Коллоидная химия В.Н. Сергеев

Приведем пример того, как получают модельные двухслойные липидные мембраны. На отверстие в пластмассовой диафрагме кисточкой наносят каплю раствора лецитина в гексане. По мере испарения растворителя и увеличения отверстия диафрагмы формируется плоская двухслойная структура, которая и является моделью биологической мембраны.

Насколько правомочным и удачным оказалось описываемое моделирование, показывает сравнение некоторых физико-химических свойств биологических и искусственных фосфолипидных мембран, приведенное в следующей таблице.

Таблица 7.1. Некоторые физико-химические свойства биологических и искусственных фосфолипидных мембран.

В последние годы при изучении мицеллярных систем, образующихся в организме, была установлена их роль в механизме возникновения проницаемости клеточных мембран для водорастворимых и малорастворимых веществ, в солюбилизации холестерина и белков при включении их в клеточные мембраны, в прямом включении мицеллярной фазы в каталитические реакции (например, с участием ферментов), в транспо рте и адсорбции липидов, в процессах усвоения пищевых ингридиентов, в физиологическом действии лекарств, например, таких, как анестетики и транквилизаторы, активность которых обусловлена их дифильной структурой, определяющей взаимодействие их с биологическими мембранами.

Рассмотрим, например, какую роль играют мицеллы в транспорте липидов. В предыдущем разделе мы остановились на рассмотрении образования высокодисперсных эмульсий жиров, что ускоряет их ферментативный гидролиз и всасывание. Однако, основная часть жиров всасывается в тонком кишечнике только лишь после расщепления их ферментом поджелудочной железы на жирные кислоты и моноглицериды. Всасывание этих соединений происходит при участии желчи. Жирные кислоты и моноглицериды образуют с компонентами желчи мицеллы, которые солюбилизируют холестерин и

91

жирорастворимые витамины (A, D, E, K). Таким образом, мицеллярная система обеспечивает растворимость витаминов, липидов и продуктов их распада в водной среде организма и всасывание их в кишечную стенку. Малые размеры мицелл (они примерно в 100 раз меньше самых маленьких капель эмульсий) и гидрофильность их оболочек позволяет мицеллам активно передавать липиды акцепторам клеточных мембран и осуществлять транспорт липидов внутрь клетки.

Биологическая активность и, особенно, специфичность многих биохимических процессов требует соответствующей структурной организации биологически важных компонентов организма. Мицеллообразование обеспечивает один из уровней организации молекул, причем, эта организация обратима. Переход мономер — мицелла в организме может быть одним из регулирующих механизмов, а равновесие между сферическими и плоскими мицеллами рассматривается как способ регуляции свойств биологических мембран.

Наконец, переход липидных бислоев клеточных мембран в с ферические мицеллы считается существенным для обеспечения слияния клеток, поскольку липидный бимолекулярный слой представляет собой термодинамически устойчивую систему, которая может противостоять слиянию с себе подобными структурами.

В современной медицинской практике существует растущая потребность в "адресных" лекарственных формах, при применении которых может быть осуществлен контроль поступления лекарств к тем клеточным структурам, на которые и направлено действие лекарственного препарата, другие клет ки при этом не подвергаются такому воздействию. Использование лекарственных препаратов, солюбилизированых в мицелах колоидных ПАВ, или, как теперь принято называть такие формы, инкапсулированных в мицеллах, дает возможность создавать такие "адресные" лекарства. Примером "адресного" лекарства является созданный в России препарат "Веторон", содержащий каротин, солюбилизированный в липидных мицеллах.

7.9. В а ри а н ты во п ро с о в и з а д а ч д л я с а м о с то яте л ьн о й ра б о ты Вариант 1

1. Укажите, какие из приведенных соединений относятся к коллоидным ПАВ:

а) CH3(CH2)3OH; б) C15H31COONa; в) CH3(CH2)2NH2; г) C12H25OSO2Na; д) CH3COOH; е) C8H17C6H4SO3Na; ж) C18H37N+H3Cl–; з) C6H5OH.

2.Чем отличаются изотермы поверхностного натяжения коллоидных ПАВ от изотерм истинно растворимых ПАВ?

3.Изобразите, как происходит формирование сферических мицелл в растворах коллоидных ПАВ, изобразите строение и напишите формулу мицеллы олеата натрия C17H33COONa с числом агрегации "m".

4.Представьте схематически изменение формы мицелл с ростом конце нтрации растворов коллоидных ПАВ. Почему при увеличении концентрации раствора число агрегации увеличивается за счет изменения формы мицелл, а не за счет увеличения их диаметра?

92

5.Нарисуйте схему включения в ионную мицеллу: а) бензола; б) полярных органических веществ, нерастворимых в воде (длинноцепочечных кислот, аминов, спиртов).

6.Каким образом обеспечивается растворимость жирорастворимых витаминов и липидов в водной среде организма и транспорт их внутрь клетки ?

Вариант 2

1. Укажите, какие из приведенных соединений относятся к коллоидным ПАВ:

а) C6H5CH2OH; б) CH3CH2COOH; в) C16H33N+H3Cl–; г) C17H31COONa; д) C10H21OSO2Na; е) CH3(CH2)2COOH; ж) C18H37N+(CH3)3Cl–; з) CH3(CH2)4NH2.

2.Представьте схематически как происходит образование сферических мицелл в растворах коллоидных ПАВ, изобразите строение и напишите формулу мицеллы додецилсульфата натрия C12H25OSO2Na с числом агрегации "m".

3.Для двух коллоидных ПАВ экспериментально установлены числа ККМ: 2 10–6 моль/л и 310–4 моль/л. Какие выводы на основании этого можно сделать: а) о величине гидрофобной части молекул ПАВ; б) о числе агрегации этих ПАВ?

4.Объясните, почему при увеличении концентрации растворов коллоидных ПАВ число агрегации увеличивается за счет изменения формы мицелл, а не за счет увеличения их диаметра?

5.Нарисуйте схему включения в ионную мицеллу октилового спирта

C18H33OH и додециламина C12H25NH2. В каком случае относительная солюбилизация будет выше?

6.Возможно ли создание таких лекарственных форм, при применении которых лекарства поступают только к тем клеточным структурам, на которые направлено их действие? Как называются такие лекарственные формы?

Вариант 3

1.Охарактеризуйте указанные коллоидные ПАВ по их способности к

диссоциации в водной среде: олеат калия C17H33COOK, октадециламмоний бромид [C18H37NH3]+Br–, 10-аминодекановая кислота NH2(CH2)9COOH, додецилсульфат натрия C12H25OSO3Na, цетилпиридиний хлорид .

2.Проанализируйте все виды дисперсных систем, которые могут быть получе -

ны из следующих веществ: вода, толуол, олеат натрия (C17H33COONa). Объясните на этом примере смысл понятий: ККМ и солюбилизация.

3.Объясните, почему процесс мицеллообразования в растворах коллоидных ПАВ является самопроизвольным, несмотря на то, что образующаяся коллоидно - дисперсная система обладает очень большой поверхностью раздела фаз?

4.Какие биологические структуры организма образуются в результате процесса мицеллообразования коллоидных ПАВ?

5.Приведите конкретные примеры, характеризующие медицинское и биологическое значение мицеллярных систем коллоидных ПАВ.

93

Ч А С Т Ь I I

Ф И З И Ч Е С К А Я Х И М И Я Р А С Т В О Р О В В М С 8. П Р Е Д М Е Т И О С Н О В Н Ы Е П О Н Я Т И Я Х И М И И В М С

Среди встречающихся в природе разнообразных веществ резко выделяется группа соединений, отличающихся от всех других особыми физическими и химическими свойствами. Эти вещества получили название высокомолекулярных соединений (ВМС) или полимеров. К ним относятся полисахариды (крахмал, целлюлоза), белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие соединения, широко распространенные в растительном и животном мире, где они образуются в результате жизнедеятельности организмов; по этой причине указанные вещества носят общее название биополимеры.

Несмотря на распространенность и доступность биополимеров и тесную связь их с жизнью человека, строение и природа этих соединений выяснены сравнительно недавно. Было установлено, что белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты (НК) представляют собой молекулы-гиганты, макромолекулы, состоящие из десятков и даже сотен тысяч атомов, а молекулярные массы полимеров лежат в пределах от 104 до 106 Дальтон.

Также было выяснено, что только макромолекулы обладают комплексом свойств, необходимых для существования и функционирования живых организ - мов. Более того, имеются веские основания считать, что без образования биополимеров вообще было бы невозможно возникновение жизни на Земле.

Биополимеры функционируют в водных средах, где они находятся в виде растворов или студней. Поэтому основное внимание в учебнике уделено свойствам растворов ВМС, процессам, предшествующим образованию этих растворов, и тому, как ведут себя биополимеры в растворах в зависимости от различных факторов, причем, акцент будет сделан на растворах белков.

8.1. К л а с с и ф и к а ц и я в ы с о к о м о л е к у л я р н ы х с о е д и н е н и й

ВМС можно классифицировать по различным признакам, а именно:

по происхождению:

природные: а) органические (биополимеры — белки, НК, полисахариды);

б) неорганические (силикаты, алмаз, графит);синтетические: а) органические (полиэтилен, полиамиды);

б) неорганические (полифосфонитрилхлорид).

по механизму образования:

полимерные (полученные реакцией полимеризации, например, полиэтилен);

поликонденсационные (полученные реакцией поликонденсации, например, белки).

по типу атомов, входящих в главную цепь макромолекулы:

карбоцепные, входят только атомы углерода (полиэтилен);

гетероцепные, кроме атомов углерода входят атомы O, N, P (белки, НК, полисахариды).

94

по пространственной структуре:

8.2. О с о б е н н о с т и с в о й с т в В М С и и х р а с т в о р о в

Особые свойства высокомолекулярных соединений являются следствием больших размеров их макромолекул. Молекулы многих ВМС анизодиаметричны, т. е. их длина во много раз превышает их диаметр.

В первую очередь следует отметить пластичность высокомолекулярных соединений и гибкость их макромолекул — способность изменять пространственную форму вследствие перехода от одной конформации к другой без разрыва химических ковалентных связей. В результате конформационных изменений макромолекулы могут принимать различную форму: линейную (фибриллярную), клубка или глобулы. Глобула — это частица,

образованная из скрученной макромолекулы. В отличие от клубка, размеры которого в результате конформационных изменений могут быть разными, а сама форма образуется за счет преимущественного взаимодействия между далеко отстоящими звеньями, в глобуле осуществляется связь между соседними звеньями, в результате чего глобула имеет постоянный размер.

Многие биополимеры, в частности высокомолекулярные полипептиды, белки, нуклеиновые кислоты и др. способны к самоорганизации, самопроизвольно образуя сложные пространственные структуры. Так, в белках несколько полипептидных цепей, сохраняя первичную, вторичную и третичную структуры, могут собираться в сложные агрегаты — субъединицы, которые затем образуют мультимерную структуру с более высоким уровнем пространственной организации, т. е. четвертичную структуру.

95

Для высокомолекулярных соединений возможны два агрегатных состояния:

аморфное и кристаллическое.

Наконец, самые необычные свойства ВМС — способность набухать при контакте с подходящим растворителем, образовывать пленки и волокна.

Растворы ВМС обладают свойствами как истинных растворов, так и коллоидных систем, а также специфическими, присущими только им свойствами.

Свойства, сходные со свойствами растворов низкомолекулярных соединений : растворы ВМС образуются самопроизвольно, гомогенны, термодинамически устойчивы, равновесны и обратимы, лиофильны.

Свойства, сходные со свойствами коллоидных дисперсных систем: макромолекулы ВМС не способны проникать через полупроницаемые мембраны, так как их размеры сопоставимы с размерами коллоидных частиц — 10–6 – 10–7 см; замедленны процессы диффузии и броуновского движения, малые значения осмотического давления, высокая способность к образованию молекулярных комплексов и пространственных структур.

Свойства, присущие только растворам ВМС: они образуются в результате неограниченного набухания сухого вещества ВМС, обладают очень высокой вязкостью даже при небольших концентрациях, способны изменять вязкость в зависимости от различных факторов и от свойств растворителя, при определенных условиях могут терять устойчивость.

8.3. К и с л о т н о - о с н о в н ы е с в о й с т в а б е л к о в

Важнейшие из природных полимеров: белки и нуклеиновые кислоты отличаются от большинства высокомолекулярных соединений тем, что в их состав входят многочисленные различные ионогенные группы. Такие высокомолекулярные соединения называют полиэлектролитами.

В зависимости от характера ионогенных групп различают сильные и слабые

поликислоты, полиоснования, полисоли и полиамфолиты (амфотерные полиэлектролиты). К природным сильным поликислотам относятся, например, агар-агар и естественный антикоагулянт крови гепарин, которые содержат остатки серной кислоты; слабые поликислоты с карбоксильными группами — пектин, полигалактуроновая кислота. Природных полиоснований и полисолей не существует, но такие полиэлектролиты синтезированы из мономеров, включающих основные или солевые группы: поливиниламин, поливинилпиридинийбромид и другие.

Белки являются полиамфолитами. В боковых цепях белки содержат ионизирующиеся группы как кислотного, так и основного характера: карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, аминогруппу лизина, гидроксигруппу тирозина, гуанидиновую группировку аргинина, имидазольную гистидина и меркаптогруппу цистеина. Кроме того, молекула белка имеет концевые карбоксильную и аминогруппу. В табл. 8.1 приведены области значений pH, в которых имеет место диссоциация кислотных и протонированных основных групп белков.

Ниже приведен фрагмент макромолекулы белка, где боковые цепи (R) могут содержать:

96

Такое состояние белка называется изоэлектрическим, а то значение pH раствора, при котором наступает изоэлектрическое состояние, называется

изоэлектрической точкой белка, обозначаемой ИЭТ или pI.

В изоэлектрическом состоянии белок представляет собой диполярный полиион:

(H3N+)n–Pt–(COO–)m (n m)

В зависимости от соотношения числа ионогенных групп белки могут быть нейтральными, для них pI = 5.5 – 7, основными (преобладают основные группы), для них pI > 7 или кислыми (преобладают кислотные группы), для которых pI < 5.5 (см. табл. 8.2).

Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах от 5.5 до 7.0. Однако, в природе есть белки, у которых значе ния изоэлектрической точки находятся при крайних значения pH среды. Например, величина pI пепсина (фермента желудочного сока) равна 1, а сальмина (основного белка из молок семги) — почти 12.

Для определения изоэлектрических точек белков применяются различные методы. ИЭТ определяют по:

электрофоретической подвижности (электрофорез — перемещение заряженных частиц в электрическом поле), при pH < pI белок движется к катоду (–), при pH > pI — к аноду (+), а при pH = pI белок неподвижен;

степени набухания (при pH = pI минимальна);

растворимости (при pH = pI минимальна);

скорости застудневания (при pH = pI максимальна);

вязкости растворов (при pH = pI минимальна);

величине осмотического давления (при pH = pI минимальна).

Таблица 8.2. Характеристики некоторых белков

Кислотно-основные свойства белков, как полиамфолитов, проявляются в том, что они в зависимости от pH растворов могут находиться в различных формах: белок-кислота (поликатионы), белок-основание (полианионы) и в виде диполярного полииона (белок-соль). При изменении pH происходит превращение одних форм белка в другие, причем эти превращения обратимы в определенных границах изменения pH (схема 8.1).

98

Схема 8.1. Кислотно-основные свойства белков

Белки вносят существенный вклад в поддержание кислотно -щелочного равновесия в живом организме за счет проявления буферных свойств. В отличие от низкомолекулярных буферных систем области буферного действия белков-полиамфолитов более широки, так как белковые молекулы способны образовывать много пар сопряженных кислот и оснований, поэтому они противодействуют как подкислению, так и подщелачиванию среды. Интервалы pH, в которых проявляется буферное действие белков, и величина буферной емкости их растворов зависят от аминокислотного состава белков. Для большинства белков буферная емкость уменьшается вблизи изоэлектрической точки, так как значения pKa большинства ионогенных групп существенно больше или меньше pI. Исключением является гемоглобин. В этом белке 8% от общего содержания аминокислот составляет гистидин, для которого значение pKa имидазольного фрагмента близко к значению pI этого белка. Поэтому гемоглобин эритроцитов, находясь практически в изоэлектрическом состоянии, обеспечивает около 25% буферной емкости крови.

Следует отметить, что гемоглобиновая буферная система эритроцитов действует в сопряжении с гидрокарбонатной системой плазмы крови.

Схема 8.2. Сопряжение белковой и гидрокарбонатной буферных систем

Равновесия (а) и (б) тесно связаны между собой. Рост концентрации CO2 (за счет повышения продуцирования при мышечной работе или за счет снижения удаления при дыхательной недостаточности) сдвигает равно весие реакции (а) вправо, а реакции (б) — влево, следовательно, увеличение концентрации ионов HCO3– соответствует снижению концентрации ионов Pt– и наоборот. В результате такого сопряжения сумма концентраций HCO3– и Pt–, обозначаемая в терминах кислотно -щелочного баланса "BB" (buffer base), остается неизменной, равной в норме 42 ммоль/л. Клетки и ткани организма также проявляют заметное буферное действие благодаря белкам.

Своеобразие белков-полиамфолитов проявляется также в самопроизвольном образовании ими лиофильных термодинамически устойчивых растворов и, что особенно важно, в зависимости пространственной формы макромолекул от pH растворов.

В водных растворах белков диполи воды определенным образом ориентируются вокруг заряженных групп –COO– и –NH3+ и образуют гидратные оболочки макромолекул, создавая плавный переход от органических молекул к неорганическому растворителю, что делает макромолекулы

99

лиофильными (гидрофильными), а чем лиофильнее частицы в системе, тем она термодинамически устойчивее.

Влияние кислотности среды на пространственную форму макромолекул определяет зависимость практически всех физико -химических свойств растворов белков от pH. В изоэлектрическом состоянии гибкие макромолекулы свернуты в более или менее компактные клубки вследствие вз аимного притяжения разноименных зарядов. В более кислой или более щелочной (по сравнению с pI) среде в макромолекуле преобладают заряды одного знака и в результате их взаимного отталкивания молекулы распрямляются и существуют в растворе в виде длинных гибких цепочек (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Влияние pH среды на пространственную форму макромолекул

В соответствии с такими изменениями форм макромолекул свойства растворов белков, как уже упоминалось, проходят через экстремальные значения в изоэлектрической точке: осмотическое давление и вязкость, набухание и растворимость минимальны в ИЭТ, скорость застудневания и высаливание в ИЭТ максимальны.

8.4. В а ри а н ты во п ро с о в и з а д а ч д л я с а м о с то яте л ьн о й ра б о ты Вариант 1

1.Охарактеризуйте приведенные ниже ВМС: а) по происхождению (природные, синтетические), б) по механизму образования (полимеризационные, поликонденсационные), в) по типу атомов в главной цепи (карбоцепные, гетероцепные), г) по структуре (линейные, разветвленные, лестничные): ц еллюлоза, поливинилацетат, амилопектин, искусственное волокно, натуральный каучук, гемоглобин, РНК.

2.Тождественны ли понятия: полимер, полиэлектролит, полиамфолит? Какие из нижеперечисленных соединений можно отнести к указанным веществам: полиаланин, полиакриловая кислота, каучук, целлюлоза, полиэтилен?

3.Правильны ли утверждения, что: 1) макромолекулы ВМС и коллоидные частицы одинаковы по а) размерам, б) форме, в) гибкости, г) лиофильности; 2) растворы ВМС не образуются самопроизвольно и термодинамическ и неустойчивы; 3) растворы ВМС являются равновесными лиофильными системами; 4) растворы ВМС являются коллоидными системами?

4.Процесс ступенчатой ионизации кислотных и основных функциональных групп в молекуле белка в зависимости от pH можно упрощенно представить схемой:

100