Файл: Захарченко В.Н. Коллоидная химия учебник.pdf

Удельное и, следовательно, молярное вращение зави­ сят от длины волны света. Это явление называется диспер­ сией оптического вращения. Его изучение позволило об­ наружить конформационные изменения белков в процессе их денатурации. В последние годы для изучения конформационных изменений в белках, синтетических полипепти­ дах и нуклеиновых кислотах применяют метод оптического кругового дихроизма. Этот метод основан на различии коэффициентов поглощения левого и правого циркулярнополяризованного света в зависимости от длины волны.

Строение важнейших биологических полимеров. На осно­ вании изучения строения аминокислот (из остатков кото­ рых составлены белковые молекулы), синтетических поли­ пептидов и ряда других соединений Л. Полинг и Р. Кори в 1951 г, высказали гипотезу о существовании спиральной конформации в макромолекулах, содержащих пептидные связи типа

O R * Н О Ry Н О Rft Н

... - С —CH— N—С—CH—N—С—CH—N— ...

Строение цепи должно быть таково, чтобы обеспечить максимальное удаление друг от друга боковых групп Rlt R], Rh... В то же время оно обеспечивает возникновение водородной связи между группой —С=0 и амидным водо­ родом. Все это возможно в а-спирали Полинга—Кори. В пяти витках ее содержится 18 аминокислотных остатков. Под действием ряда факторов спиральная конформация может перейти в клубок. Для регистрации таких переходов применяют оптические методы, рассмотренные выше. Суще­ ствование спиральной конформации (ее называют также вторичной структурой) во многих нативных белках в на­ стоящее время доказано многочисленными исследованиями.

Молекулы глобулярных белков имеют шарообразную форму, но в них также имеются пептидные цепи, сверну­ тые в спираль. Предполагается, что в таких молекулах между различными участками спирали возникают взаимо­ действия, изгибающие и поворачивающие цепи. Простран­ ственная структура, образующаяся в результате взаимо­ действий отдельных участков пептидной цепи, называется третичной.

Конфигурация молекул глобулярных белков определя­ ется двумя типами взаимодействий: водородной связью и так называемыми гидрофобными силами. Способность бел­ ковых молекул образовывать водородные связи типа

205

СО ... Н N между звеньями цепи зависит от раство­

почти не нарушаются, и степень спиралы-юсти очень вели­ ка. В растворителе, склонность которого к образованию водородной связи не меньше, чем между группами С = О

и N Н, связи С = 0 ... Н — N оказываются разрушен­ ными.

Связи, обусловленные гидрофобными силами, не явля­ ются особым типом химического взаимодействия, как в случае водородной связи. Термин «гидрофобное взаимодей-

Рис. 94. Бнспиральная молекула Д Н К

ствие» введен для ооозначения взаимодействия друг с дру­ гом слабо гидратированных углеводородных частей моле­ кул. Энергия их взаимодействия между собой значительно выше энергии гидратации, что способствует сворачиванию молекул с образованием отдельных, гидрофобных областей, в состав которых входят несколько углеводородных ради­ калов макромолекулы. Свернутые молекулы глобулярных белков, содержащие гидрофобные области, по ряду свойств похожи на мицеллы полуколлоидных веществ. В частности,

они также солюбилизируют углеводороды и жирораствори­ мые красители.

В ряде случаев внутримолекулярных связей для под­ держания спиральной структуры оказывается недостаточ­ но, и она может быть обеспечена взаимодействием двух или более цепей. Таким путем образуются многоспираль­ ные полимолекулярные комплексы. На рис. 94 показана биспиральная. молекула ДНК. Ее форма устанавливается под действием водородных связей между пуриновыми и пи­

206

римидиновыми основаниями и гидрофобным взаимодейст­ вием между углеводородными радикалами.

Растворы полиэлектролитов. Полиэлектролитами назы­ ваются высокомолекулярные соединения, содержащие ионогенные группы. Их значение определяется тем, что в состав этой группы входят важнейшие природные соеди­ нения — белки и нуклеиновые кислоты. Из других при­ родных соединений отметим альгинаты и гепарин.

Наиболее хорошо изучены свойства водных растворов белков. При растворении белков в воде происходит иони­ зация ионогенных групп. Характерные реакции диссоциа­ ции

—СООН дд —с о о - + Н+

—С„Н4ОН дд —С0Н„Сг + н +

—NHo + Н20 дд —NH* + ОН-

Степень ионизации каждой группы зависит от pH сре­ ды. Поскольку белковые молекулы содержат и кислотные, и основные группы, они проявляют свойства амфотерных соединений, образуя макроионы, заряженные, как указы­ валось ранее, положительно в кислой среде и отрицатель­ но — в щелочной. Заряд достигает ± 2 атомных единиц на каждую тысячу единиц молекулярного веса в зависимости от концентрации водородных ионов в растворе.

Система, содержащая макроионы, в целом электронейт­ ральна. В соответствии с этим условием необходимо учи­ тывать присутствие других ионов. Эти ионы образуются не только при диссоциации ионогенных групп самой мак­ ромолекулы, но и при диссоциации других соединений, содержащихся в растворе. Следовательно, поведение по­ лиэлектролитов зависит от концентрации низкомолекуляр­ ных электролитов.

Рассмотрим систему, образующуюся при растворении в воде полиэлектролита с добавкой нейтральной соли, дис­ социирующей на одновалентный анион и одновалентный

катион. Обозначим суммарный заряд макроиона z, его кон­ центрацию тпэ, а концентрацию катионов и анионов соот­ ветственно т+ и т_. Условие электронейтральности при очень малых по сравнению с остальными ионами концент­ рациях водородных и гидроксильных ионов можно запи­ сать так:

207

Если же концентрациями водородных т н+ и гидро­ ксильных тонионов пренебречь нельзя, то

Соотношение между числом кислотных и основных групп в белке, а также константы их ионизации определя­ ют изоэлектрическую точку (стр. 178). Уравнение (XI, 34)

в случае отсутствия примесных электролитов приобретает форму

(X I, 35)

(X I, 36)

Водородный показатель рНІ10, устанавливающийся в растворе чистого белка, характеризует изоионную точку. Очень часто она близка к изоэлектрической. Различие меж­ ду ними увеличивается, если снижается концентрация бел­ ка, так как изоэлектрическая точка не зависит от концент­ рации полиэлектролита. В изоэлектрической точке элект­ ростатическое притяжение между противоположно заря­ женными частями макромолекул глобулярных белков вы­ ражается всего сильнее. В таком состоянии макромолеку­ лы стремятся принять наиболее плотную клубковую упа­ ковку, и растворимость их становится минимальной. Так как в достаточно концентрированных растворах изоионная точка близка к изоэлектрической, то тщательной очисткой раствора от примесных электролитов можно выделить бе­ лок из раствора. Для этой цели удобен метод электродиа­ лиза.

Наиболее распространено разделение белков электрофо­ резом, основанным на различиях зарядов макроионов. Ско­ рость движения макроионов зависит от из заряда, гради­ ента напряжения электрического поля и вязкости среды. А. Тизелиус разработал метод изучения электрофоретиче­ ской подвижности белков с помощью прибора, схема кото­ рого изображена на рис. 95. От прибора, предназначенного для изучения лиозолей (см. рис. 47), он отличается некото­ рыми конструктивными особенностями. Наиболее сущест­ венное из них — применение разъемных кювет прямоуголь­ ного сечения. Этим достигается возможность наблюдения за движением неокрашенных в видимой области белков с помощью специальных оптических систем. Концентрация

208

белков на различных участках прямоугольной ячейки ре­ гистрируется по изменениям показателя преломления. Изу­ чение градиента показателя преломления при электрофоре­ зе дает возможность проводить качественный анализ смеси белков и их препаративное разделение по различию элект­ рофоретической подвижности. Этот метод назван свободным электрофорезом.

Более прост экспериментальный метод, представляющий собой сочетание электрофореза с хроматографией. Он наз-

Рис. 95. Прибор Тизелиуса для электрофореза:

ван зональным электрофорезом. В нем одновременно ис­ пользуются различие зарядов и различие сорбционной ак­ тивности разделяемых веществ.

Белковые смеси анализируют электрофорезом на бума­ ге. Хроматографическую бумагу пропитывают буферным раствором, поддерживая тем самым необходимое значение pH. Наносят анализируемую смесь и создают электриче­ ское напряжение. По истечении определенного времени (оно зависит от свойств разделяемых белков, носителя и приложенной разности потенциалов) проявляют электрофореграммы химическими или биохимическими методами.

Еще более успешное разделение белков достигается, если в качестве носителя берут набухший крахмал или полиакриламид (электрофорез на гелевом носителе). Мно­ гочисленные модификации этого метода описаны в специ­ альной литературе.

209

Растворы полиэлектролитов отличаются от растворов неионогенных высокомолекулярных веществ и своими ос­ мотическими свойствами. Эта особенность была установле­ на в 1911 г. Ф. Доннаном, показавшим, что концентрации ионов по обе стороны полупроницаемой мембраны разли­ чаются. Для доказательства этого положения рассмотрим систему, разделенную на две части полупроницаемой мем­ браной. Пусть в одной части содержатся макроионы и электролит в растворе, в другую часть макроионы не проникают. Возьмем принятые ранее обозначения заряда макроионов, их концентрации, концентрации анионов и ка­

тионов: 2, /ппэ, т_, т+. Концентрации ионов в части, со­ держащей макромолекулы, обозначим без штриха, а в ячей­ ке без макроионов — со штрихом: т'_ и т+.

Условие равновесия системы — равенство активностей электролита по обе стороны мембраны. Из курса физиче­ ской химии известно, что активность электролита равна

произведению активностей составляющих его ионов. Сле­ довательно,

Анализируя уравнение (XI, 37 а), молено сделать сле­ дующие выводы:

при положительном г справедливы неравенства т+> > т+ и т_ < т_;

210