Методичні рекомендації

А б в

Рис.20. Форма окремих ланок молекули білка за різних значень рН розчину:

а - катіонна форма; б- ізоелектричний стан; в - аніонна форма

У лужному середовищі, навпаки, зменшується йонізація аміногруп, мо­лекула білка веде себе як кислота і набуває негативного заряду (20, в):

Н₃N - R -COO^- + OH ^- H₂N -- R --COO^- +H₂O

Заряд білка залежить від співвідношення в його молекулах кар­боксильних та амінних груп, а також від рН середовища. Якщо при йонізації на поверхні білка виникає однакова кількість позитивних і негатив­них зарядів, тобто сума електричних зарядів дорівнює нулю ( = 0), то такий стан білка називають ізоелектричним (ІЕС). Значення рН роз­чину, при якому білок знаходиться в ізоелектричному стані, називають ізоелектричною точкою (рН_ІЕТ). При цьому значенні рН протилежно заряджені групи –NH₃⁺ і –СОО^- притягуються одна до одної, молекула закручується у спіраль і згортається у клубок (рис.20, б). У заряд­женому стані ланцюги білків мають витягнуту форму (рис. 20, а і в) за рахунок відштовхування однойменно заряджених груп.

В ізоелектричній точці набрякання мінімальне, оскільки ступінь гідратації йоногенних груп найменша. Зміна рН в кислу або лужну ділянку відносно ізоелектричної точки призводить до зростання ступеня набря­кання (рис.21). Це пояснюється тим, що поява електричного заряду посилює ступінь гідратації макромолекул, а також збільшує сили елект­ростатичного відштовхування між ними.

Саме різким зменшенням рН і набряканням тканини за рахунок сусідніх ділянок пояснюють виникнення набряків при укусах комарів, бджіл, мурашок

Рис. 21. Вплив рН на ступінь набрякання білків

В ІЕТ не відбувається переміщення молекул під дією зовнішнього електричного поля, спостерігається мінімальна в’язкість розчинів, максимальне світлорозсіяння та набухання, найбільший осмотичний тиск.

У кислому середовищі (відносно ізоелектричної точки)

значення ІЕТ білків залежить від співвідношення в їх молекулах за­лишків моноамінодикарбонових і діаміномонокарбонових кислот. Більшість природних білків містять значні кількості залишків дикарбонових амінокис­лот (глутамінової, аспарагінової) і тому належать до кислих білків, тобто їх ІЕТ лежить у кислій ділянці шкали рН. Невелика група основних білків, у молекулах яких переважають вільні групи –NH₂ за рахунок підвищеного вмісту залишків діамінових амінокислот (лізину, аргініну, орнітину та ін.), мають ІЕТ у слабколужному середовищі (табл.6.).

Ізоелектрична точка деяких білків

Таблиця 6.

Білок	рНIEТ	Білок	рНIET
Еритроцити крові	1,70	Міозин м'язів	5,00
Пепсин шлункового соку	2,00	-Глобулін крові	5,20
Казеїн молока	4,60	Фібриноген крові	5,40
Альбумін сироватки крові	4,64	-Глобулін крові	6,40
Білки плазми крові	4,70	Гемоглобін крові	6,80
Желатина	4,70	Гістон клітинних ядер	8,50
Альбумін яйця	4,71	Хімотрипсин соку
		підшлункової залози	8,60
а-Глобулін крові	4,80	Гліадин пшениці	9,80

Як було зазначено вище, розчини ВМС утворюються самочинно, і є термодинамічно стійкими і оборотними системами. їх стійкість виз­начається розчинністю полімеру в даному розчиннику. Зокрема, термо­динамічна стійкість біополімерів пов'язана з їх великою гідрофільністю і адсорбцією молекул води. Порушити стійкість розчинів полімерів може будь-який чинник, який погіршує розчинність ВМС у даному розчинни­ку. Зміну розчинності ВМС можна здійснити такими чинниками: 1) зни­женням температури; 2) додаванням розчинника, в якому полімер важ­ко розчиняється; 3) уведенням електролітів.

При додаванні електролітів спостерігається перетворення гомо­генного розчину ВМС у гетерогенну систему. Процес осадження ВМС принципово відрізняється від коагуляції золів електролітами. Коагуля­цію колоїдних розчинів спричинює відносно невелика кількість електро­літу і цей процес є необоротним. Виділення ВМС із розчину відбуваєть­ся при додаванні концентрованого розчину електроліту і пояснюється зменшенням розчинності полімеру внаслідок усунення сольватної оболонки, яка оточує його макромолекули. Процес є оборотним: після ви­далення електроліту з осаду (промиванням або діалізом) полімер знову може розчинитись. Явище оборотного осадження ВМС під дією кон­центрованих розчинів електролітів називають висолюванням.

При осадженні ВМС із розчинів електролітами вирішальне значен­ня має не заряд йона-коагулятора (як при коагуляції золів), а схильність його до гідратації. Між макромолекулами ВМС і йонами електроліту відбувається конкурентна "боротьба" за диполі води.

Вирішальне значення у висолюванні, як і в набряканні, належить аніонам. Висолювальна дія аніонів відображається ліотропним рядом Гофмейстера:

С₂О₄^2- > SО₄^2-> F^-> СгО₄^2-> СН₃СОО^-> С1^-> NO₃^-> Вг^- > І^- > SСN^-

У такий самий ряд, але з меншим висолювальним ефектом, розмі­щуються і катіони:

Li⁺ > Na⁺ > К⁺ > RЬ⁺ > Сs⁺ Мg²⁺ > Са²⁺ > Sг²⁺ > Ва²⁺

Йони електролітів, які найсильніше гідратуються (перші члени ліотропних рядів), виявляють підвищену висолювальну дію. За однакової величини заряду краще гідратуються ті йони, у яких менший радіус. Тому для висолювання білків використовують концентровані розчини сульфатів амонію, натрію, магнію, а також сухий натрій хлорид та ін. Осадити білки можна також додаванням дегідратуючих речовин, зок­рема етанолу, ацетону.

Висолювання білків концентрованими розчинами солей є одним із методів фракціонування білкових сумішей на основі різної молекулярної маси компонентів: спочатку осідають білки з великою молекулярною масою (глобуліни), а потім - з меншою (альбуміни). Зниження розчин­ності білків можна досягти додаванням етанолу, солей і охолодженням. На цьому ґрунтуються методи детального фракціонування білкових су­мішей за Коном. Наприклад, із сироватки крові за допомогою цього методу вилучено понад десять білків.

Висолювання білків слід проводити за значень рН середовища, близьких до ізоелектричної точки. За інших значень рН зростає заряд і гідратація білкових молекул, що посилює розчинність.

Специфічне незворотне осадження білків, при якому змінюєть­ся їх структура і властивості, називають денатурацією. Денату­рація відбувається під впливом різкої зміни температури, дії висококонцентрованих розчинів кислот або лугів, ультразвуку, високого тиску, про­меневої енергії тощо. При цьому за рахунок руйнування водневих зв'язків і сольових містків порушується просторова форма і орієнтація білкової молекули (вторинна і третинна структура). Це призводить до втрати біологічної активності білків. Прикладом денатурації є варіння курячого яйця, приготування іншої гарячої їжі.

Сильне нагрівання може спричинити не тільки денатурацію білків, але й їх розкладання з виділенням летких продуктів.

У розчинах ВМС за зміни температури, рН або при додаванні низь­комолекулярних речовин іноді спостерігається явище коацервації - своєрідної форми коагуляції 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 і розчин розчинника у ВМС. Шар, що вміщує всю або майже всю високомолекулярну сполуку, називають коацерватом.

Коацервація відіграє важливу роль у біологічних процесах, що відбу­ваються у клітинній речовині - протоплазмі, оскільки коацервати за де­якими фізико-хімічними властивостями нагадують протоплазму.

За певних умов розчини ВМС втрачають свою текучість, перетво­рюючись в однофазні структуровані системи ВМС і розчинника - драглі. Вони можуть утворюватись у двох випадках.

1. Із розчину полімеру при його охолодженні, концентруванні, при додаванні невеликих кількостей електролітів, при зміні рН середовища.

2. При обмеженому набряканні полімеру у низькомолекулярному розчиннику:

Розчин ВМС Драглі ВМС

охолодження, обмежене

концентрування набрякання

Процес утворення драглів із розчинів ВМС називають драглюванням. Причиною драглювання є виникнення і 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.

На швидкість драглювання розчинів полімерів впливає температу­ра і рН середовища. Підвищення температури перешкоджає драглюванню в результаті збільшення інтенсивності броунівського руху моле­кул і зменшення числа та тривалості існування зв'язків між макромоле­кулами. Драглювання білків максимальне за значень рН, близьких до ізоелектричної точки, коли полімер існує в ізоелектричному стані.

Для драглів характерні такі властивості.

1. Оборотна деформація (еластичність) - здатність драглів до певної межі оборотно змінювати форму під дією прикладеної сили.

2. Тиксотропія - оборотне ізотермічне руйнування структури (при струшуванні, перемішуванні) та її відновлення після припинення меха­нічної дії. Таким чином, тиксотропію можна розглядати як оборотний процес: драглі розчин ВМС. Наприклад, протоплазма лімфоцитів розріджується внаслідок зовнішньої дії, але потім швидко відновлює

свою структуру.

3. Синерезис - явище ущільнення драглів, що супроводжується зменшенням їх об'єму (із збереженням форми) за рахунок додаткового зміцнення зв'язків між макромолекулами і відокремлення рідкої фази (роз­чину полімеру меншої концентрації). Синерезис відбувається у драглях тоді, коли система ще не досягла стану рівноваги і в ній продовжуються процеси структурування. Він спостерігається при зберіганні драглів.

Саме з явищем синерезису і дегідратацією пов'язують жилавість і жорсткість м'яса старих тварин, виникнення патологічних пухлин в організмі, зменшення еластичності тканин людини з віком

1. При вивченні першого питання скласти опорний конспект. Ознайомитися з таблицею, яка ілюструє використання синтетичних полімерів у медичній практиці.

2. При опрацюванні другого питання розглянути процес набрякання та чинники, які його зумовлюють.

3. При вивченні третього питання звернути увагу на процес висолювання ВМС та властивості драглів

4. При опрацюванні четвертого питання розглянути процес коацервації та її біологічну роль.

5. При розгляді п’ятого питання скласти опорний конспект.

Запитання для самоперевірки:

1. Які сполуки належать до високомолекулярних? Яка їх будова?

2. Які функції виконують біополімери в організмі?

3. Які особливості процесу розчинення полімерів і з яких стадій він складається?

4. Охарактеризуйте явище набрякання ВМС. Опишіть методику визначення ступеня набрякання. Які чинники впливають на набрякання полімерів?

5. Охарактеризувати ізоелектричний стан та ізоелектричну точку поліелектролітів (білків).

6. Які зміни відбуваються при: а) висолюванні білка; б) денатурації білка?

7. Чим коацервація відрізняється від висолювання?

8. Що таке тиксотропія і синерезис драглів?

9. Охарактеризуйте ізоелектричний стан та ізоелектричну точку поліелектролітів (білків).

Дата добавления: 2015-05-23