ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОПОЛИМЕРОВ
Растворы ВМС следует рассматривать как промежуточное звено между золями и истинными растворами низкомолекулярных веществ. Многие высокомолекулярные соединения (ВМС) являются полимерами с молекулярной массой > 104. Молекулы полимеров состоят из большого числа мономерных звеньев − повторяющихся одинаковых групп атомов. Структурные единицы ВМС − макромолекулы (104 -106 г/моль).
Структурной химической основой организмов являются природные высокомолекулярные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, пектины, натуральный каучук. Природные ВМС характеризуются постоянным значением молекулярной массы. Синтетические полимеры получаются в результате реакции полимеризации или поликонденсации. К ним относятся: полиэтилен, синтетический каучук, фенолформальдегидные смолы. Синтетические полимеры состоят из смеси макромолекул, различных по длине и массе. Таким образом, ВМС − это обычные органические вещества, молекулы которых имеют очень большой размер.
Различают три типа структуры цепей: линейную (натуральный каучук, целлюлоза), разветвленную (амилопектин, гликоген) и пространственную (сетчатую) - фенолформальдегидные смолы Линейной формой макромолекул определяются типичные свойства полимеров: каучукоподобная эластичность, способность образовывать прочные пленки и нити, набухать, давать при растворении вязкие растворы.
НАБУХАНИЕ ВМС Истинному растворению полимеров часто предшествует процесс набухания. Он заключается в увеличении объема и массы полимера за счет поглощения им некоторого количества растворителя. При контакте полимера с растворителем начинается взаимная диффузия молекул растворителя в полимер, а макромолекул полимера − в растворитель. Резкое различие в подвижностях молекул растворителя и макромолекул ВМС является причиной набухания. Количественной мерой набухания является степень набухания α, которая может иметь объемное или массовое выражение: где V 0, V, m 0, m – соответственно объемы и массы исходного и набухшего полимера.
В зависимости от структуры полимера и температуры набухание может быть ограниченным (1) или неограниченным (2) Неограниченное набухание приводит к растворению полимера. Ограниченно набухший полимер называется студнем.
ВЯЗКОСТЬ ВМС Различают относительную, удельную, приведённую и характеристическую вязкость. Относительная вязкость: Удельная вязкость : или ηуд = ηотн – 1, где η — вязкость раствора; η 0 — вязкость растворителя. Приведённая вязкость:
![С→ 0, можно получить величину, называемую предельной приведённой вязкостью или характеристической вязкостью: где [η]](https://present5.com/presentation/-72216801_304319367/image-8.jpg "С→ 0, можно получить величину, называемую предельной приведённой вязкостью или характеристической вязкостью: где [η]")
С→ 0, можно получить величину, называемую предельной приведённой вязкостью или характеристической вязкостью: где [η] — характеристическая вязкость. Штаудингер ηуд = К • М • С, где К — константа, характерная для данного гомологического ряда полимеров, не зависящая от природы растворителя. Определяют М лишь только для коротких цепей или более жёстких. Уравнение Эйнштейна: η = η 0(1+ 2, 5 φ), где φ-объемная концентрация
Амфотерность аминокислот. В кислой среде будет подавляться диссоциация карбоксильных групп и белки будут заряжаться положительно, в щелочной среде белки будут заряжены отрицательно: Заряд белковой молекулы будет зависеть от следующих факторов: 1. От реакции среды. 2. От соотношения свободных карбоксильных и аминных групп, которое у каждого белка будет индивидуальным. 3. От степени диссоциации ионогенных групп белка. Если взять показатели констант диссоциации р. КСООН и р. КNH 2, то чем их величина меньше, тем больше будет соответствующая диссоциация. Состояние белка, когда заряд равен нулю, называется изоэлектрическим состоянием белка [ИЭС]. Значение р. Н, при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называется изоэлектрической точкой белка [ИЭТ].
Белки 1. Основным фактором, определяющим структуру белка, является последовательность аминокислот, - первичная структуры белка. В первичной структуре белка атомы связаны прочными ковалентными связями. 2. Под вторичной структурой белка понимают конфигурацию полипептидной цепи в пространстве- В 1951 г. Полинг и Кори ( спиральная конфигурация). Дисульфидные мостики, но основную роль играют водородные связи. белки [β-кератин волос, фиброин шёлка] образуют не αспираль, а β‑структуру. Они имеют несколько полипептидных цепей, расположенных параллельно.
3. Трёхмерная конфигурация полипептидной спирали или β-структуры в пространстве определяет её третичную структуру : закручивается в клубок α‑спираль, и β-структура. Так образуется глобулярная структура [у глобулярных белков]. У фибриллярных [нитевидных] белков третичная структура характеризуется: а/ объединением α-спиралей в многожильный пучок — вторичную спираль; б/ объединением лент β-структур в многослойную ленту. Третичную структуру поддерживают: 1. Ионные связи. 2. Водородные связи. 3. Дисульфидные связи. 4. Ван-дер-Ваальсово взаимодействие. 5. Взаимодействие полярных групп с водой.
4. По Берналу четвертичная структура представляет собой комплекс субъединиц, способных к диссоциации. и поддерживается теми же связями и силами, что и третичная структура.
Молекулярная масса белков и методы её определения. Миоглобин — 16 900 Гемоглобин — 68 000 Растительный вирус — 10 600 000 Неточно М определяют: π осм. = CRT= m/M RT криоскопический метод ∆t зам. = m/M∙Kкр; (Kкр=1. 85 для Н 2 О) Наиболее точными - рентгеноструктурный анализ и метод ультрацентрифугирования. , где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура; S — константа, выражающая скорость седиментации; D — коэффициент диффузии; ρ — плотность среды; V — увеличение объёма при добавлении 1 г белка, или удельный объём
Методы определения изоэлектрической точки белков. Изоэлектрическая точка белков может быть определена следующими методами: 1. По величине набухания - Наименьшее набухание будет в изоэлектрической точке. 2. По скорости желатинирования. Быстрее всего желатинирование происходит в изоэлектрической точке. 3. По степени коагуляции -Наиболее выраженное помутнение раствора будет в изоэлектрической точке. 4. По электрофоретической подвижности -В растворе, где р. Н соответствует изоэлектрической точке белка, белок будет электронейтральным и перемещаться в электрическом поле не будет. 5. Потенциометрическое титрование в сочетании с определением максимальной степени коагуляции.
Свойства белка в ИЭТ. Минимальны: 1/ вязкость; 2/ гидратация; 3/ набухание; 4/ растворимость; 5/ осмотическое давление; 6/ электропроводность; 7/ дзета-потенциал. Максимальны: 1/ степень коагуляции; 2/ желатинирование.
Закон Вант-Гоффа для неэлектролитов: Р = С R Т для растворов ВМС не выполняется из-за теплового движения отдельных участков молекул ____ Онкотическое давление - часть осмотического давления крови, обусловленная ВМС(белками) [0, 04 105 Па] Уравнение Галлера – где С — весовая концентрация полимера; М — молекулярная масса, К — константа. 1. ↑t в большей мере↑ P из-за увеличения числа частиц т. к. : а/ повышается степень диссоциации ионогенных групп белков -- -соон ↔ -соо -+ Н+; б/ нарушается 4 -ая структура белков: макроглобулы распадаются на субъединицы. 2. р. Н среды - В ИЭТ Р min т. к. min диссоциация ионогенных групп
Биологическое значение онкотического давления В норме - 6 -8% белка. Ниже: I. При голодании, 2. При нарушении деятельности пищеварительного тракта, когда белки поступают в организм, но недостаточно хорошо перевариваются и усваиваются. 3. при заболеваниях почек, когда нарушается процесс ультрафильтрации и в мочу попадают альбумины крови и выводятся из организма.
Нарушение устойчивости растворов полимеров Кройт - схему осаждения коллоидов: а/ удаление водной оболочки частиц водоотнимающим средством [например, спиртом]; б/ снятие заряда частиц при добавлении электролита, главным фактором устойчивости у них является водная оболочка
Дегидратировать частицу можно двумя путями: 1. Лишить частицу свойства гидрофильности, изменив, перестроив структуру. Таким процессом является денатурация. 2. Отнять у частицы гидратационную воду, не лишая частицу свойства гидрофильности. Таким процессом является высаливание белков. Денатурация — это любое негидролитическое нарушение структуры нативного белка, которое приводит к изменению физических, химических и биологических свойств, присущих данному белку. Гидролитическое нарушение – разрушение первичной структуры
При денатурации наблюдается: 1. Изменение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка 2. Уменьшение растворимости [за счет развертывания молекул и появления снаружи гидрофобных гомополярных группировок]. 3. Изменение формы и размеров молекул. 4. Изменение удельной оптической активности. 5. Изменение реактивности некоторых химических группировок [например, сульфгидрильных групп, образующихся вместо дисульфидных групп]. 6. Уменьшение или потеря биологической активности [в образовании активных центров ферментов участвует третичная структура, а при денатурации эта структура нарушается]. 7. При денатурации увеличивается вязкость и 8. утрачивается способность к набуханию.
Денатурацию могут вызвать факторы: а/ нагревание свыше 60°; б/ ультразвук; в/ многократное замораживание и оттаивание; г/ высокое давление; д/ ультрафиолетовое и ионизирующее излучения; е/ действие солей тяжелых металлов; ж/ изменение р. Н среды; з/ действие кислот; и/ действие алкалоидных реактивов; к/ действие мочевины и т. д. Денатурации обычно сопровождается коагуляцией и седиментацией.
В клинике для обнаружения белков - денатурирующее действие органических и неорганических кислот. -Чувствительной реакцией на белок является реакция с сульфосалициловой кислотой, -на втором месте по чувствительности стоит реакция с концентрированной азотной кислотой. -Алкалоидные реактивы [например, танин] т. к. в белках содержатся гетероциклы, характерные для алкалоидов. - действием солей тяжелых металлов -не применяют концентрированную соляную и концентрированную серную кислоту, так как образующиеся осадки растворяются в избытке растворителя.
• Высаливание. - выделение белков путем добавления высоких концентраций нейтральных солей (не подвергающихся гидролизу) • Отличие от коагуляции - при высаливании частицы осаждаются не укрупняясь. К высаливанию совершенно неприменимо правило Шульце-Гарди.
Высаливание зависит от: 1/ степени гидратации высаливающего иона- от положения ионов в лиотропных рядах Гофмейстера (все ионы слева от хлора обладают высаливающим действием) C 2 O 42 - > SO 42 - > СН 3 СОО- > CI- > Br - > I- > CNS 2/ от р. Н среды [в ИЭТ max - плотная глобулярная структура, плохо удерживающая воду — ионогенные группы и полярные группы спрятаны]; 3/ от концентрации электролита; 4/ от температуры [при повышенной температуре дегидратируется и белок, и соль, тут важно, что больше.
• Своеобразной формой коагуляции растворов некоторых ВМС, совершающейся при изменении температуры, р. Н, под действием солей является процесс коацервации. От высаливания коацервация отличается тем, что ВМС не выделяется сразу в виде хлопьев, которые уплотняются в осадок.
КОЛЛОИДНАЯ ЗАЩИТА Обладая большой устойчивостью по отношению к действию электролитов, растворы ВМС, будучи прибавлены в определенном количестве к золям, значительно повышают их агрегативную устойчивость. Это явление получило название защитного действия или защиты. Защитное действие растворов ВМС зависит от природы вещества и природы защищаемого им золя. Количественно оно характеризуется так называемым золотым числом, которое выражается минимальным числом миллиграммов сухого ВМС, которое предохраняет 10 см 3 красного гидрозоля золота от перемены окраски при добавлении к нему 1 см 3 10%-ного раствора хлорида натрия.
Мембранным, равновесием Доннана называют равновесие, устанавливающееся в системе растворов, разделенных мембраной, непроницаемой хотя бы для 1 вида ионов [Kt+]BH [An-]BH = [Kt+]Hap [Ап-]нар
-сквозь мембрану будут проникать подвижные анионы ( Cl-), увлекая за собой катионов Na+. -движение катионов обусловлено не только диффузией, но и их электростатическим взаимодействием с анионами. -этот переход будет осуществляться до тех пор, пока произведение количества подвижных ионов по обе стороны мембраны не выровняется Количество ионов, которые проходят внутрь клетки X= c 2 нар. /2 Снар + С внутр. Эффект Доннана : -к повышению осмотического давления в клетке и уменьшению его снаружи (поддерживается в состоянии тургора). - за счет присутствия в клетке солей белка сумма концентраций подвижных ионов внутри клетки всегда будет больше, чем в наружном растворе - возникает мембранный потенциал. .
Скачать презентацию ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ БИОПОЛИМЕРОВ Растворы ВМС следует рассматривать
ВМС.ppt