Специфические свойства растворов ВМС

Мембранное равновесие Доннана

В живых тканях всегда наряду с растворами белков и их солей, присутствуют также ионы обычных электролитов (NaCI, KCI, CaСI₂, Na₂HPO₄, NaHCO₃).

Присутствие в организме солей белков, отделенных клеточной мембраной от растворов электролитов, приводит к перераспределению электролитов и соответственно влияет на осмотическое давление по обе стороны мембраны. Перераспределение электролитов подчиняется уравнению мембранного равновесия, выведенного Доннаном.

,

где: х – количество ионов, прошедших через мембрану внутрь клетки; С(Н) – количество ионов электролита снаружи мембраны; С(В) – количество ионов электролита внутри клетки.

В присутствии полиэлектролитов всегда наблюдается явление перераспределения ионов через мембрану (эффект Доннана), что будет сказываться на осмотическом давлении, величине биопотенциалов. Поэтому в живом организме эффект Доннана является одной из причин сложных процессов изменения осмотического давления, изменения мембранного потенциала, ввиду перераспределения электролитов в присутствии полиэлектролитов - белков.

В растворах ВМС часто можно наблюдать такое интересное явление как желатинирование, застудневание или гелеобразование. Суть его состоит в полной потере раствором текучести и приобретения твердообразности: раствор превращается в студень или гель.

К биологически важным гелям относятся гели, входящие в состав оболочки и ядра клетки. Стекловидное тело глаза – типичный гель, свернувшаяся кровь - гель, медуза - живой гель (99%-воды). К гелям относятся мармелад, кисломолочные продукты - кефир, простокваша, сыр.

Желатинированию способствует увеличению концентрации полимера в растворе, понижение температуры и отсутствие механического воздействия на него.

Упругие и эластичные свойства студней определяются прочностью и гибкостью макромолекулярной сетки, а также твердообразностью ориентированных слоев молекул растворителя. Гидратные оболочки, окружающие полярные группы, создают упругую водную сетку. Жидкость, заполняющую сетку студня, называют интермицеллярной. В нее входит свободная и связянная вода. Связанная вода - та часть воды, которая входит в состав сольватных оболочек. Связанная вода обладает особыми свойствами: большей плотностью, пониженной температурой замерзания, потерей растворяющей способности. Связанная вода студней и гелей играет большую роль в нашей жизни, ибо присутствует в почве, растениях и в живых организмах, обеспечивает морозоустойчивость, поддерживает "водные запасы", определяет морфологическую структуру клеток и тканей. В человеческом организме доля связанной воды составляет у младенца 70%, снижаясь к старости до 40%. Старение студней и гелей проявляется в синерезисе - процессе постепенного сжатия сетки студня. Этот процесс наблюдается при продолжительном стоянии желатинированного раствора полимера и представляет собой образование уплотнений в системе. Он объясняется медленным "углублением" структурирования раствора, начавшегося при его желатинировании. При этом происходит стягивание молекул полимера между собой, вследствие чего из гомогенной желатинированной системы выделяется плотное тело, копирующее форму сосуда, в котором находится система и жидкость. Происходит разделенные студня на две фазы: уплотненный гель и разведенный раствор ВМС, в состав которого входит интермицеллярная вода.

При этом вначале отнимается свободная вода, а потом частично и связанная. Синерезис связан с увеличением числа контактов у частиц дисперсной фазы и выжиманием на структурной сетке геля части растворителя. В процессе старения изменяется величина электрического заряда и степень гидратации макромолекул.

Синерезис наблюдается у сгустка крови (геля) при 35-40^оС, когда происходит выделение слегка окрашенной, почти прозрачной сыворотки. Синерезисом, протекающим в мышечных и костных тканях, объясняют изменение в них при старении, мясо старых животных намного плотнее, чем у животных молодого возраста.

Разрушение студня может наблюдаться не только при усилении гидрофобных взаимодействии (при старении, т.е. при синерезисе) или при повышении температуры, но и при механическом разрушении межмолекулярных связей. Явление механического разрушения структурной сетки носит название тиксотропии.

Этот процесс также обратим: в состоянии покоя раствор снова желатинируется. Способность растворов полимеров многократно желатинироваться в состоянии покоя и разжижаться при механическом вохдействии на них, называется тиксотропией. Явление тиксотропии наблюдается в протоплазме. Раздражая иголкой тело малых лимфоцитов, можно наблюдать быстрое разжижение их протоплазмы, но вскоре она снова уплотняется.

В растворах ВМС можно при определенных условиях (рН, температура, добавление низкомолекулярных веществ), наблюдать явление коацервации. Коацервация - это разделение гомогенного раствора ВМС на две фазы. Одна фаза - это раствор ВМС в растворителе, другая фаза - это раствор растворителя в ВМС (верхняя часть). Оба слоя гомогенны, но различаются содержанием ВМС в каждой фазе, т.е. вязкостью. Вязкая фаза, содержащая почти все высокомолекулярные вещества, называется коацервантом. Коацервация отличается тем, что высокомолекулярное вещество не отщепляется от растворителя, а собирается в капельки больших размеров, пока не произойдет расслоение. Если изменить условия в сторону усиления дегидратации ВМС, то можно вызвать разрушение коацервативных капель и вызвать полное осаждение ВМС. Комплексная коацервация имеет место в протоплазме. В истории возникновения жизни на Земле процесс коацервации имел исключительное большое значение.