Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Электролизом расплавов соответствующих солей нли оксидов в промышленности получают многие металлы, например алюминий и магний. Осаждение химически стойких металлов на катоде широко используется для покрытия изделий из металла тонким защитным слоем (гальванические покрытия). Поскольку разные ионы обладают разной подвижностью, на основе электрофореза возможно разделение веществ,молекулы которых могут быть заряжены.
К их числу относятся важнейшие биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. Белки содержат, как правило, много ННз- и других групп, способных присоединять протоны и тем самым заряжаться положительно. Они содержат также много карбоксильных групп (СООН), которые, ионизуясь, дают отрицательно заряженные ионы СОО-. Степень протонирования и степень ионизации отдельных групп, а следовательно, и заряд белковой молекулы зависят от рН среды.
В кислой среде белки заряжены положительно, в щелочной — отрицательна. Нуклеиновые кислоты содержат остатки фосфорной кислоты, которые уже в слабо кислой, а тем более в нейтральной и щелочной средах ионизированы, т. е. несут отрицательный заряд, в связи с чем иуклеиновые кислоты находятся в растворе в виде полианиоиов.
Поэтому электрофорез является важнейшим методом препаративного разделения и анализа смесей белков и смесей нуклеиновых кислот. Общий принцип разделения выглядит весьма просто. На раствор электролита наносится в виде слоя (зоны) раствор„содержащий разделяемую смесь. После подачи напряжения каждый компонент смеси начинает перемещаться в соответствии со своей подвижностью.
Через некоторое время каждый из компонентов, имеющий подвижность, достаточно сильно отличающуюся от таковой для других компонентов, образует свою зону иа расстоянии и;з1 (г — время электрофореза) от расположения исходной зоны. Следует, однако, иметь в виду, что само создание зоны приводит к возникновению скачка концентрации каждого из разделяемых компонентов на границе разделяемая смесь — исходный электролит.
Поэтому сразу же начинается диффузия компонентов в свободный от них электролит. Диффузия идет на протяжении всего процесса разделения, приводя к размыванию зон. Поэтому профиль концентраций разделяемыхкомпонентов вдольячейки, в которой проводится электрофорез, постепенно сглаживается, как это изображено на ЗЗО Щю 42 Юю4545 ~ю 47 йю54 юбб юбр юю бб ° И бр ИЯ ИИ 72 Рис.
90. Профиль концентрации двух разделенных веществ вдоль координаты л злектрофоретической ячейки в начале электрофорева и в два погледунгпгвх отрезна времени Рис. 91. Отпечатон на рентгеновской пленке геля после электрофореза смеси радиоактивных фрагментов РНК (транспортной рибонуклеиновой кислоты) дли' ной от 40 до 72 остатков: сиена — раадеиеине смеси, содержащей гжлаый набор есеа ьрагменсоа; сарана — ограниченный набор фрагментов, длины которых заааанм майнами Согласно той же формуле (18.4) коэффициент диффузии обратно пропорционален вязкости растворителя. Поэтому особенно высокого качества разделения удается достигнуть, проводя электрофорез в гелях, вязкость которых чрезвычайно высока.
Для разделения белков и нуклеиновых кислот наиболее широко используются полиакриламидные гели (см. $8.8). С помощью электрофореза в таких гелях удается в один прием разделить десятки компонентов. В качестве иллюстрации на рис. 91 приведен результат разделения смеси фрагментов нуклеиновой кислоты разной длины от 40 до 72 иуклеотидных звеньев. Электрофорезу подвергались фрагменты, меченые радиоактивным фосфором ззР.
После завершения разде- 331 рнс. 90. Диффузия ухудшает качество разделения и может вообще сделать его неэффективным. Влияние диффузии на качество разделения, естественно, тем сильнее, чем больше коэффициент диффузии. Поэтому электрофорез наиболее широко используется для разделения полимерных молекул, поскольку в соответствии с (!8.4) коэффициент диффузии тем меньше, чем больше линейные размеры молекул. ления гель фотографировали на рентгеновскую пленку, и позтому участки геля, содержащие фрагменты, проявлялись в виде черных полос.
Видно„что четко разделяются фрагменты, отличающиеся всего на одно нуклеотидное звено. $ ай.3. Седмментацмя На любую частицу гравитационное поле действует с силой, пропорциональной ее массе. Аналогичное действие на частицы вещества оказывает центробежное ускорение, возникающее при вращении вещества. В общем случае действующую силу можно выразить формулой та, где т — масса, а — или ускорение силы тяжести (у=9,81 м с-'), или центробежное ускорение (тазг, где тп — угловая Рис.
92. Схематическое иаображеиие роторов ультрацеитрифугие а — литов ротор; б — бакет-ротор; т — оеь вращения, а — тело ротора. а — твееда для пробирок: 4 — шарлир (щтрвхапв пбоелаееио положевве пробирок прв вращеиил ротора) скорость, а г — расстояние до оси вращения). Вращение вещества в пробирке осуществляют с помошью центрифуг. Вращающаяся часть центрифуги называется ротором. В простейшем случае ротор представляет собой литой конус с прорезями, в которые вставляются пробирки с веществом (рис.
92). В более совершенных роторах— так называемых бакет-роторах пробирки с веществом вставляются в специальные гнезда, подвешенные на шарнирах. По мере раскручивания ротора действующая сила изменяется — от вертикального направления при покоящемся роторе до практически горизонтального. Шарниры дают возможность пробиркам с веществом проворачиваться в горизонтальное положение, когда центробежное ускорение становится величиной, на несколько порядков превышающей ускорение силы тяжести. В таких роторах сила на протяжении всего периода работы центрифуги от начала раскручивания до полной остановки ротора направлена вдоль оси пробирки с веществом.
Современная техника позволяет создавать ускорения, в сотни тысяч раз превышающие ускорение силы тяжести, т. е. порядка 1ба м с — а. Центрифуги, в которых создается столь большое ускорение, называют ультрацентрифугами. Ограничения на размеры и форму ротора, равно как и н» допустимые скорости вращения, обусловлены 332 механической прочностью материала ротора, поскольку он подвергается действию огромных нагрузок.
Так, при ускорении 10е м.с-' един грамм вещества «весит» 1ОО кг. В ультрацентрифугах роторы обычно изготавливают из титана„который сочетает высокую механическую прочность с относительно невысокой удельной массой (4500 кг/мз) Седиментация представляет собой перемещение более плотных частиц дисперсной фазы или молекул растворенных высокомолекулярных веществ относительно менее плотной дисперсионной среды в направлении приложенной силы '. Этому перемещению противостоит броуновское движение, а также любые воздействия на систему, приводящие к возникновению конвекционных токов — встряхивание, локальные изменения температуры и т. п.
В поле земного тяготения с заметной скоростью осаждаются (седиментируют) лишь частицы не слишком мелких суспеизий. Это осаждение может быть существенно ускорено применением центрифуг. При этом, как правило, возникают столь плотные осадки, что надосадочную жидкость (супернатант) можно просто слить с осадка опрокидыванием пробирки. Поэтому центрифугирование широко используют в лабораторной практике н в промышленных установках вместо фильтрования, особенно в тех случаях, когда осажденное вещество образует мелкодисперсную суспензию. В ультрацентрифугах удается осадить коллоидные частицы и молекулы полимеров.
При седиментации каждая коллоидная частица или молекула растворенного полимера вытесняет в направлении, противоположном приложенной силе, объем растворителя„равный объему седиментируюшей частицы. Этот объем для частицы массой пт равен шРул, где Ртя — удельный объем частицы в растворе (в случае растворенной частицы парциальный удельный объем — величина, аналогичная описанному в 3 9.5 парциальному молярному объему, но получавшаяся дифференцированием полного объема по массе компонента раствора, в данном случае по массе полимера). Обратная величина р= 1/1Утл называется плавучей плотностью вещества. Она не совпадает с плотностью вещества в твердом состоянии вследствие некоторого влияния окружения на объем, приходящийся на каждую молекулу вещества, которое, естественно, различно в кристалле и в растворе.
В результате возникает встречная выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой. Эта сила равна массе вытесненной жидкости, умноженной на ускорение,т.е. пгГтарса, где рз — плотность растворителя. Если воспользоваться понятием плавучей плотности р, то эта сила запишется формулой пг(ро/р) и. А полная сила, приложенная к частице, составит е Если плотность днсперсной фззы меньше плотности днсперснонной среды, то частицы перемещзются в обрзтном нзпрзвленнн. Такой процесс нззы.
веется фогациеа н используется для выделения нз днсперсной системы легкнх частиц (нзпрнмер, для удзлення пузырьков газа нз вязкой яощкостн). 333 т (1 — Р„„рз а = т [1 — (рз/р)[ а. Поскольку движение в вязкой среде приводит к возникновению силы вязкого трения, обе силы уравновешивают друг друга, н возникает равномерное движение со скоростью о, определяемой из условия равновесия сил т (1 — Тг~,р,) а =/Ъ. Из этого соотношения следует, что скорость седиментации пропорциональна ускорению приложенного поля и равна п=[т(1 — $~,„рз) Яа. Коэффициент пропорциональности и (1 — $~~дрз) (18.15) У (18.14) называется константой седиментации вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
