Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекция_1_Малые молекулы.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
579.07 Кб
Скачать

Соли и буферные растворы

Молекулы соли изменяют структуру окружающей их воды в соответствии со специфическими ионными свойствами, в особенности такими, как заряд и объем. При высоких концентрациях солей такое воздействие испытывает бóльшая часть молекул воды, что, в свою очередь, влияет на растворимость других веществ. Ионы, еще сильнее понижающие растворимость неполярных веществ в воде, называются высаливающими. Добавление таких солей приводит к высаливанию неполярных веществ, т.е. к их осаждению. Поверхность биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) гетерогенна и содержит различные заряженные и неполярные участки, что обусловливает их сложные взаимодействия при гидратации, сворачивании и растворении. Сериями Гофмейстера называют классификацию ионов согласно их способности стабилизировать нативную структуру (природная структура, которая выполняет определенную функцию) и снижать растворимость белков в водных растворах (Табл. 1.2).

Таблица 1.2. Серия Гофмейстера

Катионы:

цитрат > сульфат > фосфат > хлорид > нитрат > тиоционат

Анионы:

аммоний, калий, натрий  < литий < кальций, магний

Среди катионов высаливающие свойства наиболее выражены у фосфата, тогда как хлорид в этом отношении нейтрален, а тиоцианат всаливает. Что касается анионов, то аммоний, калий и натрий нейтральны, а кальций и магний более всаливающие, чем литий.

Эти серии были установлены экспериментально и верны для многих самых разнообразных процессов, от растворимости белков до переходов «спираль-клубок» в некоторых полимерах и стабилизации свернутой или развернутой формы макромолекул.

Явление всаливания заключается в увеличении растворимости макромолекул при добавлении соли. Сильные всаливающие ионы в высоких концентрациях дестабилизируют свернутую структуру, предположительно из-за того, что развернутая цепь предоставляет больше возможностей для связывания. Порядок ионов в сериях Гофмейстера не является строгим и может варьировать для разных белков. Тем не менее, классификация анионов как стабилизирующих (высаливающих) и дестабилизирующих (всаливающих) ионов, в общем, верна.

Как мы указывали, структура воды в жидкой фазе представляет собой высокодинамичное образование направленных водородных связей. В соответствии с воздействием на нее, ионы делят на космотропы и хаотропы. Космотропы – это «организаторы» водной структуры. Сюда относятся в основном небольшие ионы с высокой плотностью заряда (например, Na+, Li+, F). Хаотропы – это большие ионы – «разрушители» водной структуры. К ним относятся Rb+, Br­, Cs+ и I­. Ионы K+ и Cl­‑ с трудом вписываются в эту категорию. Существует сложная взаимосвязь между способностью ионов к упорядочиванию водной структуры и их высаливающими и всаливающими свойствами. Напомним, что серии Гофмейстера имеют феноменологический характер. Космотропные свойства ионов коррелируют с их высаливающими эффектами. В случае же с катионами, чей сложный характер связывания со свернутыми и развернутыми макромолекулами смазывает картину, взаимосвязь высаливающих и всаливающих явлений прослеживается не столь отчетливо.

Эффекты влияния солей на биологические макромолекулы широко используются в биохимии и биофизике как важнейшая часть набора методов фракционирования, солюбилизации, кристаллизации и т.д. Но ключевую роль растворителя в поддержании целостности активных биологических макромолекул нельзя преувеличивать. В биохимии очень важно работать в четко охарактеризованном буферном растворе. Этим подчеркивается тот факт, что макромолекулы поддерживают нативную конформацию только в определенном окружении. Буфер представляет собой набор химических веществ, которые способны поддерживать pH в относительно узком диапазоне. Другим компонентом буферного раствора может служить определенная соль в соответствующей концентрации.

Приведем простой пример буферной системы. Кислотность растворов принято выражать так называемым водородным показателем pH. Для нейтральных растворов pH=7, для кислых – pH меньше 7, а для щелочных – больше 7. Добавление к 1000 мл чистой воды 100 мл 0,01 молярного раствора НCl (0,01 М) изменяет pH от 7 до 3. Тогда как добавление того же раствора к 1000 мл буферной системы, содержащей 0,1 М CH3COOH и CH3COONa, изменит pH от 4,7 до 4,65, то есть всего на 0,05. В присутствии 100 мл 0,01 М раствора NaOH в чистой воде pH изменится от 7 до 11, а в указанной буферной системе лишь от 4,7 до 4,8.

Мы рассмотрели самый простой пример буферной системы. На сегодняшний день в биохимической практике существует огромное количество буферных систем, предназначенных для исследования биологических макромолекул, как при низких, так и при высоких pH. Однако всегда надо помнить, что для каждой буферной системы pH остается примерно постоянным лишь до определенного предела, зависящего от конкретных свойств данного буфера. Подчеркнем, что все исследования биологических макромолекул in vitro проводятся в буферах, параметры которых должны быть приведены. Это в первую очередь касается величины pH и ионной силы раствора. При этом надо помнить, что pH измеряемого раствора зависит от температуры окружающей среды.