Тема 11: Растворы ВМС. Свойства биополимеров

Занятие №11

Дайте краткий ответ на теоретические вопросы:

1. Застудневание растворов ВМС: механизм и факторы процесса (форма макромолекул, температура, концентрация, рН, электролиты). Свойства студней: тиксотропия и синерезис.

Ответ: процесс, когда раствор полимера переходит в состояние студня, этот процесс называется застудневанием или желатинированием. Процесс застудневания протекает в течение определенного промежутка времени не только при комнатной температуре, но и при более низких температурах. На процесс застудневания существенно влияют размеры и разветвленность макромолекул полимеров. Особенно легко образуют студни высокомолекулярные соединения, у которых длина макромолекул достигает несколько тысяч ангстрем и в тысячи раз превышает их поперечные размеры. Более концентрированные растворы ВМС при прочих равных условиях легче дают студни, чем разбавленные. 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. Поэтому 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. По мере уменьшения действия анионов на процесс застудневания они располагаются в следующий ряд:

> CH₃COO^– > Cl^– > N > Br^– > J^– > CNS^–

 

Застудневание лучше всего протекает при рН раствора, соответствующем изоэлектрической точке белка.

Студни являются гомогенными системами, которые обладают упругими свойствами, нетекучи и способны сохранять форму. При старении студни теряют гомогенность. Это явление называют синерезисом.

 

2. Механизм набухания и растворения ВМС. Факторы, влияющие на набухание: температура, рН, электролиты.

Ответ: Процесс растворения ВМС протекает самопроизвольно, но в течение длительного времени, и ему часто предшествует набухание полимера в растворителе. Полимеры, макромолекулы которых имеют симметричную форму, могут переходить в раствор, предварительно не набухая. Набухание – это увеличение массы и объема полимера за счет проникновения молекул растворителя в пространственную структуру ВМС. Причиной набухания является большая разница в размерах молекул растворяемого вещества и растворителя и, как следствие этого, большое различие в скоростях их диффузии. Механизм набухания сводится к проникновению молекул растворителя в ближайшие слои полимера и сольватации соответствующих участков полимерной цепи. В результате этого макромолекулы «разрыхляются», что облегчает дальнейшее проникновение молекул растворителя и увеличение массы и объема полимера. Набухание и, следовательно, растворение ВМС зависят от природы растворителя и полимера, строения макромолекул полимера, температуры, присутствия электролитов, а также от рН среды (для полиэлектролитов).

 

Решите задачи:

1. ИЭТ гемоглобина и альбумина плазмы крови соответственно равны 6,8 и 4,64.

Укажите направление перемещения указанных ВМС при электрофорезе в буферной системе с рН = 5,1. Все специфические свойства полиэлектролитов проявляются лишь в условиях, когда их макромолекулы несут локально нескомпенсированные заряды. Эти свойства в основном определяются взаимодействием заряженных групп полиионов между собой и с окружающими их низкомолекулярными противоионами. Поэтому наибольший интерес для практики представляют водные растворы полиэлектролитов, в которых происходит электролитическая диссоциация соответствующих функциональных групп, входящих в состав звеньев молекулярных цепей.

Полиамфолиты, макромолекулы которых содержат одновременно и кислотные и основные группы, в зависимости от pH среды могут вести себя либо как поликислоты, либо как полиоснования. В кислой среде (pH=5,1) диссоциация кислотных групп подавлена, а в результате протонизации основных групп макромолекула превращается в поликатион, т.е. приобретает положительный заряд. Значение pH раствора полиамфолита, при котором средний суммарный заряд на цепях макромолекул равен нулю, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ). Обычно ИЭТ определяют с помощью электрокинетических методов (например, электрофореза), иногда косвенным путем по изменению свойств, связанных с зарядом макромолекул. Так, значения степени набухания макромолекул, растворимости полиамфолитов, осмотического давления и вязкости их водных растворов в ИЭТ проходят через минимум. Вязкость в ИЭТ минимальна, поскольку вследствие взаимного притяжения присутствующих в равном количестве противоположно заряженных групп полимерная цепь принимает форму плотного клубка, менее всего препятствующего течению жидкости. Обычно исследуют влияние pH среды на вязкость водных растворов желатины (полиамфолита) с целью определения его изоэлектрической точки. В кислой среде, при pH<5,1 (например, в разбавленном растворе HCl), подавлена диссоциация групп -COOH, а группы протонируются в - . Молекулы желатина приобретают положительный заряд.

 

 

Ответьте на тесты:

1. Набуханию способствуют

1. водородный показатель не совпадает с изоэлектрической точкой

2. водородный показатель равен изоэлектрической точки

3. высокая температура

4. водородный показатель меньше изоэлектрической точки

5. водородный показатель больше изоэлектрической точки

2. Застудневанию способствует

1. водородный показатель не совпадает с изоэлектрической точкой

2. высокая температура

3. низкая концентрация

4. линейная форма макромолекул

5. сферическая форма макромолекул

3. Превращение раствора ВМС в гель называется

1. синерезисом

2. коацервацией

3. тиксотропией

4. высаливанием

5. застудневанием

4. Слияние водных оболочек нескольких частиц ВМС без соединения самих макромолекул называется

1. синерезисом

2. коацервацией

3. тиксотропией

4. высаливанием

5. застудневанием