Лекция 15. Физико-химия растворов биополимеров

• Рассматриваются физико-химические процессы в растворах биополимеров.  

• Рекомендованная литература: учебник Виктора Николаевича Сергеева.  

• Вопросы лекции: высокомолекулярные соединения ВМС, их классификация, особенности растворов ВМС, методы определения изоэлектрической точки, белковые буферные системы.  

• Механизм образования растворов ВМС, процессы набухания.  

• Антагонистическое набухание, способы нарушения устойчивости растворов ВМС.  

• Структура образования в коллоидных дисперсных системах: гели, студни, тиксотерапия, синерезис, аномалии вязкости.  

• ВМС характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до миллионов дальтон.  

• Примеры ВМС: ДНК, РНК, белки, антифриз.  

• ВМС состоят из повторяющихся звеньев, называемых элементарными звеньями.  

• ВМС делятся на сополимеры и гомополимеры.  

• Примеры: белковые молекулы и крахмал.  

• Стереорегулярные ВМС включают повторяющиеся стереоизомеры.  

• Классификация по происхождению: природные и синтетические.  

• Полимеризационный и поликонденсационный механизмы образования.  

• Классификация по типу атомов: карбоцепные и гетероцепные.  

• Пространственная структура: линейные, разветвленные, лестничные, сетчатые.  

• Способность к ассоциации: неэлектролиты и полиэлектролиты.  

• Примеры биополимеров: полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты.  

• Растворы ВМС гомогенны, термодинамически устойчивы, равновесны и обратимы.  

• Макромолекулы ВМС не проникают через полупроницаемые мембраны.  

• Растворы ВМС характеризуются замедленностью диффузии и броновского движения.  

• Растворы ВМС образуются в результате набухания.  

• Высокая вязкость и осматические свойства растворов ВМС.  

• Пространственные формы макромолекул ВМС зависят от условий.  

• Белки содержат как кислотные, так и  

• Белки могут существовать в нейтральной, кислотной или основной форме в зависимости от pH.  

• Пример кислотного белка: пепсин с pH 1.  

• Пример основного белка: сальмин с pH 12.  

• Электрофорез: движение заряженных частиц в электрическом поле.  

• Изменение pH среды смещает равновесие в сторону образования катионов или анионов.  

• Пример электрофореграммы белков плазмы крови.  

• Оценка степени набухания: минимальная степень при pH, равном изоэлектрической точке.  

• Определение растворимости: минимальная растворимость при pH, близком к изоэлектрической точке.  

• Скорость застудневания: максимальная скорость при pH, равном изоэлектрической точке.  

• Белки проявляют буферные действия в широком диапазоне pH.  

• Буферная емкость определяется аминокислотным составом.  

• Пример: гистидин с соотношением анионной и изоэлектрической форм 25:1 при pH 7.4.  

• В изоэлектрическом состоянии макромолекула существует в плотном виде.  

• При подкислении или подщелачивании молекула частично разворачивается.  

• Растворимость минимальна при pH, равном изоэлектрической точке.  

• Набухание: самопроизвольный процесс поглощения воды высокомолекулярным соединением.  

• Первая стадия: диффузия, поглощение 20-30% воды.  

• Вторая стадия: осмос, увеличение объема полимера и прекращение выделения теплоты.  

• Первая стадия: поглощение воды, уменьшение объема.  

• Вторая стадия: увеличение объема, увеличение энтропии системы.  

• Третья стадия: неограниченное набухание или растворение.  

• Отсутствие сродства полимера и растворителя.  

• Наличие мостиковых связей в полимере.  

• Влияние природы высокомолекулярного соединения, агрегатного состояния, температуры и добавок электролита.  

• Зависимость степени набухания от pH среды.  

• Антагонистическое набухание: набухание одного белка за счет обезвоживания другого.  

• Примеры систем антагонистов: коллаген, основное вещество соединительной ткани.  

• Осаждение белка из раствора при добавлении солей или органических растворителей.  

• Конкуренция за воду между молекулами белка и электролита.  

• Процесс обратимый, зависит от температуры, природы агента и pH среды.  

• Разделение раствора ВМС на фазы с разной концентрацией.  

• Три стадии: образование ультрамикрокапель, агрегация, расслоение.  

• Комплексная консервация с полисахаридами.  

• Нарушение нативной структуры биополимера.  

• Факторы: температура, радиация, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов.  

• Влияние на стабилизацию и денатурацию растворов ВМС.  

• Превращение золей в гели.  

• Два типа структур: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные.  

• Студни: растворы ВМС, потерявшие текучесть, и их свойства.  

• Способность структурированных систем восстанавливаться после разрушения.  

• Старение ВМС: уменьшение объема студня за счет усовершенствования контактов.  

• Влияние температуры и электролитов на скорость синерезиса.  

• Зависимость вязкости от pH среды.  

• Структурная вязкость: образование надмолекулярных структур.  

• Осмотическое давление растворов ВМС: выше, чем по закону Вант-Гоффа, и зависит от pH среды.  

• Для определения осматического давления в растворах ВМС используется уравнение Галера.  

• Уравнение включает параметры: массовая концентрация c, молекулярная масса M, газовая постоянная R, абсолютная температура T и коэффициент B.  

• Коэффициент B зависит от формы макромолекулы и определяет отклонение от закона Ван-Гоффа в случае биомолекул и растворов высокомолекулярных соединений.  

• Основная причина отклонения связана с сегментным характером проявления молекулярно-кинетических и коллоидных свойств.