1 курс / Химия / Физическая,_коллоидная_химия_и_химия_высокомолекулярных_соединений

91

заряженными ионами хлора последуют положительно заряженные ионы натрия. Пусть х означает концентрацию, которой достигли ионы хлора в момент установления равновесия в системе. Белок ( R ‾ ) не может диффундировать через мембрану и остаѐтся во внутреннем растворе. В результате перераспределения ионов в момент равновесия система будет находиться в состоянии, которое мы покажем схемой:

КОНЕЧНОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ

___________________________________________________________________________________

Полученное выражение – это уравнение мембранного равновесия Доннана.

Из уравнения следует, что количество NaCl, а именно х, которое диффундирует справа налево, обратно пропорционально концентрации недиффундирующего через мембрану иона (в нашем случае это R ‾ ), слева от мембраны. Неравное распределение диффундирующих ионов Na+ и Cl ‾ между двумя отделениями является следствием эффекта Доннана.

При соприкосновении клетки с раствором электролита некоторая часть электролита всегда перейдѐт в клетку, поэтому осмотическое давление, зависящее от концентрации ионов электролита плюс концентрации белка, всегда будет выше, чем в окружающем растворе. Этот факт способствует поддержанию тургора клеток даже в изотонических растворах. В то же время в гипертонических растворах происходит не только потеря клеткой воды, но и переход некоторой части соли внутрь неѐ.

Равенство произведений концентраций ионов имеющих разные и противоположные заряды по обе стороны мембраны совпадает с равенством сумм концентраций (т.е. сумм числа ионов) только при отсутствии в клетке белка. Если же в клетке содержится белок, то суммы концентраций ионов по

91

92

обе стороны мембраны будут неодинаковы, что обусловит возникновение разности потенциала – мембранного потенциала.

Эффект Доннана (т.е. неравномерное распределение электролитов между клеткой и омывающей их жидкостью) оказывает большое влияние на жизнедеятельность клеток и на величину биопотенциала.

Понятие мембранного потенциала было введено Оствальдом в конце ХIХ века. Возникновение этого потенциала наблюдалось на полупрницаемых мембранах Например, мембраны пропускали только катионы, а аниноны не могли проходить через эти мембраны. Если раствор с более высокой концентрацией (с2) был отделѐн полупрницаемой такой мембраной от раствора с меньшей концентрацией (с1), например раствора, содержащего ионы калия, то некоторое количество ионов калия проходило через мембрану в менее концентрированный раствор. В результате этого на стороне разбавленного раствора создавался небольшой избыток положительного заряда, а на стороне раствора с большей концентрацией возникал некоторый избыток отрицательного заряда (его создавали анионы, лишившись катионов). Растворы приобретали неодинаковые электрические заряды и возникали потенциалы φ1 и φ2. Разность этих потенциалов представляет собой мембранный потенциал

∆φ = φ2 – φ1

Для мембранного потенциала (часто называемого потенциалом Доннана) хлорида калия и других электролитов типа К+Аn1- было выведено соотношение:

∆φ =

Это уравнение известно как уравнение Нернста.

Величину мембранного потенциала можно определить, составив гальваническую цепь, в которой в растворы, разделѐнные мембраной с избирательной проницаемостью, опущены два электрода сравнения. Например, если в оба раствора погрузить хлор-серебряные или каломельные электроды, то между ними возникнет разность потенциалов. Образуется концентрационный элемент, ЭДС которого определяется отношением активностей. Эта ЭДС и есть потенциал Доннана.

Схема цепи:

В случае биологических и бислойных липидных мембран, толщина которых чрезвычайно мала, расчѐт мембранного потенциала проводят по уравнению Гольдмана. В этом уравнении пропускание ионов натрия и калия характеризуется коэффициентом проницаемости Р K+ и Р Na+:

∆φ = RT / F∙ln Р K+ [K+]ВНЕШН + Р Na+[Na+]ВНЕШ / Р K+ [K+]ВНУТР + Р Na+[Na+]ВНУТР

92

93

Это уравнение применяли для нервных клеток. Считается, что в невозбуждѐнном состоянии клетки проницаемость мембраны для ионов натрия значительно меньше, чем для ионов калия, поэтому можно принять, что Р K+ >> Р Na+. Тогда уравнение Гольдмана приводится к виду уравнения Нернста (см. выше). Отсюда следует, что мембранный потенциал определяется концентрацией иона калия вне и внутри клетки. Поскольку внутри клетки концентрация ионов калия выше (около 0,4 моль /л), чем снаружи, в межклеточной жидкости (около 0,01 моль /л) мембранный потенциал будет около – 90 мВ. В то мгновение, когда мембрана получает импульс извне или на неѐ оказывают искусственное воздействие, она (мембрана) становится высокопроницаемой для ионов натрия. Ионы натрия легко проходят через мембрану, гораздо легче, чем ионы калия. В этом

[Na+]ВНЕШН >> [Na+]ВНУТР ( в случае нервных волокон около 0,46 и 0,05 моль / л), мембранный потенциал временно меняет свой знак и обозначается как

действующий потенциал. Потенциал обращѐнного знака обусловливает исчезновение потенциала покоя и благодаря локальным токам нервное возбуждение передаѐтся по волокну.

Главным источником мембранного потенциала у ряда клеток является, следовательно, распределение калиевых и натриевых ионов, в других клетках

– ионов кальция и водорода. Когда клетки находятся в спокойном состоянии, цитоплазма имеет отрицательный электрический заряд, так что внутриклеточный электростатический потенциал ниже потенциала внешней среды.

БЕЛКИ Белки это природные высокомолекулярные соединения, построенные

полипептидных цепей, формирующихся всего из 20 простых аминокислот. Число различных сочетаний этих кислот определяется числом образующих макромолекул атомов (порядка 103 – 104) и значительным количеством конформационных степеней свободы (102 – 103). По этой причине полипептидная цепь может принимать множество микроскопических, конформационных состояний, порядка 10n (n – число аминокислотных остатков, достигающих несколько сотен), что и обусловливает многообразие белков.

На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белков лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов –

93

94

высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки.

Защитные системы высших организмов формируются защитными белками, к которым относятся иммуноглобулины (ответственны за иммунитет), белки системы свѐртывания крови (тромбин, фибрин и др.), противовирусный белок (интерферон) и так далее.

Перечислить все значения белков для организма очень сложно; подробнее вы будете изучать это в курсе биохимии.

По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и сложные. Сложные белки могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклепротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеиды) и т.д.

В соответствии с формой молекул белки подразделяются на глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярных белков свѐрнуты в компактные глобулы сферической или эллипсоидной формы, молекулы фибриллярных белков образуют длинные волокна (фибриллы) и очень асимметричны. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде.

Особую группу составляют мембранные белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны – из гидрофильных.

БЕЛКИ КАК ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ

Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности макромолекул заряда. Поверхность макромолекулы может иметь собственный заряд, возникающий благодаря расположенным на ней анионным и катионным группам. Белки, например, содержат карбоксильные анионы, несущие отрицательный заряд, и протонированные основные группы, которые сообщают молекуле положительный заряд. Нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно, что обусловлено диссоциацией фосфатных групп, которые в структуре остова молекулы чередуются с молекулами пентозы. Макромолекулы, не содержащие ионизируемых групп, могут связывать ионы растворителя или другие имеющиеся в растворе ионы за счѐт поляризации вблизи гидроксигрупп или атомов кислорода, входящих в состав макромолекул. Таким образом, заряженная поверхность макромолекул является одной из особенностей отличающей их от молекул низкомолекулярных веществ.

94

95

Многие макромолекулы являются примером полиэлектролитов. Полиэлектролиты это полимеры, в макромолекулах которых содержатся ионогенные группы. В растворе макромолекула полиэлектролита представляет собой полиион, окруженный эквивалентным количеством противоионов, малых по размеру с зарядами противоположного знака.

Белки и аминокислоты в водных растворах находятся преимущественно в форме биполярных ионов:

H2N – R – COOH ↔ H3N+ – R - COO‾

БИПОЛЯРНЫЙ ИОН (ЦВИТТЕР-ИОН)

В кислой среде, когда в растворе имеется избыток ионов водорода, подавляется ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведѐт себя как

основание:

H3N+ – R - COO‾ + Н+ → H3N+ – R – COOН

Молекула присоединяет протон и становится положительно заряженным поликатионом.

В щелочной среде, в которой много гидроксид ионов, будет

подавляться диссоциация аминогрупп:

H3N+ – R - COO‾ + ОН ‾ → H2N – R – COO‾ + Н2О

и молекула превращается в отрицательно заряженный полианион, т.е. молекула ведѐт себя как кислота.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных групп – СООН и – NH2. Например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет меньше 7. Преобладание основных групп (-NH2) приводит к тому, что рН > 7. Это наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

Меняя рН среды, можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макромолекул белка может быть одним и тем же только при определѐнном значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ), т.е. значению рН среды, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп.

Изоэлектрическим состоянием белка называется состояние белковой молекулы, при котором её положительные и отрицательные заряды взаимно скомпенсированы.

Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно считать нейтральной, хотя в ней имеются ионизированные группы.

Условно молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно изобразить так:

95

96

+NH3 –R – COO ‾

Изоэлектрическая точка белка (ИТБ) – это значение рН, при котором белок переходит в изоэлектрическое состояние.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих значениях рНИЭТ: пепсина (фермент желудочного сока) – 2,0; казеина (белок, образующийся при свѐртывании молока) – 4,6; альбумина яйца – 4,8; карбоксигемоглобина – 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) – 8,6.

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняются: при этом они имеют, например, наименьшую вязкость, плохую растворимость, что связано с изменением формы макромолекул. При значении рН, близком к изоэлектрической точке, разноименно заряженные группы – (NH3)+ и СОО‾ притягиваются друг к другу и макромолекула закручивается в спираль. При смещении рН среды от изоэлектрической точки одноимѐнно заряженные группы отталкиваются и цепь выпрямляется. Молекулы ВМС в развѐрнутом состоянии придают раствором более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свѐрнутые в спираль или клубок.

Электрофорез

Электрофорезом называют перемещение заряженных частиц в электрическом поле (если имеют дело с небольшими ионами, говорят о ионофорезе). Движение вещества происходит в жидкой среде, которая удерживается инертным носителем, например бумагой или полужидким гелем. Жидкость служит проводящей средой для электрического поля, когда к ней приложено внешнее напряжение. Подвижность заряженной частицы (макромолекулы) в электрическом поле называется электрофоретической подвижностью. Зная электрофоретическую подвижность, можно сравнить заряды и массы молекул, входящих в состав исследуемого образца с эталонными белками.

Наибольшее распространение получил электрофорез в полиакриламидном геле, который широко применяется при анализе белков и нуклеиновых кислот.

Значение рI полипептида нельзя вычислять тем же способом, что и для аминокислот. Для нахождения изоэлектрической точки полипептида (белка) необходимо:

1.Измерить подвижность полипептида при нескольких разных значениях рН;

2.Построить график зависимости подвижности от рН;

3.Графически найти значение рН, соответствующее нулевой подвижности.

Значение изоэлектрической точки может дать определѐнную информацию общего характера об аминокислотном составе белка. Например,

96

97

белок с большим содержанием кислых аминокислот, чем основных, имеет рI < 7; в противном случае рI > 7/ Пепсин, белок пищеварения, экскретируемый клетками в желудок и очень богатый глутаминовой и аспаргиновой кислотами, имеет рI ~ 1. В то же время гистоны ядра, очень богатые аргинином и лизином, имеют рI ~ 12. Значение изоэлектрической точки может помочь при составлении схемы выделения белка, поскольку

растворимость белка минимальна при рН = рI.

СТУДНИ И ПРОЦЕСС СТУДНЕОБРАЗОВАНИЯ

Студни – это структурированные системы, образующиеся при отвердевании жидких растворов полимеров или при набухании твѐрдых полимеров.

[Студни это системы полимер – растворитель, характеризующиеся большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения. Для этих систем иногда применяют термин «гели», который в коллоидной химии означает скоагулированные золи. Исторически термин «гель» появился при исследовании именно полимерной системы (водного раствора желатина), однако, после размежевания коллоидной химии и химии полимеров в последней используют термин «студни».]

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 твѐрдых полимеров, а также из их растворов. Схематически процесс студнеобразования можно представить следующей схемой:

Застудневание (желатинирование) – процесс фазового перехода из жидкого состояния в твѐрдое 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 защищѐнных сольватной (гидратной) оболочкой участков макромолекул при определѐнных условиях, в частности при росте концентрации ВМС, приводит к возникновению взаимодействия

97

98

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 идѐт 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 одноимѐнный заряд, что препятствует образованию связей между ними. При добавлении больших количеств кислоты или щѐлочи степень ионизации ионогенных групп уменьшается и тенденция к застудневанию снова увеличивается.

98

99

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 разветвлѐнность. 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 твѐрдого 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 объѐма 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 нѐм 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. Объѐм системы при застудневании обычно уменьшается.

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

свойствам, характерным для твѐрдого тела, относятся прочность, упругость, эластичность, способность сохранять определѐнную 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

99

100

счѐт 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, еѐ 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: еѐ 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 объѐма студня за счѐт выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса – отделение сыворотки при свѐртывании крови, при скисании молока и т.д. В человеческом организме синерезис идѐт 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 объѐма студня, а следовательно, и уменьшение синерезиса. Влияние низкомолекулярных электролитов на синерезис

100