Свойства студней

Упругость студней определяется прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки в них, а также свойствами ориентированных молекул растворителя.

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.

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.

Для студней амфотерных белков наибольший синерезис осуществляется в изоэлектрической точке. С отклонением рН среды в ту или другую сторону от изоэлектрической точки синерезис уменьшается

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] =КМ^α 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):

CNS^1- > I^1- > Br^1- > NO₃^1- > Cl^1- > CH₃COO^1- > SO₄^2-

Поскольку ионы CNS^1- усиливают набухание, а ионы SO₄^2- - 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

ТЕСТИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ

ПО ТЕМЕ: «ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ»

ТЕСТ № 1 (ВМС)

1. Получение раствора ВМС состоит из следующих стадий: а) набухание; б) растворение; в) застудневание; г) высаливание.

1) а,в; 2) а,б; 3) а,б,в,г; 4) а,б,в.

2. Степень набухания белка в ИЭТ: 1) минимальна; 2) максимальна; 3) не зависит от рН.

3. Слияние водных оболочек нескольких частиц ВМС без объединения самих частиц называется: 1) желатинированием; 2) синерезисом; 3) тиксотропией; 4) коацервацией.

4. При денатурации сохраняется следующая структура белка: 1) первичная; 2) вторичная; 3) третичная; 4) четвертичная.

5. Математическая зависимость [η] = KM ^a - это уравнение: 1) Галлера; 2) Штаудингера; 3) Эйнштейна; 4) Марка-Куна-Хаувинка.

ТЕСТ № 2 (ВМС)

1. Процесс отделения низкомолекулярного растворителя из студня называется: 1) застудневанием; 2) синерезисом; 3) тиксотропией; 4) денатурацией.

2. Свойства ВМС общие со свойствами коллоидных систем: а) агрегативная устойчивость; б) большой размер частиц; в) электрические свойства: г) мембранное равновесие Доннана; д) отсутствие способности к диализу.

1) а,б,в,г; 2) а,б,в,г,д; 3) б,в,г,д; 4) а,б,в,г,д.

3. Если в молекуле белка больше –NH₂, чем групп –СООН, то рI данного белка находится в среде: 1) кислой; 2) нейтральной; 3) щелочной.

4. На процесс растворения ВМС влияют: а) температура; б) рН среды; в) природа ВМС; г) природа растворителя; д) присутствие электролита.

1) а,б,в; 2) а,в,г,д; 3) а,б,в,г,д; 4) а,б,в,г.

5. Математическая зависимость η =КМС – это уравнение: 1) Галлера; 2) Эйнштейна; 3) Марка-Хаувинка; 4) Штаудингера.

ТЕСТ 3 (ВМС)

1. Аномально высокой вязкостью обладают: 1) истинные растворы; 2) коллоидные растворы; 3) растворы ВМС.

2. Онкотические отёки возникают при: а) понижении концентрации белков в плазме; б) снижении онкотического давления; в) повышении концентрации белков в крови; г) снижении концентрации электролитов.

1) а,б; 2) а,в,г; 3) а,б,в,г; 4) а,в.

3. Способность геля разжижаться при механическом воздействии и самопроизвольно восстанавливать свои свойства в состоянии покоя называется: 1) синерезис; 2) коагуляция; 3) коалесценция; 4) тиксотропия.

4. Проникновение в структуру мицелл молекул различных веществ называется: 1) солюбилизация; 2) высаливание; 3) коацервация; 4) коагуляция.

5. В ИЭТ белки имеют заряд: 1) отрицательный; 2) положительный; 3) равный нулю.

ТЕСТ 4 (ВМС)

1. Растворы ВМС – это системы: а) гомогенные; б) гетерогенные; в) равновесные; г) образующиеся самопроизвольно; д) образующиеся несамопроизвольно, требуют стабилизатора. 1) а,в,д; 2) а,в,г; 3) б,в,г; 4) б,г; 5) а,г.

2. Минимальное набухание наблюдается при: 1) рН > рI; 2) рН = рI; 3) рН < рI;

3. Заряд белковой молекулы зависит от: а) рН среды; б) соотношения групп –NH₂ и –СООН; в)степени диссоциации ионогенных групп.

1) а,б,в; 2) б,в; 3) а,в; 4) а,б.

4. Увеличение вязкости крови происходит при: а) атеросклерозе; б) венозных тромбозах; в) повышении концентрации белка в плазме; г) отёках; д) снижении концентрации белка в плазме крови.

1) а,б,в; 2) а,б,в,г; 3) а,б,г; 4) а,в,г.

5. Процесс застудневания зависит от: а) температуры; б) концетрации; в) рН среды. 1) а,б; 2) а,в; 3) а,б,в; 4) б,в.

ТЕСТ 5 (ВМС)

1. Осмотическое давление растворов ВМС зависит от: а) температуры; б) рН среды; в) концентрации. 1) а,б; 2) б,в; 3) а,б,в; 4) а,в.

2. Какие виды вязкости различают в растворах ВМС: а) относительная; б) удельная; в) приведённая; г) характеристическая.

1) а,б,в; 2) а,б,в,г; 3) а,б,г; 4) а,в,г.

3. К свойствам студней относятся: а) денатурация; б) коацервация; в) синерезис; г) диффузия.

1) а,б; 2) а,в,г; 3) а,б,г; 4) в,г.

4. При денатурации разрушаются следующие структуры белка: а) первичная; б) вторичная; в) третичная; г) четвертичная.

1) а,б,в; 2) а,б,в,г; 3) в,г; 4) б,в,г.

5. Факторы, влияющие на процесс высаливания ВМС: а) природа полимера; б) природа растворителя; в) рН среды; г) концентрация электролита; д) природа электролита.

1) а,б,г; 2) б,в,г; 3) а,в,г; 4) а,б,в; 5) все.

ТЕСТ 6 (ВМС)

1. Явление тиксотропии характерно для: 1) гелей; 2) суспензий; 3) золей; 4) истинных растворов.

2. Максимальное высаливание ВМС достигается при: 1) рН > рI; 2) pH = pI; 3) pH < pI.

3. При синерезисе объём студня: 1) уменьшается; 2) увеличивается; 3) не изменяется.

4. Онкотическое давление – это часть осмотического давления крови, обусловленное присутствием: 1) белков; 2) электролитов; 3) неорганических электролитов; 4) низкомолекулярных соединений.

5. Математическая зависимость Р_осм = RT + Kc² – это уравнение:

1) Галлера; 2) Эйнштейна; 3) Штаудингера; 4) Марка-Куна-Хаувинка.

ТЕСТ 7 (ВМС)

1. Вязкость растворов ВМС с увеличением концентрации: 1) уменьшается; 2) увеличивается; 3) не изменяется.

2. Молекула белка будет перемещаться в электрическом поле при: а) рН > рI; б) рН = рI; в) рН < рI.

1) а,б; 2) б,в; 3) б; 4) а,в.

3. Свойства растворов ВМС со свойствами истинных растворов: а) агрегативная устойчивость; б) большой размер частиц; в) электрические свойства; г) аномальная вязкость; д) гомогенность.

1) а,б,в; 2) б,в,г; 3) г,д; 4) а,д.

4. Если в молекуле белка больше групп – СООН, чем групп –NH₂ , то рI данного белка находится в среде: 1) кислой; 2) нейтральной; 3) щелочной.

5. Набухание, которое заканчивается растворением полимера называется: 1) неограниченным; 2) ограниченным; 3) тиксотропным.

ТЕСТ 8 (ВМС)

1. Специфические свойства растворов ВМС: а) аномальная вязкость; б) способность к застудневанию; в) коацервация; г) способность осаждаться; д) коллоидная защита.

1) а,б,в,г; 2) а,б,в,г,д; 3) б,в,г,д; 4) а,в,г,д.

2. Способность растворов ВМС осаждаться под действием электролитов называется: 1) высаливанием; 2) тиксотропией; 3) коацервацией; 4) синерезисом.

3. Белки обладают следующими свойствами: а) кислотно-основными; б) окислительно-восстановительными; в) комплексообразующими; г) поверхностными.

1) а,б,в; 2) а,б,в,г; 3) а,в,г; 4) а,б,г.

4. Потеря раствором ВМС текучести и переход в студень – это:

1) желатинирование; 2) тиксотропия; 3) синерезис; 4) коацервация.

5. Повышение порого коагуляции коллоидного раствора при добавлении к нему ВМС, называется: 1) денатурация; 2) коллоидная защита; 3) синерезис; 4) коацервация.

ТЕСТ 9 (ВМС)

1. Денатурация – это процесс разрушения природной пространственной структуры белка под воздействием: а) температуры; б) рН; в) облучения;

г) солей тяжелых металлов; д) концентрированных щелочей.

1) а,б,в; 2) а,в,г; 3) а,в,д; 4) а,б,в,г,д.

2. Необратимый процесс старения студня, сопровождается упорядочением структуры с сохранением первоначальной формы, сжатием сетки и выделением из неё растворителя называется: 1) синерезис; 2) коалесценция; 3) коагуляция; 4) тиксотропия.

3. Максимальное набухание наблюдается при: 1) рН > рI; 2) pH = pI; 3) pH < pI.

4. Какая вязкость позволяет судить о конформационных изменениях макромолекул ВМС: 1) удельная; 2) приведённая; 3) характеристическая; 4) относительная.

5. Какие ВМС являются биополимерами: 1) белки; 2) крахмал; 3) натуральный каучук; 4) гликоген.

ТЕСТ 10 (ВМС)

1. Процесс набухания ВМС является: 1) самопроизвольным, ∆G > 0; 2) несамопроизвольным, ∆G > 0; 3) самопроизвольным, ∆G < 0; 4) несамопроизвольным, ∆G < 0;

2. Набухание белков происходит при: а) возникновении отёков; б) сокращении мышц; в) переваривании пищи; г) кулинарной обработке пищи.

1) а,б,в; 2) а,в,г; 3) а,б,в,г; 4) а,в.

3. Укажите факторы, от которых зависит характеристическая вязкость: 1) природа полимера; 2) относительная молекулярная масса полимера; 3) концентрация полимера в растворе; 4) скорость взаимного перемещения слоёв.

4. Процессы образования растворов ВМС сопровождаются: 1) ограниченным набуханием; 2) неограниченным набуханием; 3) уменьшением свободной энергии Гиббса; 4) увеличением свободной энергии Гиббса.

5. Укажите факторы, от которых зависит заряд молекулы белка:

1) концентрация ионов водорода в растворе; 2) число карбоксильных и аминных групп; 3) природа растворителя; 4) степень ионизации функциональных групп.

ОТВЕТЫ

НА ТЕСТЫ ПО ТЕМЕ «ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ»

ТЕСТ 1 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	2	3	4	1	4

ТЕСТ 2 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	2	4	3	3	4

ТЕСТ 3 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	3	1	4	1	3

ТЕСТ 4 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	2	3	1	1	3

ТЕСТ 5 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	4	2	4	4	5

ТЕСТ 6 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	1	2	1	1	1

ТЕСТ 7 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	2	4	4	1	1

ТЕСТ 8 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	2	1	2	1	2

ТЕСТ 9 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	4	1	3	3	1,4

ТЕСТ 10 (ВМС)

№ ВОПРОСА	1	2	3	4	5
ОТВЕТ	3	1	1,2	2,3	1,2,3,4