Особенности растворов биополимеров

Набухание и растворение.Начальная стадия растворения ВМС заключается в диффузии молекул растворителя в объем полимера. Проникновение молекул растворителя в объем биополимера сопровождается увеличением его объема и массы, т.е. его набуханием.

Количественно этот процесс можно характеризовать степенью набухания a:

V - V_o m - m_o

a = ¾¾¾ или a = ¾¾¾

V_o m_o

где V_o и m_o - объем и масса исходного образца полимера; V и m - объем и масса набухшего образца.

Степень набухания прежде всего зависит от природы полимера (рис.27).

Неограниченное

набухание

m

Гель

Истинный

Ограниченное раствор

набухание

τ

Рис.27. Кинетика набухания ВМС.

Если межмолекулярные взаимодействия в полимерной цепи достаточно сильны, и растворитель не в состоянии разобщить макромолекулы, набухание спустя некоторое время достигает максимального значения и больше не меняется (ограниченное набухание). Если жесткость цепи не слишком велика, а сродство к растворителю значительно, молекулы переходят в раствор (неограниченное набухание). Рост температуры способствует увеличению степени набухания.

С термодинамических позиций процесс набухания характеризуется уменьшением энергии Гиббса системы. В процессе набухания можно выделить две стадии. Первой стадией является процесс сольватации полимера, т.е. взаимодействие молекул растворителя и ВМС с образованием новых связей, сопровождающийся выделением энергии (DH < 0); изменение энтропии при этом незначительно (DS ~ 0). Поэтому ½TDS½ < ½DH ½и DG < 0. На последующей стадии разрыхления сетки полимера, когда процесс сольватации закончился, энтальпия системы практически не меняется (DH ~ 0), зато возрастает энтропия вследствие частичного или полного освобождения макромолекул (DS > 0). Поэтому TDS > 0 и DG < 0.

Степень набухания зависит также от природы растворителя. В соответствии с правилом "подобное в подобном" полярные биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) лучше набухают в воде, чем в менее полярных растворителях (спирте и ацетоне).

На процесс набухания полимеров в воде влияют присутствие электролитов и рН среды. При этом катионы незначительно влияют на набухание, а анионы действуют по-разному: одни усиливают набухание, другие - ослабляют:

SCN^- < I^- < Br^- < NO₃^- » Cl^- < CH₃COO^- < F^- < SO₄^2-

способствуют подавляют

набуханию набухание

Влияние рН среды на набухание больше всего проявляется в растворах белков, поскольку белки являются полиамфолитами: их молекулы содержат как группы кислотного характера, так и группы основного характера. Минимум набухания белков лежит в области их изоэлектрической точки рН = рI, а по обе стороны от этой точки располагаются максимумы набухания (рис.28). В изоэлектрическом состоянии конформация белка наиболее плотная, поэтому степень его гидратации и, следовательно, степень набухания минимальны. В более кислой и более щелочной средах белок образует катионную или анионную формы, и его структура разрыхляется вследствие электростатического отталкивания одноименных зарядов.

a

pI pH

Рис.28. Влияние рН на набухание ВМС

С течением времени число связей между макромолекулами и внутри них возрастает, и степень набухания биополимера снижается. Постепенное старение живого организма сопровождается замедлением процессов обмена; вследствие утраты клетками мышц и кожи способности к набуханию образуются морщины.

Вязкость.Вязкость растворов, характеризующая сопротивление среды движению, возрастает с увеличением молярной массы полимера; ее величина значительно выше у растворов ВМС, нежели у растворов низкомолекулярных соединений при тех же концентрациях. Цепь макромолекулы располагается сразу в нескольких слоях жидкости и препятствует их перемещению друг относительно друга.

Вязкость водного раствора белка минимальна, как и его набухание, при рН = рI, поскольку в этом случае конформации макромолекул наиболее компактны. С течением времени в растворах биополимеров происходит значительное их структурирование, что приводит к увеличению вязкости.

Температура по-разному влияет на вязкость растворов ВМС. Если раствор образован сильно разветвленными молекулами, увеличение температуры, уменьшая возможность структурирования, уменьшает и вязкость. Если полимер состоит из длинных неразветвленных цепей, повышение температуры способствует увеличению интенсивности движения отдельных фрагментов макромолекулы, что препятствует ее ориентации в потоке и увеличивает вязкость.

Осмотическое давление.Из-за больших размеров и гибкости цепи макромолекула ведет себя в растворе как несколько более коротких молекул. Поэтомуэкспериментально определенное значение осмотического давления растворов ВМС значительно превышает вычисленное по закону Вант-Гоффа. Для учета гибкости и формы макромолекулы вводят поправочный коэффициент b (уравнение Галлера):

RTс

p = ¾¾ + bс²

M

где с – концентрация ВМС в растворе, г/л; М – молярная масса ВМС.

При небольших концентрациях полимера (с → 0) и для полимеров, имеющих форму сферических глобул, например, гемоглобина (β = 0), уравнение Галлера переходит в уравнение Вант-Гоффа:

RTс

p = ¾¾ = RTC

M

В сложных биологических системах, содержащих совместно неэлектролиты, электролиты и белки, каждый компонент вносит свой вклад в суммарное осмотическое давление. Вклад, обусловленный наличием белков, называется онкотическим давлением.

Мембранное равновесие Доннана.В системе растворов, разделенных мембраной, которая непроницаема хотя бы для одного вида ионов, устанавливается равновесие, которое называется мембранным равновесием Доннана. Например, ионы белков в клетке в отличие от низкомолекулярных ионов обычных электролитов не могут диффундировать сквозь мембрану. Процесс выравнивания концентраций ионов по обе стороны мембраны проявляется в диффузии подвижных ионов из одного раствора в другой через мембрану. Движение ионов будет происходить до тех пор, пока произведение концентраций ионов по обе стороны мембраны не выравняется:

[Kat⁺]₁· [An^-]₁ = [Kat⁺]₂· [An^-]₂

Перераспределение подвижных ионов вследствие эффекта Доннана приводит к тому, что осмотическое давление внутри клетки повышается, а снаружи клетки уменьшается. Внутриклеточный раствор становится гипертоническим по отношению к наружному, поэтому клетка поддерживается в состоянии тургора.

Разница концентраций ионов внутри и снаружи клетки приводит и к возникновению разности потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны, которая называется мембранным потенциалом.

Коацервация.В растворах с высокой концентрацией ВМС, особенно биополимеров, наблюдается самопроизвольное расслоение на две несмешивающиеся фазы. Одна из них представляет собой концентрированный раствор полимера, другая - разбавленный раствор полимера. Это явление называется коацервацией.

Процессу коацервации способствует не только увеличение концентрации ВМС, но и другие факторы, вызывающие дополнительную агрегацию мицелл или макромолекул: введение электролитов или неэлектролитов, использующих для своей гидратации молекулы воды из гидратных оболочек полимера, понижение температуры, изменение рН среды.