Физико-химические свойства биополимеров и их растворов.

Физико-химические свойства биополимеров и их растворов.

Растворы ВМВ.

Биополимеры относятся к ВМВ (высокомолекулярным веществам) с молекулярной массой порядка 10³–10⁶. ВМВ и биополимеры образуются в результате реакции полимеризации или полккокденсации небольших молекул: аминокислот, моносахаридов, непредельных углеводородов и т.д. В результате этих процессов возникают длинные цепочки из атомов углерода, или углерода и кислорода, или углерода и азота и т.п. По происхождению ВМВ делят на: синтетические,искусственные и природные.

Синтетические ВМВ могут быть органической и смешанной природы (напр., каучук, синтетические смолы, полиэтилен, полилавсан, кремнийорганические соединения и др.) Некоторые синтетические полимеры используются в медицине в качестве шовного материала, материала для протезов (напр., фторлавсан).

Искусственные ВМВ готовят на основе природных ВМВ с заранее заданными свойствами (напр., на основе природного полисахарида декстрана готовят сефадексы, которые используют для очистки и разделения белков.

Природные ВМВ могут быть как органическими, так и неорганическими (напр., соединения на основе оксидов алюминия и кремния АI₂0₃ и Si0₂ - глины, слюда, асбест, алмаз). К природным полимерам относятся также белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и полимеры смешанного типа (гликопротеиды, липопротеиды, гликолипиды и т.п.). Белки и нуклеиновые кислоты составляют структурную основу живых организмов, их называют биополимерами. Белки в организме выполняют различные функции, от них зависит здоровье человека, интеллект, продуктивность жизни и т.д. Суточная потребность в белках составляет 70-120 грамм. Нуклеиновые кислоты являются носителями информации.

Биополимеры и их растворы обладают специфическими свойствами, которые обусловлены особенностями структуры макромолекул. Эти особенности следующие:

1) молекулярная масса биополимеров составляет от 5000 до 1 млн.

2) по размерам макромолекулы биополимеры приближаются к коллоидным частицам. Их размер составляет 10⁵ –10⁷ см.

3) в макромолекулах ВМВ и биополимеров проявляются различные типы химических связей (ионная, ковалентная, водородная, силы Ван-дер-Ваальса, силы гидрофобного взаимодействия). Между макромолекулами ВМВ и биополимеров действуют в основном водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия. Межмолекулярные взаимодействия определяют химические свойства ВМВ.

4) Макромолекулы ВМВ и биополимеров отличаются разнообразием структур. Они могут иметь линейную разветвленную и сетчатую (пространственную) структуры. В организме присутствуют в основном растворимые полимеры разветвленной и пространственной структур.

5) Макромолекулы ВМВ и биополимеров обладают гибкостью. Физической основой их гибкости является способность группировок СН вращаться вокруг Одинарные связей. Благодаря гибкости макромолекул ВМВ и биополимеров обладают эластичностью (напр. волосы, кожа, кровеносные сосуды). Благодаря гибкости биополимеры способны изменять свою пространственную конфигурацию, которая называется конформацией

6) У биополимеров существуют уровни организации (I-IV).

Растворы ВМВ и их свойства.

Растворы ВМВ являются истинными растворами. Это термодинамически устойчивые системы. Их образование протекает самопроизвольно с уменьшением энергии Гиббса (G<0). Растворы ВМВ имеют свойства, общие с истинными и коллоидными растворами, а также обладающие специфическими свойствами. Растворы ВМВ как и истинные растворы, можно разбавлять или концентрировать до определенного предела. Если в макромолекуле ВМВ имеются полярные ионогенные группировки, то может осуществляться диссоциация макромолекул, в результате чего образуются макроионы. Растворы ВМВ гомогенны и в большинстве случаев гидрофильны. Размеры частиц ВМВ соответствуют размерам частиц коллоидных частиц, поэтому они обладают рядом свойств коллоидных растворов, т.е. медленно диффундируют, не проникают через диализационные (полупроницаемые) мембраны, показывают слабое светопреломление (размытый конус Тиндаля). Однако в отличи от коллоидных растворов растворы ВМВ не имеют поверхностей раздела, способны самостоятельно растворяться в определенных растворителя), очень устойчивы. Агрегативная устойчивость растворов ВМВ так же как и устойчивость коллоидных растворов, зависит от дзета-потенциала и плотности гидратной оболочки.

Специфические свойства ВМВ.

Они зависят от пространственней структуры, гибкости молекул, наличия

большого количества сизей. И специфическим свойствам относятся набухание,

вязкость, осмотическое давление.

Набухание.

Набухание - это процесс поглощения и низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом.

Различают два вида набухания:

• ограниченное сопровождающееся увеличением объема и массы полимера.

• неограниченное сопровождающееся растворением полимера.

Вид набухания определяется природой ВМВ. Так, чем больше в составе молекулы ВМВ гидрофильных полярных группировок (карбоксильная группа -СООН, гидроксогруппа -ОН, меркантильная группа -SН, аминогруппа –NH₄ и те производные), тем больше вероятность неограниченного набухания. Также лучше набухают полимеры с линейной структурой макромолекул. На степень набухания оказывают влияние природа и концентрация электролита. Так, анионы способствуют набуханию в большей степени, чем катионы. Анноны по способности увеличивать степень набухания располагаются: SO₄^2-<CI^-<NO₃^-<Br^-<I^-<SCN^- (степень набухания в этом ряду увеличивается, а степень гидратированностн уменьшается; с увеличением радиуса уменьшается степень гидратированности, поэтому Вr^- перед I^-). Из катионов К⁺, Nа⁺ способствуют набуханию, а Са^2- - препятствую набуханию. Молекулы низкомолекулярного вещества проникают в свободное пространство макромолекул ВМВ н в пространство между макромолекулами. В результате внутри макромолекул и между ними раздвигаются звенья, связи между макромолекулами ослабевают, и макромолекулы могут перемещаться в раствор. При этом идет односторонняя диффузия, ВМВ увеличивается в объеме, увеличивается его масса. Одно и то же вещество может набухать в нескольких растворителях, но в разной степени. Так, каучук лучше набухает в сероуглероде СS₂ и трихлорметане CCI₃H, и хуже в эфире или нитробензоле C₆H₅NO₂.О набухании судят по приращению объема DV=V-V₀ или по приращению массы m=m-m.Характеристикой процесса набухания является степень набухания (а), которая показывает, отношение прироста объема или массы набухшего геля к его первоначальному объему или массе а=m-m₀/m₀ или

а = (V-V₀₎ /V₀

Набухание - экзотермический процесс, причем наибольшее количество тепла выделяется в начале процесса (при сольватации полимера).

Вязкость.

Растворы ВМВ отличаются аномально высокой вязкостью, или внутренним трением, обусловленного силами сцепления между макромолекулами растворителя, а также силами сцепления гидрофильных макромолекул белка или полисахарида с низкомолекулярным растворителем. Большое значение при этом имеет гибкость молекул ВМВ, определенная структура макромолекул, а также образование ассоциатов. Поэтому при протекании жидкости через трубу, а крови - через сосуд, разные ее слои, располагающиеся концентрически от стенки сосуда к его середине, движутся с разной скоростью, У стенок слои молекул неподвижен. Следующие слои движется с все большей скоростью, постоянной для каждого слоя. Отдельные части макромолекул могут перемешаться с различными скоростями, что создает дополнительную (т.н. гидродинамическую) вязкость. С увеличением концентрации вязкость растворов ВМВ резко возрастает, т.к. при этом растворенные частицы образуют структуры. Объем свободного растворителя быстро уменьшаете, т.к. часть его находится в петлях структур. При увеличении внешнего давления структуры разрушаются, растворитель высвобождается и вязкость уменьшается. Когда все структуры окажутся разрушенными, растворы ВМВ будут подчиняться постулату Ньютона и закону Пуазеля, поэтому аномальная вязкость этих растворов называется структурной вязкостью. Увеличение вязкости, связанное с изменением концентрации при растворении полимера принято характеризовать удельной вязкостью, которая показывает, на какую величину) повышается вязкость раствора ВМВ на единицу вязкости дисперсионной среды: n_уд=n-n₀/n₀ зависит от концентрации раствора ВМВ и от его молекулярной массы. Ученым Штаудингером была установлена зависимость удельной вязкости от молекулярной массы полимера

n_уд = KMC где:

К- конcтанта;

С - концентрация ВМВ в растворе;

М - молекулярная масса ВМВ.

По уравнению Штаудингера можно рассчитать удельную вязкость для биополимеров, макромолекулы которых имеют вытянутую структуру. Для сферических частиц n_уд рассчитывается по уравнению Эйнштейна:

n_уд =2.5*n*V₁/V где:

n - число частиц ВМВ в определенном объеме;

V - обший объем раствора

v₁ -обьем макромалекул

Методы анализа основанные на определении вязкости, называются вискозиметрическими. Они используються в медицине с целью диагностики заболеваний и выяснения механизма болезней.

Вискозиметрия.

Вискозиметрия объеденяет методы устанавливающие зависимость растворов ВМВ от концентрации раствора и молекулярной массы полимера. В вискозиметрии используют прибор вискозиметр.

1 - капиллярный канал

2 - верхняя метка

3 - нижняя метка

4 - отверстие широкого колена (во время заполнения прибора жидкостью закрывается пробкой)

5 – отросток

Для определения относительной вязкости раствора ВМВ с помощью вискозиметра устанавливают время истечения чистого растворителя (t₀) и раствора ВМВ (t_х) через определенный участок капилляра вискозиметра. Рассчитывают относительную вязкость по формуле:

n_{отн =} t_х* p_x/t_0* p₀

ро и рх - плотности чистого растворителя и раствора ВМВ соответственно.

Далее с помощью калибровочных графиков зависимости n_отн ~ C(ВМВ) и

n_отн ~М(ВМВ) методом интерполирования определяют концентрацию раствора и среднюю молекулярную массу полимера.

Осмотическое давление.

Осмотическое давление а растворах собственно коллоидов и полимеров, как и в истинных растворах, Пропорционально их концентрации. Однако в связи с малой весовой концентрацией (менее 1,0%) коллоидов количество частиц в растворе настолько мало, что осмотическое давление в растворах собственно коллоидов очень низкое. Осмотическое давление в растворах белков и других высокомолекулярных соединении, концентрация которых достигает 10—12% и более, значительнее и оказывает существенное влияние на ряд Процессов в организме. Часть осмотического давления крови, обусловленная высокомолекулярными соединениями, в основном белками, называется онкотическим давлением. Оно невелико, составляя в норме всего около 0,04 атм., и. тем не менее, играет определенную роль в биологических процессах. Общее осмотическое давление крови достигает 7,7-8,1 атм. Осмотическое давление в растворах высокомолекулярных веществ в значительной степени зависит от температуры и рН. Повышение температуры в растворах высокополимеров увеличивает осмотическое давление в большей мере, чем следует из теоретического расчета. Это зависит от повышения степени диссоциации ионогенных групп белков и от дезагрегации белков на микроглобулы. Дополнительная гидратация микроглобул уменьшает количество свободного растворителя, то соответствует увеличению концентрации частиц в растворе, а за счет этого осмотическое давление ВМВ аномально высокое. Как показал Михаэлис степень диссоциации ионогенных групп гидрофильных коллоидов (амфолитов) минимальна в изоэлектрической точке, т.е. число частиц (ионы+молекулы) наименьшее при этом значении рН, Следовательно, осмотическое давление коллоидов оказывается самым низким в изоэлсктрической точке и увеличивается при смешении рН в обе стороны от нее. С увеличением концентрации раствора оно возрастает. Рассчитывается по уравнению Галлера:

p=СRT +m²*B где:

B- коэффициент, зависящий от природы дисперсной фазы и не зависящий от молекулярной массы ВМВ;

С - весовая концентрация полимера;

К - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Биологическое значение онкотического давления.

Осмотическое давление в жидкостях организма (кровь, лимфа, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость и др.) выполняет важную физиологическую функцию, влияющую на распределение в тканях организма воды. солей и различных питательных веществ. Осмотическое давление указанных биологических жидкостей зависит главным образом от растворенных в них низкомолекулярных минеральных веществ, преимущественно хлористого натрия, но также от высокомолекулярных соединений, находящихся в коллоидном состоянии. главным образом белков.

Несмотря на то, что в плазме крови содержится от 6 до 8% белков, онкотическое давление составляет примерно 0.5% (30-40 см водного столба) от общего осмотического давления плазмы, пр1гчем около 80% этого давления обусловлено наиболее низкодисперсными белками - альбуминами, а остальные 20% падают на другие белки плазмы. Существенным физиологическим моментом, связанным с важнейшими процессами, происходящими в организме является поддержание состояния осмотического равновесия между кровью и тканевыми жидкостями которое, будучи динамическим, обеспечивает постоянный обмен жидкости низкомокулярных питательных вещестд и конечных продуктов обмена. Одна из основных причин движения, жидкости обусловлена ультрафильтрациоными свойствами стенки капилляров проницаемой для воды и солей, но не для белков. В свяи со сказанным по одну сторону капиллярной стенки будет находиться плазма крови, богатая белками, а по другую - тканевая жидкость, имеющая меньшую концентрацию белков, в связи с чем возникают условия, необходимые для осмотического проникновения из тканей жидкости в плазму крови, т.е. к месту большей концентрации белков. Таким образом, распределение воды и минеральных веществ между кровью и тканями и поддержание осмотического равновесия обеспечивается в основном нормальной концентрацией белков в плазме крови, а кровяное давление компенсируется онкотическим давлением. Большое биологическое значение имеет соотношение между гидростатическим и онкотическим давлением в капилляре. Кровяное давление в области капилляров в среднем составляет 15 см. вод. ст., которое постепенно падает от 45 до 14 по направлению от артериальной части капилляров в области границ его стенок с плазмой крови к венозному участку капиллярной сетки. Безбелковая часть плазмы в результате гидростатического давления проникает в межклеточное пространство ткани, а в венозной части капилляров происходит обратный ток жидкости в сторону пониженного гидростатического давления по сравнению с онкотическим давлением крови. Аналогичные процессы имеют место и в почках при образовании мочи. При нарушении осмотического равновесия и изменении гидростатического и онкотического давления могут возникнуть различные формы патологии. При понижении содержания белка в крови, т.е. при гипопротеннемиях, вследствие голодания, нарушений деятельности пищеварительного тракта или потери белка с мочой при заболеваниях почек, возникает разница в онкотическом давлении в тканевых жидкостях и в крови. Вода устремляется в сторону более высокого давления в ткани возникают так называемые онкотические отеки подкожной клетчатки («голодные» и «почечные» отеки). Введение больших количеств NaCI, депонирующегося в подкожной клетчатке и также являющегося осмотически активным веществом, может серьезно ухудшить состояние больного. В оценке состояния и в лечении таких больных учет осмоонкотических явлений имеет очень важное значение.

Высаливание и денатурация белков.

Высаливание - осаждение белка, с помощью концентрированных растворов солей. При этом сохраняется гидратная оболочка, которая поддерживает структуру макромолекул. Обычно для высаливания используются растворы солеи Nа2SO4,(NH4)2SO4, соли Mn и фосфаты. Высаживание наиболее эффективно в изоэлектрической точке белка. Механизм высаливания ионы солей притягивают к себе молекулы воды, уменьшая тем самым количество воды, взаимодействующей с белком, т.к. при высокой концентрации солей количество ионов солей огромно ПО сравнению с заряженными группами белков. А т.к. растворимость белка в воде зависит от образования гидратной оболочки вокруг гидрофильных ионогенных групп, то перемещение молекул волы к ионам солей снижает растворимость белка и он выпадает в осадок. Применяя растворы солей различной концентрации, можно последовательно осаждать белки по фракциям. Так при малой концентрации солей осаждаются наиболее крупные, тяжелые и обладающие наименьшим зарядом частицы. При повышении концентрации солеи выпадают все более мелкие и устойчивые белковые фракции.

Пр.: при добавлении насыщенного раствора (NH4)2SO4 выпадают глобулины, а если раствор ненасыщенный - альбумины.

Методом высаливания осаждают белки сыворотки крови. Из водных растворов белки можно осадить и с помощью водоотнимающих растворов (метиловый, этиловый спирты, ацетон). По своей природе и механизм процесс высаливания существенно отличается от коагуляции электролита. Коагуляция происходит при небольшой концентрации электролита, а высаливание - при существенно меньшей концентрации электролита. Высаливание белка происходит в мягких условиях (напр., при уменьшении температуры или при добавлении солеи легких щелочных металлов и аммония), без нарушения нативной (первоначальной) природы белка чтобы не вызвать его денатурацию. Денатурация- нарушение нативных свойств белка, вызванная изменением пространственной структуры его макромолекул и сопровождающаяся изменением физикохимических и биологических свойств белка. Денатурация может возникнуть под влиянием разнообразных физических и химических факторов, которые приводят к нарушению всех уровней организации структуры белка кроме первичной. При этом в макромолекуле белка происходит разрыв рыхлых связей: (водородных, ионных, сульфитгидрильных) за исключением разрыва ковалентной связи. При денатурации нарушаются форма и размеры молекул; изменяется удельная оптическая активность белков, увеличивается вязкость растворов, т.к. глобулярная форма белков раскручивается с образованием нитевидных молекул, уменьшается растворимость белков и степень набухания; происходит снятие с коллоидных частиц электрического заряда и др. Следует отметить, что белки в процессе денатурации в значительной степени теряют свои: гидрофильные и приобретают гидрофобные свойства. Денатурация может быть обратимой на первых этапах. Процессы, являющиеся обратимой денатурацией протекают в живых организмах. С этими процессами связаны взаимные превоашения активных и неактивных форм ферментов и соответствующих гормонов, а также особенности биохимических реакций, протекающих в норме и патологии. Следует помнить, что денатурированный белок уже не может быть полностью идентичен по своим физическим, химическим биологическим свойствам нативному.

Коацервация.

В растворах белков при высаливании или изменении температуры могут происходить аномальные явления, сопровождающиеся слиянием водных оболочек нескольких частиц без объединения самих частиц - коацерваий. Сущность ее заключается в том, что в растворах появляется новая фаза, обогащенная белком, в результате чего раствор расслаивается по плотности или по концентрации белка. Внешне это проявляется либо в образовании двухслойного раствора, либо в образовании капель (продуктов коацервации) в растворе – коацервантов. Они отличаются от обычных растворов структурированностью белка. Кроме того, такой белок способен захватывать и структурировать другие белки из раствора, при этом образуется протоплазма. Это дало основания Опарину объяснить зарождение жизни на земле явлением коацервации. Считают, что коацервация играет огромную роль в биологических процессах, происходящих в цитоплазме.

Влияние рН на состав и свойства белков. Понятие изоэлектрической точки белка.

Белки относятся к аморфным полизлектролитам, так как на их поверхности одновременно имеется множество кислотных и основных групп: RСООН - кислотная; NН2 - основная. Молекула белка имеет электрический заряд, обусловленный почти исключительно диссоциацией ионогенных групп -СООН и –NН2. Эти группы принадлежат концевым аминокислотам, т.е. находящимся на концах полипептидных цепочек, а также дикарбоновым и диаминовым аминокислотам, расположенным в середине цепочки. Схематически диссоциацию этих групп белка, учитывая гидратацию аминогрупп, можно представить так:

NH₂-R-COOH+H₂O «NH₃OH-R-COOH«NH₃+-R-COO-+H⁺+OH^-

В нейтральной среде заряд белковой макромолекулы определяется количественным соотношением групп -СООН и NН2 и степенью их диссоциации. Чем больше групп -СООН, тем выше отрицательный заряд и белки будут проявлять свойства слабой кислоты Группы –NH2 сообщают белку основные свойства и положительный заряд.

В кислой среде белок приобретает положительный заряд:

NН3⁺-R-СОО-+Н^-«NН3⁺-R-СООН (катионная форма, перемешается к катоду).

В щелочной - отрицательный:

NH3⁺-СОО^- +ОН^-« NНзОН-R-СОО^- (анионная форма, перемещается к аноду).

Т.о. заряд белка зависит от реакции среды, а также от соотношения количества его карбоксильных и аминных групп и их степеней их диссоциации. Значение рН, при котором число различных зарядов в белковой макромолекуле одинаково и ее общий заряд равен нулю, называется изозлектрической точкой белка, а такое состояние белка - изоэлектрическим состоянием. Для каждого белка существует свое характерное значение рН, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии. В изоэлектрическом состоянии наиболее эффективно происходит высаливание белков.

В изоэлектрической точке белок теряет агрегативную устойчивость, уменьшается степень набухания, макромолекулы белков слипаются и выпадают в осадок. Благодаря изоэлектрической точке белка стало возможным подвергать белки электрофорез.

Электрофорез - движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля к противоположно заряженному электроду. Электрофорез белков приобрел большое значение для препаративных и аналитических работ. Электрофоретическое исследование белков сыворотки крови (иногда и мочи, спинномозговой жидкости, желудочного сока и т.п.) в настоящее время – один из широко применяемых клинических анализов. Изоэлектрическая точка белка может быть определена по:

1. электрофоретической подвижности. Исследуемый белок подвергают электрофорезу в буферные растворах с разным значением рН. В буфере со значением рН равным изоэлектрической точке белка последний электронейтрален и перемещаться в электрическом поле не будет.

2. степени коагуляции. В пробирки наливают буферные растворы с различным значением рН, затем туда вносят равные количества исследуемого белка и добавляют спирт. Наиболее выраженное помутнение произоидет в пробирке с буфером рН которого соответствует изоэлектрической точке белка.

3. скорости желатинирования. В пробирки наливают буферные смеси с различным значением рН и добавляют концентрированный раствор исследуемого белка. Желатинирование его произойдет быстрее всего в растворах рН которого наиболее близко к изоэлектрической точке белка.

4. величине набухания. Одинаковы; количеств сухого белка насыпают в ряд пробирок, туда же приливают равные объемы буферных растворов с различным значением рН. Наименьшее набухание белка окажется пробирке, где рН среды будет ближе всего к изоэлектрической точке белка.

Дата добавления: 2015-08-28