3.14. Растворы высокомолекулярных соединений

Истинный раствор высокомолекулярного соединения – это термодинамически устойчивая гомогенная, равновесная система, которая образуется самопроизвольно при контакте полимера с низкомолекулярной жидкостью при наличии сродства между ними. Растворению предшествует набухание. В очень разбавленных растворах макромолекулы изолированы, практически не взаимодействуют друг с другом и непрерывно изменяют свою конформацию при тепловом движении. Чем сильнее взаимодействует полимер с растворителем, тем больше клубок разбухает. С увеличением концентрации полимера клубки в растворе разворачиваются и макромолекулы взаимодействуют друг с другом с образованием неупорядоченных ассоциатов. В очень концентрированных растворах образуются упорядоченные надмолекулярные ассоциаты типа пачек.

Следует иметь в виду, что потенциальная энергия гидратации:

U = (p*q)*cosφ/r²

φ - угол между направлением диполя и линией, связывающей молекулу воды и ион,

q - заряд иона,

p - дипольный момент молекулы воды,

r - сумма кристаллохимических радиусов молекулы воды и иона.

3.15. Влияние растворителя на растворимость белка

Добавление органического растворителя (этанола, ацетона) в воду уменьшает растворимость большинства белков до такой степени, что они выпадают в осадок. Было выявлено, что растворимость белков при определенных значениях рН и ионной силы зависит от диэлектрической проницаемости среды и от способности добавленного растворителя понижать степень гидратации ионных групп. Т.к. при снижении диэлектрической проницаемости силы притяжения между двумя противоположными зарядами возрастают, то создаются условия для образования ионных пар. Этанол, у которого диэлектрическая постоянная меньше, чем у воды, способствует агрегации белка, т.е. снижает их растворимость. Это можно использовать для выделения и разделения белков.

3.16. Влияние температуры на растворимость белка

В интервале от 0 до 40ºС растворимость белков возрастает. Однако существуют исключения. При температуре 40-50ºС большинство белков денатурируют (утрачивают стабильность), а денатурация сопровождается резким снижением растворимости в области нейтральных рН.

3.17. Осмос и мембранное равновесие белков

Многие важные свойства белков в растворе объясняются очень большими размерами белковых молекул. Они не диффундируют через полупроницаемые мембраны, через которые проходит вода и низкомолекулярные вещества. Например, изготавливают целлофановые мембраны, которые используют для удаления низкомолекулярных веществ из растворов, которые содержат белки – это диализ. Если отделить раствор белков от чистой воды полупроницаемой мембраной, то наблюдается осмос (т.к. термодинамическая активность молекул воды в белковом растворе меньше, чем в чистой воде). Система компенсирует различие в активности за счет перемещения молекул чистой воды в пространство, содержащее раствор белка. Перемещение продолжается до тех пор, пока концентрация воды с обеих сторон не выровняется.

Осмотическое давление – это сила, которую нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое движение молекул воды. Посредством измерения осмотического давления можно разработать метод определения молекулярной массы белков: из уравнения Вант-Гоффа (π = RTC) следует, что, как и все энтропийные термодинамические эффекты, осмотическое давление в разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенного вещества, а при постоянной температуре определяется только общим числом кинетических элементов (ионов, молекул, коллоидных частиц) в единице объема раствора. Это и позволяет определить среднечисловую молекулярную массу белков:

M = RTС/π;

С − концентрация белка, взятого для измерения.