания ВМС от природы растворителя и рН среды; научиться определять

изоэлектрическую точку белка; изучить влияние электролитов на растворимость белков.

ЗАДАНИЕ 1. Определить степень набухания резины в воде, бензине и скипидаре.

Практическая часть.

Взвешивают три кусочка резины (каждый отдельно) опускают первый в бюкс с водой, второй кусочек в бюкс с бензином, третий – со скипидаром. Через 30 минут кусочки вынимают, сушат фильтовальной бумагой и взвешивают. Рассчитывают степень набухания по формуле, приведённой выше. Полученные данные оформляют в виде таблицы:

По итогам выполнения работы сделать вывод о зависимости набухания резины от природы полимера и растворителя.

ЗАДАНИЕ 2. Определить степень набухания желатины при различных значениях рН среды

В сухие пробирки на 10 мл вносят по 0,5 мл порошка желатины и добавляют до верхней метки следующие растворы: в первую – 0,1 М раствор соляной кислоты, во вторую – буферный раствор с рН = 4,7, в третью – дистиллированную воду, в четвёртую – 0,1 М раствор гидроксида натрия. Содержимое пробирок перемешивают стеклянной палочкой, которую после каждого перемешивания промывают дистиллированной водой. Через 30 минут определяют объём набухшей желатины и рассчитывают степень набухания по формуле, указанной выше. Полученные результаты оформляют в виде таблицы:

Строят график зависимости степени набухания от рН среды и делают вывод о влиянии рН среды на набухание желатины.

ЗАДАНИЕ 3. Определение ИЭТ белка.

В каждую из пяти центрифужных пробирок наливают по 1 мл ацетатного буфера с рН 3,2; 4,1; 4,7; 5,3; 6,2. Затем добавляют по 0,5 мл раствора белка (желатины) с его массовой долей от 0,5 до 1% и по 1 мл ацетона. Содержимое пробирок тщательно перемешивают, на тёмном фоне отмечают степень

мутности проб и качественно оценивают по пятибалльной шкале. В случае слабо выраженной мутности в каждую пробирку вносят ещё по 0,5 мл ацетона. Максимум мутности соответствует максимальной коагуляции белка, наблюдаемой в пробирке с раствором, рН которого равен ИЭТ белка.

Для более чёткого обнаружения максимальной коагуляции белка пробирки помещают в центрифугу и центрифугируют их в течение 2-3 мин при скорости вращения 3000 об/мин. На дне пробирок появляются осадки. Надосадочную жидкость сливают быстрым опрокидыванием пробирок. К осадку добавляют по 2 мл биуретова реактива (смесь растворов сульфата меди и тартрата натрия-калия). Интенсивность фиолетовой окраски пропорциональна количеству выпавшего белка. Интенсивность окраски оценивают визуально по пятибалльной шкале или измеряют оптическую плотность растворов с помощью фотоколориметра (используют кювету с толщиной слоя 10 мм и желтый светофильтр). Результаты записывают в виде таблицы:

На основании проделанной работы определяют ИЭТ желатины.

ЗАДАНИЕ 4. Провести осаждение желатины из раствора методом высаливания

К раствору белка в пробирке приливают насыщенный раствор сульфата аммония до выпадения белка в осадок. Затем, добавляя в пробирку воды, добиваются полного растворения осадка.

В выводе анализируют механизмы, объясняющие выпадения белка в осадок и его растворение.

ТЕСТИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ПО ТЕМЕ: «ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ»

ТЕСТ № 1 (ВМС)

1. Получение раствора ВМС состоит из следующих стадий: а) набухание; б)

3. Слияние водных оболочек нескольких частиц ВМС без объединения самих