1.2.2 Восстановление

Восстановление имеет место тогда, когда от какого-нибудь вещества отщепляется молекулярный кислород, когда к веществу присоединяются атомы водорода или когда вещество присоединяет электроны.

1.4 Растворы и коллоидное состояние

Растворы состоят по меньшей мере из двух частей, или фаз: непрерывной (дисперсионной) фазы, или растворителя, и распределенной в ней дисперсной фазы, или растворенного вещества.

В 1861 г. Грэхем (Сrаhаm) выделил два типа растворенных веществ, которые он назвал кристаллоидами и коллоидами. Грэхем разделял их в зависимости от способности молекул растворенного вещества проходить через пергаментную (частично проницаемую) мембрану. На самом деле в биологических системах четкого различия между ними нет, поскольку роль биологического растворителя всегда играет вода, а свойства любого водного раствора зависят от размеров молекул растворенного вещества и от проявления силы тяжести.

Различают три типа растворов:

1. Истинные растворы. В истинных растворах частицы растворенного вещества невелики и сравнимы по величине с молекулами растворителя, т. е. сис­тема гомогенна и ее частицы не разделяются под действием силы тяжести. В качестве примера можно указать солевые растворы и раствор саха­розы. Химики рассматривают такие растворы как системы, состоящие из одной фазы.

2. Коллоидные растворы. Частицы растворенного вещества велики по сравнению с молекулами растворителя, т. е. система гетерогенна, но ее частицы все еще не разделяются под действием силы тяжести; примером может служить глина в воде.

3. Суспензии или эмульсии. Частицы растворенного вещества настолько велики, что оставаться в диспергированном состоянии, не оседая под действием силы тяжести, они могут лишь при непрерывном перемешивании. Если в растворителе находятся частицы твердого вещества, то такой раствор называется суспензией, а если капельки жидкости, то — эмульсией. Примером суспензии может служить ил.

Все три перечисленные системы могут считаться дисперсными, поскольку частицы распределены здесь в дисперсионной среде. В дисперсных системах встречаются все три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное, например газ в воде (содовая вода), твердое вещество в воде (раствор поваренной соли) и твердое вещество в твердом веществе (цинк в меди, т. е. латунь). Во всех этих случаях можно говорить о растворах, но обычно растворами называют системы, в которых роль растворителя играет жидкость.

Многие биологические системы существуют в виде коллоидных растворов, которые могут быть гидрофобными или гидрофильными; гидрофобный золь (например, глина или древесный уголь в воде) отталкивает воду, а гидрофильный золь (крахмальный клейстер, студень, желатин и агар) притягивает ее. Большая часть коллоидных растворов, содержащихся в организмах, в частности белковые растворы, представляют собой гидрофобные золи. Вязкость гидрофобного золя, например студня, можно увеличить, повышая его концентрацию или понижая температуру. В конце концов при увеличении вязкости золь может застыть. Такой застывший золь называют гелем. Гель представляет собой более или менее плотную коллоидную систему, хотя, вообще говоря, строгого различия между золем и гелем нет. На переходы золь—гель влияют и такие факторы, как ионный состав, рН и давление. Все это при определенных обстоятельствах может играть важную роль в живых клетках.

В табл. 3. приведены различные характеристики коллоидного состояния.

Таблица 4. Характеристики коллоидного состояния

Явление	Физические свойства
Диализ (разделение частиц при помощи полупроницаемых мембран)	Коллоиды не проходят через полупроницаемые мембраны
Броуновское движение	Очень мелкие частицы, видимые в микроскоп колеблются, не меняя своего положения. Объясняется это тем, что их непрерывно бомбардируют молекулы растворителя (наблюдать это можно, рассматривая частички туши в воде)
Фильтрация	Это движение частиц от размеров молекул. Определить истинные размеры частиц можно, изменяя размеры пор фильтра
Осмотический потенциал	У растворов гидрофобных коллоидов очень низкий осмотический потенциал. У растворов гидрофильных коллоидов осмотический потенциал невелик, но составляет все же измеримую величину
Осаждение	Гидрофобные коллоиды способны выпадать в осадок (коагулировать). Положительно заряженный коллоид осаждает отрицательно заряженный. Такое же действие оказывают электролиты
Поверхностные свойства	У коллоидных частиц площадь поверхности, соприкасающейся с окружающим растворителем, громна.

Поверхностная энергия здесь велика, и за счет этой энергии молекулы агрегируют на поверхности раздела двух сред. Это называется адсорбцией. Древесный уголь применяется, например, для адсорбции газов в противогазах или для поглощения красителей из растворов. Данное явление используют также для стабилизации коллоидных золей; эту роль, например, выполняют яйца в майонезе или мыло в инсектицидах, изготовляемых на масляной основе

Переходы золь-гель Золь имеет жидкую консистенцию, а гель — плотную; крахмал, например, в горячей воде образует коллоидный золь, а остыв, превращается в коллоидный гель. Изменения рН, температуры, давления или присутствие ионов металла также могут вызывать переходы золь— гель

Набухание Поглощение жидкости коллоидом называется набуханием (примером может служить набухание желатина в воде)

Биологические свойства

Коллоидная цитоплазма удерживается в плазматической мембране. Крупные молекулы не могут пройти через эту мембрану и поэтому они должны расщепиться на более мелкие (например, крахмал до глюкозы)

Живая цитоплазма всегда представляет собой коллоидный раствор и в клетках можно наблюдать броуновское движение мелких частиц.

Казеин молока выпадает в осадок под действием разбавленных кислот или сычужного фермента (последний применяется в сыро­делии). Пектиновые вещества, содержащиеся в клеточных стенках плодов, образуют плотный гель при варке джема. Яичный белок необратимо коагулирует при нагревании.

Коллоиды живых клеток адсорбируют различные вещества; особенно это характерно для клеток, участвующих в поглощении ионов, например для клеток коры корня

Один из таких переходов — это свертывание крови, при котором в состояние геля переходит белок фибриноген. Яичный белок пе­реходит из состояния золя в состояние геля в результате нагревания.

Явление набухания лежит в основе поглощения воды кожурой сухого семени или целлюлозой клеточных стенок. Выход гамет из антеридиев (репродуктивных органов споровых растений) также обусловлен набуханием коллоидов.