Файл: Н. И. Пирогова Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации.pdf

14 число свободных конформаций — энтропия системы увеличивается еще
больше. Экспериментально установлено, что при растворении, например, полиизобутилена в изооктане энтропия увеличивается на 2200 Дж/мольК.
Такая совокупность изменений термодинамических параметров системы полимер/растворитель снижает энергию Гиббса (G = H – TS < 0), поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики набухание и растворение
ВМС являются самопроизвольными процессами.
Из рассмотрения механизма и термодинамики образования растворов ВМС можно сделать важные выводы:
• растворы ВМС относятся к лиофильным молекулярно-дисперсным системам;
• несмотря на очень большую молекулярную массу, ВМС образуют истинные растворы — системы однофазные, гомогенные и термодинамически устойчивые.
11.3. Факторы, влияющие на набухание
Природа ВМС: а) форма и гибкость макромолекул в сухом полимере: лучше всего набухают
ВМС с гибкими анизодиаметрическими макромолекулами, хуже набухают
ВМС, состоящие из жестких макромолекул. Плохо или вообще не набухают полимеры с небольшой молекулярной массой и сферическими молекулами, в которых силы межмолекулярных взаимодействий, приходящиеся на молекулы с малой поверхностью, невелики по сравнению с теми же силами, приходящимися на большие линейные структуры. Такие полимеры могут растворяться, минуя стадию набухания; б) агрегатное состояние ВМС: аморфные ВМС набухают быстрее кристаллических из-за более высокой скорости диффузии молекул растворителя в аморфный полимер.
Температура влияет на первую стадию набухания в соответствии с принципом Ле-Шателье: поскольку на этой стадии выделяется теплота, то с повышением температуры степень набухания на этой стадии уменьшается — процесс лучше идет при низких температурах. На второй стадии набухания при повышении температуры увеличивается интенсивность осмоса (

= cRT), поэтому после окончания первой стадии набухание полимера лучше происходит при повышенных температурах.
Электролиты: если ионы электролитов, связывающие "свободную" воду в собственных гидратных оболочках, не адсорбируются на макромолекулах, например F
–
или Li
+
, то они уменьшают набухание или даже дегидратируют макромолекулы. Напротив, слабо гидратирующиеся и адсорбирующиеся вместе со своими гидратными оболочками ионы, такие как I
–
и CNS
–
, увеличивают гидратацию макромолекул и благоприятствуют набуханию (схема 11.1):
Cs
+
> Rb
+
> K
+
> Na
+
> Li
+
уменьшение набухания
CNS
−
> I
−
> Br
−
> NO
3
−
> Cl
−
> CH
3
COO
−
> F
−
> SO
4 2−
увеличение набухания
Схема 11.1. Лиотропные ряды катионов и анионов, влияющих на набухание

pH среды: при набухании белков в растворах с pH, близких к pI, макромолекулы белка сворачива- ются в клубки, ионизированные заряженные группы оказываются внутри клубков, они трудно дос- тупны молекулам воды, поэтому гидратные оболочки минимальны и белок хуже всего набухает. При изменении pH по сравнению с pI в более кислую или более щелочную среду макромолекулы разворачиваются, лучше гидра- тируются и белок набухает сильнее (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Кривая, характеризующая зависимость степени набухания белков от pH среды. Иллюстрирует метод определения изоэлектрических точек белков по степени набухания
11.4. Кинетика набухания
Скорость набухания (имеется в виду ограниченное набухание) может быть выражена, как и степень набухания, в весовых и объемных единицах.
Поскольку в непрерывном процессе набухания удобнее вести наблюдение за изменением объема набухающего полимера, то скорость набухания чаще выражается изменением объема полимера за определенный промежуток времени, т. е. производной
dV
dt
Уравнение кинетики набухания в простейшем виде может быть выражено уравнением первого порядка:
(
)
t
K
dV
V
V
dt


=
−
, где K — константа скорости набухания, зависящая от природы ВМС и раствори- теля;

— толщина первоначального слоя набухающего полимера; V

— предельный объем набухшего полимера; V
t
— объем полимера в момент времени t.
Константу скорости набухания можно найти по интегральной форме кинетического уравнения:
2.3
ln lg
t
t
V
V
K
t
V
V
t
V
V






=
=
−
−
Кинетику набухания удобно выражать графически в виде кривых, изображенных на рис. 11.3.

16
Рис. 11.3. Схематичный вид кривых набухания
Кинетические кривые показывают, что скорость набухания имеет наибольшую величину в начале процесса, а затем постепенно уменьшается и при предельном набухании становится равной нулю.
11.5. Растворы ВМС в фармации
Растворы ВМС могут использоваться и как самостоятельные лекарственные формы, и как вспомогательные вещества или носители лекарственных препаратов.
Как лекарственные формы применяются растворы трипсина, пепсина, являющихся белковыми ферментами, и желатина.
В качестве носителей лекарственных веществ используются растворы метилцеллюлозы, натрийкарбоксиметилцеллюлозы, поливинилового спирта, поливинилпирролидона, крахмала. Например, растворы крахмала с массовой долей 2%, называемые "слизями", могут быть носителями снотворного вещества — хлоралгидрата, а также и других лекарственных препаратов.
Многие ВМС в фармации применяются как защитные вещества для коллоидных лекарственных форм: ихтиола, колларгола и протаргола. ВМС используются в качестве основ для мазей, оболочек таблеток и капсул, а также как стабилизаторы эмульсий.
ГЛАВА 12
НАРУШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТВОРОВ ВМС
Принципиальное отнесение растворов полимеров к истинным растворам не означает, что они всегда находятся в равновесии и не могут потерять устойчивость.
Для истинных растворов всякое произвольно взятое состояние полностью определяется тремя параметрами: температурой, давлением и составом. При этом безразлично, каким образом было достигнуто такое состояние: путем разбавления или концентрирования, охлаждения или нагревания. Так, увеличение концентрации раствора и разбавление его до исходной концентрации, нагревание и охлаждение до исходной температуры, и т д. приводит истинный раствор к исходному состоянию. Другими словами, все процессы в истинных растворах протекают совершенно обратимо, что и является основным признаком истинного раствора. Все сказанное относится к растворам низкомолекулярных соединений: неорганических солей, сахаров, спиртов и т. п.
В силу особенностей строения высокомолекулярных соединений их растворы при некоторых условиях могут прийти в неравновесное состояние и потерять устойчивость. Причинами этого являются сильные нековалентные
взаимодействия между макромолекулами и замедленность всех процессов,
происходящих в растворах ВМС.
Макромолекулы ВМС даже в очень разбавленных растворах никогда не бывают изолированными друг от друга и всегда находятся во взаимодействии между собой, что обусловлено: наличием межмолекулярных водородных связей, межионных и гидрофобных взаимодействий и сил Ван-дер-Ваальса.
Межмолекулярные водородные связи в растворах белков возникают: между пептидными группами
C O
C
N
R
H
N
C
C
H
O
R'
, между незаряженными группами боковых цепей
C O
OH
C
HO
O
,

17 между пептидной группой и полярной группой боковой цепи
C O
C
N
R
H
. . .HO
, между полярной и заряженной группами боковых цепей
. . . HO
C O
O
−
Ионные связи образуются за счет электростатического притяжения между отрицательно заряженными группами –COO
–
боковых цепей аспарагиновой и глутаминовой кислот в одной молекуле белка и положительно заряженными группами во фрагментах гистидина, лизина и аргинина в других молекулах
(табл. 10.1).
Гидрофобные межмолекулярные взаимодействия проявляются между неполярными (гидрофобными) радикалами аминокислот валина, лейцина, изолейцина и фенилаланина.
Силы Ван-дер-Ваальса — это электростатические взаимодействия: постоянных диполей полярных участков макромолекул (ориентационный эффект), полярных и неполярных участков в результате поляризации последних
(индукционный эффект) и мгновенных диполей (дисперсионный эффект).
Все эти нековалентные взаимодействия примерно в сто раз слабее ковалентных, но поскольку практически каждый атом является их источником, то в белках, размеры молекул которых, а следовательно, и числа атомов в них, очень велики, суммарный эффект таких нековалентных взаимодействий весьма значителен.
В результате межмолекулярных взаимодействий макромолекулы соединяются в агрегаты (ассоциаты). Такая ассоциация имеет место также и в некоторых чистых низкомолекулярных жидкостях, например, в воде. Наиболее часто встречающееся число молекул в ассоциате называется средней степенью ассоциации, причем, каждому состоянию жидкости соответствует своя равновесная степень ассоциации, зависящая от температуры и концентрации: с понижением температуры и повышением концентрации степень ассоциации увеличивается и, напротив, уменьшается при повышении температуры и понижении концентрации. Однако между ассоциатами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений есть важное различие.
Если отрыв от ассоциатов и присоединение к ним маленьких молекул низкомолекулярных соединений (НМС) происходит очень быстро, то у макромолекул эти процессы происходят намного медленнее. Средний период жизни ассоциатов НМС очень мал (примерно 10
–10
с). У ВМС, подвижность молекул которых невелика, этот период значительно больше, поэтому при переходе от одних концентраций полимера и температур раствора к другим равновесная степень ассоциации устанавливается не сразу, как у НМС, а только по истечение довольно длительного промежутка времени. В течение этого времени, называемого временем релаксации, раствор будет находиться в неравновесном состоянии, и при действии некоторых факторов в нем могут происходить медленные самопроизвольные изменения, проявляющиеся в потере устойчивости.
12.1. Виды нарушения устойчивости растворов ВМС
Наиболее мягким видом нарушения устойчивости растворов ВМС является
коацервация (расслоение). Дословно коацервация (лат.) означает накопление, собирание в кучу.
Коацервация наступает вследствие ассоциации макромолекул и наблюдается при понижении температуры, изменении pH, при введении в раствор ВМС

18 небольших количеств низкомолекулярных электролитов (солей), спиртов или при незначительном изменении концентрации раствора.
Внешне процесс коацервации проявляется в образовании в растворе изолирован- ных друг от друга макроскопических капель второй жидкой фазы — коацервата.
Эти капли состоят из микроскопических капелек, представляющих собой ассоциат из нескольких макромолекул, разделенных гидратными оболочками.
Если выделившаяся вторая фаза имеет не слишком большую вязкость, то ее капли сливаются (коалесцируют) и через некоторое время раствор расслаивается на две жидкие фазы с различным содержанием ВМС — в коацервате концентрация его больше, а в другой части раствора меньше, чем в исходном растворе.
Если вязкость капель большая, то они не коалесцируют, а соединяются друг с другом, образуя флокулы (флокуляция), которые или оседают на дно сосуда в виде рыхлого осадка, или всплывают на поверхность наподобие виноградных гроздей (флокула (лат.) — гроздочка) в зависимости от того, что выше — плотность раствора или коацервата (схема 12.1). микрокапля макрокапля коацерват в виде сплошного слоя
В М С
растворитель коалесценция флокуляция раствор

ВМС
< 
H
2
O
флокулы

ВМС
> 
H
2
O
осадок коацерват в виде капель
ВМС +
растворитель
Схема 12.1. Коацервация раствора белка
Явление коацервации обратимо. При изменении условий, вызвавших ее, коацерват может перейти в исходный раствор.

19
Высаливание. Это осаждение ВМС (белков) при введении в раствор больших количеств нейтральных электролитов — солей.
Высаливающее действие солей заключается в связывании молекул воды в гидратных оболочках ионов, образующихся при диссоциации солей. Происходит как бы "удаление" молекул воды, необходимой для растворения белка, его эффективная концентрация становится больше растворимости и белок осаждается из раствора в виде хлопьев, волокон или рыхлых осадков. Этот процесс, хотя он и называется часто в медицинской литературе коагуляцией белков, только внешне напоминает коагуляцию коллоидных систем (табл. 12.1).
Таблица 12.1. Различия между высаливанием белков и коагуляцией золей
Высаливание белков
Коагуляция золей большое количество электролита небольшое количество электролита не подчиняется правилу Шульце—
Гарди подчиняется правилу Шульце—
Гарди причина — конкуренция за "свободную воду" между ионами добавляемого электролита и макромолекулами причина — сжатие ДЭС, адсорбция ионов, уменьшение

-потенциала обратимо чаще всего необратима
Концентрацию электролита, при которой наступает быстрое осаждение белка, называют порогом высаливания. Величина порога высаливания измеряется уже не в миллимоль/литр (как при коагуляции), а в моль/литр.
При высаливании белков основную роль играют анионы, которые имеют большую способность к связыванию "свободной" воды и по своему высаливающему
действию могут быть расположены в прямой лиотропный ряд Гофмейстера:
C
2
O
4 2–
> SO
4 2–
> PO
4 3–
> CH
3
COO
–
> Cl
–
> NO
3
–
> Br
–
> I
–
> CNS
–
Высаливающим действием по отношению к белкам обладают также некоторые органические растворители, в которых белки растворимы хуже, чем в воде, например, спирт или ацетон.
Полнота высаливания зависит от молекулярной массы белков: чем больше молеку- лярная масса, тем меньше их растворимость и тем полнее и быстрее происходит осаждение. На этой зависимости основан метод фракционированного
высаливания. Сущность его состоит в последовательном осаждении отдельных фракций белковой смеси возрастающими порциями электролита или спирта.
На высаливание влияет температура: при понижении температуры растворимость белков уменьшается и они осаждаются быстрее. На сочетании действия спирта, солей и охлаждения основан метод детального фракционирования по Кону.
Этим методом из сыворотки крови было выделено 12 белков.
Высаливание лучше всего происходит при значениях pH растворов, близких к pI белков, так как в изоэлектрическом состоянии макромолекулы плотно свернуты, имеют минимальные гидратные оболочки и наименьшую растворимость (рис. 12.1).

20 pH
pI
2 1
1
растворимость
2
высаливание
Рис. 12.1. Кривые, характеризующие зависимость растворимости и высаливания от pH среды и иллюстрирующие метод определения
ИЭТ белков по растворимости
При высаливании не происходит изменения нативной (природной) структуры биополимеров, поэтому данный метод осаждения белков обратим и нашел широкое применение для выделения и очистки белков.
Комплексная коацервация. Это явление наблюдается при смешивании растворов полиэлектролитов, имеющих противоположные заряды макромолекул
(например, двух белков с различными pI или белков и нуклеиновых кислот) или резко отличающихся по гидрофильности (например, желатина и крахмала или белков и лецитина). По существу, комплексная коацервация — это нарушение устойчивости раствора одного биополимера под действием другого.
При комплексной коацервации возможны следующие наиболее типичные случаи:
• белок А намного гидрофильнее белка Б, тогда белок Б высаливается и выпадает в виде хлопьев;
• белок А гидрофильнее белка Б, но не в такой степени, как в предыдущем случае, в итоге происходит коацервация белка Б, образующего вязкий коацерват.
Коацервация, особенно комплексная, играет огромную роль в биологических процессах, происходящих в клеточном веществе — цитоплазме. По некоторым своим свойствам коацерваты похожи на цитоплазму. Комплексная коацервация может сопровождать образование нуклеопротеинов, липопротеинов и других сложных белков. Согласно одной из теорий происхождения жизни на Земле (А. И. Опарин) именно коацерваты являются зародышами клеток и древних форм жизни.
Денатурация. Это нарушение нативной пространственной структуры белков, приводящее к изменению их физико-химических и биологических свойств.
В результате денатурации изменяются форма и размеры макромолекул, увеличивается вязкость растворов, уменьшаются растворимость и степень набухания, уменьшается или исчезает биологическая активность, белки теряют гидрофильность, становятся гидрофобными и выпадают в осадок, при этом, если денатурирующие агенты окрашены (таннин, сульфат меди), то образующиея осадки тоже имеют окраску.
В ряду нарушений устойчивости растворов белков денатурация занимает особое положение. Она не является следствием сильных межмолекулярных взаимодействий или замедленности процессов ассоциации в растворах ВМС.
Главные отличия денатурации от высаливания и коацервации заключаются в глубоких нарушениях нативной структуры белков в результате очень "грубых" воздействий на них денатурирующих факторов и в необратимости этого процесса. При денатурации происходит расщепление или образование дисульфидных мостиков, разрыв гидрофобных, ионных и водородных связей между различными участками молекул белков. В результате нарушаются