Диссертация (1144795), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Космотропы, напротив, способствуют дефолдингу протеинов, дестабилизируют гидрофобные агрегаты, повышают растворимость гидрофобных молекул. Этисвойства ионов могут варьировать, например, при изменении концентрациисоли или в присутствии макромолекул или геля меняются свойства раствора.Растворы некоторых веществ со слабо выраженными физико-химическимисвойствами (например, мочевина) в одних случаях относят к космотропам[375], в других - к хаотропам [222].Ионные космотропы следует рассматривать отдельно от неионных[362]. В целом, свойства ионов следуют ряду Гофмейстера: крупные ионы с21низкой плотностью зарядов (например, SCN-, H2PO4-, HSO4-, HCO3-, I-, Cl-,NO3-, NH4+, Cs+, K+, ионы гуанидина (NH2)3C+ и тетраметиламмония(CH3)4N+) взаимодействуют с водой слабее, чем молекулы воды взаимодействуют между собой, и слабо влияют на водородные связи окружающих молекул, тогда как небольшие ионы с высокой плотностью зарядов (например,SO42-, HPO42-, Mg2+, Ca2+, Li+, Na+, H+, OH- и HPO42-) сильнее взаимодействуют с ионами воды, чем молекулы воды взаимодействуют между собой, и способны разрушить водородные связи водного окружения.
Радиус заряженногохаотропного иона превышает 0,106 нм для катионов и 0,178 для анионов[214]. Следовательно, водородные связи между молекулами воды большеразрушаются в ближайшем окружении ионных космотропов, чем хаотропов.К числу стабилизирующих коллоиды факторов относится создание«структурно-механического барьера» молекулами ПАВ вокруг коллоидныхчастиц. Это явление впервые описано П.А. Ребиндером [120]. ПАВ – это вещества, введение которых в систему приводит к понижению поверхностногонатяжения. В двухфазной системе, состоящей из двух и более компонентов,состав поверхностного слоя между фазами может заметно отличаться от состава объемных фаз.
При этом в поверхностном слое должны преимущественно концентрироваться компоненты, присутствие которых понижаетэнергию системы [61]. Явление самопроизвольного концентрирования веществ в поверхностном слое названо адсорбцией. Количественной мерой адсорбции i компонента служит, по Гиббсу, величина Гi, называемая удельнойадсорбцией и определяемая как избыток (обычно в молях) рассматриваемогокомпонента, приходящийся на единицу площади поверхности раздела фаз[61]По П.А. Ребиндеру [120], структурно-механический барьер возникаетпри адсорбции молекул ПАВ, способных к образованию гелеобразногоструктурированного слоя на межфазной границе.
К таким веществам относятся гликозиды, белки и другие защитные коллоиды - высокомолекулярные22вещества со сложным строением молекул, которые имеют области большей именьшей гидрофильности в пределах одной молекулы.Важной чертой структурно-механического барьера являются реологические свойства межфазных слоев, обусловливающие термодинамические(возникновение упругости) и гидродинамические (повышение вязкости) эффекты при стабилизации.
Упругость межфазных слоев может определятьсясилами различной природы, включая уменьшение числа возможных конформаций макромолекул в зоне контакта и увеличение осмотического давленияпри перекрытии адсорбционных слоев (уменьшение концентрации дисперсионной среды в этой зоне).Наличие на поверхности частиц прочно закрепленного адсорбционногослоя достаточно для предотвращения коалесценции (слияния двух и болеечастиц в одну), но не может обеспечить устойчивость системы против коагуляции (слипания частиц).
При отсутствии близкой родственности слоя стабилизатора и дисперсионной среды произойдет сцепление между самими оболочками частиц ‒ межфазными слоями. При сближении частиц происходитперекрытие лиофильных частей адсорбционных слоев макромолекул, что вызывает появление сил отталкивания энтропийной природы [350]. Эти эффекты получили название стерического фактора стабилизации. По существу, онявляется составной частью структурно-механического барьера [61].
Такимобразом, коллоидные частицы в жидкой среде (в том числе, органическиемакромолекулы) при достаточной ионной силе могут агрегировать.Liang Y. [284] рассматривает 5 типов сил, действующих между коллоидными частицами: 1) межмолекулярные силы притяжения Лондона-Ван ДерВаальса, приводящие к агрегации частиц; 2) силы электростатического отталкивания, обусловленные существованием двойного электрического слоя;3) силы отталкивания, связанные с сольватацией (в водных растворах – гидратацией); 4) гидрофобные силы, 5) стерические силы.23Физический механизм сил гидратации до конца не ясен. Предложенмеханизм аномальной поляризации воды вокруг поверхностей, который полностью меняет ее диэлектрические свойства [281; 292; 323].
Другие авторы[259] полагают, что возникающие силы связаны с энтропийным (осмотическим) отталкиванием терминально расположенных активных молекулярныхгрупп, которые выдаются из поверхности частицы в окружающую жидкость[279]. Силы отталкивания доминируют на коротких расстояниях, как показано для силиконовых микрочастиц в водном растворе NaCl [245].На сегодня не существует теории стерических взаимодействий [290],которая дает исчерпывающий ответ на вопрос о формировании стерическихсил [220; 253; 369]. Увеличение силы взаимодействия между поверхностями,покрытыми полимерами, зависит от количества полимера, покрывающегокаждую поверхность, от того, адсорбирован он на поверхности (обратимыйпроцесс) или необратимо связан с ней, а также от качества растворителя [220,296]. Стерические силы зависят от множества компонентов, какой из них является доминирующим, зависит от конкретной ситуации [290].Браун Ф.Н. [202] предложил новое объяснение механизма фазовогорасслоения растворов глобулярных белков, в котором учитываются эластичность белковых глобул и ее увеличение при повышении температуры, а также возможность перемещения аминокислотных остатков вокруг глобулы изобласти плотного контакта частиц в гидрофильные области молекул.
Авторсчитает, что адгезионные свойства глобулярных белков сильно зависят оттемпературы и коалесценция глобул (расслоение раствора на две жидкие фазы) возможна лишь после преодоления температурного порога [353].Известно, что фазовое расслоение коллоидов может происходить в виде коацервации, при котором макромолекулярный водный раствор разделяется на две несмешивающиеся жидкие фазы: более плотную, называемую коацерватом, и более разбавленную жидкую фазу, которые находятся в равновесии. В число факторов, влияющих на коацервацию, входят молекулярная24масса и геометрия взаимодействующих молекул, концентрация мицелл истехиометрическое соответствие между полимером и мицеллой.
Наиболеезначимы электростатические факторы: плотность заряда на макромолекуле иионная сила [370]. В работе [320] измерен собственный коэффициент диффузии в водном растворе лизоцима методами PGSE (Pulsed-Gradient Spin-Echoimaging) и NMR (Nuclear Magnetic Resonance) при разной температуре, рН,концентрациях соли и белка для исследования процессов агрегации. Измерения диффузии проводились при 25°С и рН 4.6 при концентрации лизоцима до5 мМ (75 мг/мл) в присутствии соли: 0; 0.15 и 0.5 М NaCl (в отсутствие солиагрегации не происходило). При повышении концентрации лизоцима в присутствии соли коэффициент диффузии снижался быстрее, что приводило кобразованию крупных олигомеров.
Таким образом, присутствие соли в растворе стимулировало агрегацию белка.Замена одного иона на другой в белково-солевом растворе существенноотражается на свойствах коллоидных систем, что обусловлено разной способностью ионов [208], занимающих разные позиции в ряду Гофмейстера,высаливать белки из растворов [218; 303; 304].Методами турбидиметрического титрования и динамического светорассеяния в растворах белков и полиэлектролитов обнаружены нелинейныезависимости комплексообразования от ионной силы и уровня рН [266; 335].Причиной данного феномена считается гетерогенность электростатическогопотенциала вокруг молекулы белка и повышение плотности зарядов (уменьшение радиуса Дебая) с ростом ионной силы [16].
Аномальную стабильностьпри высоких концентрациях соли в водно-белковых системах связывают ссуществованием гидратационного отталкивания в результате гидратациипротивоионами поверхности белка. Эти силы отталкивания проявляются накоротких расстояниях [297], когда адсорбционный и диффузионный слоипротивоионов сжаты под действием высокой ионной силы.25Предприняты различные подходы для понимания как кинетики, в терминах уравнения состояния, так и структур, образующихся в межфазныхпленках протеиновых и сурфактантных смесей. Исследована динамика микроструктуры коллоидных частиц при изменении рН и концентрации [352].Написано уравнение состояния для смесей белка с сурфактантом [295].
Модели способны предсказывать адсорбцию смешанных систем [294] и определять минимум поверхностной концентрации, который может объяснить нестабильность некоторых смесей в растворе [233].Известно, что при добавлении сурфактанта в раствор белка сурфактантначинает вытеснять белок из адсорбционных слоев, снижая поверхностноенатяжение системы [262]. Действие ионных сурфактантов имеет некоторыеразличия с неионными, но в целом наблюдаются общие тенденции [249; 289].Главное различие заключается в поверхностном давлении, которое требуетсядля полного вытеснения белка с поверхности и роста ограниченных доменовсурфактанта до перколяции (точки, при которой белковая сеть разрушается, исурфактант формирует непрерывную фазу на поверхности).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
