книги / Физическая химия.-1
.pdfКонцентрация |
Коагулирующая концентрация |
||
солей |
(миллимоли) |
||
Li2SO(1 |
|
|
|
(миллимоли) |
MgCU |
А1С13 |
СеС19 |
|
|||
207 |
3.5 |
0.05 |
0.06 |
30 |
3.6 |
4.8 |
|
368 |
34 |
4.7 |
9.0 |
Необходимость известной гидрофпльности коллоида для прояв ления антагонизма 1 говорит, повидимому, за то, что антагонисти ческое действие солей обусловлено их влиянием на гидратацию коллоида, на его сродство к растворителю. Этому соответствует и то, что коллоиды с очень сильно выраженной гидрофильностыо (мало поддающейся внешним воздействиям) также являются мало благоприятным объектом для изучения рассматриваемого действия понов. Согласно Фрейндлиху, антагонизм ионов проявляется главным образом при их действии на коллоиды, занимающие про межуточное положение между гидрофильными и гидрофобными: их гидратация особенно легко может подвергаться заметному из менению.
В не меньшей степени, чем на рассмотренные неорганические золи, ионы могут влиять антагонистически на различные биокол лоиды, в частности на гидрозоль лецитина. Это влияние было изучено Нейшлосом (Neusclüosz, 1920). Лецитин, подобно другим лнофильным коллоидам, значительно понижает поверхностное на тяжение воды. Прибавление солей уменьшает степень его дисперс ности и повышает вследствие этого поверхностное натяжение; из мерение последнего представляет удобный метод, позволяющий точно следить за коагулирующим действием солей. Рис. 67 передает результаты опытов над антагонизмом натрия и кальция. Чистые растворы этих солей быстро осаждают коллоид; в омесях каждый иэ них значительно ослабляет действие своего антагониста; при определенном количественном соотношении их (1 ион Са прибли зительно на 20 ионов Na) получается очень слабый эффект. Точно так же в смеси NaCl -f- КС1, приблизительно при таком же коли чественном соотношении обоих компонентов (20 : 1), их коагули рующее действие оказывается крайне ослабленным. Еще совер шеннее нейтрализуются и взаимно уравновешиваются коагули рующие действия отдельных солей в смеси, содержащей на 100 молекул NaCl приблизительно 2 молекулы КС1-{-2 молекулы СаС12. Гидрозоль лецитина сохраняет в ней почти такое же поверхност
ное натяжение, а следовательно, и такую же |
дисперсность, как |
в чистой воде. Опыты Рона и Дейча '(Rona u. |
Deutsoh, 1926) под-* |
* О зависимости антагонистического действия ионов на коагуляцию серни стого золя от гидратации последнего см. также Дорфман (1930).
твердили существование взаимного антагонизма между натрием и кальцием в их влиянии на лецитиновый золь. Напротив, при коагуляции золя холестерина — вполне гидрофобного — коагу лирующее действие этих ионов суммируется.
Так же как у липоидов, антагонизм ионов удалось наблюдать при коагуляции протеинов. Гебер и Шюрмейер (Hôber u. Schürmeyer, 1926) подсчитывали в растворах серум-альбумина и пара глобулина число ультрамикроскопически видимых частиц. Даже в таком гидрофильном коллоиде, как серум-альбумин, небольшой, но вполне определенный процент белковых молекул денатурирован и образует взвешенные в воде субмикроны. Их число зависит от степени дисперсности протеинового золя, возрастая при умень шении последней: чем меньше делается общее число частиц, тем большая доля их достигает достаточно крупных размеров. При бавление отдельных солей вызывает заметное увеличение числа
Рис. 67. Антагонизм натрия и кальция (по Нейшлосу).
Поверхностное патлжеине лоцнтииового воля в смесях NaCl + CaCl*. На осп абсцисс — общая концентрация солевой омосп. Поворхпостиоо иатлженно чистой воды приыято равный 100
видимых субмикронов. В бинарных смесях солей щелочных и ще лочноземельных металлов (но не катионов одинаковой валент ности), при определенном количественном соотношении их кон центраций, это возрастание числа субмикронов (а следовательно, и уменьшение дисперсности) падало до минимума. Таким образом, соли щелочных и щелочноземельных катионов могут взаимно ослаблять свое коагулирующее действие. Такой антагонизм они проявляют при щелочной или близкой к нейтральности реакции, при которой-амфотерная белковая молекула сохраняет отрица тельный заряд. Достаточное повышение концентрации Н'-ионов устраняет антагонизм, причем последний исчезает несколько раньше, чем pH раствора достигнет изоэлектричеекой точки соответствующего протеина.
Теория антагонизма ионов остается до настоящего времени
весьма спорной. При действии электролитов на обращение фаз эмульсии многие электролиты в бинарных смесях подобным обра зом взаимно уравновешивают и ослабляют свое действие (стр. 266). Согласно Клоусу и Батнагару, это имеет место в том случае, когда у одного электролита более активным (в капиллярно-электри ческом отношении) является анион, у другого — катион. При определенном количественном соотношении обоих электролитов суммарный электрический эффект адсорбции обоих противополож но заряженных ионов делается равным нулю,— и система остает ся неиэменной. Аналогичное объяснение Сен (Sen, 1925; Sen
u. Mehrotra, 1926), Гош и Дар (Ghosh u. Dhar, 1927) прилагают
кколлоидальному антагонизму ионов. Они считают, например, что в смеси КС1 и SrCl2 из первого электролита адсорбируются преимущественно ионы С1, которые усиливают отрицательный заряд электроотрицательных коллоидных частиц и соответственно
повышают концентрационный порог производящих коагуляцию ио нов Sr. Соответственно повышению количества стабилизирующих ионов для нейтрализации их заряда и коагуляции коллоида требует ся повышенная концентрация иона-коагулятора.
Однако это объяснение во многих случаях оказывается явно не удовлетворительным. Ряд наблюдений указывает на то, что анта гонизм имеет место между ионами одинакового знака. Коагуляция электроотрицательных коллоидов (на которых проводились все упо мянутые здесь исследования антагонизма) в полном соответствии с правилом Гарди производится катионами. Антагонистическое дейст вие соли, подобно коагулирующему, также определяется, главным образом, свойствами ее катиона и почти не зависит от аниона. За мена лития натрием или калием оказывает на него несравненно большее влияние,чем вамена одновалентного аниона (Cl) двухвален тным (SO«). Очевидно, по крайней мере в большинстве исследован ных олучаев, антагонизм проявляется между ионами одинакового знака, именно — между катионами.
Другую попытку объяснения явлений ионного антагонизма сделал в ряде исследований Вейзер (Weiser, 1926). Учитывая воз можность стабилизирующего действия одноименно заряженного иона, Вейзер отводит ему, однако, весьма второстепенное значение. Главной причиной антагонизма он считает взаимное вытеснение ионов с поверхности адсорбирующих их коллоидных частиц, результатом чего должно быть повышение необходимого для коа гуляции концентрационного порога. Примером такого вытеснения могут олужить приведенные в следующей таблице измерения коли чества бария, адсорбированного золем сернистого мышьяка (AsaS3) в присутствии различных количеств антагонистически действую щих электролитов. В первом столбце таблицы указан состав рас
твора, во |
втором |
и третьем — количество адсорбированного |
||
бария (абсолютное — в граммах |
и относительное — в миллиэкви |
|||
валентах |
на |
грамм |
коллоида), |
в последнем — коагулирующая |
концентрация |
соответствующего |
электролита. |
||
лек, не сливающихся друг с другом. Это явление называется микрокоацервацией (рис. 68).
Коацервация наступает в основном при тех же условиях по тери стабильности, которые приводят к коагуляции. 'Однако, сохраняя высокую гидратацию, выпадающие коллоидные частицы обнаруживают свойства жидкости и сливаются благодаря этому в отдельные капельки или даже в сплошной жидкий слой. При меньшей степени гидратации соединяющиеся коллоидные частицы выпадают в виде хлопьевидного осадка, давая картину обычной коагуляции. Нередко одни и те же агенты при умеренном воздей ствии вызывают коацервацию, при более резком — коагуляцию.
Так, например, при осаждении водного раствора желатины спиртом выпадение желатины обычно наступает после резкой дегидратации ее частиц и имеет характер коагуляции. Если же путем приведения желатины к ее изоэлектрической точке устра нить сперва один из факторов стабильности — электрический за ряд, то осторожное применение любого дегидратирующего агента (спирта, сернокислого натрия) позволяет понизить ее гидратацию настолько, что наступает коацервация. Более энергичная дегид ратация вызвала бы обычную коагуляцию.
В отличие от приведенного примера «простой коацервации» особенный интерес представляет сложная или так называемая комплексная коацервация, которая получается при взаимодействии двух противоположно зарязкенных гидрофильных коллоидов. При простой коацервации выпадение достаточно еще гидратирован ных коллоидных частиц делается возмозкным после устранения второго фактора стабильности — Ç-потенциала. Напротив, при взаимодействии противоположно заряженных коллоидов электри ческие силы из фактора стабильности превращаются в фактор, способствующий выпадению коллоидных частиц. Противополож ность зарядов в случае гидрофобных коллоидов приводит к их взаимной коагуляции (стр. 330). У гидрофильных коллоидов она может вызывать выпадение коллоидных частиц, гидратация кото рых при других условиях была бы еще достаточной для удержания их в растворе. Поэтому в этом случае особенно легко получить, вместо коагулята, жидкий, сильно гидратированный коацерват.
Де-Йонгом был описан также своеобразный тип коацерватов, которые, несмотря на однородность своего коллоидного состава, обнаруживают ряд свойств комплексного коацервата, состоящего из противоположно заря женных компонентов. Для этого явления им было предложено название аутокомплексной коацервации. Де-Йонг приписывает его различию зарядов отдельных коллоидных частиц, проявляющемуся в известных случаях в ре зультате неравномерной адсорбции ими ионов-диспергаторов.
Таким образом, образование комплексного коацервата опре деляется соотношением противоположных факторов — гидрата ции, стабилизирующей коллоидные частицы, и электростатиче ских сил, стремящихся их агглютинировать. Отсюда — крайняя лабильность таких коацерватов, их большая чувствительность
34С
ко всем воздействиям, влияющим как на гидратацию, так и на ([-по тенциал их компонентов.
Так как ([-потенциал амфотерных коллоидов изменяется, прежде всего, в зависимости от pH раствора, то последнее оказы вает решающее влияние и на образование комплексных коацерватов. Образование последних возможно только между изоэлектрическими точками соответствующих амфотерных коллоидов, т. е. в том интервале pH, в котором они несут противоположные заряды. Так, например, желатина и лецитин образуют комплексные коацерваты лишь в интервале pH между 4.7 и 2.7. Для .сочетания желатины о различными протаминами (щелочными белками) соответствующий интервал захватывает и щелочную зону — от 4.7 до 10(дляклупеинадажедорН = 12). При приближении к изоэлектрпческой точке любого из компонентов коацервата исчезает вместе с противоположностью зарядов самая возможность суще ствования коацервата. Отсюда — крайне высокая чувствитель ность коацервата к смещению pH раствора за определенные, до пустимые пределы, напоминающая чувствительность некоторых протопластов к нарушению реакции.
Комплексный коацерват точно так же чувствителен к действию других ионов, влияющих на ([-потенциал его компонентов. Ионы, разряжающие один из коллоидных компонентов коацервата, вызывают разрушение последнего и обратный переход колло идов в раствор. Они действуют при этом тем сильнее, чем ин тенсивнее было бы при обычной коагуляции их уплотняющее дей ствие, потому что ([-потенциал играет в обоих случаях противо положную роль. Активность ионов быстро возрастает с увеличе нием их валентности. Характерно при этом, что многовалентные анионы и катионы производят сходное разжижающее действие, хотя первые снижают ([-потенциал положительно, а вторые — от рицательно заряженных коллоидов; снижение Ç-потенциала любого из компонентов комплексного коацервата равным образом ослабляет притяжение между ними. Благодаря значительной гидратации коллоидных чао(гиц они, соединяясь в коацерват, полностью сохра няют свою обособленность. Поэтому при устранении связывающих их электричеоких сил они легкб переходят обратно в раствор. Таким образом, коацервация отличается полной обратимостью.
Очень характерным образом отвечают комплексные коацерваты на действие постоянного электрического тока. В то время как одно родные коллоидные частицы дают обычный электрофорез, капля комплексного коацервата под влиянием постоянного электрического тока подвергается вакуолизации и постепенному распаду, прохо дящему через ряд последовательных, очень характерных стадий. В основе их лежит, повидимому, притяжение обоих компонентов коацервата противоположными полюсами, разрывающее /связь между ними.
Характерные изменения вызывают также различные агенты, влияющие на гидратацию коллоидов. Они изменяют распределе-
нпе воды между коацерватом и равновесной жидкостью. При умень шении гидратации коацерват сжимается, выделяя равновесную жидкость; напротив, при достаточно сильном'увеличении гидра тации он мо?кет переходить обратно в раствор. Одним иэ внешних агентов, влияющих на гидратацию, является температура. При повышении температуры гидратация коллоида уменьшается, и коацерват выделяет капельки равновесной жидкости. Часть последних остается распределенной внутри коацервата, обуслов ливая его вакуолизацию. Сходное явление могут вызывать различ ные химические воздействия, уменьшающие гидратацию колло идного вещества коацервата. Выделение жидкости и образование вакуолистой структуры хорошо известно у студней. Способность жидких коллоидных систем — коацерватов давать подобную же вакуолизацию представляет большой интерес и заслуживает вни мания при объяснении вакуолизации протоплазмы, которая, согласно современным воззрениям, может представлять не сту день, а коллоидную жидкость. Точно так же и другие свойства ком плексных коацерватов имеют не меньшее значение для понимания коллоидных свойств протоплазмы.
Тепловая коагуляция белков, денатурация и сенсибилизация
Коагуляция гидрофильных коллоидов протекает большей частью обратимо: при удалении вызвавшего коагуляцию агента коагулят вновь переходит в раствор. Однако в ряде олучаев коа гуляция белковых веществ совершается необратимо. Белок изме няет при этом свою первоначальную природу, «денатурируется», превращается в гидрофобный, необратимый коллоид. Это имеет место, в частности, при тепловой коагуляции белков.
Гарди впервые показал, что тепловая коагуляция белка слагает ся из двух совершенно различных процессов: необратимого хи мического изменения, сообщающего белку гидрофобные свойства, и последующего осаждения его электролитами, следующего общим правилам коагуляции гидрофобных волей. В отсутствии электропитов происходит только первый процесс: белок изменяет свои свойства, но остается в растворе, пока к нему не прибавлены коа гулирующие электролиты.
Скорость денатурации настолько быотро возрастает при нагре вании, что создается впечатление о существовании определенной температуры денатурации, характерной для каждого вида белка. В действительности, однако, если белок подвергается нагреванию в течение более продолжительного времени, то денатурация на ступает при несколько более низкой температуре. Чик и Мартин (Chick a. Martin, 1910), подробно изучившие процесс денатура ции, нашли, что он имеет необычайно высокий температурный коэффициент. Так, например, при повышении температуры на 1° скорость денатурации гемоглобина возрастает в среднем в 1.3 раза; при 70° она в 13 раз больше, чем при 60°. Еще выше темпера-
343
турный коэффициент для денатурации овальбумина: при повыше нии температуры от 69 до 76° скорость денатурации возрастает приблизительно в 90 раз.
Для денатурации необходимо присутствие некоторого мини мального количества воды: безводный белок не подвергается де натурации. Так, например, по данным Чик и Мартина, сухой кристаллический овальбумин после пятичасового нагревания до 120° остается растворимым в воде. Это дает основание заключить, что в основе денатурации лёжит какое-то химическое взаимодей ствие белка и воды, крайне быстро ускоряющееся при повышении температуры. Аналогичная зависимость температурной чувстви тельности от содержания воды наблюдается и в живой протоплазме. Уменьшение содержания воды сопровождается увеличением тер мостабильности протоплазмы, способностью противостоять более высоким температурам. Поэтому сухие семена растений , цисты простейших и, в особенности, споры бактерий обнаруживают не сравненно более высокую стойкость по отношению к высоким тем пературам, чем богатая водой протоплазма активна живущих стадий тех же организмов.
Большой интерес представляют отдельные указания о роли липоидов, примесь которых оказывается необходимой для дена турации некоторых белков. В частности, овальбумин может быть защищен от тепловой денатурации путем предварительной тщатель ной экстракции его эфиром (Bancroft a. Rutzler, 1931).
Очень сильное влияние на тепловую денатурацию оказывают электролиты. Это относится прежде всего к действию кислот и щелочей, которые способны сами денатурировать белки и вместе с тем значительно повышают скорость их тепловой денатурации. При этом температурный коэффициент денатурации оказывается в присутствии кислот сильно пониженным.
Очень большое влияние оказывают также нейтральные соли. Они повышают температуру коагуляции (по крайней мере до кон центрации 0.1 т). Главное влияние оказывают при этом анионы, которые по даваемой ими температуре коагуляции располагаются в обычный гофмейстеров ряд. Его порядок может изменяться под влиянием реакции раствора, а также концентрации самих солей. При более высоких концентрациях солей картина усложняется вследствие того, что к влиянию солей на самую денатурацию (ко торая щш, повидимому, во всех случаях замедляется) добавляет ся и накладывается на нее производимая солями последующая коагуляция денатурированного белка. Последняя соответствует общим зависимостям, установленным для производимой солями коагуляции гидрофобных коллоидов.
Денатурированный белок отличается от исходного, натураль ного («нативного») белка главным образом своей гидрофобностью. Подобно другим гидрофобным коллоидам, он может удер живаться в растворе лишь при наличии достаточного Ç-потен- циала. Из других изменений, связанных с денатурацией, следует
отметить нередко наблюдающийся сдвиг изоэлектрической точки денатурированного белка по сравнению с исходным.
Денатурация является реакцией необратимой в том смысле, что устранение денатурирующего агента не возвращает белку его природных свойств (в частности, его растворимости). Однако путем специальной химической обработки (действием щелочи и другими воздействиями) денатурированному белку мояшо, повидимому, вернуть растворимость и другие свойства нативного белка. Удач ные опыты такого рода был проделаны на овальбумине (SpiegelAdolf, 1926, 1929). Пользуясь изменением спектра поглощения гемоглобина, как очень тонким показателем его денатурации, Ансон и Мирский (Anson a. Mirsky, 1929, 1930) смогли получить обращение его денатурации. Обработанный ими гемоглобин об ладал также способностью к кристаллизации, которой лишены де натурированные белки.
Химическая денатурация, подобно тепловой, сводится к такому же превращению белков в необратимые, гидрофобные коллоиды, выпадающие ватем при действии электролитов. Вещества, произ водящие денатурацию белков (и построенной ив них протоплазмы), широко применяются для дезинфекции, а также для гистологи ческой фиксации тканей. Сюда относятся такие вещества, как фенолы (например, карболовая кислота), альдегиды (как формаль дегид), соли хромовой кислоты, пикриновая кислота и ми. др.
Отнятие воды у гидрофильной коллоидной частицы, ее дегидра тация, является,как мы видели, необходимым этапом коагуляции всякого гидрофильного коллоида (отр. 333). Эта дегидратация во многих случаях вполне обратима: при перенесении в чистый водный раствор вновь получается первоначальный гидрофильный коллоид. Напротив, при химической денатурации, как и при теп ловой, превращение гидрофильного коллоида в гидрофобный необратимо (по крайней мере, посредством простого удаления денатурирующего агента). Впрочем, между обоими процессами (денатурацией и обратимой дегидратацией) наблюдаются последо вательные переходы. Дегидратация коагулированных (например, осажденных спиртом) белков может быть сперва в течение неко торого времени обратимой, лишь затем переходя в настоящую денатурацию.
К своеобразной форме денатурации приводит адсорбция белка на пограничной поверхности. Хорошо известно, что адсорбция коллоида на поверхности раствора может приводить к его выпаде нию и образованию тонкой пленки коагулированного коллоида на поверхности золя. Образованием таких прочных пленок объяс няется способность сапонинов, белков и многих других биоколло идов образовывать при встряхивании стойкую, долго сохраняю щуюся пену. Как показал Рамсден (Ramsden, 1904), такая твердая пленка легко образуется в белковых растворах, причем выпавший в ней белок подвергается денатурации. Если удалить эту пленку, например путем взбалтывания раствора, новые порции белка
адсорбируются и свертываются на поверхности. Таким повторным взбалтыванием можно, например, вызвать полную коагуляцию куриного белка. Сходным образом объясняется производимое взбал тыванием пнактивирование некоторых ферментов («Schüttelinaktivierung»).
Для придания гидрофильному золю свойств гидрофобного нет необходимости, чтобы денатурации или же обратимой дегидра тации подверглись коллоидные частицы во всей своей массе. Ре шающее значение имеет тонкий поверхностный слой, граница между коллоидом и его дисперсионной средой. Стойкость золя определяется характером поверхности его частиц, постепенно, почти непрерывными переходами связывающей обе фазы у гид рофильных коллоидов или же резко разграничивающей их у кол лоидов гидрофобных. Изменение свойств пограничной поверхности может быть произведено адсорбцией некоторых неэлектролитов. Если адсорбционный слой делает ее гидрофобной, происходит сенсибилизация золя. Сеисибилизованные частицы осаждаются находящимися в растворе электролитами, к которым они до того были нечувствительны. Мур и Роаф (Moore a. Roaf, 1905) описали такое сенсибилизующее и осаждающее влияние наркотических средств на коллоидные растворы липоидов. Они нашли, что гидрозоли экстрагированных эфиром тканевых липоидов осаж даются небольшим количеством индиферентиых наркотиков (хло роформа, спирта, эфира), хотя в более высокой концентрации те же вещества их растворяют.
Защитпое действие
Несравненно большее значение, чем сенсибилизация, имеет противоположное явление — повышение устойчивости коллоида по отношению к осаждающему действию электролитов, также до стигаемое посредством адсорбции. Такое влияние оказывают на гидрофобные коллоиды незначительные примеси коллоидов гид рофильных. Прибавление к гидрофобному золю иногда совершенно ничтоо/сных количеств гидрофильного коллоида сообщает ему ха рактерную для последнего стабильность. Такое защитное действие
наблюдал уже Фарадей, заметивший, что полученные им золотые золи делались значительно более стойкими в присутствии неболь ших количеств «студенистого вещества» (вероятно, желатины). Пользуясь переменой окраски золотого золя, наступающей при его коагуляции (стр. 286), Зигмонди подробно изучил это явление. В зависимости от способа приготовления и величины частиц кол лоидного золота, для его защиты от электролитов требуются весьма различные количества данного гидрофильного коллоида. Чтобы ввести здесь необходимое для сравнительных измерений едино образие, Зигмонди предложил пользоваться золотым золем, точно приготовленным по описанному им способу и имеющим одинаковую величину частиц — в среднем около 25 т р (с допустимыми коле-