Слесарев. Основы Химии живого

Набухание и растворение. В отличие от процесса растворе­ ния низкомолекулярного вещества, при котором происходит в основном диффуЗия растворяемого вещества в растворитель, на­ чальная стадия процесса растворения ВМС заключается в диффу­ зии молекул растворителя в объем полимера. Проникновение молекул растворителя в объем биополимера сопровождается про­ цессом набухания.

Набухание - самопроизвольный процесс поглощения по­ «лимером растворителя, сопровождаемый увеличением

объема и массы взятого образца ВМС.

Количественной мерой набухания является степень набуха­ ния а, которая может иметь объемное и массовое выражение, последнее дает более точный результат:

а = (V - V0)/V0 или а = (т - т0)/т 0

где V0 и V, т0 и т - соответственно объемы и массы исходного и на­ бухшего образца полимера.

Степень набухания прежде всего зависит от природы поли­ мера, т. е. от жесткости его цепей, обусловленной межмолекулярными взаимодействиями между ними, и лиофильности его макромолекул (сродства к растворителю). В зависимости от этих факторов и температуры набухание может быть ограниченным или неограниченным (рис. 27.12). При ограниченном набухании а достигает предельного значения, после чего не зависит от вре­ мени. Так набухают амилаза (составляющая крахмала) и жела­ тин в теплой воде (Т « 50 °С). В этих случаях межмолекулярные взаимодействия в полимере достаточно сильны, и растворитель не в состоянии разобщить макромолекулы, поэтому набухание прекращается. В горячей воде для амилазы и желатина харак­ терно неограниченное набухание, при этом значение а вначале возрастает, а затем падает до нуля в результате постепенного растворения желатина или амилазы.

Процесс набухания с позиции термодинамики характеризу­ ется уменьшением энергии Гиббса системы: AG — АН - - TAS < 0. В начале набуха­ ния происходит специфиче­ ское взаимодействие моле­ кул растворителя и ВМС с образованием новых межмолекулярных связей.

Этот процесс экзотермичен (АН < 0), а изменение эн­ тропии незначительно (AS « 0).

Рис. 27.12. Кинетика набухания различных ВМС

742

Даже в тех случаях, когда сольватация приводит к увеличению жесткости цепи и AS уменьшается, это изменение относительно невелико: \TAS\ < \АН\, поэтому всегда AG < 0 (процесс самопро­ извольный).

На заключительной стадии набухания, когда закончился про­ цесс сольватации ВМС, энтальпия системы практически не изме­ няется (АН « 0), но зато возрастает энтропия (AS > 0). Это проис­ ходит потому, что разрыхление сетки ВМС приводит к частичному освобождению макромолекул (ограниченное набухание) или к переходу их в раствор (неограниченное набухание). Таким обра­ зом, система переходит из более упорядоченного состояния в ме­ нее упорядоченное. Следовательно, и заключительная стадия на­ бухания характеризуется следующими неравенствами: TAS > 0, AG » -TAS < 0 (процесс также самопроизвольный).

Степень набухания полимера, кроме упомянутых факторов, зависит от природы растворителя. В соответствии с правилом “ подобное в подобном” полярные биополимеры - белки, н у к ­ леиновые кислоты и полисахариды - в воде набухают лучше, чем в менее полярных растворителях (спирте и ацетоне).

На процесс набухания полимеров в воде влияет присутствие электролитов и значение pH среды. Влияние электролитов свое­ образно прежде всего тем, что влияние оказывают в основном

В целом этот ряд можно объяснить на основе изменения а к­ тивности молекул воды в системе, а также поляризуемости обсуж­ даемых частиц. Следует обратить внимание на этот ряд и с пози­ ции высаливания полимера из водного раствора (разд. 27.3.2).

Влияние pH среды на набухание полимера больше всего проявляется в растворах белков, поскольку их молекулы - полиамфолиты (рис. 27.13). Так, минимум набухания белков ле­ ж ит в области их изоэлектрической точки pH = рI. По разные стороны от этой точки степень набухания возрастает и, достиг­ нув максимумов, вновь уменьшается. Такое влияние pH на на­ бухание связано с тем, что в изоэлектрической точке конфор­ мация макромолекул белка наиболее плотная и поэтому степень его гидратации, а следовательно, и склонность к набуханию и растворению минимальны. Появление максимумов в кислой и

743

щелочной среде связано с переходом белка в этих средах в ка ­ тион или анион и разрыхлением его структуры из-за электро­ статического отталкивания одноименных зарядов. Таким обра­ зом, по зависимости степени набухания от pH можно опреде­ лить изоэлектрическую точку белка.

Число и прочность межмолекулярных связей между макро­ молекулами и внутри них с течением времени увеличивается, и плотность системы возрастает. Поэтому на процесс набухания влияет возраст биополимера - чем он моложе, тем больше его степень набухания, т. е. тем больше он удерживает воды. Это на­ ходит полное подтверждение, если проследить за содержанием воды в организме человека, состоящем в основном из биополи­ меров. В начале утробной ж изни эмбриона - в период интен­ сивного деления клеток и роста - система сильно удерживает воду и ее содержание составляет 95 % от массы эмбриона. У новорожденного содержание воды около 80 % , а у взрослого - 60 % . Постепенное старение организма сопровождается замед­ лением процессов обмена, происходит буквальное усыхание человека, сопровождающееся появлением морщин, вследствие утраты способности клеток мышц и кож и к набуханию.

Вязкость. Вязкость растворов характеризует меру сопротив­ ления среды движению. Вязкость растворов, содержащих макро­

744

молекулы, обычно значительно выше вязкости растворов низко­ молекулярных соединений при тех же концентрациях. Это обу­ словлено тем, что цепь макромолекулы располагается во многих слоях жидкости и, сшивая их за счет межмолекулярных взаимо­ действий, препятствует перемещению относительно друг друга. Зависимость вязкости растворов полимеров от концентрации, тем­ пературы, давления не подчиняется обычным закономерностям. Особенности вязкости растворов ВМС объясняются изменением во времени конформации макромолекул, взаимодействием их между собой, образованием ассоциатов и структурированием системы в целом. Так, с повышением температуры вязкость растворов ВМС может изменяться по-разному. Если раствор образован сильно разветвленными молекулами, то вязкость раствора понижается с увеличением температуры вследствие уменьшения возможности структурирования. Вязкость растворов, содержащих длинные неразветвленные молекулярные цепи, с повышением температуры может повышаться из-за увеличения интенсивности движения фрагментов макромолекулы, что препятствует ориентации м ак­ ромолекулы в потоке.

Вязкость водного раствора белка при pH —рI минимальна (ка к и его набухание), так ка к в этом случае конформации мак­ ромолекул наиболее компактны .

С течением времени в растворах биополимеров происходит значительное их структурирование, что, естественно, приводит к увеличению вязкости.

Таким образом, вязкость растворов ВМС сложным образом связана с формой и структурой макромолекул, а также характе­ ром межмолекулярных взаимодействий ка к внутри макромоле­ кул, так и между ними. Это необходимо учитывать при работе с биологическими средами и при описании их движения в орга­ низме, особенно в капиллярах.

Осмотическое давление. Экспериментально определенное ос­ мотическое давление для раствора ВМС заданной концентрации значительно превышает вычисленное по закону Вант-Гоффа. Это связано с тем, что макромолекула благодаря большим размерам

игибкости цепи ведет себя в растворе ка к несколько более ко ­ ротких молекул. Поэтому роль кинетического элемента играет уже не вся макромолекула, а соответствующие ее сегменты, об­ ладающие относительной подвижностью. Число подвижных сег­ ментов возрастает с увеличением гибкости цепи макромолекулы

ис ростом концентрации ВМС в растворе. Для расчета осмотиче­ ского давления растворов ВМС используется уравнение Галлера:

где С - массовая концентрация ВМС в растворе, г/л ; М - средняя мо­ лярная масса ВМС, г/моль; Р - коэффициент, учитывающий гибкость и форму макромолекулы.

745

Рис. 27.14. Зависимость п/С от концентрации раствора полимера

При небольших концентра­ циях полимера фС2-> 0) и для полимеров, молекулы кото ­ рых имеют форму сфериче­ ских глобул, например гемо­ глобина (Р = 0), уравнение Галлера переходит в уравне­ ние Вант-Гоффа: п —RTC/M. Экспериментальное изучение

влияния концентрации ВМС в растворе на его осмотическое давление позволяет с помощью графической зависимости вели­ чины я/С от С найти значения средней молярной массы поли­ мера М и коэффициента (3, который численно равен значению tga (рис. 27.14).

В сложных биологических системах, содержащих неэлектро­ литы, электролиты и белки, каждый из этих компонентов вносит свой вклад в суммарное осмотическое давление. Вклад, обуслов­ ленный наличием белков, называется онкотическим давлением (разд. 6.4.2).

Мембранное равновесие Доннана. Наличие в клетке ионов белков, которые, в отличие от низкомолекулярных ионов обыч­ ных электролитов, не могут диффундировать сквозь мембрану, приводит к установлению мембранного равновесия Доннана.

Мембранным равновесием Доннана называют равнове­ сие, устанавливающееся в системе растворов, разделен­ ных мембраной, непроницаемой хотя бы для одного вида ионов, присутствующих в системе. Условием этого рав­

новесия является равенство произведения концентраций подвижных ионов по обе стороны мембраны.

[К П ВН[А п']вн = [K t+]Hap [Ап-]нар

Задерживаемый мембраной ион может быть ионом любого полимера (полиэлектролита) или гранулой мицеллы лиофобного коллоидного раствора.

Рассмотрим биологическую систему клетка - наружный рас­ твор (межклеточная жидкость). Допустим, что внутриклеточная жидкость содержит только соль белка, катионы которой способ­ ны проникать через клеточную мембрану, т. е. они подвижны, а анион белка задерживается мембраной (рис. 27.15). Наружный раствор содержит только подвижные ионы сильного электроли­ та, причем общее число ионов пусть будет такое же, ка к внутри клетки. С учетом данного условия внутренний и наружный рас­ твор должны быть изотоничны (7СВН = лнар). Однако они не рав­ новесны в отношении распределения подвижных ионов, спо­ собных к диффузии, по обе стороны мембраны.

746

раствор г

Рис. 27.15. Мембранное равновесие Доннана

В соответствии с законами диффузии сквозь мембрану пре­ жде всего будут проникать подвижные анионы, увлекая за собой соответствующее число подвижных катионов. Движение катио­ нов обусловлено не только диффузией, н,о и их электростатиче­ ским взаимодействием с анионами. Этот переход будет осуще­ ствляться до тех пор, пока произведение количества подвиж­ ных ионов по обе стороны мембраны не выравняется:

[K t+]BH [An-]BH - [Kt+]Hap [Ап-1нар

Именно это мы имеем в нашем примере при установлении мем­ бранного равновесия Доннана:

Перераспределение подвижных ионов вследствие эффекта Доннана всегда приводит к повышению осмотического давле­ ния в клетке и уменьшению его снаружи. При этом внутрикле­ точный раствор становится гипертоническим по отношению к наружному, и тем самым клетка поддерживается в состоянии тургора. Кроме того, за счет присутствия в клетке солей белка сумма концентраций подвижных ионов внутри клетки всегда бу­ дет больше, чем в наружном растворе. Это обусловливает воз­ никновение разности потенциалов между внутренней и наруж­ ной поверхностями мембраны, называемой мембранным потен­ циалом. Знак заряда внутренней поверхности мембраны будет совпадать со знаком заряда иона белка.

747

Таким образом, при мембранном равновесии Доннана осмо­ тические (диффузионные) свойства системы уравновешиваются ее электростатическими свойствами.

Коацервация. В растворах с достаточно высокой концентра­ цией ВМС, особенно биополимеров, может происходить самопро­ извольное расслоение на две несмешивающиеся фазы. Одна из них представляет собой концентрированный раствор полимера, называемый коацерватом, а другая - разбавленный раствор по­ лимера. Это явление называется коацервацией. Вначале коацерват находится в исходном растворе в виде капель, а затем обра­ зуется сплошной слой (происходит расслоение системы). Процес­ су коацервации способствует не только высокая концентрация ВМС, но и факторы, вызывающие самопроизвольную агрегацию мицелл или макромолекул: введение в раствор электролитов или неэлектролитов, низкая температура, изменение pH среды, а также воздействие различных полей. Действие электролитов или неэлектролитов связано с их гидратацией, которая может происходить за счет молекул воды гидратных оболочек полиме­ ров. В результате возникновения «оголенных» фрагментов у мак­ ромолекул происходит их дополнительная агрегация. Коацер­ вация является процессом самоорганизации и структурирова­ ния органических веществ в водной среде в самостоятельную фазу. Самопроизвольное образование коацерватов в мировом океа­ не лежит в основе гипотезы А .И . Опарина (1922) о происхож­ дении жизни.

По мнению автора, явление коацервации внутри биологической системы под действием неполярных и малополярных веществ лежит в основе анестезии. Неэлектролиты, особенно летучие, легко проникают сквозь клеточные мембраны и, структурируя вокруг себя «рыхлую» воду, способствуют дегидратации молекул биосубстратов, включая те, из которых построены рецепторы. Это приводит к коацервации, т. е. к расслоению этих систем, с появлением новой границы раздела во­ круг рецептора, служащей препятствием для диффузии катионов ка­ лия и натрия, необходимых для передачи нервного импульса от ре­ цептора данной клетки к клеткам мозга (разд. 11.3).

27.4. СТРУКТУР00БРА30ВАНИЕ В РАСТВОРАХ ВМС. ВОЗНИКНОВЕНИЕ СВЯЗНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

ИИХ СВОЙСТВА

Всвободнодисперсной системе при определенных условиях вследствие взаимодействия частиц дисперсной фазы происходит их агрегация с возникновением сплошной пространственной сет­ ки , в которую заключена дисперсионная среда. В этом случае возникает связнодисперсная система, которую называют поразному - гель или студень. Поскольку по смысловому значению оба эти термина равнозначны и в последнее время предпочтение отдают термину гель (от лат. gelo - застываю), то будем его ис­ пользовать.

748

Гель - связнодисперсная система, содержащая сплошную «пространственную сетку из частиц дисперсной фазы, в

ячейках которой заключен растворитель.

Образование геля с участием водной среды характерно для всех биополимеров организма, так ка к их длинные цепи содержат мно­ го полярных групп и имеют большую молекулярную массу.

С одной стороны, гель можно рассматривать ка к коллоидный раствор ВМС, который под воздействием внешних факторов поте­ рял свою Текучесть, а с другой стороны - гель образуется в процес­ се ограниченного набухания. В основе всех переходов, отраженных на схеме, лежат два противоположных процесса: агрегация и дез­ агрегация макромолекул ВМС при участии растворителя:

ИСТИННЫЙ РАСТВОР

концентрирование

концентрирование;

охлаждение; изменение pH среды; добавление электролита

ГЕЛЬ

Для каждого полимера существует точка гелеобразования, которая соответствует определенному пороговому значению кон­ центрации раствора данного полимера, ниже которого раствор не переходит в гель. Так, для водного раствора агар-агара (полиса­ харид) при комнатной температуре она равна 1,2 % , а для жела­ тина (белок) - 0,5 % . При увеличении концентрации ВМС в рас­ творе выше точки гелеобразования происходит самопроизвольная агрегация асимметричных мицелл (ассоциатов из макромолекул) или очень крупны х макромолекул друг с другом с образованием пространственной сетки полимера, в ячейках которой заключен растворитель. Причины возникновения новых связей могут быть разными. Так, например, в белках полимер содержит ионоген­ ные группы (— СОО“ и — N H g), несущие противоположные по знаку заряды, которые образуют прочные межмолекулярные свя­ зи. Взаимодействие многочисленных полярных групп в биомак­ ромолекулах, включая возникновение водородных связей, также способствует агрегации частиц полимера. Иногда возможно обра­ зование и обычных ковалентных связей.

Понижение температуры уменьшает подвижность цепей макро­ молекул и способствует их взаимодействию. Переход раствора ВМС в гель при охлаждении совершается непрерывно и не характеризу­ ется какой-либо определенной температурой гелеобразования.

749

Большое влияние на процесс гелеобразования в водных рас­ творах белков имеет pH раствора. Процесс легче протекает при pH, близких к изоэлектрической точке. В изоэлектрическом состоянии в макромолекуле белка по всей длине цепи находят­ ся противоположно заряженные группы, которые взаимодейст­ вуют с такими же группами других молекул, способствуя уста­ новлению межмолекулярных связей.

Добавление к водным растворам веществ, влияющих на ак­ тивность молекул воды, например электролитов, способствует частичной дегидратации макромолекул. «Оголенные» участки макромолекул активно взаимодействуют с подобными участками других макромолекул, что способствует гелеобразованию. В этих процессах анионы более активны, чем катионы, и прежде всего анионы С20|", S0|“, F“, СНзСОО- , которые связывают воду лучше, чем полярные группы полимера.

При ограниченном набухании полимера гель образуется вслед­ ствие проникновения растворителя в свободное пространство между макромолекулами. В результате растворитель частично раздвигает макромолекулы, ослабляет взаимодействие между ними и увеличивает их подвижность, но полного разрыва меж­ молекулярных связей не происходит. Пространственная сетка полимера сохраняется, хотя размеры ячеек увеличились, они заполнились растворителем, отчего жесткость цепей полимера уменьшилась. Такой способ образования геля особенно характе­ рен для фибриллярных белков и полисахаридов с разветвлен­ ной структурой. Гелями в клетках являются внешние слои ци­ топлазмы, а в организме - мозг, кож а, хрящ и, глазное яблоко.

Свойства гелей. Большинство гелей проявляют эластичность, которая обусловлена конформационными изменениями фраг­ ментов цепей между сшивками под действием внешней нагруз­ ки . Кроме того, большое влияние на эластичность геля оказы ­ вает характер контакта частиц в узлах сетки. Если между м ак­ ромолекулами или их ассоциатами возникает соприкосновение непосредственно, то это увеличивает жесткость геля, а если со­ прикосновение происходит через тончайшие прослойки раство­ рителя, то эластичность геля повышается.

Резкое механическое воздействие на гель приводит к его разжижению . Этот процесс обратим, и в состоянии покоя полу­ чившийся раствор снова превращается в гель. Это явление на­ зывается тиксотропией.

Тиксотропия - способность геля разжижаться при ме­

Пханическом воздействии и самопроизвольно восстанав­ ливать свои свойства в состоянии покоя.

В живы х системах тиксотропия наблюдается, например, при сотрясении мозга и последующем восстановлении его исходных структур. Аналогичное явление имеет место после встряхивания кефира в бутылке.

750

Другим примечательным свойством гелей является синерезис.

Синерезис - необратимый процесс старения геля, сопро­ вождаемый упорядочением структуры с сохранением первоначальной формы, сжатием сетки и выделением из

нее растворителя.

Этот процесс наблюдается при продолжительном стоянии геля и объясняется медленным “ углублением” его структурирования, которое началось еще при гелеобразовании в свободнодисперс­ ной системе, содержащей полимер. При этом происходит стягива­ ние молекул полимера, цепи его становятся жесткими, вследствие чего выделяется плотное тело, копирующее форму сосуда, в ко ­ тором находится гель, и окруженное разбавленным раствором полимера. Синерезису способствуют низкая температура, большое содержание полимера в геле и длительный покой в системе. Для гелей на основе белка максимальная скорость синерезиса наблю­ дается в изоэлектрической точке. С отклонением pH среды в ту или другую сторону от изоэлектрической точки скорость сине­ резиса снижается, так ка к фрагменты макромолекул приобре­ тают одноименный заряд, что приводит к взаимному отталкива­ нию цепей полимера. Это в свою очередь вызывает увеличение объема геля и его разрыхление, а следовательно, и замедление синерезиса. Электролиты, способствующие набуханию, уменьша­ ют синерезис.

Синерезис характерен для живых тканей, с ним связан про­ цесс старения. Известно, что мясо старых животны х намного плотнее, а кости значительно тоньше, чем у молодых.

Наличие пространственной сетки в гелях препятствует пере­ мешиванию. По этой причине химические реакции в гелях про­ текают с небольшой скоростью и их характер зависит от раство­ римости продуктов. Если образуются нерастворимые соли, со­ держащие разное число катионов и анионов (Ag2Cr2C>7; Саз(Р04>2 и т. д.), то такие реакции в гелях имеют периодический харак­ тер, а отложение нерастворимых солей происходит слоями в виде концентрических колец (колец Лизеганга), разделенных про­ зрачными прослойками. Именно этим объясняется слоистая узор­ чатость камней, возникающих в почках или печени.

Для гелей, у которых сетка сформирована из упорядочен­ ных структур, возможно жидкокристаллическое состояние.

27.5.ГРУБОДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Кгрубодисперсным системам относятся суспензии, эмуль­

сии, пены, порош ки, аэрозоли. Размеры частиц дисперсной фа­ зы в грубодисперсных системах 10“ ° - 10“4 м, и в отличие от ультрамикрогетерогенных систем, к которым относятся колло­ идные растворы, их называют микрогетерогенными системами.

Грубодисперсные системы широко распространены в природе и имеют большое значение в биологической и медико-санитарной

751