Определение молекулярной массы полимеров, размера, свойств и формы макромолекул

Застудневание. Ранее указывалось, что при ограниченном набухании образуется студень, который представляет собой пространственную сетку из макромолекул полимера, запол­ненную молекулами растворителя. Однако может происхо­дить и обратный процесс, когда раствор полимера переходит в состояние студня. Этот процесс называется застудневанием или желатинированием.

Сетчатые (пространственные) структуры формируются в студнях в результате возникновения водородных связей, элек­тростатических взаимодействий или более прочных химиче­ских связей между различными участками макромолекул. Если связи в студне являются водородными или электроста­тическими, то прочность его мала, и он легко разрушается. Примером таких систем служат студни желатины и агар-агара.

Процесс застудневания протекает в течение определенного промежутка времени не только при комнатной температуре, но и при более низких температурах. Время, необходимое для формирования рыхлых сетчатых структур студней, называется периодом созревания.

На процесс застудневания существенно влияют размеры и разветвленность макромолекул полимеров. Особенно легко образуют студни ВМС, у которых длина макромолекул дости­гает нескольких тысяч ангстрем и в тысячи раз превышает их поперечные размеры.

Более концентрированные растворы ВМС при прочих рав­ных условиях легче дают студни, чем разбавленные. Напри­мер, растворы желатины с ее массовой долей 2 % и более лег­ко превращаются в студни при комнатной температуре. Рас­творы с меньшей массовой долей (0,5-1%) образуют неустой­чивые студни, которые плохо сохраняют форму, а еще более разбавленные не желатинируются вовсе. Зависимость процес­са образования студня от концентрации объясняется тем, что в более концентрированных растворах уменьшается расстояние между макромолекулами и поэтому увеличивается число их столкновений и облегчается образование структур за счет их сцепления активными центрами.

Повышение температуры способствует усилению поступа­тельного и колебательного движения макромолекул и благо­приятствует разрыву связей между ними, что затрудняет застудневание. При понижении температуры ускоряется агрега­ция макромолекул полимера, и процесс застудневания идет легче, вот почему растворы, не застудневающие при комнат­ной температуре, в случае ее понижения образуют твердые студни.

Электролиты по-разному влияют на скорость застуднева­ния: одни - ускоряют, другие - замедляют, а некоторые - даже исключают возможность перехода ВМС в студень. На застудневание, главным образом, влияют анионы. Экспериментально установлено, что соли серной и уксусной кислот ускоряют процесс застудневания, хлориды и иодиды замедляют, а роданиды приостанавливают его.

Анионы располагаются в сле­дующий ряд по мере уменьшения их действия на процесс за­студневания:

SО₄^2- > СНзСОO^- > Сl^- > Вr^- > I^- > СNS^-.

Различия в указанных свойствах электролитов объясняются степенью их гидратации, которая уменьшается у анионов слева направо в данном ряду. Замедляющее действие анионов на процесс застудневания наблюдается, начиная с хлорид-иона.

Застудневание лучше всего протекает при рН раствора, со­ответствующем ИЭТ белка.

Студни являются гомогенными системами, которые обла­дают упругими свойствами, нетекучи и способны сохранять форму.

Упругость студней определяется прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки, а также свойствами ориентирован­ных слоев молекул растворителя. Особенно характерно это для полярных макромолекул в водной среде. Гидратные обо­лочки, окружающие полярные группы, создают упругую вод­ную сетку. Таким образом, жидкость, заполняющую сетку студня, можно условно разделить на две части; «свободную» и «связанную», входящую в состав сольватных оболочек.

Связанная вода обладает особыми свойствами: большей плотностью, пониженной температурой замерзания (до -15 °С), потерей растворяющей способности и т.д. Связанная вода студней играет большую роль в нашей жизни, поскольку при­сутствие ее в почве, растениях, во всех живых организмах обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает «водные запасы», определяет морфологические структуры клеток и тканей.

При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом. Он сопровождается уплотнением пространственной структурной сетки и уменьшением объема студня за счет выделения жидкой фазы. Примеры синерезиса - отделение сыворотки при свертывании крови, при скисании молока и др. Студни не способны восстанавливать свою структуру.

Из-за наличия пространственной сетки в студнях отсутст­вует перемешивание. Поэтому в них реагирующие вещества соприкасаются в результате медленной диффузии, и химиче­ские реакции имеют свои особенности, в частности специфи­чески протекают реакции осаждения. Например, если в сту­день желатины заранее ввести некоторое количество дихрома­та калия, а затем добавить более концентрированный раствор нитрата серебра, то возникает окрашенный осадок дихромата серебра:

К₂Сr₂О₇ + 2 AgNO₃ = Ag₂Сr₂О₇↓+ 2KNO₃

При стоянии в результате диффузии нитрата серебра оса­док распространяется вглубь студня, но не сплошной массой: возникают периодические зоны осадка, отделенные друг от друга совершенно прозрачными промежутками. Эти реакции получили название периодических. Их впервые наблюдал немецкий химик Р. Лизенганг (1886).

Периодическими реакциями объясняют сложное распреде­ление окраски многих минералов, генерацию нервных им­пульсов, мышечные сокращения, сложное строение камней, образующихся в почках, печени и желчном пузыре.

Коацервация. При нарушении устойчивости раствора бел­ка или полисахарида возможно образование коацервата - новой жидкой фазы, обогащенной биополимером. Коацерват может выделяться в виде капель или образовывать сплошной слой, что приводит к расслаиванию системы на две фазы. Од­на из фаз представляет собой раствор ВМС в растворителе, а другая - раствор растворителя в ВМС.

Коацервацию можно вызвать изменением температуры, рН среды или введением низкомолекулярных веществ.

Наиболее изучена коацервация белков и полисахаридов в водных растворах. Л.И. Опарин считал, что коацерваты сыгра­ли большую роль в процессах происхождения жизни на Земле.

Вискозиметрия - это гидродинамический метод, основан­ный на измерении вязкости жидкостей и растворов. Метод позволяет определить относительную молекулярную массу растворенного полимера, а также получить данные о размерах и форме его молекул. Вязкость можно определять различными способами, например методом истечения жидкости через ка­пилляр, методом падающего шарика и др.

Определение вязкости методом истечения жидкости ос­новано на измерении времени истечения одинаковых объемов раствора и растворителя через один и тот же капилляр и при одной и той же температуре, что позволяет рассчитать относительную вязкость.

Соглас­но закону Пуазейля объем жид­кости V, перетекающей через ка­пиллярную трубку, прямо про­порционален времени перетекания t, давлению столба жидкости р, четвертой степени радиуса ка­пилляра г и обратно пропорцио­нален длине капилляра l и вяз­кости ή:

также объем вытекающей жидкости V постоянны. Следовательно, их можно заменить константой k

Для измерения вязкости данным методом чаще используют капиллярные вискозиметры, представляющие собой видоиз­мененные варианты вискозиметра Оствальда. Для данного вискозиметра длина капилляра l и ее радиус г, а Тогда уравнение принимает вид

Согласно данному уравнению при постоянном давлении столба жидкости вязкость пропорциональна времени истече­ния.

В таком случае относительная вязкость выражается сле­дующим уравнением:

Если жидкости вытекают под влиянием собственной тяже­сти при равных высотах столба жидкости, то отношение дав­лений можно заменить отношением плотностей.

Поскольку при измерении вязкости разбавленных растворов ВМС плотности растворителя и раствора считают равными друг другу, то относительную вязкость рассчитывают по формуле

где t - время истечения разбавленного раствора ВМС; t₀ - время истечения чистого растворителя.

Измерив время истечения раствори­теля и растворов с различными концент­рациями полимера и рассчитав последовательно относительную, удельную и приведен­ную вязкости для этих растворов, строят график зави­симости приведенной вязкости ή_уд/С от концентрации С. Пря­мую экстраполируют на ось ординат и находят значение [ή]. Затем по уравнению рассчитывают относи­тельную молекулярную массу полимера.

Применение вискозиметрии для медико-биологических исследований Величина характеристической вязкости позво­ляет определить как относительную молекулярную массу по­лимера, так и размеры и форму ее макромолекул. Например, если растворы белков характеризуются величинами [ή], ле­жащими между 3,0 и 4,0 см³/г, то столь малое значение дан­ных величин указывает на глобулярную, весьма компактную структуру этих белков, форма которых незначительно отлича­ется от сферы. Большие значения [ή] указывают либо на вы­сокую степень асимметричности белков, либо на большой объем, занимаемый данными белками в растворе.

Зависимость приведенной вязкости растворов биополиме­ров от их концентрации для макромолекул с разными значе­ниями относительной молекулярной массы графически выра­жается прямыми с разным наклоном, который тем меньше, чем меньше масса макромолекулы (рис.10).

Угол наклона прямых в этих же координатах зависит и от формы макромолекул. При одинаковых М для молекул со сфе­рической симметрией прямая более пологая, чем для стержней.

При вискозиметрическом определении относительных мо­лекулярных масс биополимеров используются разнообразные

эмпирические формулы, связываю­щие [ή] с М. Например, для белков, подвергнутых денатурации в 6 М рас­творе хлорида гуанидиния (вещество, которое разрывает все водородные связи так, что белок превращается в статистический клубок, если отсутст­вуют дисульфидные связи внутри одной ППЦ) известно следующее соотношение:

где п – число аминокислотных остатков в белке

Зная среднюю молекулярную массу на один остаток, рав­ную 115, и число аминокислотных остатков в белке, можно рассчитать его относительную молекулярную массу.

Для двухцепочечных линейных молекул ДНК было найде­но, что соотношение между [ή] и М можно записать таким образом:

0,665 lgM= 2,863 + lg ([ή]+ 5)

Это истинно эмпирическое уравнение можно использовать для вычисления М при условии, что образец ДНК гомогенен по молекулярной массе. Данное ограничение следует иметь в виду вследствие большой чувствительности ДНК к деграда­ции в процессе выделения и очистки.

Дата добавления: 2013-12-14