Фізико-хімічні властивості розчинів біополімерів План Поняття про ВМС – основа живих організмів. Класифікація і добування. Властивості розчинів ВМС. Набухання і розчинення ВМР. В’язкість розчинів ВМР. Колоїдний захист.
Значення ВМС До високомолекулярних сполук (ВМС) відносять сполуки з молекулярною масою 10000 -1000000 і вище (104 – 106) одиниць. Структурними одиницями ВМС є макромолекули, що складаються з великого числа окремих груп атомів (елементарних ланок), зв’язаних між собою ковалентними хімічними зв’язками. До високомолекулярних сполук належать білки (казеїн, желатин), вуглеводи (крохмаль, глікоген), нуклеїнові кислоти.
Значення ВМС Біополімери виконують такі функції: • каталізують біохімічні реакції – ферменти; • регулюють біохімічні реакції (гормони); • зберігають та передають генетичну інформацію (нуклеїнові кислоти); • є резервними поживними речовинами (крохмаль, глікоген); • відіграють захисну роль (антигени) полімери, цукри, камеді та слиз рослин); • виконують структурну та опорну функції (колаген, фіброїн, кератин).
Розміри частинок в біологічних об’єктах • • Еритроцити крові 7000 нм Кишкова паличка 3000 нм Вірус грипу 0, 1 – 100 нм Молекула глікогену 10 нм
Первинна структура білкової молекули
Вторинна структура
Бета-структура
Модель третинної структури молекули міоглобіну Третинна структура – це вкладання поліпе птидного ланцюга зі вторинною структурою в просторі
Четвертинна структура білків гемоглобін
Денатурація білків – втрата нативності Зміна р. Н Дія хімічних реагентів Підвищення температури Ультрафіолетове опромінення
Функції білків • Каталітична функція. Більшість відомих ферментів, їх називають біологічними каталізаторами, є білками. Ця функція білків визначає швидкість хімічних реакцій в біологічних системах. • Транспортна функція. Дихальна функція крові, зокрема перенесення кисню, здійснюється молекулами гемоглобіну – білка еритроцитів. В транспорті ліпідів беруть участь альбуміни сироватки крові. • Захисна функція. Основну функцію захисту в організмі виконує імунна система, яка забезпечує синтез специфічних захисних білків-антитіл у відповідь на поступлення в організм бактерій, токсинів, вірусів або «чужих» білків
Функції білків • Скоротлива функція. В акті м*язового скорочення і розслаблення беруть участь білкові речовини. Головну роль грають актин і міозин – специфічні білки м*язевої тканини. • Структурна функція. Фібрилярні білки, зокрема колаген в сполучній тканині, кератин у волоссі, нігтях, шкірі, еластин в судинній стінці та ін. • Гормональна функція. Ряд гормонів представлений білками або поліпептидами, наприклад, гормони гіпофізу, підшлункової залози. • Живильна (резервна) функція. Цю функцію виконують так звані резервні білки, які є джерелом живлення для плоду, наприклад білки яйця (овеоальбуміни). Основний білок молока (казеїн) також виконує живильну функцію.
IET • Значення р. Н, при якому бiлок знаходиться в iзоелектричному станi iзоелектрична точка бiлка. Висолювання – зворотнє осадження білків, яке відбувається під впливом солей лужних та лужноземельних металів
Крохмаль – (C 6 H 10 O 5)n складається з α-D-глюкози. Має дві фракції – амілозу та амілопектин
Целюлоза (клітковина) складається з β-глюкози
ДЕКСТРАНИ
ПЕКТИНОВІ РЕЧОВИНИ
Гетерополісахариди (кислі мукополісахариди)
ГІАЛУРОНОВА КИСЛОТА
Гепарин
Макромолекула ДНК складається з двох паралельних нерозгалужених полінуклеотидних ланцюгів, закручених навколо спільної осі у подвійну спіраль
РНК • Полінуклеотидний ланцюг РНК не має строго певної структури. Він може складатися сам по собі і утворювати окремі дволанцюгові ділянки з водневими зв*язками між пуриновими і піримідиновими основами.
структура нуклеїнових кислот
Класифікація • ВMP класифікують за різними ознаками. За походженням вони розділяються на природні, синтетичні, штучні (похідні целюлози); • До природних належать білки (протеїни), вищі полісахариди (крохмаль, целюлоза), натуральний каучук. • Синтетичні BMP отримують у процесах полімеризації і поліконденсації. До них належать синтетичні каучуки (полібутадієн, поліхлоропрен та ін. ) і різні синтетичні полімери (поліетилен, полівінілхлорид, поліаміди і т. д. ).
Класифікація • За структурою полімерного ланцюга BMP розділяють на лінійні, розгалужені і просторові (сітчасті або тривимірні). • У лінійних BMP макромолекули — це довгі ланцюги. Макромолекули розгалужених полімерів мають довгий ланцюг (головний) з боковими розгалуженнями. Просторовими, або сітчастими, називаються BMP, побудовані з довгих ланцюгів, з'єднаних у тривимірну сітку поперечним хімічним зв'язком.
Класифікація II. За структурою полімерного ланцюга: • лінійні – мають довгі ланцюги: натуральний каучук, поліетилен, амілоза крохмалю • розгалужені - атомні угруповання в макромолекулах розташовуються у формі довгого ланцюга з бічними відгалуженнями: глікоген, амілопектин крохмаль • сітчасті (просторові, зшиті) – довгі ланцюги з’єднані між собою у просторі поперечними хімічними зв’язками у вигляді сітки (фенолформальдегідна смола, вулканізований каучук, целюлоза)
Класифікація • BMP за складом головного ланцюга макромолекул розділяють на такі три групи: • 1. Карболанцюгові BMP, основні полімерні ланцюги яких побудовані виключно з атомів вуглецю. Наприклад, поліетилен, бутадієновий каучук. • 2. Гетероланцюгові BMP, полімерні ланцюги їх окрім атомів вуглецю містять також гетероатоми (кисень, азот, фосфор, сірку та ін. ). Наприклад, полігліколі
Класифікація • 3. Елементоорганічні BMP, вони містять у головних ланщогах макромолекул атоми елементів, що не входять до складу природних органічних сполук — кремнію, алюмінію, титану, свинцю, сурми та ін. Наприклад, кремнійорганічні полісиланові сполуки: 4. Крім органічних існують також і неорганічні BMP. До них можна віднести одну з модифікацій сірки (пластична сірка).
Класифікація • За формою макромолекул розрізняють глобулярні і фібрилярні BMP. • У глобулярних ВМС макромолекулами є згорнуті кульовидні утворення — глобули. Альбуміни i глобуліни яєчного білка, молока, сироватки крові, органів i тканин, гемоглобін крові, фермент шлункового соку пепсин. Під впливом зовнішніх дій глобулярні BMP можуть розгортатися і переходити у фібрилярну форму.
Класифікація
Класифікація • Фібрилярні BMP складаються з випрямлених лінійних або слабо розгалужених макромолекул, що агрегуються за рахунок міжмолекулярної взаємодії з утворенням пачок молекул — фібрил. • Міозин – білок м'язів, кератин – білок волосся i рогу, колаген і еластин – білки шкіри і сухожилбля, фіброїн – білок природного шовку
Методи добування ВМР • Синтетичні BMP одержують з низькомолекулярних речовин методами полімеризації та поліконденсації. • Полімеризація — це реакція сполучення великого числа молекул низькомолекулярних речовин (мономерів), які мають кратні зв'язки. Реакція не супроводжується виділенням побічних продуктів. Цим методом отримують поліетилен, полівінілхлорид, поліізобутилен та інші BMP.
Методи добування ВМР • Поліконденсацією називається процес сполучення молекул однакової або різної будови, який супроводжується, як правило, виділенням низькомолекулярних речовин. Вихідні мономери повинні містити у молекулі не менше двох функціональних груп (—ОН, —СООН, —NНз та ін. ). При поліконденсації біфункціональних сполук отримують лінійні або циклічні BMP, а при поліконденсації три- і тетрафункціональних сполук — BMP просторової будови. Наприклад, поліконденсацією двоатомних спиртів одержують лінійні прості поліефіри: п (HO-R-OH) + n(HO-R'-OH) → (-O-R'-)n+ п. Н 2 О.
Утворення трипептиду
властивості розчинів полімерів Властивості істинних розчинів: • – утворюються самочинно при простому змішуванні компонентів; • – є термодинамічно стійкими рівноважними системами, які здатні існувати тривалий час без стабілізаторів. Внаслідок повільного перебігу процесів рівновага в розчинах ВМС встановлюється впродовж тривалого часу; • – є гомогенними системами, у яких розчинена речовина знаходиться у вигляді молекул велетенських розмірів – макромолекул, де нема чіткої поверхні поділу з розчинником; • – розчини ВМС можуть бути як молекулярними, так i йонними. • – для розчинів ВМС характерна оборотність, тобто самочинне розчинення сухого залишку ВМС при додаванні розчинника.
Значне місце в класифікації дисперсійних систем займають розчини високомолекулярних сполук (ВМС). Ці системи можна віднести до істинних розчинів, оскільки вони гомогенні, стійкі та оборотні. мала швидкість дифузії структуроутворення Для них характерні властивості дисперсійних систем оптичні та електрокінетичні властивості
Ú світлорозсіювання – ефект Тіндаля-Фарадея (утворення конуса світла); електрофорез – переміщення твердої фази відносно рідкого середовища під дією електричного поля. електроосмос – переміщення рідкого середовища відносно твердої фази під дією електричного поля.
властивості розчинів полімерів Властивості колоїдних систем • розміри макромолекул ВМС відповідають розмірам колоїдних частинок (10 -9– 10 -7 м) • мала швидкість дифузії макромолекул, повільний перебіг усіх процесів; • нездатність макромолекул проходити крізь напівпроникні мембрани, тобто здатність до діалізу та ультрафільтрації; • здатність розсіювати світло; • малий осмотичний тиск, навіть за великих концентрацій ВМС.
властивості розчинів полімерів Специфічні властивості: • велика структурована в’язкість; • набухання; • утворення драглів.
Розчинення полімерів • При цьому відбувається зменшення загального об'єму системи. Це явище називається контракцією (V). Контракція супроводиться виділенням теплоти сольватації і в більшості випадків підпорядковується емпіричному рівнянню: V = a m (b + m) • де m – маса рідини, поглинутої 1 г полімеру, а, b — сталі величини
Набухання • Далі міжмолекулярні зв'язки в полімері послаблюються і молекули розчинника все більше проникають вглиб полімеру. Об'єм його збільшується, а загальний об'єм системи залишається сталим. Однобічний процес проникнення молекул розчинника у фазу полімеру називається набуханням. • Природа полімеру та розчинника. • Молекулярна маса полімеру. • Температура. • р. Н середовища. • Електроліти. ліотропний ряд Гофмейстера: SCN- > I- > Br-> NO 3 - > CI- > СН 3 СОО- > СIО 4 - > SO 4 посилюють не впливають зменшують
Набухання • В залежності від будови макроланцюга і характеру взаємодії макромолекул між собою і молекулами розчинника розрізняють обмежене і необмежене набухання. • Необмежене набухання — це набухання, яке самочино переходить у розчинення, при цьому утворюється однофазна гомогенна система. • Обмеженим набуханням називається процес взаємодії полімеру з низькомолекулярною, рідиною, обмежений стадією набухання.
Необмежене набухання Кінетична крива набухання при необмеженому — крива проходить через максимум, після якого α падає до нуля в результаті поступового розчинення полімеру.
Набухання • Процес набухання кількісно характеризується ступенем і швидкістю набухання. Ступінь набухання (а) виражається кількістю рідини, поглиненої одиницею маси або об'єму полімеру. • Ступінь набухання може бути визначений ваговим або об'ємним методом. Ваговий метод полягає у зважуванні зразку до і після набухання. Ступінь набухання розраховується за формулою: • • де m 0— маса вихідного полімеру; m – маса набухлого полімеру.
Набухання • Об'ємний метод визначення ступеня набухання оснований на вимірюванні об'єму полімеру до і після набухання • де V 0 - об'єм вихідного полімеру; • V— об'єм набухлого полімеру.
В'язкість • З підвищенням молекулярної маси збільшується довжина макромолекул, вони стають більш гнучкими і чинять менший опір потоку. • Штаудінгер показав, що для розбавлених розчинів полімерів з жорсткими молекулами питома в'язкість розчину описується рівнянням: • де К — константа для даного полімергомологічного ряду в даному розчиннику; М — молекулярна маса полімеру; с — концентрація розчину полімеру.
Гелi i драглi • Нетекучі структуровані системи, утворені в результаті міжмолекулярноі взаємодіі між макромолекулами полімеру або частинками золю. • Природні - цитоплазма, кришталик ока, шкіра.
Драглювання • За певних умов розчини ВМС втрачають свою текучість, перетворюючись в однофазні структуровані системи - драглі • Процес утворення драглів із розчинів ВМС називають драглюванням. Причиною драглювання є виникнення i зміцнення зв'язків між макромолекулами ВМС з утворенням просторової сітки (каркасу), яка утримує у проміжках весь об’єм (до 99 % загальної маси) розчинника. В результаті система втрачає текучість і набуває властивостей твердого тіла.
Тиксотропія • Тиксотропія – оборотне ізотермічне руйнування структури ( при струшуванні, перемішуванні) та її відновлення після припинення механічної дії
Синерезис • Розділення гелю або драглів на дві фази.
коацервація • У розчинах ВМС за зміни температура, р. Н або при додаванні низькомолекулярних речовин іноді спостерігається явище коацервація – своєрідної форми коагуляція розчинів ВМС. Коацервація відрізняється від висолювання тим, що речовина дисперсної фази не відділяється від розчинника, а відбувається злиття гідратних оболонок кількох частинок у краплини більших розмірів. Цей процес закінчується розшаруванням системи на два рідкі шари: розчин ВМС у розчиннику i розчинника у ВМС. • Шар, що містить всю або майже всю високомолекулярну сполуку, називають коацерватом.
Захисна дія ВМС – це здатність до утворення адсорбційно сольватних шарів на поверхні ліофобних частинок і тим самим застереження їх від безпосереднього зіткнення між собою, а також від агрегації Природи захищеного колоїдного розчину Природи ВМС Захисна дія ВМС залежить Ступеня дисперсності колоїдного розчину р. Н середовища
Колоїдний захист • Захисну дію в організмі мають білки, полісахариди, пектини. Вони захищають карбонати, фосфати кальцiю. • Кров, сеча – захищенi дисперснi системи. При патологiях захиснi властивостi бiлкiв змiнюються, що призводить до утворення осаду • Колоїдний захист у лiкарських препаратах : коларгол, Коло протаргол, лiзоргiнон, антисептики, золь срiбла.
Харчова промислов 1 сть: креми, майонез, морозиво стабiлiзують желатином, яечними бiлками
Колоїдний захист • Захисна дія ВМС – це здатність до утворення адсорбційно сольватних шарів на поверхні ліофобних частинок і тим самим застереження їх від безпосереднього зіткнення між собою, а також від агрегації • Захисне число – кількість мг сухої захисної речовини, яке необхідно додати до 10 мл досліджуваного золю, щоб захистити його від коагуляції
флокуляція При додаваннi до золю недостатньої кiлькостi ВМС для захисту - настае флокуляція Флокуляція – це осадження колоїдних частинок під впливом поліелектролітів
Скачать презентацию Фізико-хімічні властивості розчинів біополімерів План Поняття про ВМС
10 BMC (2).ppt