Полезные материалы за все 6 курсов / Ответы к занятиям, экзаменам / Высокомолекулярные соединения

Осмос играет огромную роль в природе. Все процессы обмена веществ в клетках организма – поступление питательных веществ в клетки, выделение из них продуктов обмена – имеют осмотическую природу. При осмосе молекулы растворителя преимущественно движутся через мембрану в том направлении, где концентрация частиц вещества больше, а концентрация растворителя меньше. Если осмотическое давление у растворов одинаковое, то такие растворы называются изотоническими и между ними происходит подлинно равновесный обмен молекулами растворителя. Если два раствора находятся в контакте и обладают разным осмотическим давлением, то тот раствор у которого осмотическое давление больше называется гипертоническим. Раствор, имеющий меньшее осмотическое давление, называется гипотоническим. Гипертонический раствор всасывает растворитель из гипотонического, стремясь выровнять концентрации этих контактирующих растворов, путём перераспределения растворителя.

Осмотическая ячейка – это система, отделённая от окружающей среды полупроницаемой мембраной. Все клетки живых организмов являются осмотическими ячейками. Следовательно, клетки способны всасывать растворитель из окружающей среды или отдавать растворитель из клетки в окружающую среду, что зависит от концентрации растворов, отделённых друг от друга полупроницаемой мембраной. Поэтому можно рассмотреть следующие два случая.

Эндоосмос – это движение растворителя в осмотическую ячейку из окружающей среды. Условия эндосмоса: концентрация наружного раствора должна быть меньше концентрации раствора в осмотической ячейке и осмотическое давление наружного раствора должно тоже быть меньше осмотического давления раствора внутри ячейки. В результате такого процесса растворитель (вода) диффундирует в клетку, происходит набухание клетки с появлением напряженного состояния клетки. Гидростатическое давление, возникшее во внутриклеточных структурах в результате осмоса, называют тургором. Это давление придаёт прочность и упругость тканям живых организмах.

В растительном мире тургор помогает растениям сохранять вертикальное положение и определённую форму. Если клетка отмирает, оболочка теряет свойство полупроницаемости, тургор исчезает (растение вянет).

Эндоосмос может привести к разрушению клеточной мембраны, если прочность оболочки клетки небольшая. В процессе эндосмоса клетка обводняется, разбухает и разрушается и происходит лизис клетки. Эндоосмос является причиной гемолиза эритроцитов крови, при гемолизе из эритроцитов выходит гемоглобин в кровяную плазму, эритроциты разрушаются.

Экзоосмос – это движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду. Условия экзосмоса: концентрация наружного раствора должна быть больше концентрации раствора в осмотической ячейки и осмотическое давление наружного раствора должно быть больше осмотического давления раствора, находящегося внутри ячейки. При

экзосмосе вода проникает из клетки в плазму, клетка сморщивается, сжимается. Это явление называют плазмолизом. При плазмолизе происходит отслаивание протопласта от клеточной стенки при действии гипертонического раствора на клетку. Экзоосмос происходит наблюдается, когда клетка находится в гипертоническом растворе. Явление экзосмоса можно наблюдать, если посыпать сахаром ягоды и фрукты или если посыпать солью мясо и рыбу. При этом уничтожаются микроорганизмы и происходит консервирование продуктов.

Осмотические свойства растворов необходимо учитывать при приготовлении физиологических растворов и растворов лекарственных препаратов для внутривенных вливаний. Вводимый раствор не должен быть токсичным и его осмотическое давление должно быть таким же, как у кровяной плазмы. Поэтому концентрацию таких растворов выражают через

осмолярную концентрацию (осмолярность).

Осмолярная концентрация – это суммарное молярное количество всех кинетических активных, т.е. способных к самостоятельному движению, частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы.

Осмолярная концентрация связана с его молярной концентрацией через изотонический коэффициент сосм = ic(x).

В медицине обычно используют изотонические растворы, но иногда применяют и гипертонические. Так, в хирургии используют гипертонические повязки (повязки пропитанные, например, 10% раствором хлорида натрия), этими повязками покрывают раны: гипертоническаие повязки оттягивают на себя жидкость и очищают рану от микроорганизмов, продуктов распада и т.д.

У человека во многих физиологических системах осмотическое давление имеет постоянное значение. Постоянство осмотического давления называется изоосмией. Так, например, осмотическое давление в крови человека постоянно: π = 0,78 МПа (7,7 атм) при 370С. В организме человека и высокоразвитых животных специальные биологические механизмы поддерживают постоянным осмотическое давление всех тканевых жидкостей. Любое нарушение осмотического давления в тканях вызывает различные заболевания.

Онкотическое давление является частью осмотического давдения крови и зависит от содержания в крови высокомолекулярных веществ (белков). Онкотическое давление крови составляет 0,5% суммарного осмотического давления плазмы крови. Онкотическое давление в большей степени зависит от содержания в крови альбуминов (80% онкотического давления создают альбумины). Это связано с тем, что у альбуминов молекулярная масса относительно мала и в крови их достаточно много. Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена в организме. Чем больше онкотическое давление, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше воды переходит в ткани и наоборот. Онкотическое давление

влияет на образование тканевой жидкости, лимфы и на всасывание воды в кишечнике. Поэтому при заболеваниях, сопровождающимися уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбумина) онкотическое давление снижается. Это приводит к накоплению жидкости в межклеточном пространстве, что и вызывает появление отёков.

Даже небольшие изменения осмотического давления вызывают чувство дискомфорта. Например, чувство жажды, возникающее после приёма большого количества солёной пищи, связано с тем, что при этом возрастает содержание солей в клеточном соке организма. Потребность организма в воде для уменьшения осмотического давления тканевых растворов и проявляется в виде чувства жажды. Известно, что в период сильной жары туристам и солдатам во время походов, а также рабочим горячих цехов дают солёное питьё (а ещё лучше поваренную соль). Этот, на первый взгляд, парадокс объясняется весьма просто. При сильной жаре с потом из организма удаляется значительное количество солей. Поскольку содержание солей в поте выше, чем в клеточном соке тканей человека, это приводит к нарушению осморегуляции, и осмотическое давление тканей становится ниже нормального. Однако организм на любое отклонение (как на повышение, так и на понижение осмотического давления) отвечает одинаковой реакцией – чувством жажды. Человек пьёт воду, но она только усиливает жажду. Чтобы избавиться от жажды, надо увеличить осмотическое давление тканей, то есть ввести в них не воду, а дополнительное количество солей.

Для иллюстрации роли осмоса в природе рассмотрим механизм поступления воды и минеральных солей в ствол дерева. Клетки корневой системы растений находятся в почве и соприкасаются с почвенной жидкостью. Содержание солей в почвенной жидкости меньше, чем в клеточной жидкости. Поэтому вода засасывается клетки растений, контактирующих с почвой, разбавляя в них клеточный сок. Такой сок становится гипотоническим по отношению к соку в следующих клетках, расположенных выше, поэтому вода начинает переходить в эти клетки. Процесс передачи воды от клетки к клетке продолжается, так вода поднимается вверх и может подниматься на многие десятки метров.

Осмосом объясняется и плохое произрастание растений на засолённых почвах. На солончаках вблизи моря (или солёных озёр) почва имеет высокую влажность и содержит достаточное количество минеральных веществ необходимых для жизни растений. Однако осмотическое давление почвенной жидкости выше осмотического давления клеточной жидкости растений, поэтому вода из сока клеток уходит в почвенную жидкость. Вследствие экзосмоса на солончаках растения погибают, так как почва высасывает воду из растений.

МЕМБРАННОЕ РАВНОВЕСИЕ. УРАВНЕНИЕ ДОННАНА

В организме присутствуют соли белков, отделённые клеточной мембраной от раствора электролита. Это приводит к перераспределению электролитов в растворах и оказывает влияние на осмотическое давление растворов по обе стороны мембраны. Этот процесс подчиняется выведенному Доннаном уравнению мембранного равновесия.

Рассмотрим систему из двух растворов, отделённых друг от друга полупроницаемой перегородкой (мембраной). Пусть во внутреннем растворе находится соль белка R‾ Na+. Часть молекулы соли белка (R‾) имеет большой размер и не может проходить через мембрану. Во внешнем растворе находится хлорид натрия, т.е. ионы Na+ и Cl‾ находятся с внешней стороны мембраны. Покажем это следующей схемой:

НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ

____________________________________________________________________________

[Na+]ВНЕШН

:

МЕМБРАНА

Квадратные скобки означают концентрацию ионов в системе. Индексы «внутр» и «внешн» относятся к начальным концентрациям указанных ионов с внутренней и внешней стороны мембраны.

Мембрана проницаема только для ионов небольшого размера, поэтому ионы хлора будут двигаться во внутренний раствор, будут стремиться равномерно распределиться по всему объёмы системы. За отрицательно заряженными ионами хлора последуют положительно заряженные ионы натрия. Пусть х означает концентрацию, которой достигли ионы хлора в момент установления равновесия в системе. Белок ( R ‾ ) не может диффундировать через мембрану и остаётся во внутреннем растворе. В результате перераспределения ионов в момент равновесия система будет находиться в состоянии, которое мы покажем схемой:

КОНЕЧНОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ

___________________________________________________________________________________

МЕМБРАНА

Решим это уравнение относительно х и получим следующее выражение:

Х = ([ Na +]ВНЕШН )2 / [Na+]внутр + 2[Na+]внешн

Полученное выражение – это уравнение мембранного равновесия Доннана. Из уравнения следует, что количество NaCl, а именно х, которое диффундирует справа налево, обратно пропорционально концентрации недиффундирующего через мембрану иона (в нашем случае это R ‾ ), слева от мембраны. Неравное распределение диффундирующих ионов Na+ и Cl ‾ между двумя отделениями является следствием эффекта Доннана.

При соприкосновении клетки с раствором электролита некоторая часть электролита всегда перейдёт в клетку, поэтому осмотическое давление, зависящее от концентрации ионов электролита плюс концентрации белка, всегда будет выше, чем в окружающем растворе. Этот факт способствует поддержанию тургора клеток даже в изотонических растворах. В то же время

вгипертонических растворах происходит не только потеря клеткой воды, но и переход некоторой части соли внутрь неё.

Равенство произведений концентраций ионов имеющих разные и противоположные заряды по обе стороны мембраны совпадает с равенством сумм концентраций (т.е. сумм числа ионов) только при отсутствии в клетке белка. Если же в клетке содержится белок, то суммы концентраций ионов по обе стороны мембраны будут неодинаковы, что обусловит возникновение разности потенциала – мембранного потенциала.

Эффект Доннана (т.е. неравномерное распределение электролитов между клеткой и омывающей их жидкостью) оказывает большое влияние на жизнедеятельность клеток и на величину биопотенциала.

Понятие мембранного потенциала было введено Оствальдом в конце ХIХ века. Возникновение этого потенциала наблюдалось на полупрницаемых мембранах Например, мембраны пропускали только катионы, а аниноны не могли проходить через эти мембраны. Если раствор с более высокой концентрацией (с2) был отделён полупрницаемой такой мембраной от раствора с меньшей концентрацией (с1), например раствора, содержащего ионы калия, то некоторое количество ионов калия проходило через мембрану

вменее концентрированный раствор. В результате этого на стороне разбавленного раствора создавался небольшой избыток положительного заряда, а на стороне раствора с большей концентрацией возникал некоторый избыток отрицательного заряда (его создавали анионы, лишившись катионов). Растворы приобретали неодинаковые электрические заряды и возникали потенциалы φ1 и φ2. Разность этих потенциалов представляет собой

мембранный потенциал

∆φ = φ2 – φ1

Для мембранного потенциала (часто называемого потенциалом Доннана) хлорида калия и других электролитов типа К+Аn1- было выведено соотношение:

∆φ =

Это уравнение известно как уравнение Нернста.

Величину мембранного потенциала можно определить, составив гальваническую цепь, в которой в растворы, разделённые мембраной с избирательной проницаемостью, опущены два электрода сравнения. Например, если в оба раствора погрузить хлор-серебряные или каломельные электроды, то между ними возникнет разность потенциалов. Образуется концентрационный элемент, ЭДС которого определяется отношением активностей. Эта ЭДС и есть потенциал Доннана.

Схема цепи:

В случае биологических и бислойных липидных мембран, толщина которых чрезвычайно мала, расчёт мембранного потенциала проводят по уравнению Гольдмана. В этом уравнении пропускание ионов натрия и калия характеризуется коэффициентом проницаемости Р K+ и Р Na+:

∆φ = RT / F∙ln Р K+ [K+]ВНЕШН + Р Na+[Na+]ВНЕШ / Р K+ [K+]ВНУТР + Р Na+[Na+]ВНУТР

Это уравнение применяли для нервных клеток. Считается, что в невозбуждённом состоянии клетки проницаемость мембраны для ионов натрия значительно меньше, чем для ионов калия, поэтому можно принять, что Р K+ >> Р Na+. Тогда уравнение Гольдмана приводится к виду уравнения Нернста (см. выше). Отсюда следует, что мембранный потенциал определяется концентрацией иона калия вне и внутри клетки. Поскольку внутри клетки концентрация ионов калия выше (около 0,4 моль /л), чем снаружи, в межклеточной жидкости (около 0,01 моль /л) мембранный потенциал будет около – 90 мВ. В то мгновение, когда мембрана получает импульс извне или на неё оказывают искусственное воздействие, она (мембрана) становится высокопроницаемой для ионов натрия. Ионы натрия легко проходят через мембрану, гораздо легче, чем ионы калия. В этом случае Р Na+ >> Р K+ . Поэтому потенциал определяет отношение концентраций ионов

натрия [Na+]ВНЕШН / [Na+]ВНУТР. Так как [Na+]ВНЕШН >> [Na+]ВНУТР

( в случае нервных волокон около 0,46 и 0,05 моль / л), мембранный потенциал временно меняет свой знак и обозначается как действующий потенциал.

Потенциал обращённого знака обусловливает исчезновение потенциала покоя и благодаря локальным токам нервное возбуждение передаётся по волокну.

Главным источником мембранного потенциала у ряда клеток является, следовательно, распределение калиевых и натриевых ионов, в других клетках

– ионов кальция и водорода. Когда клетки находятся в спокойном состоянии, цитоплазма имеет отрицательный электрический заряд, так что внутриклеточный электростатический потенциал ниже потенциала внешней среды.

БЕЛКИ Белки это природные высокомолекулярные соединения, построенные из

полипептидных цепей, формирующихся всего из 20 простых аминокислот. Число различных сочетаний этих кислот определяется числом образующих макромолекул атомов (порядка 103 – 104) и значительным количеством конформационных степеней свободы (102 – 103). По этой причине полипептидная цепь может принимать множество микроскопических, конформационных состояний, порядка 10n (n – число аминокислотных остатков, достигающих несколько сотен), что и обусловливает многообразие белков.

На долю белков приходится не менее 50% сухой массы органических соединений животной клетки. Функционирование белков лежит в основе важнейших процессов жизнедеятельности организма. Обмен веществ (пищеварение, дыхание и др.), мышечное сокращение, нервная проводимость и жизнь клетки в целом неразрывно связаны с активностью ферментов – высокоспецифических катализаторов биохимических реакций, являющихся белками. Основу костной и соединительной тканей, шерсти, роговых образований составляют структурные белки.

Защитные системы высших организмов формируются защитными белками, к которым относятся иммуноглобулины (ответственны за иммунитет), белки системы свёртывания крови (тромбин, фибрин и др.), противовирусный белок (интерферон) и так далее.

Перечислить все значения белков для организма очень сложно; подробнее вы будете изучать это в курсе биохимии.

По составу белки делят на простые, состоящие только из аминокислотных остатков, и сложные. Сложные белки могут включать ионы металла (металлопротеиды) или пигмент (хромопротеиды), образовывать прочные комплексы с липидами (липопротеиды), нуклеиновыми кислотами (нуклепротеиды), а также ковалентно связывать остаток фосфорной кислоты (фосфопротеиды) и т.д.

В соответствии с формой молекул белки подразделяются на глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярных белков свёрнуты в компактные глобулы сферической или эллипсоидной формы, молекулы фибриллярных белков образуют длинные волокна (фибриллы) и очень

асимметричны. Большинство глобулярных белков, в отличие от фибриллярных, растворимы в воде.

Особую группу составляют мембранные белки, характеризующиеся неравномерным распределением гидрофильных и гидрофобных участков в молекуле: погруженная в биологическую мембрану часть глобулы состоит преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков, а выступающая из мембраны – из гидрофильных.

БЕЛКИ КАК ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ

Одной из важных проблем, возникающих при изучении ВМС, является проблема появления на поверхности макромолекул заряда. Поверхность макромолекулы может иметь собственный заряд, возникающий благодаря расположенным на ней анионным и катионным группам. Белки, например, содержат карбоксильные анионы, несущие отрицательный заряд, и протонированные основные группы, которые сообщают молекуле положительный заряд. Нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно, что обусловлено диссоциацией фосфатных групп, которые в структуре остова молекулы чередуются с молекулами пентозы. Макромолекулы, не содержащие ионизируемых групп, могут связывать ионы растворителя или другие имеющиеся в растворе ионы за счёт поляризации вблизи гидроксигрупп или атомов кислорода, входящих в состав макромолекул. Таким образом, заряженная поверхность макромолекул является одной из особенностей отличающей их от молекул низкомолекулярных веществ. Многие макромолекулы являются примером полиэлектролитов. Полиэлектролиты это полимеры, в макромолекулах которых содержатся ионогенные группы. В растворе макромолекула полиэлектролита представляет собой полиион, окруженный эквивалентным количеством противоионов, малых по размеру с зарядами противоположного знака.

Белки и аминокислоты в водных растворах находятся преимущественно в форме биполярных ионов:

H2N – R – COOH ↔ H3N+ – R - COO‾

БИПОЛЯРНЫЙ ИОН (ЦВИТТЕР-ИОН)

В кислой среде, когда в растворе имеется избыток ионов водорода, подавляется ионизация карбоксильных групп, молекула белка ведёт себя как основание:

H3N+ – R - COO‾ + Н+ → H3N+ – R – COOН

Молекула присоединяет протон и становится положительно заряженным поликатионом.

В щелочной среде, в которой много гидроксид ионов, будет подавляться диссоциация аминогрупп:

H3N+ – R - COO‾ + ОН ‾ → H2N – R – COO‾ + Н2О

и молекула превращается в отрицательно заряженный полианион, т.е. молекула ведёт себя как кислота.

Величина и знак заряда белков, находящихся в растворе, зависит от рН среды. Это обстоятельство обусловлено неодинаковым числом ионогенных групп – СООН и – NH2. Например, у таких белков, как казеин, желатин, альбумин и некоторых других, в водных растворах кислотные группы превалируют над основными и рН раствора будет меньше 7. Преобладание основных групп (-NH2) приводит к тому, что рН > 7. Это наблюдается в растворах таких белков, как глиадин пшеницы, проламин и др.

Меняя рН среды, можно изменять ионизирующую способность макромолекул белков. Константы диссоциации кислотных и основных групп белков не совпадают. По этой причине число диссоциированных основных и кислотных групп макромолекул белка может быть одним и тем же только при определённом значении рН среды. Такое состояние соответствует изоэлектрической точке (ИЭТ), т.е. значению рН среды, при котором число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп.

Изоэлектрическим состоянием белка называется состояние белковой молекулы, при котором её положительные и отрицательные заряды взаимно скомпенсированы.

Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно считать нейтральной, хотя в ней имеются ионизированные группы.

Условно молекулу белка в изоэлектрическом состоянии можно изобразить так:

+NH3 –R – COO ‾

Изоэлектрическая точка белка (ИТБ) – это значение рН, при котором белок переходит в изоэлектрическое состояние.

ИЭТ белков лежит в пределах рН от 2 (у пепсина) до 10,6 (у цитохрома С), но преимущественно ИЭТ белков соответствует рН < 7. ИЭТ некоторых белков достигается при следующих значениях рНИЭТ: пепсина (фермент желудочного сока) – 2,0; казеина (белок, образующийся при свёртывании молока) – 4,6; альбумина яйца – 4,8; карбоксигемоглобина – 6,87; химотрипсина (фермент сока поджелудочной железы) – 8,6.

В изоэлектрическом состоянии свойства растворов белков резко меняются: при этом они имеют, например, наименьшую вязкость, плохую растворимость, что связано с изменением формы макромолекул. При значении рН, близком к изоэлектрической точке, разноименно заряженные группы – (NH3)+ и СОО‾ притягиваются друг к другу и макромолекула закручивается в спираль. При смещении рН среды от изоэлектрической точки одноимённо заряженные группы отталкиваются и цепь выпремляется. Молекулы ВМС в

развёрнутом состоянии придают раствором более высокую вязкость, чем молекулы ВМС, свёрнутые в спираль или клубок.

Электрофорез

Электрофорезом называют перемещение заряженных частиц в электрическом поле (если имеют дело с небольшими ионами, говорят о ионофорезе). Движение вещества происходит в жидкой среде, которая удерживается инертным носителем, например бумагой или полужидким гелем. Жидкость служит проводящей средой для электрического поля, когда к ней приложено внешнее напряжение. Подвижность заряженной частицы (макромолекулы) в электрическом поле называется электрофоретической подвижностью. Зная электрофоретическую подвижность, можно сравнить заряды и массы молекул, входящих в состав исследуемого образца с эталонными белками.

Наибольшее распространение получил электрофорез в полиакриламидном геле, который широко применяется при анализе белков и нуклеиновых кислот.

Значение рI полипептида нельзя вычислять тем же способом, что и для аминокислот. Для нахождения изоэлектрической точки полипептида (белка) необходимо:

1.Измерить подвижность полипептида при нескольких разных значениях рН;

2.Построить график зависимости подвижности от рН;

3.Графически найти значение рН, соответствующее нулевой подвижности. Значение изоэлектрической точки может дать определённую

информацию общего характера об аминокислотном составе белка. Например, белок с большим содержанием кислых аминокислот, чем основных, имеет рI < 7; в противном случае рI > 7/ Пепсин, белок пищеварения, экскретируемый клетками в желудок и очень богатый глутаминовой и аспаргиновой кислотами, имеет рI ~ 1. В то же время гистоны ядра, очень богатые аргинином и лизином, имеют рI ~ 12. Значение изоэлектрической точки может помочь при составлении схемы выделения белка, поскольку

растворимость белка минимальна при рН = рI.

СТУДНИ И ПРОЦЕСС СТУДНЕОБРАЗОВАНИЯ

Студни – это структурированные системы, образующиеся при отвердевании жидких растворов полимеров или при набухании твёрдых полимеров.

[Студни это системы полимер – растворитель, характеризующиеся большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения. Для этих систем иногда применяют термин «гели», который в коллоидной химии означает скоагулированные золи. Исторически термин «гель» появился при исследовании именно полимерной системы (водного раствора желатина), однако, после размежевания коллоидной химии и химии полимеров в последней используют термин «студни».]