Коллоидно-химические свойства смесей лизоцим-ПАВ в системе водный раствор-октан, страница 5

Миллер, В.Б. Файнерман и др. [63, 75 – 86]. Ими была предложенатеоретическая модель, описывающая адсорбцию ПАВ [75], белка [81, 82] и смесейбелок – ПАВ [17, 63, 76, 77], которая учитывает значительное различие междуплощадью, занимаемой молекулами белка и ПАВ в адсорбционном слое, а такженаличие заряда на молекуле белка и возможное агрегирование на поверхности. Воснове модели лежит уравнение двумерного давления Фрумкина, в котором учтены площадь, занимаемая молекулой адсорбированного вещества в насыщенномслое, а также парные взаимодействия между молекулами в адсорбционном слое.Для адсорбционных слоев ионогенных ПАВ изотермы двумерного давления и адсорбции имеют вид [75, 78]:(1-1),(1-2),где Π = σ0 – σ – двумерное давление, Н/м, ωs – площадь, занимаемая молем ПАВ внасыщенном адсорбционном слое, м2/моль, θs = Гω – степень заполнения поверхности молекулами ПАВ, cc – концентрация добавленного электролита, М, as –двумерный аналог константы а в уравнении Ван-дер-Ваальса, характеризует притяжение молекул ПАВ между собой, bs – константа адсорбционного равновесия,л/моль.При адсорбции белка площадь, занимаемая молем вещества в насыщенномадсорбционном слое, может меняться от минимального значения ωmin, соответствующего перпендикулярной ориентации большой оси белковой глобулы относительно поверхности, до максимального ωmax , соответствующего параллельнойориентации.

Величины ωmin и ωmax можно рассчитать, исходя из размеров белковой глобулы при ее различной ориентации на поверхности. Согласно моделиФайнермана, для i-го состояния площадь, занимаемая молекулой белка, определяется как(1-3),где ω0 – площадь, занимаемая молем растворителя.24Изотерма двумерного давления и адсорбции раствора индивидуальногобелка описывается уравнениями (1-4) и (1-5) [81].(1-4),(1-5),где ω – средняя площадь, занимаемая молем белка в насыщенном адсорбционномслое, θp = Гω – степень заполнения поверхности молекулами белка, ap – параметрвзаимодействия между молекулами белка, bp – константа адсорбционного равновесия.При адсорбции смеси белок – ПАВ в поверхностном слое присутствуют молекулы ПАВ, а также комплексы белок – ПАВ.

В этом случае уравнение двумерного состояния и изотермы адсорбции ПАВ и комплексов белок ‒ ПАВ для смесибелка с ионогенным ПАВ описываются следующим образом:(1-6),(1-7),(1-8),где as – параметр взаимодействия между молекулами ПАВ, aps – между комплексами белок – ПАВ, asps – между молекулами ПАВ и комплексами белок – ПАВ,ϴs – степень заполнения поверхности молекулами ПАВ, ϴps – комплексами белок – ПАВ, m – заряд белка.Теоретические и экспериментальные зависимости хорошо согласуются длясмесей HSA и С10DMPO [76, 77]. Предложенная теоретическая модель удовлетворительно описывает изотермы поверхностного натяжения и адсорбции для смесейHSA – CTAB и β-LG – SDS [78]. У смесей, как правило, начальные значения поверхностного натяжения ниже, чем у индивидуальных ПАВ, что говорит о специфическом связывании ПАВ с белками, а при больших концентрациях изотермыдля ПАВ в присутствии и в отсутствие белка совпадают.25Экспериментальный и теоретический подходы в изучении адсорбцииβ-лактоглобулина в присутствии катионных ПАВ бромидов алкилтриметиламмония в с длиной углеводородной цепи С10 – С16 [17] позволили прояснить ситуациюс образованием и адсорбцией гидрофобного комплекса.

Полагают, что в смесяхбелка с С10TAB и C12TAB происходит конкурентная адсорбция, несмотря на образование гидрофобного комплекса при низких концентрациях ПАВ и гидрофильного при более высоких концентрациях ПАВ. Для смесей белка с С14ТАВ иС16ТАВ получено, что после того, как заряд белка был полностью нейтрализованвследствие взаимодействия с молекулами ПАВ, система ведет себя как смесь белок – неионогенное ПАВ, в которой реализуются гидрофобные взаимодействиямежду комплексом белок – ПАВ и ПАВ. Дальнейшее увеличение концентрацииПАВ приводит к образованию гидрофильного комплекса, который вытесняется смежфазной границы в водный раствор.На основании анализа профиля пузырька и капли были получены изотермыповерхностного натяжения без плато для смеси Lz – C10DMPO и с плато для Lz –SDS [79].

Изучение адсорбции методом эллипсометрии выявило конкурентнуюадсорбцию в смеси с C10DMPO, в результате которой белок вытесняется из слояпри увеличении концентрации ПАВ. Для смеси с SDS наблюдается рост совместной адсорбции, что связывают с образованием гидрофобного комплекса Lz – SDS,который при увеличении добавок ПАВ гидрофилизуется и оттесняется в раствор[83]. При достижении ККМ поверхностное натяжение определяется молекуламиПАВ.Изучение адсорбции смесей β-LG – C10DMPO, β-казеин (β-Cs) – C10DMPO иβ-Cs – C12DMPO на границе вода/воздух [84] показало, что увеличение длины цепи ПАВ приводит к более эффективному вытеснению β-Cs из слоя. C ростом концентрации ПАВ происходит утолщение диффузного поверхностного слоя до техпор, пока белок полностью не десорбируется с поверхности.

Полученный результат объясняют взаимодействием белка и ПАВ по гидрофобному механизму, приводящим к разворачиванию белковой глобулы и постепенной гидрофилизациибелка. Подобный эффект наблюдается и для смесей с β-LG, но при более высоких26концентрациях ПАВ, что объясняют более жесткой структурой β-LG. Поведениесмеси β-LG – C10DMPO было описано в рамках модели белок – неионогенноеПАВ [85]. Модель конкурентного вытеснения HSA под действием C10DMPO былапредложена в [86].Методом рассеяния нейтронов было установлено, что взаимодействие гидрофобина (HFB) и полиоксиэтилен сорбитан моностеаратов с различной длинойполиосиэтиленовой цепи приводит к формированию самоорганизованных структур на границе вода/воздух, имеющих ярко выраженное слоистое строение [87].Межмолекулярные взаимодействия включают как электростатическое, так и гидрофобное связывание белка и ПАВ.

Варьирование длины полиоксиэтиленовойцепи ПАВ приводит к изменениям в структуре слоев. Показано, что смешанныеслои устойчивы при длине цепи 6 – 17 оксиэтиленовых групп. При большем илименьшем числе групп образуется монослой ПАВ или белка, соответственно.Измерения поверхностного натяжения в некоторых работах [79, 88, 89] дополнены исследованием поверхностной реологии.

Изучение реологии позволяетсделать выводы о составе и структуре адсорбционных слоев на различных межфазных поверхностях, а также выявить конформационные изменения в структуребелков. При проведении динамических испытаний было установлено, что на значение модулей упругости влияют жесткость белка и величина межфазное натяжение [90]. В работе [79] измерена дилатационная вязкость систем Lz – С10DMPO иLz – SDS, что позволило определить модуль упругости и поверхностную вязкостьадсорбционного слоя.

Найдено, что при некоторых концентрациях SDS модульупругости смеси превышает соответствующий модуль для индивидуального лизоцима. В целом модули упругости при добавлении ПАВ уменьшаются, что отражает уменьшение содержания белка в поверхностном слое. В работе [89] проведен анализ литературы по изучению реологии адсорбционных слоев белков и белков с ПАВ на границе жидкость/газ и жидкость/жидкость с помощью прямых икосвенных методов. Косвенные методы подразумевают измерение скоростей течения с помощью капиллярных и ротационных вискозиметров.

К прямым относится измерение деформации, возникающего при приложении сдвигового напря-27жения к поверхности. В обзоре рассмотрено устройство и принцип работы некоторых реометров, собраны результаты исследований по каждому методу.Слои β-Cs обладают упругими свойствами, при концентрации свыше0,005% белок образует двумерный поверхностный гель [91]. Слои термическимодифицированного β-Cs, содержащего волокна неразвернутых мономеров и гидролизованных пептидов, обладают более упругими свойствами, чем исходныйβ-Cs [92].

Наличие неполярной фазы – органической жидкости, контактирующейс водным раствором, – усиливает разворачивание белка на межфазной границе,что приводит к увеличению дилатационных модулей упругости [93]. В работе [94]установлено наличие двух вкладов в значения дилатационных модулей: вклад,связанный с внутренней структурной устойчивостью мономера, и вклад, относящийся к конформационным изменениям, происходящим при адсорбции на поверхности и приводящим к образованию сеток из молекул белка (так называемогоповерхностного геля). Первый вклад наиболее важен, поскольку он объясняет,почему слои глобулярных белков с жесткой структурой, таких как BSA, болееэластичны, чем слои белков с более гибкой структурой, таких как β-Cs.

При сжатии молекулы BSA ведут себя как твердые сферы, сопротивляющиеся сжатию,что приводит к более высоким значениям модуля накопления. Гибкие белки реагируют как мягкие сферы, и, как следствие, значения модуля накопления болеенизкие.Слои BSA на границе вода/воздух обладают вязкоупругим поведением,близким к упругому [95]. В адсорбционных слоях BSA [96] и Lz [97] увеличениеионной силы раствора приводит к уменьшению электростатического отталкивания и увеличению модулей упругости.

При увеличении pH раствора уменьшаетсяповерхностный заряд таких белков как Lz и каталаза, что приводит к росту адсорбции за счет снижения электростатического отталкивания. При достиженииизоэлектрической точки белков наблюдался максимум на зависимости модуля упругости от pH среды [98].Добавки ПАВ могут влиять на вторичную и третичную структуру белка.Малые добавки DTAB к растворам BSA и β-LG приводят к формированию гид-28рофобных комплексов [99]. Рост концентрации DTAB приводит к разрушениювторичной и третичной структуры белков в слое, о чем свидетельствуют экстремальные зависимости E(π) и E(t) (E – модуль упругости, π – двумерное давление,t – время).

При этом происходит увеличение гибкости белковых макромолекул,образование петель и цепей. Добавки SDS не приводят к заметному разрушениювторичной структуры белка, на что указывают монотонные зависимости E(π) привсех концентрациях ПАВ. Уменьшение модулей упругости при увеличении концентрации ПАВ связывают с разворачиванием белка в слое. Добавки NaCl усиливают гидрофобные взаимодействия белка и ПАВ и приводят к сильному нарушению вторичной структуры белка. В этих условиях зависимости E(π) проходят через максимум.При изучении смеси β-Cs с неионогенным ПАВ C12DMPO и катионнымDTAB было установлено, что белок вытесняется из адсорбционного слоя, о чемсвидетельствуют данные адсорбции и уменьшение дилатационных модулей [100,101]. C12DMPO вытесняет белок более эффективно, чем DTAB, благодаря большей поверхностной активности.