8. Высокомолекулярные соединения

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называют вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Высокомолекулярные соединения широко распространены в природе. Они могут быть как неорганическими, так и органическими веществами. Высокомолекулярные соединения являются основой жизни. В организме высокомолекулярными соединениями являются нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды. В живых организмах они выполняют структурную, энергетическую, метаболическую и информационные функции.

Высокомолекулярные соединения применяются в самых различных областях техники, в быту, медицине. Они используются при изготовлении протезов искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков, биологических клеев, диализных мембран, перевязочных материалов, лекарственных препаратов.

Цель изучения: приобрести знания о свойствах растворов высокомолекулярных соединений и значении их для жизнедеятельности и медицинской практики.

Студент должен знать:

- разновидности и способы образования ВМС;

- агрегатные и фазовые состояния полимеров;

- свойства растворов ВМС;

- биологическое значение и использование ВМС.

Студент должен уметь:

- использовать процесс высаливания для осаждения полимеров из раствора;

- определять изоэлектрическую точку растворенных белков;

116

-количественно оценивать способность ВМС повышать устойчивость труднорастворимых веществ в растворе.

СВОЙСТВА РАСТВОРОВ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

Молекулы высокомолекулярных соединений состоят из большого числа одинаковых группировок атомов, связанных между собой ковалентными (химическими) связями. В связи с этим их называют еще полимерами (от греческих слов “поли”  много и “мерос”  часть). Например, крахмал состоит из остатков глюкозы, белки из различных аминокислот.

Растворы высокомолекулярных соединений ввиду большого размера макромолекул проявляют свойства, сближающие их с лиофобными коллоидными растворами. Макромолекулы так же, как и коллоидные частицы, имеют малую скорость диффузии, не способны проникать через полупроницаемую мембрану, образуют аморфные осадки, рассеивают свет, давая явление Фарадея-Тиндаля. Однако высокомолекулярные соединения, в отличие от лиофобных коллоидов, так же, как и низкомолекулярные вещества, образуют термодинамически устойчивые истинные растворы. Это проявляется в том, что растворение полимеров происходит самопроизвольно, без затраты энергии, и им несвойственно явление коагуляции. В связи с отличием в устойчивости от типичных коллоидных растворов труднорастворимых веществ (лиофобных коллоидов) растворы полимеров выделены в особую группу лиофильных коллоидных систем.Молекулы высокомолекулярных соединений в растворах образуют большие сольватные оболочки и приобретают электрический заряд. Эти два фактора обеспечивают устойчивость их растворов.

Сольватная оболочка макромолекул возникает в результате притяжения к их полярным группам дипольных молекул воды. При разрушении сольватных оболочек макромолекулы теряют устойчивость, самопроизвольно объединяются и выпадают в осадок. Это происходит при добавлении к растворам высокомолекулярных соединений низкомолекулярных веществ с высокой полярностью их молекул или

117

ионов. Такими водоотнимающими средствами являются этиловый спирт, ацетон, нейтральные соли сильных кислот и оснований - NaC1, Na₂S0₄, (NH₄)₂S0₄ и др. Молекулы и ионы этих соединений настолько сильно гидратируются и образуют собственные сольватные оболочки в растворе, что отнимают воду из сольватных оболочек макромолекул. Осаждение полимеров вследствие разрушения сольватных оболочек и потери устойчивости макромолекул названо высаливанием ввиду применения для этого, главным образом, солей.

Как установил Гофмейстер, по способности гидратироваться и по высаливающему действию различные ионы образуют определенную последовательность, названную лиотропным рядом. Высаливание полимеров обратимо, в отличие от коагуляции лиофобных коллоидных растворов. При удалении высаливающего соединения, например, путем диализа, макромолекулы восстанавливают свои сольватные оболочки и осажденный полимер растворяется. Это позволяет использовать высаливание при очищении отдельных белков из их смесей в производстве лекарственных препаратов.

Молекулы многих полимеров имеют заряд. В отличие от коллоидных частиц заряд у макромолекул возникает не путем адсорбции ионов из раствора, а вследствие диссоциации собственных ионогенных групп. Полимеры, имеющие ионогенные группы, называют полиэлектролитами. Молекулы полиэлектролитов могут иметь только положительно заряженные группы (поликатионы) или только отрицательно заряженные группы (полианионы) или те и другие одновременно (полиамфолиты). Такие биополимеры, как нуклеиновые кислоты, белки являются полимерами-амфолитами. В их молекулах много карбоксильных групп (-СООН), аминогрупп (-NH₂) и др.

Ввиду наличия разноименно заряженных групп общий суммарный заряд полимеров-амфолитов и их устойчивость зависят от рН раствора. При определенном значении рН раствора степень диссоциации противоположно диссоциирующих групп оказывается равной и число положительных и отрицательных зарядов макромолекулы уравнивается. Такое состояние электронейтральности называют изоэлектрическим, а значение рН при этом изоэлектрической точкой. В изоэлектрическом состоянии устойчивость, степень набухания, растворимость

118

высокомолекулярных соединений, вязкость и осмотическое давление их растворов будут наименьшими. Это объясняется уменьшением степени сольватации макромолекул из-за уменьшения общего числа заряженных групп.

Высокая устойчивость высокомолекулярных соединений в растворе обусловливает защитное действие их на гидрофобные коллоидные частицы. При добавлении полимера к коллоидному раствору его молекулы адсорбируются на коллоидные частицы и придают им гидрофильный характер. Коллоидные частицы окружаются сольватными оболочками макромолекул и поэтому становятся более устойчивыми к коагулирующему действию электролитов. Это явление называется коллоидной защитой. Защитное действие высокомолекулярных соединений на коллоидные частицы измеряется различными числами, например, "железным числом". Это минимальное количество миллиграмм сухого высокомолекулярного соединения, которое нужно добавить к 1 литру золя гидроксида железа, чтобы защитить его от коагуляции после добавления определенного количества какого-либо электролита.

Явление коллоидной защиты наблюдается в организме. Белки плазмы крови защищают от объединения и роста частицы труднорастворимых солей мочевой, щавелевой, фосфорной и желчных кислот. Понижение степени такой защиты служит предрасполагающим моментом при отложении камней в мочевыводящих и желчевыводящих путях и в развитии подагры.

Лабораторная работа: “Cвойства растворов высокомолекулярных

соединений”

Цель работы: Экспериментально подтвердить различную способность электролитов высаливать высокомолекулярные соединения из раствора; значение заряда для устойчивости ВМС в растворе и их способность повышать агрегативную устойчивость коллоидных систем.

119

1. Высаливание казеина и определение лиотропного ряда ионов.

Ход работы: в 4 пробирки по отдельности внести по 2 мл 1 М растворов Na₂S0₄, СН₃СООNа, NaCl и воды. Затем в каждую из пробирок добавить по 2 мл раствора казеина. Через 5-10 минут отметить по помутнению растворов эффективность высаливания казеина. Объяснить процесс высаливания казеина, сделать вывод о высаливающей способности анионов и записать их в ряд по мере ее уменьшения.

2. Определение изоэлектрической точки казеина.

Ход работы: смешивая 0,1 М растворы уксусной кислоты и уксуснокислого натрия в 5 пробирках приготовить буферные смеси. Необходимые соотношения и рН получающихся растворов указаны в таблице. Затем в каждую пробирку прибавить по 0,5 мл 0,4% раствора казеина. Растворы в пробирках тщательно перемешать. Изоэлектрическая точка казеина равна рН раствора, в котором через некоторое время наблюдается наибольшее помутнение от хлопьев казеина. Результаты оформить в виде таблицы.

№ пробирки	Кол-во раствора, мл 0,1 М 0,1 М СН3СООН CH3COONa		рН раствора	Раствор казеина, мл.	Степень помутнения
1	4,5	-	3,8	0,5
2	3,5	1	4,4	0,5
3	2,5	2	4,7	0,5
4	1,5	3	5,1	0,5
5	0,5	4	5,7	0,5

Различную степень помутнения растворов выразить разным числом знаков +, принимая для наиболее мутного раствора четыре знака +. Сделать вывод об изоэлектрической точке казеина и объяснить выпадение его в осадок в изоэлектрическом состоянии.

120

3. Количественное определение защитного действия желатины на гидрофобный золь гидроксида железа ("железного числа").

Ход работы: в 6 пробирок налить по 1 мл воды. В первую пробирку добавить 1 мл 0,25% раствора желатина. После перемешивания 1 мл раствора из первой пробирки перенести во вторую, затем из второй пробирки 1 мл перенести в третью и т.д. Из 6-й пробирки 1 мл раствора вылить. Таким образом, будут получены разведения исходного раствора желатины в 2, 4, 8, 16, 32, 64 раз. Затем во все пробирки прибавить по 1 мл раствора Fe(OH)₃. Растворы в пробирках перемешать, после чего в каждую из них добавить по 0,5 мл 1М раствора Na₂S0₄. Этот электролит коагулирует золь Fe(OH)₃, а желатина защищает его от коагуляции. Через 510 минут отметить последнюю по счету пробирку, в которой не произошло коагуляции Fe(OH)₃. "Железное число"  g вычислить по формуле:

g = t_желат. × 10/ n, мг

где t_желат. – титр используемого раствора желатины (2,5 мг/мл); 10 - фактор пересчета на объем золя 10 мл; n - разведение раствора желатины в последней пробирке без коагуляции. Объяснить явление коллоидной защиты золя гидроксида железа желатиной.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Белок плазмы крови человека альбумин имеет изоэлектрическую точку (ИЭТ) 5,6. Какой знак заряда будут иметь молекулы альбумина в ацетатном буферном растворе с рН 4,7 ?

Решение: В молекулах белков одновременно имеются положительно заряженные аминогруппы (NH₃^) и отрицательно заряженные карбоксильные группы (СОО^). При растворении альбумина в растворе, рН которого ниже ИЭТ (4,7  5,6), избыток ионов Н^ подавляет диссоциацию карбоксильных групп в молекуле фермента и она приобретает положительный заряд согласно следующему уравнению:

121

⁺Н₃N – CH – COO^ +H^ ↔ ^H₃N – CH – COOН + H₂O

 

R R

Задача 2. В четыре пробирки с 1 М растворами СН₃СООК, КСNS, K₂SO₄ и KС1 поместили по 0,5 г порошка полярного полимера. В каком из растворов электролита набухание полимера максимально, в каком – минимально и почему?

Решение: Действие ионов электролитов на набухание твердых ВМС связано с их способностью к гидратации  чем больше гидратация ионов, тем меньше набухание ВМС. По способности уменьшать набухание анионы располагаются в ряд (при одном и том же катионе):

СNS^ > I^ > Br^ > NO₃^ > C1^ > СН₃СОО^ > SO₄^2

Поэтому в растворе КСNS набухание полимера максимально, а в растворе K₂SO₄  минимально, поскольку ионы СNS^ имеют наименьшую гидратацию, а SO₄^2  наибольшую.

Задача 3. Пепсин желудочного сока (ИЭТ = 2,0) растворен в буферном растворе, в котором концентрация ионов Н^ в 1000 раз больше, чем в чистой воде. К какому электроду будет перемещаться белок при электрофорезе в этом растворе?

Решение: Концентрация ионов Н^ в воде равна 10^7 моль/л. Следовательно, в данном растворе [Н⁺] = 10^7 · 1000 = 10^4 моль/л. Отсюда, рН среды = lg10^4 = 4.

Поскольку рН среды выше ИТЭ (4 > 2), молекула белка в данной среде приобретает отрицательный заряд согласно следующему уравнению:

^Н₃N – CH – COO^ + OH^ ↔ H₂N – CH – COO^ + H₂O

 

R R

Белок, имея отрицательный заряд, в электрическом поле будет перемещаться к аноду.

Задача 4. Изоэлектрическая точка миозина мышц равна 5. При каких значениях рН: 2, 4, 5 или 7 электрофоретическая подвижность будет

122

наибольшей и к какому электроду перемещается макромолекула? С чем это связано?

Решение: При рН ниже ИЭТ (т.е. 2 и 4) ввиду преимущественной ионизация групп NH₂ (NH₂ переходит в NH₃^) молекулы миозина имеют положительный заряд. При рН 5, равном ИЭТ миозина, ионизация групп NH₂ и СООН уравнивается, и общий заряд макромолекул становится равным нулю. Поэтому электрофоретическая подвижность белка в изоэлектрическом состоянии также становится равной нулю. При рН 7 ( т.е. выше ИЭТ миозина) преимущественно диссоциируют группы СООН (СООН переходит в СОО^) и белок заряжается отрицательно. Наибольшая электрофоретическая подвижность миозина будет при рН 2,0, так как это значение наиболее далеко отстоит от ИЭТ этого белка, и значит число групп NH₃ и общий заряд молекул максимальны. При рН 2 молекулы миозина имеют положительный заряд и поэтому перемещаются к катоду.

Задача 5. В пять пробирок, содержащих по 1 мл аммиачного буфера с рН 8,2; 9,1; 9,7; 10,3 и 11,2, добавили по 1 мл раствора белка с ИЭТ 9,2 и одинаковый объем ацетона. В какой из пробирок и почему произойдет наибольшее осаждение белка?

Решение: Устойчивость макромолекул в растворе обусловлена наличием у них сольватных оболочек и одноименного заряда. Чем ближе значение рН буферного раствора к ИЭТ, тем меньше заряд молекул белка, а значит и их устойчивость в растворе. Помимо этого устойчивость белка значительно снижается вследствие дегидратации его молекул, которую вызывает ацетон. Следовательно, наибольший осадок белка будет наблюдаться в пробирке с рН 9,1.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что такое высокомолекулярные соединения, какова их химическая природа и биологическое значение? Как их классифицируют?

2. Способы образования ВМС. Объяснить, привести примеры.

123

3. Что такое внутреннее вращение звеньев и конформация макромолекул? Почему у разных молекул одного и того же полимера конформация может быть разной?

4. Как зависят агрегатные и фазовые состояния полимеров от температуры? Объяснить, привести график.

5. Как взаимосвязаны структура макромолекул и степень набухания высокомолекулярных соединений?

6. В чем проявляется отличие вязкости растворов полимеров от вязкости растворов низкомолекулярных веществ? Привести уравнение Штаудингера для вязкости растворов полимеров. При каких условиях оно выполняется и для чего используется?

7. Чем отличается и почему осмотическое давление растворов полимеров и низкомолекулярных веществ? Привести уравнение для осмотического давления растворов высокомолекулярных веществ, пояснить все значения, объяснить его физический смысл. Какое биологическое значение имеет онкотическое давление для организма?

8. В чем состоит сходство и отличие растворов полимеров и коллоидных растворов, в чем их причина?

9. Как влияет рН растворов на заряд молекул полиамфолитов? Что такое изоэлектрическая точка полиамфолитов? Как меняются свойства амфолитных полимеров при переходе их в изоэлектрическое состояние?

10. В растворе содержится два белка – альбумин и рибонуклеаза, изоэлектрические точки которых равны 4,6 и 7,8 соответственно. К какому электроду они будут двигаться при электрофорезе в буферном растворе с рН 6,8? Какой из белков будет перемещаться быстрее всего. Обосновать ответ.

11. Что такое высаливание полимеров, каков его механизм? Чем отличается высаливание полимеров от коагуляции в коллоидных растворах?

12. Что определяет разную высаливающую способность ионов электролитов? Что такое лиотропный ряд Гофмейстера? Для чего используют высаливание полимеров и поверхностно-активных веществ?

124

13. Расположите в порядке увеличения высаливающей способности, следующие ионы электролитов: К⁺, Na⁺, Ag⁺. Объясните, полученную последовательность.

14. Как влияют высокомолекулярные вещества на устойчивость коллоидных частиц к коагулирующему действию электролитов? Какое значение имеет явление коллоидной защиты в организме?

Образец билета тестированного контроля по теме «Высокомолекулярные соединения»

1. Какое свойство растворов высокомолекулярных соединений отличает их от лиофобных коллоидных растворов?

а) малая скорость диффузии растворенного вещества

б) невысокое осмотическое давление

в) невозможность растворенного вещества проходить через полупроницаемые мембраны

г) термодинамическая устойчивость

2. Что такое онкотическое давление?

а) это давление пара находящегося над раствором

б) это избыточное гидростатическое давление раствора электролита, оказываемое на полупроницаемую мембрану и возникающее в ходе процесса осмоса?

в) это избыточное гидростатическое давление раствора высокомолекулярных соединений, оказываемое на полупроницаемую мембрану и возникающее в ходе процесса осмоса?

г) это избыточное гидростатическое давление коллоидного раствора, оказываемое на полупроницаемую мембрану и возникающее в ходе процесса осмоса?

3. Какой заряд приобретет молекула альбумина, если рН раствора составит 4,4 (изоэлектрическая точка этого белка 5,6)?

а) положительный б) отрицательный

в) положительный и отрицательный г) нейтральный

4. Высаливающая способность ионов

а) тем больше, чем меньше масса и заряд ионов

б) тем больше, чем больше масса и заряд ионов

в) тем больше, чем меньше масса, и чем больше заряд ионов

125

г) тем больше, чем больше масса, и чем меньше заряд ионов

5. Какая из последовательностей соответствует лиотропному ряду Гофмейстера?

а) Li⁺  K⁺  Na⁺ б) K⁺  Li⁺ Na⁺ в) Li⁺  Na⁺  K⁺ г) Na⁺  K⁺ Li⁺

Ответы на задания образца билета ТК:

Номер вопроса	1	2	3	4	5
Код ответа	г	в	а	в	в

Оценка задания. Число правильных ответов:

1, 2. 6 баллов (неудовлетворительно)

3. 7 баллов (удовлетворительно)

4. 8 баллов (хорошо)

5. 9 баллов (отлично)