Полиамфолиты

Многие биополимеры (нуклеиновые кислоты, белки) имеют боковые ионоген-ные группы и являются полимерами-амфолитами. У них каждая макромолекула одновременно содержит отрицательнно и положительно заряженные группы, поэто-му общий суммарный заряд полиамфолитов и их устойчивость зависят от рН рас-твора. В кислой среде они заряжаются положительно, т.к. избыток Н⁺ нейтрализует заряд отрицательно заряженных групп, например, в случае белков схематично:

R---COO^- + H⁺ ® R---COOH

\ \

NH₃⁺ NH₃⁺

В щелочной среде общий заряд полиамфолитов отрицателен, т.к. избыток ОН^- нейтрализует положительно заряженные группы:

R---COO^- + ОH^- ® R---COO^-

\ \

NH₃⁺ NH₂ ^. Н₂О

При определенном значении рН число противоположных ионогенных групп в макромолекуле окажется одинаковым (заряды равными) и при этом полимер пере-ходит в электронейтральное состояние. Электронейтральное состояние полиамфо-литов называется изоэлектрическим состоянием, а значение рН раствора изоэлектрической точкой (ИЭТ). Например, для инсулина ИЭТ =7, для альбумина ИЭТ = 4, 9, а для коллагена ИЭТ = 4. Таким образом, можно формулировать общее положение, выражающее зависимость заряда частиц от реакции среды: в изоэлектрической точке частицы полиамфолитов электронейтральны; в растворах, рН которых ниже изоэлектрической точки, частицы полиамфолитов имеют положительный заряд; в растворах, рН которых выше изоэлектрической точки, частицы полиамфолитов заряжены отрицательны. Например, в растворе с рН = 4, 9 частицы альбумина электронейтральны, частицы коллагена заряжены отрицательно, а инсулина – положительно.

Свойства полиамфолитов в изоэлектрическом состоянии отличаются от свойств при других значениях рН (т.е. при заряженном состоянии). В изоэлектрическом сос-тоянии степень набухания, вязкость раствора, его осмотическое давление, устой-чивость полимера будут наименьшими, электрическая подвижность упадет до нуля (электрофорез не наблюдается). Это объясняется уменьшением степени сольватации макромолекул из-за снижения общего числа заряженных групп.

Изоэлектрическая точка конкретных белков, нуклеиновых кислот являются постоянной величиной, т.к. структура их молекул и число разных заряженных групп постоянны и определяются генетически. Поэтому ИЭТ биополимеров определяют с целью выяснения структуры их молекул. При прямых определениях измеряют электрофоретическую подвижность полимера в буферных растворах с различным значением рН. В изоэлектрической точке, ввиду отсутствия заряда у макромолекул, электрофоретическая подвижность их будет нулевой. При косвенных определениях находят минимумы степени набухания, вязкости, осмотического давления или устойчивости полимера в буферных растворах с различным значением рН.

 

Высаливание

Растворы полимеров термодинамически устойчивы: макромолекулы, в отличие от лиофобных коллоидных частиц, самопроизвольно не коагулируют.

Нарушить устойчивость растворов ВМВ можно путем ухудшения растворимости полимера, т.е. разрушения их сольватной оболочки, нейтрализацией заряда. Это наб-людается при введении в раствор ВМВ электролита или жидкостей, плохо раство-ряющих данный полимер, например этанол, ацетон, растворы средних солей. Высокополярные молекулы и ионы этих соединений сильно гидратируются (отни-мают воду) и образуют собственные сольватные оболочки. Полимеры, потеряв сольватную оболочку (главный фактор устойчивости), объединяются в хлопья и оседают. Такое осаждение полимеров при введении в их раствор солей называют высаливанием.

Высаливание внешне сходно с коагуляцией, однако для высаливания требуется больше концентрации электролита, оно обратимо и не подчиняется правилу Шульце-Гарди. При удалении высаливающего соединения из раствора полимера (например, диализом) макромолекулы восстанавливают сольватную оболочку, и осажденный полимер снова растворяется.

Концентрацию электролита, при которой наступает быстрое осаждение полимера, называют порогом высаливания ВМВ. По высаливающему действию ионы электро-литов образуют последовательность, называемая лиотропным рядом Гофмейстера. Обычно сильный высаливающий эффект вызывают анионы в следующем порядке:

цитрат ион^3- > SO₄^2- > F^- > CH₃COO^- > Cl^- > NO₃^- > I^- > CNS^-.

Для катионов: Li⁺ > Na⁺ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Sr²⁺ > Ba²⁺.

Из лиотропного ряда ионов следует, что высаливающий эффект определяется способностью ионов к гидратации: чем меньше масса и больше иона, тем больше удельная плотность их заряда и соответственно, тем больше способность к гидратации и высаливающее действие иона. Обратимость высаливания позволяет использовать его для выделения отдельных белков из их смеси. У каждого белка определенная молекулярная масса и заряд, следовательно, определенная устой-чивость в растворе. Поэтому разные белки высаливаются при различных кон-центрациях солей. Например, белки плазмы крови осаждающиеся в 50% -ном насыщенном растворе (NH₄)₂SO₄ были названы глобулинами, а выпадающиеся в 100 %-ном растворе - альбуминами.

С помощью высаливания из плазмы крови выделяют ценные белковые лекар-ственные препараты. Высаливание хлоридом натрия используют в производстве мыла, чтобы осадить его из раствора, где оно образуется при кипячении жиров с содой.