4.6.Мікрогетерогенні системи: аерозолі, емульсії, суспензії. (спрс № 7)

4.7.Високомолекулярні сполуки (ВМС) — основа живих організмів. Глобулярна та фібрилярна структура білків. Порівняльна характеристика розчинів високомолекулярних сполук, істинних та колоїдних розчинів. Значення високомолекулярних сполук (ВМС) у медицині та фармації.(СПРС 8).

До високомолекулярних сполук відносять речовини з молекулярною вагою від декількох тисяч до декількох мільйонів атомних одиниць. Ці сполуки називають також полімерами. Вони утворюються в результаті конденсації або полімеризації невеликих молекул (мономерів) - амінокислот, моносахаридів, неграничних вуглеводнів, деяких ефірів, неграничних кислот і т.д.

В результаті цих процесів виникають довгі ланцюжки з атомів вуглецю або вуглецю і кисню, вуглецю і азоту і т.д.

Розглядати тут структуру і процеси утворення полімерів представляється зайвим, оскільки виклад відповідного матеріалу відноситься до курсу органічної хімії.

У відповідних розчинниках багато високомолекулярних сполук утворюють розчини, що володіють рядом властивостей колоїдних розчинів: вони поволі дифундують, не про-никають через напівпроникні мембрани, розмір частинок відповідає колоїдним (1-100 mμ).

Проте на відміну від дійсних колоїдів, високомолекулярні сполуки не мають поверхні розділу в розчинах; крім того, вони здатні мимоволі розчинятися в певних рідинах, не вимагаючи для цього стабілізаторів або витрати зовнішньої енергії. Через це розчини високомолекулярних з'єднань дуже стійкі. Відсутність у них поверхні розділу, не дивлячись на великий розмір частинок, пояснюється тим, що частинки високомолекулярних речовин представляють своєрідний «клубок» дуже довгих ланцюжків, що складаються зазвичай з молекул неграничних вуглеводнів або амінокислот, моносахаридів або інших речовин. Товщина цих ланцюжків не перевищує товщини 1 молекули, що, не дивлячись на велику їх довжину, виключає наявність поверхні розділу і наближає ці розчини по властивостях до дійсних розчинів.

Високомолекулярні сполуки мають і специфічні властивості: вони набухають; їх розчини володіють високою в'язкістю і здатністю легко желатинуватися.

По сучасній класифікації розчини високомолекулярних сполук відносять до дійсних, гомогенних розчинів, що мають ряд властивостей колоїдів, а також і специфічні властивості.

Легкість розчинення високомолекулярних речовин і стійкість їх розчинів пов'язана з наявністю в їх структурі великої кількості так званих ліофільних груп, тобто груп; що мають спорідненість до розчинників. Ця властивість послужила свого часу визначальною ознакою для ділення колоїдних розчинів на ліофільні і ліофобні. Тут ми розглянемо причини і деякі наслідки гідрофільності (спорідненість до води) білків і інших речовин біологічного походження. Гідрофільність обумовлена наявністю в молекулах достатньо великого числа гідрофільних угрупувань. Такими можуть бути або диссоціюючі (іоногенні) угрупування, як R-СООН, R - NH₃ОН, R - СООNа, R - NH₃С1, або недиссоціюючі полярні угрупування, як

R₁ O

C ═ O , R - C , R - CH₂OH , R₁ – CH ═ CH – R₂ , R₁ – CO – NH – R₂ .

R₂ H

вже мовилося, до полярних угрупувань притягуються диполі води, створюючи навколо колоїдної частинки суцільну (або майже суцільну) водну оболонку. Спонслер знайшов, що одна, група ОН притягає 3 молекули води, СООН - 4 молекули, С = О - 2 молекули, NН - 2 молекули, NН₂ - 3 молекули.

Гідрофільність таких природних сполук, як білки, полісахариди, фосфатіди, обумовлена головним чином пептидними, ефірними і подвійними зв'язками, карбоксильними, карбонільними, спиртними і аміннимі групами, тоді як гідрофільність багатьох штучних полімерів (пластмас) -двойнимі зв'язками, аміннимі і спиртними групами.

Для гідратації білка найбільше значення мають пептидні зв'язки, за рахунок яких притягується приблизно 2/3 всієї гидратационной води. Загалом частинки гідрофільних колоїдів зв'язують значні кількості води: так, 1 г сухого крохмалю при розчиненні зв'язує 0,18 г води, 1 г яєчного альбуміна (білка)-0,35 г, 1 г карбоксигемо-глобіна- 0,353 г води і т.д. Зв'язана полярними групами вода набуває нових якостей, що наближаються до таких твердої речовини: її молекули мають ущільнене розташування, властивості води як розчинника знижені, вона не замерзає при низьких температурах і т.д. У свою чергу гідратована речовина також набуває інших властивостей: підвищується його стійкість в розчині, зменшується швидкість дифузії і т.д. В'язкість і швидкість утворення внутрішніх структур в цих розчинах значно вищі, ніж в колоїдних.

Коагуляція таких гідратованих високомолекулярних речовин заважає водна оболонка і електричний заряд, обумовлений дисоціацією іоногенних груп, а у ряді випадків також адсорбцією іонів електролітів з розчину на поверхні частинок. Головним чинником стійкості більшості гідрофільних колоїдів є їх водна оболонка, що перешкоджає коагуляції частинок навіть в ізоелектричному (електронейтральному) стані.

Слід зазначити, що існують розчини як би з проміжними властивостями, зокрема розчини таких високомолекулярних сполук, у яких велике значення для стійкості має заряд; в цьому відношенні вони наближаються до колоїдів.

Розчини високомолекулярних з'єднань значно стійкіше колоїдних розчинів і можуть бути більш концентрірованнимі. Так, розчини білків досягають концентрації в 10 - 12%, а розчини деяких полісахаридів - ще більше.

Медиків особливо цікавлять високомолекулярні сполуки людського організму. До них відносяться перш за все білки і їх похідні - нуклеопротєїди, глюкопротєїди, ліпопротєїди і ін., а також глікоген. Ці сполуки є основним будівельним матеріалом для протоплазми і ядерної речовини кліток і, крім того, в значній кількості містяться в багатьох біологічних рідинах. Значення цих сполук для процесів життєдіяльності організмів надзвичайно велике, воно детально розглядається в курсі біохімії.

В залежності від форми макромолекули ВМС поділяються на глобулярні і фібрілярні. У фібрилярних ВМС молекули за формою є лінійними або слаборозгалуженими ланцюгами. Фібрилярні ВМС легко утворюють над­молекулярні структури у вигляді асиметричних пачок молекул - фібрил. Ланцюги молекул усередині кожної фібрили орієнтовані в одному і тому ж напрямку. Приклади фібрилярних ВМС - міозин, колаген, фіброїн, целюлозні волокна, поліаміди й ін.

Глобулярними називають ВМС, макромолекули яких мають форму більш-менш кулястих клубків, глобул; останньою може бути сильно розгалужена макромолекула. Руйнування такої глобули неможливе без хімічної деструкції макромолекули. Можливе також утворення глобул із фібрилярних ВМС, зв'язане зі зміною форми молекул ВМС. Окрема глобула може бути утворена гнучкою лінійною молекулою, що згорнулася в клубок під впливом сил внутрішньо молекулярної взаємодії наприклад у розчинах лінійних ВМС при додаванні розчинників або в розчинах поліелектролітів при зміні рН середовища. Зворотні переходи глобулярних структур у фібрилярні при зміні зовнішніх умов мають важливе значення в техніці і біології (наприклад, з цим зв'язане явище денатурації білків).

4.8.Набрякання і розчинення полімерів. Механізм набрякання. Вплив рН середовища, температури та електролітів на набрякання. Ізоелектричний стан білка. Ізоелектрична точка (ІЕТ). Роль набрякання у фізіології організму.

Однією з особливостей розчинення ВМС, що відрізняють їх від низько­молекулярних речовин, є збільшення об'єму і маси полімеру з часом при його взаємодії з розчинником. Це явище називають набряканням.

Причиною набрякання є взаємодія і змішування молекул, які розріз­няються між собою за своїми розмірами і рухливістю на багато порядків. Перехід макромолекул у фазу розчинника відбувається дуже повільно, тоді як молекули низькомолекулярного розчинника швидко просочуються у структуру полімеру, розсовуючи ланцюги і збільшуючи об'єм. З цієї точки зору процес набрякання є однобічним дифузійним процесом, що обумов­люється градієнтом хімічного потенціалу рідина

Однак було б неправильним уявляти цей процес тільки як просте механіч­не входження молекул розчинника у структуру полімеру. Оскільки процес набрякання є специфічним, то головною причиною, яка породжує цю властивість, є міжмолекулярна взаємодія, тобто цей ефект виявляється не в будь-якому розчиннику, а лише в такому, з яким полімер взаємодіє.

Таким чином, здатність полімеру до набрякання у тому або іншому розчиннику в більшості випадків визначається сольватацією його макро­молекул. В залежності від характеру взаємодії з розчинником макро­молекули можуть існувати або у вигляді статистичних клубків, або як щільні глобули. Набрякання в "хороших" розчинниках може набути необ­меженого характеру, внаслідок чого утворюється істинний (молеку­лярний) розчин ВМС. Цей процес відбувається самочинно і утворена система - істинний розчин ВМС - є термодинамічна стійкою.

У "поганих" розчинниках макромолекула згорнена в компактну гло­булу. Зазвичай глобула (клубок) має форму довгастого еліпсоїду обертання, хоча внаслідок теплового руху конформації згорненої молекули весь час змінюються. Розчинник може проникати всередину глобули, оскільки вона не є щільною.

У деяких випадках, наприклад при набряканні каучуку в бензені, основний ефект взаємодії обумовлений збільшенням свободи руху ланки ланцюгів, що приводить до зростання числа можливих конформацій.

Звичайно при виборі розчинника, здатного спричинити набрякання по­лімеру, керуються емпіричним правилом: подібне розчиняється у подіб­ному, тобто полярні полімери повинні набрякати у полярних розчинниках, а неполярні - у неполярних.

Кількісною мірою процесу набрякання є ступінь набрякання α_m , який визначається масою розчинника, поглиненого одиницею маси речовини при даній температурі:

m - m_o

α_m = ---------------- (1)

m_o

'

де т_o і т - відповідно маси вихідного і набряклого полімеру.

Визначаючи ступінь набрякання через певні проміжки часу, можна от­римати залежність, що характеризує кінетику процесу, яку можна пред­ставити диференціальним рівнянням:

dα

-------- = k(α_m - α_t) (2)

dt

де а_m - ступінь граничного набрякання; а_t - ступінь набрякання на момент часу t; k - константа швидкості набрякання, яка залежить від температури і природи полімеру і розчинника

У зшитих полімерах для розриву хімічних зв'язків звичайно потрібні витрати енергії, які перевищують сумарний сольватаційний і ентропійний ефекти, тому для просторових полімерів характерне обмежене набрякання, причому чим більша жорсткість ланцюгів, тим нижче а_m. Так, полімери, зшиті короткими містковими зв'язками, як правило, не набрякають. Наприклад, каучук лінійної будови необмежене набрякає у бензені, частково вулканізований каучук - обмежено, а сильно вулканізований (ебоніт) не набрякає взагалі.

Введення полярних груп або збільшення їх числа сприяє зростанню ступеня набрякання полімеру в полярних розчинниках і зниженню а_m , у неполярних розчинниках.

На швидкість набрякання істотно впливають температура і тиск. Якщо набрякання супроводжується виділенням теплоти, то згідно з принципом Ле-Шательє, із підвищенням температури ступінь набрякання зменшується, але швидкість набрякання зростає відповідно збільшенню швидкості дифузії. Оскільки об'єм системи при набряканні зменшується, то при підвищенні тиску ступінь набрякання зростає.

Процес набрякання умовно можна поділити на дві стадії. На першій стадії відбувається сольватація макромолекул, що супроводиться виділен­ням теплоти. На цій стадії ентропія системи не змінюється або ж дещо знижується за рахунок упорядкування молекул розчинника внаслідок соль­ватації. Звичайно, кількість розчинника, який поглинається на цій стадії, становить 20-40 % від маси сухої речовини. Суттєвим є те, що незважаючи на зростання об'єму зразка полімеру, загальний об'єм системи (полімер плюс розчинник) на цій стадії зменшується.

Ефект зменшення об'єму системи при набряканні називається кон­тракцією і пояснюється взаємодією речовини з розчинником - сольва­тацією, внаслідок якої відбувається ущільнення системи.

Для другої стадії характерне значне збільшення об'єму і маси полімеру, оскільки кількість поглиненого розчинника може у декілька разів пере­вищити масу сухого зразка. Набрякання на цій стадії відбувається без по­мітного стиснення загального об'єму і процес супроводжується зростанням ентропії. Таким чином, можна зробити висновок, що процес набрякання при сталих тиску і температурі перебігає самочинно. При цьому збіль­шення ентропії системи на другій стадії звичайно пов'язують із зростанням числа можливих конформацій.

Особливості проходження другої стадії набрякання можна пояснити осмотичними явищами. Поглинання розчинника у кількості, яка перевищує сольватаційне зв'язування, завжди супроводжується виникненням тиску набрякання к, який може досягати десятків і сотень мегапаскалів.

Тиск набрякання к еквівалентний зовнішньому тиску, який треба при­класти, щоб зупинити процес збільшення об'єму набрякаючої речовини.

Величина цього тиску може бути розрахована аналогічно осмотичному тиску за рівнянням:

RT RT p

π = - -------- lnα₁ = - -------- ln -------- (3)

V V p_s

де V - парціальний мольний об'єм розчинника; а₁ - активність розчинника; р_s і р - відповідно тиск насиченої пари розчинника і тиск пари розчинника над даним розчином при даній температурі.

Тиск набрякання досягає десятків мегапаскалів (30-50 МПа). Так, у практиці відомий випадок, коли боби, які набрякли в трюмі пароплава, розірвали його корпус, і пароплав пішов на дно. Сили, які спричиняють набрякання, часто значно більші від осмотичних сил. Тому, наприклад, сухі зерна пшениці набрякають у водному розчині хлориду літію з великим осмотичним тиском.

В одних випадках осмотичне проникнення розчинника в середину зразка полімеру може продовжуватися до повного його розчинення В інших процес продовжується доти, поки еластичне напруження набряклої речовини не врівноважить тиск набрякання, після чого полімер зали­шається в обмежено набряклому стані.

Таким чином, набрякання може бути необмеженим і обмеженим. Об­меженість процесу набрякання і можливість самовільного розчинення визначаються співвідношенням між енергією зв'язків у полімері та енер­гією сольватації з урахуванням ентропійного чинника У разі лінійних по­лімерів, макромолекули яких пов'язані ван-дер-ваальсовими силами, виг­раш в енергії за рахунок сольватації приводить до необмеженого набрякання і самочинного розчинення.

При високих концентраціях розчинів ВМС у деяких розчинниках їх макромолекули починають асоціювати між собою, що в результаті приво­дить до процесів здраглювання.

До зазначеного можна додати, що при набряканні зшитих полімерів гнучкі ділянки макромолекул розтягуються, розпрямляються, тобто пере­ходять в менш імовірний стан, унаслідок чого ентропія системи знижу­ється. Це зменшення ентропії за величиною може виявитися рівним зміні ентропії за рахунок процесу зміщення - у такому випадку процес набря­кання припиняється.

Набряканню і розчинності полімеру значною мірою сприяє гнучкість ланцюгів, тоді як кристалічні полімери не розчиняються навіть у розчин­никах, близьких за полярністю. Збільшення молекулярної маси приводить до зниження здатності до набрякання полімерів одного гомологічного ряду в одному і тому ж розчиннику, оскільки із зростанням маси збільшуються витрати енергії на розштовхування молекул.

Дисоціація функціональних груп сприяє і набряканню, і розчиненню ВМС, оскільки збільшення кількості частинок в системі внаслідок дисо­ціації приводить до ще більшого зростання ентропії

Ступінь набрякання і розчинність поліамфолітів істотно залежать від кислотності середовища(рН), при цьому їх мінімальні значення відповідають ізоелектричній точці. Наприклад, нагрівання розчинів білків, а також дода­вання до них деяких розчинників (етиловий спирт, ацетон, бензен тощо) призводить до денатурації і переходу в нерозчинний стан. Значний вплив на процес набрякання ВМС виявляє присутність неорганічних електролітів: як правило, білки осаджуються електролітами (висолювання).

Якщо міцних зв'язків між полімерними молекулами досить багато, то полімер практично не набрякає і за своїми властивостями наближається до склоподібних тіл. У випадку, коли взаємозв'язки між полімерними молеку­лами слабкі, то драглі набрякають і повністю розчиняються у розчиннику. Прикладом еластичних драглів є желатин. Занурений у воду желатин набрякає, збільшуючись в об'ємі. При втраті води об'єм желатину змен­шується. Об'єм драглів в результаті набрякання може в десятки разів перевищувати власний об'єм полімеру.

Ослаблення зв'язків між макромолекулами при набряканні можна спостерігати кожного дня. Папір, який належить до драглів, при набряканні втрачає міцність і легко розповзається. Шкіру, коли треба її розтягнути, змочують водою; вона набрякає і легше піддається деформації.

Обмежене набрякання може переходити в необмежене при підвищенні температури або при зміні складу рідини. Так, желатин обмежено набря­кає у воді при кімнатній температурі. Але при нагріванні до 313-314 К набрякання вже стає необмеженим - утворюється колоїдний розчин. Желатин необмежено набрякає і при кімнатній температурі, якщо до води додати певну кількість електроліту, наприклад роданіду калію або йодиду калію.

Ізоелектрична точка білку. Молекула белка имеет электрический заряд, обу­словленный почти исключительно диссоциацией ионогенных групп — СООН и— NН₂. Эти группы принадле­жат концевым аминокислотам, т. е. находящимся на концах полипептидных цепочек, а также дикарбоновым и диаминовым аминокислотам, расположенным в середине цепочки.

Схематически диссоциацию этих групп белка, учи­тывая гидратацию аминогрупп, можно представить следующим образом:

СООН СООН СОО^- + Н⁺

R → R → R

NH₂ + HOH NH₃OH NH₃⁺ + OH^-

Существует мнение, что образование диполярного белкового иона, т. е. иона,-одновременно обладаю­щего положительными и отрицательными зарядами (амфиона), совершается за счет перехода протона из карбоксильной группы в аминогруппу:

Заряд всей белковой молекулы в нейтральной сре­де определяется соотношением количества свободных групп СООН и NН₂ и степенью их диссоциации. Оче­видно, чем больше .слабокислых групп СООН, тем выше окажется отрицательный заряд, и белок будет проявлять свойства слабой кислоты. Преобладание слабощелочных групп NН₂ сообщает белку основные свойства и положительный заряд.

В кислой среде белок заряжается положительно:

COO^- + H⁺ COOH

R → R

NH₃⁺ NH₃⁺

В щелочной среде белок заряжается отрицательно:

COO^- COO^-

R → R

NH₃⁺ + OH^- NH₃OH

Таким образом, заряд белка зависит от реакции сре­ды, а также от соотношения количества его карбо­ксильных и аминных группировок.

Значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии (тоесть , когда суммарный заряд макромолекулы равен нулю), называется его изоэлектрической точкой.

Большинство природных белков, содержит значи­тельные количества — 25 — 30% дикарбоновых амино­кислот (глютаминовой и аспарагиновой) и, следовательно, относятся к «кислым» белкам. Существует и относительно небольшая группа «основных» белков с преобладанием свободных групп NН₂ за счет повышенного (до 80%) содержания диаминовых аминокис­лот (лизина, аргинина, орнитина, цитруллина). Изоэлектрическая точка «кислых» белков лежит в слабо­кислой среде, «основных» — в слабощелочной среде. В таблице 1 приводятся изоэлектрические точки неко­торых белков.

Таблица 1.

Для высаливания или желатинирования белков це­лесообразно приводить их в изоэлектрическое состоя­ние. Этого можно достигнуть, поместив белки в бу­ферный раствор с рН, равным их изоэлектрической точке .

В других случаях, например при электрофоретическом разделении белков, нужно, чтобы они, наобо­рот, имели достаточный заряд. Для этого белковую смесь помещают в буферные растворы с рН, заведо­мо далеко отстоящим от их изоэлектрической точки.

Методы определения изоэлектрической точки. Изоэлектрическая точка является существенной ха­рактеристикой белков. Имеется ряд методов ее опре­деления.

Метод электрофореза: исследуемый белок по­двергают электрофорезу в буферных растворах с раз­ным значением рН. Очевидно, что в буфере с рН, равным изоэлектрической точке белка, последний электронейтрален и двигаться в электрическом поле не будет.

Используя схему Кройта: в пробирки нали­вают буферные растворы с различным значением рН, затем туда вносят равные количества исследуемого белка и добавляют спирт. Наиболее выраженная коа­гуляция (помутнение) произойдет в пробирке с буфе­ром, рН которого соответствует изоэлектрической точке белка.

По желатинированию: в пробирки наливают буферные смеси с различным значением рН и добав­ляют достаточно концентрированный раствор иссле­дуемого белка. Желатинирование его произойдет быстрее всего в пробирке, рН которой наиболее близ­ко к изоэлектрической точке белка.

По набуханию: одинаковые количества сухого белка насыпают в ряд пробирок, туда же приливают равные объемы буферных, растворов с различным значением рН. Наименьшее набухание белка окажет­ся в пробирке, где рН среды будет ближе всего к изоэлектрической точке белка .