Методические указания - Полиэлектролиты, страница 5

7.Зависимостиприведеннойвязкости от рН водных растворовполиакриловой кислоты (1, 2)разных концентраций: с1 < с2 иполиметакриловой кислоты (3).468Рис. 8.Зависимостьхарактеристической вязкости от рНводногораствораполиглутаминовой кислотыИного характера зависимость вязкости от рН наблюдается для водногораствора ионизующегося полипептида, например, полиглутаминовойкислоты (рис.

8). При низких значениях рН макромолекулыполиглутаминовой кислоты практически не диссоциированы и имеютпалочкообразную конформацию -спирали, что обуславливает высокуювязкость раствора. Заряжение молекул поликислоты вызывает разрушение-спиральной конформации, переход ее в конформацию статистическогоклубка и сопровождается падением вязкости раствора. Дальнейшееизменение вязкости с увеличением рН раствора связано сполиэлектролитным набуханием уже клубкообразных макромолекул.Конформационный переход спираль – клубок, выражающийся врезком падении вязкости раствора, сопровождает процесс денатурациинуклеиновых кислот.При нагревании,подкислении,сильномподщелачивании, а также при действии веществ, разрушающихводородные связи, таких, как формалин, мочевина и др., спиральныекомплексы ДНК распадаются на отдельные цепи, имеющие конформациюбеспорядочного клубка.Конформационный переход спираль – клубок происходит в настолькоузком интервале изменения условий, что напоминает плавление.

Однакоэтот переход не является фазовым, так как в одномерной системе, какойявляется полимер в конформации спирали, невозможно расслоение на34фазы. Кроме того, при очень больших размерах спиральная макромолекулане остается прямолинейной, как одномерный кристалл, а сворачивается вклубок.Об изменении конформации макромолекул в растворе можно судитьтакже по величине параметра a уравнения Марка–Куна–Хаувинка:   K * M a ,где[]МК– характеристическая вязкость раствора полимера,– молекулярная масса полимера,и – постоянные.aИзвестно, что a изменяется от нуля для глобул до 1.8 – 2.0 дляпалочкообразных частиц. Так, для многих глобулярных белковхарактеристическая вязкость имеет постоянное значение (~0.04 дл/г) и независит от молекулярной массы полимера, т.

е. a = 0. В растворе сильногополиэлектролита при достаточно высокой ионной силе раствора(например, для полифосфата натрия в 0.4 М водном растворе бромиданатрия) a = 0.5, т. е. цепь имеет конформацию статистического клубка; суменьшением ионной силы такого раствора параметр a увеличивается.Для полиэлектролитов в заряженной форме в бессолевом водном растворе,а также для полипептидов в незаряженном состоянии в конформации-спирали a = 1.8 – 2.0.По величине параметра a можно судить о конформации в раствореочень протяженных жестких частиц, какими являются, например,макромолекулы ДНК.

Молекулярная масса двухцепочечной ДНК лежит впределах 105 – 108. Для ДНК с молекулярными массами ниже 106 величинапараметра a близка к 1.8, т. е. макромолекулы имеют конформациюжесткого стержня. А при очень высоких молекулярных массах (больше106) параметр a равен 0.7. Это говорит о том, что жесткие протяженныемакромолекулы ведут себя в растворе не как стальные иглы, а как стальнаяпроволока, т. е. в процессе теплового движения сворачиваются в рыхлыеклубки.Более того, жесткие молекулы ДНК в определенных условиях могутпринимать компактную глобулярную конформацию.

При ухудшениикачества растворителя, что достигается введением в водно–солевойраствор ДНК гибкоцепного сильно набухающего полимера (например,полиэтиленгликоля), происходит расслоение гомогенного раствора.Однако, вместо макроскопической границы между фазами наблюдаетсякомпактизация каждой отдельной молекулы ДНК. Происходитконформационный кооперативный переход клубок – глобула, имеющийхарактер фазового. Напомним, что клубок отличается от глобулы тем, чтообъемная доля растворителя в полимерном клубке близка к единице, а вглобуле существенно меньше. Так как у жесткой двойной спирали нет мест35легкого переламывания, глобулы ДНК имеют форму так называемыхторов-глобул, в центре которых находится дырка.

Предполагаетсясуществование подобных структур и в природе, поскольку объемныйрыхлый клубок ДНК не может поместиться в клетке, а роль веществ,способствующих компактизации ДНК в клетке, могут играть белки.Способность полиэлектролитов к конформационным изменениямпозволила создать модель механохимической машины, так называемый“рН-мускул”, работающий по принципу превращения химической энергиив механическую работу.

Если к волоконцу из слабо сшитой полиакриловойкислоты подвесить грузик, то при подщелачивании поликислотымакромолекулы заряжаются и раскручиваются, что приводит к удлинениюнити, а при подкислении макромолекулы теряют заряд и скручиваются,волоконце сокращается и поднимает грузик на некоторую высоту.

Такимобразом, за счет энергии ионизации – деионизации совершаетсямеханическая работа. Способность к обратимым механохимическимциклам является специфическим свойством именно полимерных систем.Ионизация малых молекул также сопровождается электростатическимотталкиванием и расширением системы. Но такая система не выполняетмеханохимического цикла, так как отсутствуют валентные связи междузаряженными группами, как в макромолекулах, которые обеспечивали бысохранение цельности системы при растяжении, и нет возвращающихупругих сил, обусловленных изменением конформационной энтропии.Мускулы живых организмов построены из полиэлектролитов – белков идвижение мускулов есть также результат превращения химической энергиив механическую, однако механизм механохимического цикла в живоморганизме более сложный, чем в рассмотренной здесь простой модели.5.

Особенности поведения полиамфолитовПолиамфолиты, макромолекулы которых содержат одновременно икислотные и основные группы, в зависимости от рН среды могут вестисебя либо как поликислоты, либо как полиоснования. И тогда им в равноймере присущи все рассмотренные выше свойства линейныхполиэлектролитов. Но полиамфолиты обладают и рядом специфическихсвойств, обусловленных наличием в их молекулах групп различнойприроды.В кислой среде диссоциация кислотных групп значительно подавлена,а в результате диссоциации основных групп макромолкула превращается вполикатион, т.

е. приобретает положительный заряд. В щелочной среде,наоборот, диссоциируют, главным образом, кислотные группы имакромолекула приобретает отрицательный заряд. В промежуточнойобласти макромолекулы представляют собой биполярные ионы. Этипревращения могут быть проиллюстрированы следующей схемой:36-NH3+ COOH-OHH+NH3+ COOOHH+NH2 COOЕсли определять кислоты как вещества, способные отдавать протоны,а основания как вещества, способные присоединять протоны, то группы-NH3+ и -СООН следует рассматривать как кислотные, а группы -NH2 и-СОО- как основные. Тогда при титровании щелочью кислого раствораполиамфолита последний ведет себя как двухосновная кислота.

Еслиисходить из нейтрального водного раствора полиамфолита, в котором егомолекула находится в виде диполярных ионов, то при титровании такогораствора кислотой измеряется сила кислотных групп, так как основныегруппы при этом остаются без изменения, а происходит фактическиподавление диссоциации карбоксильных групп.

Соответственно прититровании щелочью измеряется сила основных групп.Кривые титрования белков, являющихся полиамфолитами, носятхарактер плавных кривых часто без заметных перегибов. Это обусловленоразличными причинами. Макромолекулы белков содержат обычнонесколько типов как основных, так и кислотных групп, каждый из которыхимеет свое значение рК и характеризуется своей точкой перегиба накривой титрования. Но даже одному типу групп свойственно несколькозначений рК в зависимости от расположения этих групп на поверхностииливнутрибелковойглобулы.Наконец,описанныевышеэлектростатические эффекты, которые приводят к сглаживанию кривыхтитрования поликислот (полиоснований), действуют также и в случаеполиамфолитов.Нуклеиновые кислоты, особенно ДНК, хоть и являютсяполиамфолитами, однако в широкой области рН (4 – 11), где устойчиваприродная структура макромолекул, не обнаруживают полиэлектролитныхсвойств.

Это обусловлено тем, что макромолекулы ДНК образуютнастолько жесткую вторичную структуру, что ни рН, ни ионная силараствора практически не влияют на их свойства. При этом группы сосновными свойствами спрятаны внутри двойной спирали, а остаткифосфорной кислоты всегда полностью диссоциированы. Работают снативной ДНК обычно в водно–солевых растворах, т. к.

при пониженииионной силы раствора (менее 10-3 М) усиление отталкивания отрицательнозаряженных звеньев цепи приводит к разрушению спиральной структуры.В достаточно кислой среде (рН = 3.0 – 3.5) и в сильно щелочной (рН = 12)также наблюдается разрушение спиральной структуры (денатурация) ДНК:в кислой области из-за заряжения основных групп, в щелочной –37вследствиекислотнойдиссоциацииОН–группоснований.Денатурированная ДНК ведет себя как настоящий полиэлектролит.РНК обнаруживает полиэлектролитное поведение и в нативномсостоянии, так как ее молекулы содержат наряду со спиральнымижесткими структурами аморфные участки в тех местах, где нарушаетсякомплементарность оснований.

Аморфные области играют роль шарниров,делающих цепи РНК более гибкими, чем у ДНК.Значение рН раствора полиамфолита, при котором среднийсуммарныйзарядмакромолекулыравеннулю,называетсяизоэлектрической точкой (ИЭТ). Величина ИЭТ не зависит отконцентрации полиамфолита и является важной константой полиамфолита.ИЭТ нуклеиновых кислот лежит в области рН = 1 – 2.

Существуют белки сразличными ИЭТ, например, от 1.1 для пепсина до 11.0 для лизоцима, хотядля большинства белков ИЭТ лежит в пределах рН = 4 – 7. На различии вИЭТ основано фракционирование смесей белков, например, методомэлектрофореза. При определении ИЭТ учитывается суммарный зарядмакромолекул, обусловленный не только диссоциацией кислотных иосновных групп полиамфолита, но и специфическим связываниемпосторонних ионов из раствора.