Коллоидная химия В.Н. Сергеев. В. Н. Сергеев Курс коллоидной химии для медицинских вузов. Учебник
 Скачать 3.98 Mb.
|
|
9.2. Термодинамика набухания и растворения В МС На первой стадии набухания за счет взаимодействия молекул растворителя с макромолекулами выделяется теплота, следовательно, энтальпия системы уменьшается ( H < 0). Вторая стадия набухания сопровождается ростом числа свободных конформаций макромолекул, что ведет к значительному росту энтропии ( S > 0). Энтальпия системы на второй стадии набухания практически не изменяется ( H 0). При неограниченном набухании образуется раствор ВМС, макромолекулы принимают максимально возможное число свободных конформаций — энтропия системы увеличивается еще больше. Экспериментально установлено, что при растворении, например, полиизобутилена в изооктане энтропия увеличивается на 2200 Дж/моль К. Такая совокупность изменений термодинамических параметров системы полимер/растворитель снижает энергию Гиббса ( G = H – T S < 0), поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики набухание и растворение ВМС являются самопроизвольными процессами. 9.3. Факторы, влияющие на набухание Природа ВМС: а) форма и гибкость макромолекул в сухом полимере лучше всего набухают ВМС с гибкими анизодиаметрическими макромолекулами, хуже набухают ВМС, состоящие из жестких макромолекул. Плохо или вообще не набухают полимеры с небольшой молекулярной массой и сферическими молекулами, в которых силы межмолекулярных взаимодействий, приходящиеся на молекулы с малой поверхностью, невелики по сравнению с теми же силами, приходящимися на большие линейные структуры. Такие полимеры могут растворяться, минуя стадию набухания б) агрегатное состояние ВМС: аморфные ВМС набухают быстрее кристаллических из-за более высокой скорости диффузии молекул растворителя в аморфный полимер. Температура влияет на первую стадию набухания в соответствии с принципом Ле-Шателье: поскольку на этой стадии выделяется теплота, то с повышением температуры степень набухания на этой стадии уменьшается — процесс лучше идет при низких температурах. На второй стадии набухания при повышении температуры увеличивается интенсивность осмоса ( = cRT), поэтому после окончания первой стадии набухание полимера лучше происходит при повышенных температурах. 105 Электролиты если ионы электролитов, связывающие "свободную" воду в собственных гидратных оболочках, не адсорбируются на макромолекулах, например F – или Li + , то они уменьшают набухание или даже дегидратируют макромолекулы. Напротив, слабо гидратирующиеся и адсорбирующиеся вместе со своими гидратными оболочками ионы, такие как I – и CNS – , увеличивают гидратацию макромолекул и благоприятствуют набуханию (схема 9.1): C s + > R b + > K + > N a + > L i + ó ì å í üø å í è å í à á ó õ àí è ÿ C N S > I > B r > N O 3 > C l > C H 3 C O O > F > S O 4 2 ó â å ë è ÷å í è å í à á ó õ à í è Схема 9.1. Лиотропные ряды катионов и анионов, влияющих на набухание pH среды при набухании белков в растворах с pH, близких к макромолекулы белка сворачиваются в клубки, ионизированные заряженные группы оказываются внутри клубков, они труднодоступны молекулам воды, поэтому гидратные оболочки минимальны и белок хуже всего набухает. При изменении pH по сравнению св более кислую или более щелочную среду макромолекулы разворачиваются, лучше гидратируются и белок набухает сильнее (рис. 9.2). p H p Рис. 9.2. Кривая, характеризующая зависимость степени набухания белков от pH среды. Иллюстрирует метод определения изоэлектрических точек белков по степени набухания 9.4. Антагонистическое набухание Антагонистическое набухание (набухание одного ВМС за счет обезвоживания другого) происходит в процессах жизнедеятельности растительных и животных организмов. При определенных условиях вода может переходить из одних белковых систем в другие, иначе говоря, одни белки могут набухать, обезвоживая другие. При изменении условий (в частности, pH среды) эти взаимоотношения могут обращаться (рис. 9.3). Причиной антагонистического набухания является разница в значениях изоэлектрических точек белковых систем организма. Примерами систем — антагонистов могут служить основное вещество соединительной ткани кислые мукополисахариды, ковалентно связанные с белками, называемые протеогликанами) и коллаген, соединительная ткань и клетка. 106 p H p I 1 p I 2 î á ë à ñòü à í òà ãî í è ñòè ÷å ñê î ãî í à á ó õ àí è Рис. 9.3. Кривые зависимостей степени набухания систем-антагонистов от pH среды, иллюстрирующие антагонистическое набухание Некоторые системы-антагонисты организма Основное вещество соединительной ткани — белки соединительной ткани. Основное вещество образовано кислыми мукополисахаридами, присоединенными ковалентными связями к белкам (протеогликаны). Вводной среде они образуют студни ив ткани заполняют пространство между клетками. К мукополисахаридам относятся гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат, дерматансульфат. Белки соединительной ткани — фибриллярные белки — коллаген и эластин. Клетка — основное вещество соединительной ткани (межклеточный матрикс. Таблица 9.1. Примеры взаимоотношений некоторых систем-антагонистов Системы антагонисты pH, при котором набухает коллаген или клетка pH, при котором набухает основное вещество соединительной ткани Основное вещество соединительной ткани незначительное набухание сильное набухание Коллаген сильное набухание незначительное набухание Основное вещество соединительной ткани обезвоживание набухание Клетка набухание обезвоживание При постепенном понижении pH от высоких значений до pI 2 наблюдается обезвоживание обоих компонентов соединительной ткани (основного вещества и коллагеновых волокон, затем в интервале от pI 2 до pI 1 наступает область анатагонистического набухания и, наконец, при pH ниже pI 1 — совместное набухание (рис. 9.3). Например, если происходит увеличение концентрации ионов H + в соединительной ткани, то ее основное вещество набухает незначительно, коллаген же при этом набухает очень сильно. Этот же фактор оказывает противоположное влияние на набухание и обезвоживание, с одной стороны, соединительной ткани в целом и, с другой стороны, клеток. При pH среды, вызывающем набухание клеток, вода поступает в них из "водного депо" — соединительной ткани, которая при этом обезвоживается. Чередование в зависимости от pH среды процессов набухания и обезвоживания 107 соединительной ткани регулирует распределение воды и ионов между соединительной тканью и клеткой. Антагонистическое набухание наблюдается при самых различных процессах регенерации или воспалении тканей, образовании отеков, при ожогах крапивой и укусах насекомых, всегда сопровождающихся изменением pH среды в тканях. 9.5. Варианты вопросов из ада ч для самостоятельной работы Вариант 1 1. Какие явления, из перечисленных ниже характерны для первой стадии набухания 1) небольшое увеличение объема и массы ВМС; 2) значительное увеличение объема и массы ВМС; 3) давление набухания 4) гидратация макромолекул 5) контракция 6) диффузия макромолекул в растворитель 7) диффузия растворителя в ВМС? 2. Какие изменения термодинамических параметров системы ВМС/растворитель наблюдаются на первой стадии набухания 1) ΔH 0; 2) ΔH 0; 3) ΔS 0; 4) ΔS 0; 5) ΔG 0; 6) ΔG 0? 3. Какие полимеры набухают и (или) растворяются вводе, какие в неполярных растворителях, например, в бензоле глобулярные белки, каучуки, фибриллярные белки, крахмал 4. Как изменится (увеличится, уменьшится, не изменится) степень набухания желатина (pI = 4.7) вводе при добавлении небольших количества б) KOH; в) NaCl; г) CH 3 COONa? Ответ объясните. 5. Вулканизированный каучук (резина) даже в толуоле набухает только ограниченно. Что является причиной ограниченного набухания в данном случае 6. Рассчитайте степень набухания ( ) каучука, если 2 г полимера за определенное время поглощают 5 мл бензола ( = 0.86 г/мл). Ответ = 215%). 7. Белки Аи Б имеют pI при pH 6.4 и 4.7, соответственно. В какой области pH возможно их антагонистическое набухание Покажите графически. Какой белок набухает, а какой обезвоживается при pH = 6.3? Ответ набухает Б, обезвоживается А. 8. Что такое "связанная вода" и чем ее свойства отличаются от свойств "свободной воды Какова биологическая роль "связанной воды Вариант 2 1. Какие явления, из перечисленных ниже, наблюдаются на второй стадии набухания 1) небольшое увеличение объема и массы ВМС; 2) давление набухания 3) контракция 4) значительное увеличение объема и массы ВМС; 5) гидратация макромолекул 6) диффузия макромолекул ВМС в растворитель 7) осмос растворителя в ВМС? 2. Какие изменения термодинамических параметров системы ВМС/растворитель характерны для второй стадии набухания 1) ΔH 0; 2) ΔH 0; 3) ΔH 0; 4) ΔS 0; 5) ΔS 0; 6) ΔG 0; 7) ΔG 0? 3. Какой из двух белков альбумин (pI = 4.7) или гемоглобин (pI = 6.8) сильнее набухает и при одинаковых условиях лучше растворяется вводе. Как изменится (увеличится, уменьшится, не изменится) степень набухания желатина (pI = 4.7) вводе при добавлении небольших количества б) NaOH; в) Na 2 SO 4 ; г) KCNS? Ответ объясните. 5. Как можно объяснить тот факт, что каучук ограниченно набухает в спирте, хотя в толуоле он набухает неограниченно (растворяется 6. Белки Аи Б имеют pI при pH 5.4 и 3.7, соответственно. Какой белок набухает, а какой обезвоживается при pH = 3.9? Какое явление будет наблюдаться при pH меньшем 3.7? 7. Рассчитайте степень набухания ( ) крахмала, если 1 г крахмала через 3 часа поглощает 3 мл раствора с = 1.05 г/мл. Ответ = 315%). 8. Почему основное вещество соединительной ткани набухает в щелочной среде и обезвоживается в кислой Для ответа используйте данные табл. 9.1. 10. НАРУШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТВОРОВ В МС Принципиальное отнесение растворов полимеров к истинным растворам не означает, что они всегда находятся в равновесии и не могут потерять устойчивость. Для истинных растворов всякое произвольно взятое состояние полностью определяется тремя параметрами температурой, давлением и составом. При этом безразлично, каким образом было достигнуто такое состояние путем разбавления или концентрирования, охлаждения или нагревания. Увеличивая концентрацию раствора и снова разбавляя его, нагревая и снова охлаждая, итак далее, мы опять возвращаемся к исходному состоянию. Другими словами, все процессы в истинных растворах протекают совершенно обратимо, что и является основным признаком истинного раствора. Действительно, так все и происходит, когда рассматриваемый раствор содержит низкомолекулярные соединения, например, негидролизующиеся соли, сахара и т. п. В силу особенностей строения высокомолекулярных соединений их растворы при некоторых условиях могут прийти в неравновесное состояние и потерять устойчивость. Причинами этого являются сильные нековалентные взаимодействия между макромолекулами и замедленность всех процессов, происходящих в растворах ВМС. Макромолекулы ВМС даже в очень разбавленных растворах никогда не бывают изолированными друг от друга и всегда находятся во взаимодействии между собой, что обусловлено наличием межмолекулярных водородных связей, межион- ных взаимодействий, гидрофобных взаимодействий и сил Ван -дер-Ваальса. Межмолекулярные водородные связи в растворах белков возникают между пептидными группами C O C N R H N C C H O R ' , между незаряженными группами боковых цепей C O O H C H O O , между пептидной группой и полярной группой боковой цепи C O C N R H . . . H O , между полярной и заряженной группами боковых цепей . . . H O C O O 109 Ионные связи образуются за счет электростатического притяжения между отрицательно заряженными группами –COO – боковых цепей аспарагиновой и глутаминовой кислот водной молекуле белка и положительно заряженными группами в фрагментах гистидина, лизина и аргинина в других молекулах (табл. 8.1). Гидрофобные межмолекулярные взаимодействия проявляются между неполярными радикалами аминокислот валина, лейцина, изолейцина и фенилаланина. Силы Ван-дер-Ваальса — это электростатические взаимодействия постоянных диполей полярных участков макромолекул (ориентационный эффект, полярных и неполярных участков в результате поляризации последних индукционный эффект) и мгновенных диполей (дисперсионный эффект. Все эти нековалентные взаимодействия примерно в сто раз слабее ковалентных, но поскольку практически каждый атом является их источником, тов белках, размеры молекул которых, а следовательно, и числа атомов в них, очень велики, суммарный эффект таких нековалентных взаимодействий весьма значителен. В результате межмолекулярных взаимодействий макромолекулы соединяются в агрегаты (ассоциаты). Такая ассоциация имеет место также ив некоторых чистых низкомолекулярных жидкостях, например, вводе. Наиболее часто встречающееся число молекул в ассоциате называется средней степенью ассоциации, причем, каждому состоянию раствора соответствует своя равновесная степень ассоциации, зависящая от температуры и концентрации с понижением температуры и повышением концентрации степень ассоциации увеличивается и, напротив, уменьшается при повышении температуры и понижении концентрации. Однако между ассоциатами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений есть важное различие. Если отрыв от ассоциатов и присоединение к ним маленьких молекул низкомолекулярных соединений (НМС) происходит очень быстро, то у макромолекул эти процессы происходят намного медленнее. Средний период жизни ассоциатов НМС очень мал (примерно 10 –10 с. У ВМС, подвижность молекул которых невелика, этот период значительно больше, поэтому при переходе от одних концентраций полимера и температур раствора к другим равновесная степень ассоциации устанавливается не сразу, как у НМС, а только по истечение довольно длительного промежутка времени. В течение этого времени, называемого временем релаксации, раствор будет находиться в неравновесном состоянии, и при действии некоторых факторов в нем могут происходить медленные самопроизвольные изменения, проявляющиеся в потере устойчивости. 10.1. Виды нарушения устойчивости растворов В МС Наиболее мягким видом нарушения устойчивости растворов ВМС является коацервация (расслоение. Дословно коацервация (лат) означает накопление, собирание в кучу. Коацервация наступает вследствие ассоциации макромолекул и наблюдается при понижении температуры, изменении pH, при введении в раствор небольших количеств низкомолекулярных электролитов (солей, спиртов или при незначительном изменении концентрации раствора. Внешне процесс коацервации проявляется в образовании в растворе изолированных друг от друга макроскопических капель второй жидкой фазы — коацервата. Эти капли состоят из микроскопических капелек, представляющих собой ассоциат из нескольких макромолекул, разделенных гидратными оболочками. 110 Если выделившаяся вторая фаза имеет не слишком большую вязкость, то ее капли сливаются (коалесцируют) и через некоторое время раствор расслаивается на две жидкие фазы с различным содержанием белка — в коацервате концентрация его больше, а в другой части раствора меньше, чем в исходном растворе. Если вязкость капель большая, то они не коалесцируют, а соединяются друг с другом, образуя флокулы (флокуляция, которые или оседают на дно сосуда в виде рыхлого осадка, или всплывают на поверхность наподобие виноградных гроздей (флокула (лат) — гроздочка) в зависимости оттого, что выше — плотность раствора или коацервата (схема 10.1). ì è ê ð î ê à ï ë ÿ ì à ê ð î ê à ï ë ÿ ê î à ö å ð â à ò â â è ä å ñï ë î ø í î ãî ñë î ÿ Â Ì Ñ ð àñòâ î ð è òå ë ü ê î à ë å ñö å í ö è ÿ ô ë î ê ó ë ÿö è ÿ ð à ñòâ î ð ÂÌ Ñ < H 2 O ô ë î ê ó ë û ÂÌ Ñ > H 2 O î ñà ä î ê ê î à ö å ð â à ò â â è ä å ê à ï å ë ü ÂÌ Ñ + ð àñòâ î ð è òå ë Схема 10.1. Коацервация раствора белка Явление коацервации обратимо. При изменении условий, вызвавших ее, коацерват может перейти в исходный раствор. Высаливание. Это осаждение белков при введении в раствор больших количеств нейтральных электролитов — солей. Высаливающее действие солей заключается в связывании молекул воды в гидратных оболочках ионов, образующихся при диссоциации солей. Происходит как бы "удаление" молекул воды, необходимой для растворения белка, его 111 эффективная концентрация становится больше растворимости и белок осаждается из раствора в виде хлопьев, волокон или рыхлых осадков. Этот процесс, хотя они называется часто в медицинской литературе коагуляцией белков, только внешне напоминает коагуляцию коллоидных систем (табл 10.1). Таблица 10.1. Различия между высаливанием белков и коагуляцией золей Высаливание белков Коагуляция золей большое количество электролита небольшое количество электролита не подчиняется правилу Шульце—Гарди подчиняется правилу Шульце—Гарди причина — конкуренция за "свободную воду" между ионами добавляемого электролита и макромолекулами причина — сжатие ДЭС, адсорбция ионов, уменьшение потенциала обратимо чаще всего необратима При высаливании белков основную роль играют анионы, которые имеют большую способность к связыванию "свободной" воды и по своему высаливающему действию могут быть расположены в прямой лиотропный ряд Гофмейстера C 2 O 4 2– > SO 4 2– > PO 4 3– > CH 3 COO – > Cl – > NO 3 – > Br – > I – > Высаливающим действием по отношению к белкам обладают также некоторые органические растворители, в которых белки растворимы хуже, чем вводе, например, спирт или ацетон. Полнота высаливания зависит от молекулярной массы белков чем больше молекулярная масса, тем меньше их растворимость и тем полнее и быстрее происходит осаждение. На этой зависимости основан метод фракционированного высаливания. Сущность его состоит в последовательном осаждении отдельных фракций белковой смеси возрастающими порциями электролита или спирта. На высаливание влияет температура при понижении температуры растворимость белков уменьшается и они осаждаются быстрее. На сочетании действия спирта, солей и охлаждения основан метод детального фракционирования по Кону. Этим методом из сыворотки крови было выделено 12 белков. Высаливание лучше всего происходит при значениях pH растворов, близких к pI белков, так как в изоэлектрическом состоянии макромолекулы плотно свернуты, имеют минимальные гидратные оболочки и наименьшую растворимость. p H p I 2 1 1 ð à ñòâ î ð è ì î ñòü 2 â û ñà ë è â à í è Рис. 10.1. Кривые, характеризующие зависимость растворимости и высаливания от pH среды и иллюстрирующие метод определения ИЭТ белков по растворимости 112 При высаливании не происходит изменения нативной (природной) структуры биополимеров, поэтому данный метод осаждения белков обратим и нашел широкое применение для выделения и очистки белков. Комплексная коацервация. Это явление наблюдается при смешивании растворов полиэлектролитов, имеющих противоположные заряды макромолекул например, двух белков с различными pI или белков и нуклеиновых кислот) или резко отличающихся по гидрофильности (например, желатина и крахмала или белков и лецитина. По существу, комплексная коацервация это нарушение устойчивости раствора одного биополимера под действием другого. При комплексной коацервации возможны следующие наиболее типичные случаи белок А намного гидрофильнее белка Б, тогда белок Б высаливается и выпадает в виде хлопьев белок А гидрофильнее белка Б, ноне в такой степени, как в предыдущем случаев итоге происходит коацервация белка Б, образующего вязкий коацерват. Коацервация, особенно комплексная, играет огромную роль в биологических процессах, происходящих в клеточном веществе — цитоплазме. По некоторым своим свойствам коацерваты похожи на цитоплазму. Комплексная коацервация может сопровождать образование нуклеопротеинов, липопротеинов и других сложных белков. Согласно одной из теорий происхождения жизни на Земле (АИ. Опарин) именно коацерваты являются зародышами клеток и древних форм жизни. Денатурация Это нарушение нативной пространственной структуры белка четвертичной, третичной и вторичной структур, приводящее к изменению его физико-химических и биологических свойств. В результате денатурации изменяются форма и размеры макромолекул, увеличивается вязкость растворов, уменьшаются растворимость и степень набухания, уменьшается или исчезает биологическая активность, белки теряют гидрофильность, становятся гидрофобными и выпадают в осадок, при этом, если денатурирующие агенты окрашены (таннины, сульфат меди, то образующиеся осадки тоже имеют окраску. В ряду нарушений устойчивости растворов белков денатурация занимает особое положение. Она не является следствием сильных межмолекулярных взаимодействий или замедленности процессов ассоциации в растворах ВМС. Главные отличия денатурации от высаливания и коацервации заключаются в глубоких нарушениях нативной структуры белков в результате очень "грубых" воздействий на них денатурирующих факторов ив необратимости этого процесса. Денатурация является следствием разрыва нековалентных связей, фиксирующих нативную структуру макромолекулы, а также разрыва или образования дисульфидных связей между различными участками молекулы белка. Факторы, вызывающие денатурацию, суммированы в табл. 10.2. 113 Таблица 10.2. Факторы, вызывающие денатурацию Физические Химические Повышение температуры (вызывает глубокое нарушение конформации белков, разрушение водородных связей. Замораживание и оттаивание (тоже, что и при повышении температуры. Ультразвук (происходит разворачивание макромолекул, вплоть до разрыва ковалентных связей. Высокое давление (тоже, что и под действием ультразвука. Проникающая радиация (вызывает разрушение водородных связей, образование свободных радикалов, окисление дисульфидных мостиков. Кислоты и щелочи (вызывают резкое изменение pH среды, приводящее к изменению пространственной структуры. Соли тяжелых металлов Cu, Pb, Hg образуются комплексные соединения или труднорастворимые соли по группам. Сильногидратирующиеся соли сульфаты, оксалаты, цитраты в больших количествах (обезвоживание белковых молекул. Органические растворители в больших количествах (обезвоживание белковых молекул. Гуанидин, мочевина (конкуренция за водородные связи в молекулах белка. Окислители и восстановители (вызывают разрушение и образование дисульфидных мостиков в третичной структуре белка. В отличие от высаливания денатурацию нельзя применять для выделения белков, так как при "мягкой" или обратимой денатурации, которую вызывают некоторые соли или органические реагенты, обратимость денатурации наблюдается очень редко, чаще же всего белок после прекращения действия даже мягкого денатурирующего агента не полностью идентичен по своим свойствам нативному. Возможность провести обратимую денатурацию, те. вновь после денатурации получить белок с исходной структурой и биологическими свойствами, впервые была показана на ферменте рибонуклеазе. Если путем восстановления четырех дисульфидных связей этого белка избытком 2-меркаптоэтанола в растворе мочевины развернуть его молекулу, а после удаления денатурирующих агентов провести контролируемое окисление, то белок приобретает нативную структуру и почти полностью восстанавливает ферментативную активность. Денатурация белков имеет большое значение для физиологии и медицинской практики. В первую очередь это — кулинарная и технологическая обработка пищевых белков, применение вяжущих, дубящих и дезинфицирующих средств, лечение отравлений тяжелыми металлами, когда больному назначают сырой куриный белок, который сам легко денатурируется вследствие содержания большого числа групп — SH, защищая тем самым белки организма. Она играет большую роль в процессе пищеварения и во взаимных превращениях активных и неактивных форм некоторых ферментов и гормонов. В недавно проведенных исследованиях механизма старения организма было показано, что одной из причин этого процесса является медленная денатурация белков организма, наступающая в результате изменения химического состава растворов белков, обусловленного сложными биологическими процессами — процессами обмена веществ. |