М.С. Аржаков, А.Е. Жирнов, А.А. Ефимова и др. - Высокомолекулярные соединения (1109599), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Работают с нативной ДНК обычно в водно–солевыхрастворах, т. к. при понижении ионной силы раствора (менее 10-3 М) усилениеотталкивания отрицательно заряженных звеньев цепи приводит к разрушениюспиральной структуры. В достаточно кислой среде (рН = 3.0 – 3.5) и в сильно щелочной(рН = 12) также наблюдается разрушение спиральной структуры (денатурация) ДНК: вкислой области из-за заряжения основных групп, в щелочной – вследствие кислотнойдиссоциации ОН–групп оснований. Денатурированная ДНК ведет себя как настоящийполиэлектролит.РНК обнаруживает полиэлектролитное поведение и в нативном состоянии, таккак ее молекулы содержат наряду со спиральными жесткими структурами аморфныеучастки в тех местах, где нарушается комплементарность оснований. Аморфныеобласти играют роль шарниров, делающих цепи РНК более гибкими, чем у ДНК.Значение рН раствора полиамфолита, при котором средний суммарный зарядмакромолекулы равен нулю, называется изоэлектрической точкой (ИЭТ).
ВеличинаИЭТ не зависит от концентрации полиамфолита и является важной константойполиамфолита. ИЭТ нуклеиновых кислот лежит в области рН = 1 – 2. Существуютбелки с различными ИЭТ, например, от 1.1 для пепсина до 11.0 для лизоцима, хотя длябольшинства белков ИЭТ лежит в пределах рН = 4 – 7. На различии в ИЭТ основанофракционирование смесей белков, например, методом электрофореза. При определенииИЭТ учитывается суммарный заряд макромолекул, обусловленный не толькодиссоциацией кислотных и основных групп полиамфолита, но и специфическимсвязыванием посторонних ионов из раствора. Поэтому ИЭТ не может быть определенаиз кривой титрования. Кривая титрования не дает величины полного зарядамакромолекулы, а только той его части, которая вызвана связыванием и диссоциациейионов водорода. ИЭТ определяется с помощью электрокинетических методов (вчастности, электрофореза), либо косвенным путем по изменению свойств, связанных сзарядом макромолекул.
Степень набухания, растворимость полиамфолитов,осмотическое давление и вязкость их растворов в ИЭТ проходят через минимум.Вязкость в ИЭТ минимальна (рис. 3.9), поскольку полимерная цепь принимает56свернутую конформацию из-за взаимного притяжения присутствующих в равномколичестве противоположно заряженных групп. При удалении от ИЭТ цепьполиамфолита приобретает суммарный положительный (в кислой области рН) илиотрицательный (в щелочной области рН) заряд и из-за взаимного отталкиванияодноименно заряженных звеньев разворачивается. Увеличение ионной силы раствораприводит к подавлению разворачивания макромолекул вдали от ИЭТ и, напротив, кувеличению разворачивания вблизи ИЭТ.1,0ηуд0,80,60,4pH246810Рис.
3.9. Зависимость удельной вязкости раствора полиамфолита (желатина) в воде отрН.рН водного раствора полиамфолита (в отсутствие посторонних ионов)определяется только диссоциацией собственных ионогенных групп и называетсяизоионной точкой (ИИТ).
Заряд макромолекул в этой точке зависит от природы исоотношения кислотных и основных групп в молекуле полиамфолита. Изоионная точкасовпадает с изоэлектрической только в случае, если она равна рН = 7. Это следует изусловия электронейтральности изоионного раствора:[ ] [np z + H + = OH −гдеnp](3.14)––молярная концентрация полиамфолита,средний суммарный заряд моля полиамфолита в изоионномzрастворе.+Если z = 0, то [H ] = [OH-], т. е.
рН = 7. Во всех остальных случаях макромолекула визоионном растворе имеет заряд, отличный от нуля. Однако в случае белковмакромолекулы содержат, в основном, слабые кислотные и основные группы, исуммарный заряд таких молекул в чистом водном растворе не слишком отличается отнуля. Например, пусть рН изоионного раствора равен 4, молекулярная массаполиамфолита 104 и концентрация раствора 1 % (т. е. ~ 10 г/л), тогда из условияэлектронейтральности раствора получим: z = −0.1 .
Следовательно, если ИИТотличается от нейтрального значения не больше, чем на ± 4 единицы и концентрацияполиамфолита достаточно высока, то заряд макромолекул в ИИТ близок к нулю. Тогдаопределение ИИТ сводится к определению точки нулевого заряда. Однако, как следуетиз уравнения (3.14), ИИТ в отличие от ИЭТ зависит от концентрации раствора. Суменьшением концентрации изоионного раствора полиамфолита увеличиваетсяэффективный заряд макромолекул и изменяется величина рН раствора (в кислойобласти увеличивается, в щелочной – уменьшается).
Однако при достаточно высокойконцентрации (≥ 1 %) заряд макромолекул в изоионном растворе становится оченьмалым и ИИТ практически не зависит от концентрации раствора.57ИИТ отвечает тому значению рН раствора, при которм избирательноепоглощение ионов Н+ или ОН- полиамфолитом из раствора отсутствует. Поэтому ИИТможет быть определена, во-первых, из кривых титрования полиамфолита.
Выполняятитрование при разных ионных силах раствора, получают серию кривых титрования,которые различаются наклоном в кислой и щелочной областях, но все пересекаются водной точке, соответствующей ИИТ. Во-вторых, ИИТ можно определить путемподбора того значения рН раствора кислоты или щелочи, которое не изменяется придобавлении в этот раствор полиамфолита. Наконец, в-третьих, ИИТ находят как рНизоионного раствора, т. е. раствора полиамфолита в воде в отсутствие постороннихионов.Изоточки растворов полиамфолитов очень чувствительны к влияниюнеорганических солей, ионы которых могут избирательно сорбироваться на цепяхполиамфолита.
Если полиамфолит сорбирует одинаковое количество анионов икатионов солей, то положение изоточек не меняется. Преимущественное связываниекатиона или аниона соли приводит к смещению изоточек, причем изоионная иизоэлектрическая точки смещаются по шкале рН в противоположные стороны.Рассмотрим в качестве примера случай преимущественного связывания анионовмакромолекуламиполиамфолита.Последниеприобретаютприэтомнескомпенсированный отрицательный заряд. Для того, чтобы средний суммарныйзаряд макромолекулы оставался равным нулю, ей нужно дополнительно сообщитьнекоторый положительный заряд, что достигается в более кислых растворах.Следовательно, ИЭТ сместится в кислую область. Напротив, если рассматриватьсоотношение только Н+ и ОН- ионов, связанных полимерной цепочкой, то избыточнаяадсорбция анионов обычно сопровождается вытеснением в раствор части связанныхОН- ионов.
И для того, чтобы восстановить прежнее состояние макромолекулы,необходимо добавить в раствор щелочь. Таким образом, ИИТ сместится в щелочнуюобласть. Аналогичные рассуждения можно привести для случая преимущественногосвязывания катионов. Тогда ИЭТ сместится в щелочную, а ИИТ – в кислую область.3.6. Кооперативные реакции между макромолекулами полиэлектролитовКооперативный характер взаимодействия является причиной существенногосдвига равновесия в ионных химических реакциях между полиэлектролитами посравнению с теми же реакциями их низкомолекулярных аналогов. В качестве примерарассмотрим реакции обмена между полиакриловой кислотой и солянокислой сольюполивиниламина, а также между поливиниламином и полиакрилатом натрия.В обеих реакциях равновесие заметно сдвинуто вправо, т. е.
фактически слабаяполимерная кислота эффективно вытесняет сильную низкомолекулярную кислоту из еесоли с полимерным основанием, а слабое полимерное основание эффективно вытесняетщелочь из ее соли с полимерной кислотой. Одним из продуктов реакций являетсяполиэлектролитный солевой комплекс. При стехиометрических соотношенияхисходныхполимерныхкомпонентовивысокихстепеняхпревращенияполиэлектролитные комплексы не растворимы в воде, так как ионогенные группыполиионов оказываются взаимно блокированными.Степень превращения (θ) в реакции между полиэлектролитами можно определитькак долю функциональных групп, связанных солевыми связями, от общейконцентрации функциональных групп любого компонента (при эквимольныхсоотношениях полиэлектролитов в смеси): θ = СК / СО, где СК – основомольнаяконцентрация солевых связей, СО – исходная основомольная концентрация любогополиэлектролита.58Из кривой потенциометрического титрования смеси слабой поликислоты и солиполиоснования можно рассчитать θ при некоторых значениях рН раствора по формуле:СK = θ СO =гдеqNaOHVO[H+][H+]ПК[H+]ПКформуле:qNaOH+ [ H + ] − [ H + ] ПК ,VO(3.15)количество введенной щелочи (г–экв),––––объем реакционной смеси (л),концентрация протонов в растворе (г–ион/л),концентрацияпротоновврастворе,создаваемаянепрореагировавшей поликислотой (г–ион/л).не поддается экспериментальному определению и рассчитывается по[H ]+=пкK хар .
пк • С 0в предположении, что диссоциация полимернойкислоты описывается характеристической константой диссоциации КХАР.ПК; такоедопущение справедливо при рН ≤ pH водного раствора поликислоты той жеконцентрации.Для реакции между слабым полиоснованием и солью поликислоты, протекающейв щелочной среде, θ определяется по формуле:СK = θ СO =гдеqHCl[ОH-](3.16)qHCl+ [ OH − ] − [ OH − ] ПO ,VO– количество введенной кислоты (г–экв),– концентрация гидроксильных групп в реакционной смеси (г–ион/л),концентрациягидроксильныхгрупп,создаваемаянепрореагировавшим полиоснованием(г–ион/л) и-[ОH ]ПО –[−]()KW • CO / KХАР. ПО ,рассчитываемая по формуле: OH ПО =где KW– ионное произведение воды,кислотнаяконстантаионизацииКХАР.ПО – характеристическаяполиоснования.Расчет по формуле (3.16) справедлив только при рН ≥ рН раствора полиоснования тойже концентрации.θ0,6210,40,20,0pH2348910Рис.
3.10. Зависимость степени превращения от рН в реакциях обмена междуполикислотой и солью полиоснования (1), полиоснованием и солью поликислоты (2).59Зависимости θ от рН (рис. 3.10) показывают, что рассмотренные реакции междуполиэлектролитами протекают в относительно узких интервалах изменения рН, т. е.кооперативно.В недиссоциированном состоянии молекулы полиэлектролитов могутвзаимодействовать за счет образования водородных связей с водорастворимыминеионогенными полимерными веществами такими, как полиэтиленгликоль,поливиниловый спирт, поливинилпирролидон и др. Например, полиакриловая (ПАК) иполиметакриловая (ПМАК) кислоты образуют эквиосновомольные стехиометрическиекомплексы с полиэтиленгликолем (ПЭГ):– СH2 –CH – CH2 –CH –COOН– СH2 –CH – CH2 –CH –COOНCOOНCOOН+–СH2–CH2–О–СH2–CH2–О––СH2–CH2–О–СH2–CH2–О–Комплексы поликислот с ПЭГ водорастворимы.
В стабилизации комплексаПМАК с ПЭГ помимо водородных связей существенную роль играют гидрофобныевзаимодействия. Взаимное связывание полярных групп макромолекул приводит ксмещению равновесия диссоциации поликислоты в сторону недиссоциированнойформы, а также к гидрофобизации частиц поликомплекса и сворачиванию их вкомпактные клубки. Поэтому за такими реакциями можно следить как поизменению рН, так и по изменению вязкости растворов смесей полимеров (рис. 3.11).О кооперативном характере реакций, приводящих к образованиюполикомплексов, свидетельствует также тот факт, что эти реакции не идут, если вкачестве исходных компонентов использовать соответствующие модельныенизкомолекулярные вещества или даже если только один из компонентов являетсяполимером.
Движущей силой реакций образования полиэлектролитных комплексовявляется выигрыш в энтропии системы за счет освобождения противоионов, а тепловойэффект таких реакций в большинстве случаев мал. Образование же поликомплексов засчет водородных связей происходит благодаря выигрышу в энергии. При этомпроигрыш в энтропии при взаимодействии олигомера с полимером значительноменьше, чем при взаимодействии малых молекул с полимером, так как звенья ужесвязаны в цепочку в случае олигомера. Это и приводит к смещению равновесияреакции в сторону образования комплекса.Устойчивость поликомплекса ПМАК с ПЭГ в водном растворе, в отличие отполикомплекса ПАК-ПЭГ, возрастает при повышении температуры. Этосвидетельствует о существенной роли гидрофобных взаимодействий в стабилизациикомплекса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
