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

21 нативные третичная и в значительной степени вторичная структуры. Первичная структура белков при этом не нарушается.
Денатурацию белков вызывают как химические, так и физические факторы.
Механизм денатурирующего действия химических агентовопределяется их строением и свойствами. Например, мочевина, гуанидинхлорид, формамид благодаря наличию амидной группы конкурируют с пептидными группировками белков за водородные связи, переключая их на себя. Эти реагенты нарушают также гидрофобные взаимодействия.
Умеренно полярные органические растворители (низшие спирты, этандиол-1,2, диоксан, ацетон и др.) резко уменьшают диэлектрическую проницаемость водных растворов белков, вследствие чего увеличиваются электростатические силы взаимодействия между заряженными группами макромолекул. Образование прочных внутри- и межмолекулярных связей приводит к денатурации белков.
Органические растворители, а также алифатические и ароматические углеводороды разрушают внутримолекулярные гидрофобные связи прямым взаимодействием с гидрофобными группами белков.
Ионогенные коллоидные ПАВ, например додецилсульфат натрия, соединяются с противоположно заряженными группами белков.
Электростатическое отталкивание оставшихся в пептидной цепи одноименно заряженных групп приводит к разрыву водородных связей и других слабых взаимодействий, стабилизирующих нативную структуру белков.
Катионы тяжелых металлов и анионы иода, тиоцианата образуют достаточно прочные соединения с тиольными и другими полярными группами белков, искажая систему ионных и водородных связей.
Для трихлоруксусной кислоты и таннина характерен сложный механизм денатурации, включающий непосредственное воздействие на водородные связи и блокирование полярных группировок.
Кислоты и щелочи, добавленные в достаточно больших количествах, вызывают резкое изменение pH растворов белков — до 2 – 3 при подкислении и до 10 – 11 при подщелачивании. В этих условиях практически все диссоциирующие группы белка имеют одноименный заряд (преимущественно
H
3
N
+
-группы при низких значениях pH и COO
–
при высоких). Взаимное отталкивание одноименных зарядов вызывает разрыв части слабых связей, в результате чего нарушается нативная структура.
Из физических факторов денатурации наиболее общим яляется повышение температуры. Усиление теплового движения полипептидных цепей приводит к разрыву водородных связей и нарушению гидрофобных взаимодействий. Такие же нарушения структуры белков происходят при замораживании и оттаивании.
Белки денатурируют и при механических воздействиях: высоком давлении, растирании сухих препаратов, энергичном встряхивании растворов, облучении ультразвуком. Так, при действии ультразвука или высокого давления происходит разворачивание макромолекул, вплоть до разрыва ковалентных связей.
Физическими факторами денатурации белков являются также ультрафиолетовый свет, ионизирующие излучения (проникающая радиация, рентгеновские лучи), которые вызывают разрушение водородных связей, образование свободных радикалов, окисление дисульфидных мостиков, возможно до сульфинильных и сульфонильных групп.
Денатурация белка происходит также при распределении его на границе раздела фаз. Такая поверхностная денатурация наблюдается при вспенивании белковых растворов в процессе выделения белков и при нарушении технологии приготовления белковых фармацевтических препаратов.

22
В отличие от высаливания денатурацию нельзя применять для выделения белков, так как даже при "мягкой" денатурации, которую вызывают некоторые соли или органические реагенты, обратимость денатурации наблюдается очень редко, чаще же всего белок после прекращения действия мягкого денатурирующего агента не полностью идентичен по своим свойствам нативному.
Денатурация белков имеет большое значение для физиологии и медицинской практики. В первую очередь это — кулинарная и технологическая обработка пищевых белков, применение вяжущих, дубящих и дезинфицирующих средств, лечение отравлений тяжелыми металлами, когда больному назначают сырой куриный белок, который сам легко денатурируется вследствие содержания большого числа групп –SH, защищая тем самым белки организма.
12.2. Значение нарушения устойчивости растворов ВМС и коллоидных
систем для технологии лекарств
Различные виды нарушения устойчивости коллоидных дисперсных систем и растворов ВМС, широко применяемых в фармации как лекарственные формы, а также некоторые другие причины могут приводить к возникновению крайне нежелатель- ных явлений, которые носят общее название фармацевтические несовместимости.
Фармацевтические несовместимости –– это такие сочетания ингредиентов в лекарственных препаратах, при которых за счет взаимодействия лекарственных веществ между собой или со вспомогательными веществами изменяются физико-химические и терапевтические свойства лекарств.
По механизму причин, вызвавших фармацевтические несовместимости, их делят на физические и химические. Причин несовместимостей очень много и в небольшом разделе главы практически невозможно описать даже уже известные случаи несовместимых сочетаний. Поэтому остановимся только на тех примерах, которые имеют непосредственное отношение к данному курсу.
К физическим несовместимостям относят коагуляцию в коллоидных системах под влиянием коагулянтов, что приводит к образованию осадков. В эмульсиях несовместимости проявляются в слипании, всплывании и расслоении фаз под действием электролитов. В растворах ВМС электролиты и спирт могут вызывать высаливание и денатурацию.
По отношению к порошкообразным веществам причинами физических несовместимостей могут быть избыточная адсорбция влаги из воздуха (за счет образования смеси, поглощающей влагу) или выделение кристаллизационной воды. В результате порошки отсыревают, теряют сыпучесть, расплавляются или превращаются в жидкость. Адсорбция некоторых антибиотиков, гликозидов, алкалоидов и ряда других лекарственных веществ растительного происхождения порошками, активированным углем или белой глиной также приводит к фармацевтическим несовместимостям.
При возникновении несовместимостей часто образуются грубодисперсные суспензии, не позволяющие точно дозировать лекарственные вещества.
Нарушения устойчивости коллоидных систем и растворов ВМС приводит к изменению или полной потере терапевтических свойств лекарств.
Проблема преодоления несовместимостей сложная и пока еще малоизученная. Здесь возможны различные способы, например, введение в состав лекарственного препарата других вспомогательных веществ, заменяющих прописанные.
Это могут быть
ПАВ, загустители, солюбилизаторы, сорастворители, буферные растворы и т. д.
12.3. Процессы структурообразования как следствие неполной потери
устойчивости золей и растворов ВМС

23
Как уже отмечалось раньше, растворы ВМС обладают рядом свойств, аналогичных свойствам золей, поэтому удобно рассматривать некоторые процессы, протекающие в этих системах, не по отдельности, а в совокупности. К таким процессам относится образование гелей в золях и студней в растворах ВМС. По этой же причине далее будут совместно рассмотрены вязкостные, молекулярно-кинетические, коллигативные и электрокинетические свойства золей и растворов ВМС.
Коллоидные системы и растворы ВМС при некоторых условиях способны образовывать пространственные структуры: гели и студни. Гели и студни являются связнодисперсными системами.
Гели — коллоидные системы, потерявшие текучесть в результате образования внутренних структур. Они обычно эластичны, но могут быть хрупкими.
Гелеобразование — процесс превращения золей в гели.
Студни — растворы ВМС, потерявшие текучесть в результате образования в них внутренних структур, эластичны

Застудневание — процесс превращения растворов ВМС в студни.
12.3.1. Основные закономерности гелеобразования
Образование гелей, как и коагуляция, происходит в результате снижения агрегативной устойчивости коллоидных систем. Однако между гелеобразо- ванием и коагуляцией есть различие. При коагуляции факторы устойчивости полностью перестают действовать, частицы дисперсной фазы теряют агрегативную устойчивость и образуют плотный осадок. При образовании гелей действие факторов устойчивости в частично астабилизированных золях ослабевает только на некоторых участках поверхности частиц: на выступах, ребрах, углах.
Частицы контактируют этими участками и образуют пространственную сетку, в ячейках которой находится дисперсионная среда (рис. 12.2).
Рис. 12.2 Образование структур в золях с частицами разной формы
В начале процесса гелеобразования в местах контактов частиц остаются прослойки дисперсионной среды, поэтому такие структуры эластичны, их называют коагуляционными структурами (рис. 12.3).

Название "студень" для высокомолекулярных систем было предложено Н. П. Песковым. В настоящее время понятия "студень" и "гель" смешивают. Например, структурированную среду для проведения электрофореза называют полиакриламидным гелем.

Рис. 12.3. Коагуляционная структура
(эластичный гель)
Рис. 12.4. Конденсационно- кристаллизационная структура (хрупкий гель)
С течением времени коагуляционные структуры превращаются в
конденсационно-кристаллизационные (рис. 12.4), в которых частицы соединены либо за счет образования химических связей, либо вследствие сращивания кристалликов, образующихся в процессе выкристаллизовывания новой фазы в местах контактов частиц. В гелях такие структуры образуются при более сильной астабилизации, когда осуществляются полные контакты между частицами и прослойки дисперсионной среды между ними вытесняются
(совершенствование
контактов).
Конденсационно-кристаллизационные структуры более прочные, чем коагуляционные и хрупкие (не эластичные).
На гелеобразование влияют:
• концентрация золя — с повышением концентрации возрастает число контактов, приходящихся на единицу объема, увеличивается скорость образования геля;
• форма частиц — золи с анизодиаметрическими частицами (длина частиц существенно больше их толщины) быстрее превращаются в гели, чем золи со сферическими частицами, особенно при наличии у частиц выступов, углов и ребер, где двойные электрические слои и сольватные оболочки развиты менее всего;
• температура — при небольшом повышении температуры время гелеобразования уменьшается, но при большом повышении температуры увеличивается интенсивность броуновского движения частиц и гели могут переходить в жидкое состояние — плавиться;
• механические воздействия, например, перемешивание, встряхивание обычно препятствуют образованию гелей.
12.3.2. Основные закономерности застудневания
Студни образуются в результате взаимодействий макромолекул, приводящих к возникновению надмолекулярных структур, предшественниками которых являются ассоциаты. Если средний период существования ассоциатов становится очень большим, то их распад не происходит и временные связи между макромолекулами могут превратиться в постоянные за счет:
• сильных взаимодействий полярных групп;
• взаимодействий противоположно заряженных ионизированных групп;
• образования водородных связей;
• гидрофобных взаимодействий;
• образования химических связей (например, –S–S–).
Существенно при этом, что связи возникают не по концам макромолекул, как при образовании гелей из золей, а между любыми участками гибких макромолекул, на которых ослаблена или отсутствует гидратная оболочка, это так называемые "оголенные" участки.
Макромолекулы, связываясь между собой на "оголенных" участках, образуют рыхлую пространственную структуру, или общий каркас, в ячейках которого достаточно прочно удерживается весь объем растворителя (рис. 12.5).

25
Рис. 12.5. Структура студня, образованного фибриллярным белком
Образование студня обычно достаточно медленный процесс; время застудневания может колебаться от нескольких минут до недель в зависимости от различных факторов.
На застудневание влияют:
• концентрация раствора — при повышении концентрации увеличивается частота столкновений макромолекул и число связей, образующихся в единице объема;
• температура — повышение температуры препятствует застудневанию из-за возрастания интенсивности микроброуновского движения и уменьшения числа и длительности контактов между молекулами; понижение температуры, наоборот, ускоряет застудневание;
• pH среды — застудневание растворов белков лучше всего идет при pH, близких к pI, так как в изоэлектрическом состоянии макромолекулы наименее гидратированы, в них много "оголенных" участков, а расположенные на этих участках противоположно заряженные группы, взаимодействуя с такими же группами других молекул, способствуют установлению межмолекулярных связей;
• электролиты — их действие на Застудневание противоположно влиянию на набухание: ионы, усиливающие набухание, замедляют застудневание или делают его вообще невозможным; ионы, уменьшающие набухание, способствуют застудневанию;
• форма макромолекул — хорошо застудневают растворы фибриллярных белков, хуже — глобулярных.
12.3.3. Особенности гелей и студней
• Гели при высыхании уменьшаются в объеме и становятся хрупкими, затем рассыпаются в порошок.
• Студни также уменьшаются в объеме, но сохраняют эластичность.
• Студни способны к набуханию, гели не набухают.
Гели коагуляционной структуры и студни, в которых не образовались химические ковалентные связи, тиксотропны.
Тиксотропия — способность структурированных систем постепенно самопроизвольно восстанавливаться после их механического разрушения.
Конденсационно-кристаллизационные структуры не тиксотропны.
Тиксотропия — явление достаточно распространенное. Оно наблюдается в золях V
2
O
5
, WO
3
, Fe
2
O
3
, в различных суспензиях бентонитовых глин, в растворах вируса табачной мозаики, белка миозина.
Для структурированных систем характерно старение. Это проявляется в том, что после образования коагуляционных структурированных систем с течением времени наблюдается уменьшение их объема с сохранением формы, а растворитель или дисперсионная среда выдавливаются из уплотнившегося студня или геля, сначала в виде отдельных капель на их поверхности, которые затем сливаются вместе, образуя сплошную жидкую фазу. Это явление называется синерезисом
(рис. 12.6).

26
Рис. 12.6. Синерезис студня
Синерезис наступает вследствие усовершенствования, постепенного
упрочнения и сжатия внутренних структур. В студнях этот процесс сводится к установлению большего числа связей между макромолекулами, а в гелях — за счет увеличения числа контактов между частицами при перегруппировке их. В гелях процесс синерезиса необратим, так как приводит к образованию конденсационно-кристаллизационных структур, у студней, наоборот, он обратим. Иногда достаточно простого нагревания, чтобы студень после синерезиса вернулся в исходное состояние.
Скорость синерезиса увеличивается при незначительном повышении температуры и концентрации. У белковых студней синерезис ускоряется при pH = pI и при добавлении электролитов, способствующих застудневанию.
12.3.4. Физико-химические свойства студней и гелей
Студни являются гомогенными системами и, несмотря на потерю текучести, сохраняют некоторые свойства обычных жидкостей. Свободная диффузия низкомолекулярных частиц (ионов, молекул) в студнях принципиально не отличается от диффузии в чистом растворителе, но скорость ее несколько ниже и тем меньше, чем больше концентрация студня. То же самое относится к электропроводности студней, содержащих электролиты.
Гели — системы гетерогенные и обычно являются хорошими адсорбентами, так как обладают развитой поверхностью раздела фаз, на которой идут адсорбционные процессы. Гели способны к ползучести — медленному течению без заметного разрушения пространственной структуры.
Химические реакции в студнях идут медленно и часто не до конца. Нередко наблюдается периодичность отложения осадков, состоящих из продуктов этих реакций.
12.4. Структурированные системы в фармации
Гели, как неорганические, так и органического происхождения (студни) широко применяются в фармации.
Неорганические гели, содержащие гидроксиды магния и алюминия или фосфат алюминия, применяются при лечении язвенной болезни — альмагель, альфагель, фосфалюгель. В этом случае гели являются лекарственными формами, предназначенными для приема внутрь.
Органические гели, полученные полимеризацией акриламида, акриловой кислоты или сополимеризацией производных акриловой кислоты с другими мономерами, имеют трехмерную сетчатую структуру и применяются в качестве носителей лекарственных веществ. На их основе изготавливаются лекарственные средства для наружного применения, например, Диклоран гель, действующим началом которого является диклофенак диэтиламин. Этот нестероидный противовоспалитель- ный препарат оказывает местное противовоспалительное и анальгезирующее действие.