Диссертация (Биохимический профиль биологических жидкостей коров как фактор, определяющий динамическое поверхностное натяжение), страница 4

Физико-химические показатели молока.ПоказательЗначениеЕдиница измеренияТитруемая кислотность17 (16-20)Активная кислотность6,6 (6,55-6,75)рНПлотность1,027-1,032г/см2Вязкость1,8 ×10-3Па.с.Поверхностное натяжение44,0Н/мОсмотическое давление0,66МПаТемпература замерзания-0,54ооТС201.3.Поверхностное натяжение как основное коллоидно-химическоесвойство биологических жидкостейИсследованиеколлоидно-химическихсвойств(упругость,вязкость,поверхностное натяжение и т.д.) межфазных слоев поверхностно активныхвеществ (ПАВ или сурфактантов) или адсорбционно-реологических свойств(АРС)вбиологическихжидкостях[27,28,31-35,56-57,65,75,77-79,82,92,94,119,120,125,128-130,132,146] привлекает все большее внимание состороны ветеринарной медицины [27,28,31-35,56-57].

Подход, к изучениюбиологических жидкостей сельскохозяйственных животных исходя из ихколлоидно-химических свойств, принципиально новое направление лабораторнойдиагностики в области ветеринарной медицины для оценки не только системыорганизма, но и системы популяций, в том числе стад и производственных групп[27,31-34]. Коллоидно-химические явления лежат в основе многих природныхпроцессов, так, например, ПАВ или вещества способные адсорбироваться награницах раздела фаз (таких как, биологическая жидкость-воздух) способнывлиять на процессы переноса веществ и энергии через биологические мембраны,что считается одним из основных механизмов их действия [94,119,120,125,128130].Образование межфазных слоев – это самопроизвольный процесс нетребующийдополнительныхусилийизатратнаихформирование,обусловленный наличием ПАВ и поверхностно-инактивных веществ (ПИВ илиинсурфактантов) в биологических жидкостях.

Толщина слоев формируемых награнице раздела фаз составляет несколько десятков нанометров [35,65] ипредставлена ПАВ – понижающими поверхностное натяжение жидкостей. Крометого, известно [65], что для воды, ПН с течением времени остается постоянным,таким образом статическое ПН и равновесное ПН (t→∞) совпадают. В случаеизучения биологических жидкостей динамическое и статическое ПН существенноотличаются.

Это обусловлено биохимическими, термодинамическими и другими21процессами, влияющими на содержание и соотношение ПАВ в биологическомобразце [27,28,34,56]. Например, для крупного рогатого скота установлено,максимальные значения ДПН при коротких временах существования поверхности(t=0,01 с), а минимальные - при длинных (t→∞). При этом ДПН понижается на16,4-11,6 мН/м для разных возрастных групп [28,33,56]. Данная закономерность,снижения значений ДПН сыворотки крови с течением времени прослежена и надругих объектах исследования, в том числе лошадях, собаках, свиньях[27,28,33,34].При изучении адсорбционных свойств различных жидкостей контрольнымматериалом является дистиллированная вода, таким образом применение методовколлоидной химии к биологическим объектам исследования не требуетдополнительных затрат на контрольные материалы [92,94,119,120,125,128-130].1.3.1.Формирование поверхностных слоевФормирование поверхностных слоев возможно на границе двух фаз(газообразной, жидкой, твердой).

При адсорбции ПАВ происходит значительноеснижение величины ПН [33,56,65]. Такое свойство ПАВ способствуютрастворению в воде веществ не растворимых в обычных условиях, таких какмембранные белки и витамины. Именно на границах раздела фаз локализованы ифункционируют молекулы, отвечающие за процессы транспорта, метаболизма исигнальной трансдукции [33,65], во многом это обусловлено дифильнымстроениеммолекулыфосфатидилхолину,изПАВ.БольшинстводлинноцепочечногоПАВпостроеныуглеводородногогидрофобными свойствами и гидрофильной группы (рис.

1.3.).подобнорадикалас22Рисунок 1.3. Дифильное строение молекул ПАВ на примерефосфатидилхолина. Химическая (А), трехмерная (Б) и схематическая (В)структура L-α-фосфатидилхолина. 1 – фосфат и холин (гидрофильная голова), 2– остаток глицерина 3 – цепи жирных кислот (гидрофобные хвосты) (Взято из[http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/]).Принцип такого строения позволяет подобным веществам формироватьповерхность раздела фаз, так как углеводородный радикал выталкивается изполярной среды, а гидрофильные группы образуют водородные связи смолекулами воды, что способствует распределению гидрофильной части ПАВ вводной фазе [33,65]. ПАВ несущие на себе заряд образуют ультратонкий, вплотьдо мономолекулярного слоя на границе с воздухом (углеводородные радикалыориентированы к воздуху) [65].

Так, например, при образовании мицелл вполярном растворителе цепи молекул ПАВ объединяются в компактное ядро, аполярные группы обращены в сторону водной фазы образуя гидрофильнуюоболочку (рис.1.4.а). В полярных растворителях ориентация молекул ПАВпротивоположна и углеводородный радикал обращен к неполярной жидкости(рис. 1.4.б).23Рисунок 1.4. Ориентация молекул ПАВ в мицеллах: а) прямаямицелла в случае полярного растворителя, б) обратная мицелла в случаенеполярного растворителя.По мере насыщения адсорбционного слоя молекулами ПАВ, онирасполагаются фактически перпендикулярно по отношению к поверхности,стараясь занять наиболее выгодные энергетические позиции.

Вследствие«выталкивания» гидрофобной и «притягивания» гидрофильной частей молекулПАВобразуютсямежфазныеадсорбционныеслои,чтоснижаетДПН[33,65,125,128-130].Следует заметить, что процесс адсорбции означает не только накоплениевещества в поверхностном слое, но и подразумевает упорядоченное движение кгранице раздела фаз различных биологически активных веществ (БАВ). Всистемах жидкость-газ новая площадь пограничной поверхности образуетсяпереходом частиц из глубинных слоев объемной фазы к поверхности раздела, чтопредполагает некоторую конкуренцию за место на поверхности раздела.Молекулы менее активных ПАВ вытесняются в объем раствора более активнымисурфактантами [77-79].Среди веществ обладающих поверхностной активностью выделяют низко- исреднемолекулярныеПАВ(молекулярнаямассадо12кДа:углеводы,вазоактивные пептиды (вазопрессин, серотонин, ацетилхолин, катехоламины,простагландин,тромбоксан,гистамин,β-оксимаслянаякислота),высокомолекулярные ПАВ (молекулярная масса от 12 до 160 кДа: β-2-24микроглобулин, аполипопротеин А1, α-1-кислый гликопротеид, α-1-антитрипсин,преальбумин,альбумин,трансферин,гаптоглобин,IgA,IgG;наиболеевысокомолекулярным ПАВ (молекулярная масса от 160 кДа и больше): С3- и С4компоненты системы комплемента, аполипопротеин В1, α-2-макроглобулин,фибронектин и др.) [77-79].

При этом установлено [33,65,77-79], что диффузиянизко- и среднемолекулярных сурфактантов сыворотки крови протекаетдостаточно быстро, в то время как высо- и наиболее высококомолекулярные ПАВпроходят через так называемую стадию перестройки, связанную с полярнойориентацией молекул в адсорбционном слое, что требует определенного временидо момента их окончательного «якорения» в поверхностном слое.

КонцентрацияПАВ на границе раздела фаз на несколько порядков выше, чем в объемежидкости, за счет чего даже при ничтожно малом содержании в воде (0,01-0,1%по массе) ПАВ могут снижать поверхностное натяжение воды на границе своздухом с 72,8·10-3 до 25·10-3 Дж/м2 [27,33,65]. Ввиду того, что в биологическихжидкостях находятся вещества различные не только по своей поверхностнойактивности, но и по массе, скорости выхода в поверхностный слой при изучениибиологических жидкостей очень важно рассмотрение ПН в динамике, т.е. егоизменение во времени [56-57]. Так, для изучения низко- и среднемолекулярныеПАВ наиболее информативными являются значения ПН при t=0,02 с и t=1 с.

Длявысокомолекулярных ПАВ наиболее информативным является значение ПН приt=10 с и t→∞.1.3.2.Факторы, влияющие на образование поверхностных слоеврН раствора. Величина рН раствора способна влиять на вторичную итретичную структуру молекулы протеина [28,33,34,65], через аминокислотныеостатки, расположенные на поверхности молекулы, изменяя тем самым егоадсорбционную активность (рис.1.5.). Для раствора -лактоглобулина и -казеинаснижение рН по отношению к начальному значению 7,5 приводит к заметномуснижению динамического поверхностного натяжения. Для концентрированного25раствора БСА (10 г/л) дополнительное понижение равновесного поверхностногонатяжения может составить от нескольких единиц до 10 мН/м. ОтносительноеувеличениерНтакженемногоповышаетадсорбционнуюактивностьконцентрированных растворов БСА, но этот эффект выражен слабее, чем притаком же понижении рН [28,33,34,65,125].Рисунок 1.5. Изменение «ионизации» аминокислот в зависимости от рНсреды.Влияние добавок электролитов на растворы поверхностно-активныхвеществ.

Известно [28,33,34,65,119,125], что добавки к дистиллированной воденеорганических ионов, таких как К+, Li+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Cl-, F-, HPO42-,PO43- и т.д. (ПИВ), повышают ее поверхностное натяжение. Эффект повышенияПН биологических жидкостей ввиду увеличения концентрации неорганическихсолей может сказаться в области коротких временных промежутков, когдаадсорбция белков и других ПАВ относительно мала. В то время как в областисредних и больших «времен жизни поверхности» за счет эффекта высаливания вотношении неионных ПАВ и эффекта повышения адсорбционной активностиионных ПАВ, поверхностное натяжение может снизиться.