Биополимеры

Одной из важнейших групп ВМС, которая особенно интересна для биологии и медицины, являются биополимеры.

Биополимеры – это высокомолекулярные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность живых систем. К ним относятся: Белки. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) Полисахариды – целлюлоза, крахмал, гликоген. Все они выполняют важнейшие различные функции в биосистемах.

Особые свойства вмс

Полимеры обладают свойствами, которые отличают их от других классов веществ. К ним относятся:

• высокая молярная масса (колеблется в широких пределах от 5000 до десятков миллионов г/моль)

• асимметричное строение (длина молекулы в 10 и 100 раз больше, чем диаметр)

• гибкость и эластичность

Гибкость макромолекул – это способность отдельных звеньев или участков (сегментов) цепи полимера вращаться или колебаться относительно валентных связей – С – С – , что приводит к изменению конфигурации цепи.

Свойства растворов вмс.

Растворы полимеров являются лиофильными системами, поскольку между макромолекулами ВМС и молекулами растворителя существует сродство. При растворении ВМС наблюдается процесс сольватации – взаимодействие молекул растворителя с соответствующими группами полимера с образованием сольватных оболочек.

Таким образом, если между полимером и растворителем нет сродства, то получить раствор ВМС невозможно.

Если растворитель вода, то процесс называется гидратацией. В воде будут хорошо растворяться полярные полимеры, например белки. В растворах белков наблюдается два вида гидратации:

• Электростатическая

(ион-дипольное взаимодействие)

• Э лектронейтральная

(диполь-дипольное

взаимодействие)

водородные связи

Неполярные полимеры растворяются в неполярных растворителях (например, каучук в бензоле или спирте). При этом происходит процесс сольватации гидрофобных цепей молекулами неполярных органических растворителей за счет Ван-дер-Ваальсовых сил (Е_а = 4 кДж/моль), в результате возникает гидрофобный тип сольватации:

Природа растворов вмс.

В основе современной теории растворов ВМС лежат следующие положения:

• Полимеры образуют истинные растворы, в которых частицами дисперсной фазы являются макромолекулы, а не мицеллы. Это обусловлено, во-первых, их асимметричностью; во-вторых, мощной сольватной оболочкой. При таких условиях система гомогенна из-за отсутствия физической поверхности раздела между дисперсной фазой и средой.

• В концентрированных растворах полимеров появляется вероятность столкновения макромолекул, что приводит к образованию ассоциатов за счет взаимодействия между участками, лишенными сольватных оболочек. В отличие от мицелл, ассоциаты существуют кратковременно, распадаются и вновь образуются в различных участках объема системы и не являются постоянными кинетическими единицами.

Таким образом, растворы ВМС являются истинными растворами, проявляющими общие свойства с растворами низкомолекулярных соединений.

Свойства растворов вмс общие с истинными растворами нмс

• Самопроизвольность образования

• Термодинамическая устойчивость

• Обратимость

Самопроизвольность образования растворов ВМС объясняется двумя причинами:

 при образовании раствора ВМС система переходит из гетерогенного состояния (сухой полимер – растворитель) в гомогенное (истинный раствор полимера), что приводит к уменьшению поверхностной энергии (G_S < 0) и увеличению энтропии;

 растворение полимеров экзотермический процесс, т.к. сопровождается сольватацией (гидратацией) соответствующих групп атомов, и Н_{системы} < 0

С термодинамической точки зрения самопроизвольное протекание процесса обеспечивают энтальпийный (H < 0) и энтропийный (S > 0) факторы.

Термодинамическая устойчивость – это способность сохранять агрегативную устойчивость длительное время при неизменных внешних условиях. Устойчивость растворов ВМС обусловлена их гомогенностью и, как следствие, отсутствием стремления системы к уменьшению поверхностной энергии, а также самопроизвольным образованием растворов, которое сопровождается уменьшением свободной энергии (G < 0).

Обратимость растворов ВМС. Обратимость – это способность растворов ВМС обратимо изменять свои свойства при изменении определенных факторов (концентрации, температуры, давления, рН среды и т.д.). Например, если из раствора полимера удалить часть растворителя, а потом снова добавить такое же количество жидкости, то полученный раствор будет иметь свойства исходного раствора. Примером обратимости являются процессы высаливания и лиофильной сушки.