Фізико-хімічні властивості розчинів біополімерів (ВМС).

Харьковский национальный медицинский университет

Харківський національний медичний університет

Кафедра медичної та біоорганічної хімії «Медична хімія»

Лекція № 10

Фізико-хімічні властивості розчинів біополімерів (ВМС)

Лектор: зав.каф. медичної та біоорганічної хімії,

д.фарм.н., проф. Сирова Г.О.

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

1. ВМС. Класифікація.

2. Механізм утворення розчинів ВМС.

3. Висолювання.

4. Денатурація, коацервація.

5. Гелеутворення.

6. Мембранна рівновага Доннана.

7. В'язкість розчинів ВМС.

ВМС – сполуки складної хім. будови з М. м. 10

-10

ат.од.м.

Структурні одиниці ВМС - макромолекули. (

)

ВМС

у житті люди Вовна, шовк,

бавовна, шкіра Синтетичні волокна

(капрон, лавсан, нейлон)

Пластмаси,

синтетичні смоли, каучук

Біополімери (утв. при біосинтезі в кл. живих орг-мів)

1. Кат б/х р. (Ф);

2. Регулюють р. (Г);

3. Зберіг. і перед. генет. інф. (ДНК);

4. Є резервними речовинами (крохмаль, глікоген);

5.Захист. ф. (АГ-полімери);

6. Структурна і опорна функції (колаген, кератин).

ВМС:

• Б;

• НК;

• полісахариди;

змішані полімери (гліко-, ліпопротеіди );

• синтетичні полімери.

Гр. ат. ^{Гр. ат.}

Синтетичні полімери в медицині і фармації:

 Стоматологія;

 Протезування (стимулятори серця, кров. сосуди, кіст. тканина, гл.лінзи);

 технологія ліків

• ПЕО - зам. жирних основ;

• Стабілізатори суспензій інсулінів;

• Плівко-утворювачі для таблеток і капсул.

 Мед. інструменти, прилади;

 Кровоспинні губки;

 Пролонгатори;

 ВМС - мембрани апаратів для гемодіалізу;

 Крово- і плазмозамінники (ПВП, декстран та ін.);

 Перев'яз. матеріал з кровоспинними і а/с властивостями (модифікації целюлози); шовний матеріал - синтетичний поліефір з гліколіду і лактиду (п/гліколева і молочна к-ти)

 Хірургія (шовний матеріал - волокна з синтетич. полімерів)

 Поліакрилова, поліметакрилова кислоти сприяють утворенню інтерферона.

II. За просторовою будовою макромолекули:

- Лінійні - (а) побудовані з лінійних ланцюжків (Каучук) або витягнутих послідовних циклів (целюлоза)

- Розгалужені - (б) мають ланцюги з бічними розгалуженнями (фракція

крохмалю - амилопектин, деякі штучні. волокна) - Сітчасті або просторові - (в) коли

з'єдн. відрізки ланцюга хім. зв'язком, утворюючи просторову сітку (глікоген,

фенол-формальдегідні смоли). До цього типу ВМС відносять ті, які мають третинну структуру

Класифікація ВМС

I. ВМС за походженням Природні

(біополімери) – утворюються в

процесі біосинтезу (Б, НК,

полісахариди)

Штучні – отримують шляхом хім. обр.

природних ВМС (похідні целюлози)

Синтетічні –

отримують з НМС за доп. реакції

полімеризації

(поліетилен) або

поліконденсації

(капрон, смоли)

III. За формою макромолекули :

- глобулярні (globulus (лат.)- кулька) – гемоглобін крові;

- фібрилярні (fibrilla (лат) - волокно) - міозин, кератин, колаген IV. ВМС за хімічною природою атомів:

1. Карбоцепні [C] – ( - СН

– СН

- )

– поліетилен;

2. Гетероцепні – [ C, N, O, S и др.] – лавсан – поліестерове волокно,

з якого вироб. протези кров.

[ - СН

– СН

– О – С - - С – О -]

судин

3. Елементоорганічні [сполуки ат. елементів, які не вход. до складу прир. орг. сполук: Si, Al, Pb та інші]

R R R

… Si О Si О Si …

R R R

4. Неорганічні [не містять С]:

* Макромолекули еластичної S

S S S

… S S S S …

* природні мінерали (оксиди [кремнезем, кварц], сульфіди [антимоніт])

О О

ВМС ЗА СПОСОБАМИ ОТРИМАННЯ

Методи отримання Методи отримання 1. Полімеризаційні:

(-СН

-СН

-)

поліетилен

2. Конденсаційні:

СООН NH

→ Б + Н

О

АК

АК

Конденсаційний біополімер

(з'єдн. О H ) С N

2.1. Гомополіконденсація 2.1. Гомополіконденсація один мономер,

що містить дві різні функц. групи

синтетичних полімерів синтетичних полімерів

реакція приєднання великої кількості мономерів за рахунок розриву

кратних зв'язків без зміни

елементного складу і виділення побічних продуктів

реакція приєднання молекул

однакових або різних мономерів, які містять не менше 2-х функцій груп з виділенням низькомолекулярного побічного продукту

2.2. Гетерополіконденсація 2.2. Гетерополіконденсація кілька різних мономерів

Ієрархія молекулярної організації клітини

1.

Попередники, надходять з навколишньо го

середовища (м.м. 18-44 а.о.м.)

СО₂ H₂O N₂

2.

Проміжні

сполуки (м.м. 50- 250 а.о.м.)

Рибоза

-кетокислоти Фосфопируват Малат

Ацетат Малонат

3.

Будівельні блоки (м.м.

100-150 а.о.м.) Мононукле-

отиды АК Прості

цукри ЖК Гліцерин

4.

Макромо- лекули (м.м. 10³- 10⁶ а.о.м.)

НК Білки

Полісаха- риди Ліпіды

5.

Надмолеку- лярні

комплекси(

м.м. 10⁶-10⁹ а.о.м.)

Ферментні комплекси Рибосоми Скоротли- ві системи

6.

Органели клітин

ЯдроЯдро Міто- Міто- хондрії хондрії Хлоро- Хлоро- пласти пласти

7.

К Л і Т и Н а

ВІД ПРОСТОГО ДО СКЛАДНОГО

Природні ВМС утворюються в процесі біосинтезу в клітинах організмів

Фізико-хімічні методи отримання природних ВМС:

екстракція; фракційне осадження.

Синтетичні полімери, що застосовуються в медицині

Назва полімера Формула полімера Використання

Поліакриламід

Поліакриламід ^{- CH}2 – CH –

O = C – NH₂ n

коагулянт

Поліакрилова кислота

Поліакрилова кислота ^{- CH2 – CH –}

COOH n

емульгатор

Полівінілпіролідон Полівінілпіролідон (ПВП)

(ПВП)

- CH – СH –

^{N O}

n

-плазмозамінник;

- пролонгатор;

-дезінтоксикаційна дія Політетрафторетилен

Політетрафторетилен (тефлон)

(тефлон) [ - CF₂ – CF₂ - ]n протези серд. клапанів і судин Поліетилентетрафталат

Поліетилентетрафталат (лавсан)

(лавсан) ^{- CH2-CH2}-O- C- -C-O- n протези сухожилля Полівініловий спирт

Полівініловий спирт - CH₂ – CH-

OH n

- захисний колоїд;

- плазмозамінник;

- компонент мазевих основ Капрон (полі-

Капрон (полі-ξξ-капроамід)-капроамід) [ - NH – (CH₂)₅ - CO - ]n хір. шовний матеріал Поліметилметакрилат

Поліметилметакрилат (органічне скло)

(органічне скло)

CH₃ -CH₂ -C –

COOCH3 n

зубні протези

O O

Механізм утворення розчинів ВМС

Мірою набрякання служить ступінь набрякання ( 

):

або , частки од. або %, якщо 100 де m

і V

– початкова маса або об'єм полімеру, m і V – маса або об'єм після поглинання роз-ка;

m

и V

– маса або об'єм роз-ка, який поглинув полімер.

0 0

0

m m m

m

m _p

m  

 

0 0

0

V V V

V

V p

v  

 

НМС НМС

Взаємна дифузія молекул Полімери

Полярні Неполярні

Білки Каучуки

Краще набухают в

ВМС ВМС

1. Набрякання (↑ об’єму і m полімера) ВМС за рахунок сальватаціі молекул

2. Подальше набрякання (обмежене набрякання) ВМС за рахунок

проникнення молекул розчинника в полімер → утворення гелю

Розчинення ВМС (необмежене набрякання - утворення істинного розчину

воді

поляр. роз-к

бензолі неполяр.

роз-к

Стійкість розчинів ВМС

2. + розчинника, в якому ВМС розчиняється(C₂H₅OH висолює желатин з Н₂О);

3. + електролітів

(*+ великої кількості ел-літів =>ліофільність молекул ВМС ;

* ВИСОЛЮВАННЯ не коагуляція!

з водних розчинів - оборотно!

не підкоряється правилу Шульце-Гарді (грає роль не заряд іона, а ступінь взаємодії висолюючих іонів з полярними молекулами Н₂О).!!!

Висолююча дія - ліотропні ряди Гофмейстера

по висолюючим ефектом (чим ↑ ступінь гідратації іона, тим ↑ його дегідратаційна здатність і висолювальні властивості).

Ліотропні ряди на процес вісолювання для іонів виглядають так:

Вирішальне значення належить аніонам

C₂O₄^2- > SO₄^2-  F ^-  CrO₄^2-  CH₃ COO^-  Cl^- > NO^3-  Br^-  I^-  SCN^- Li⁺  Na⁺  K⁺ > Rb⁺  Cs⁺; Mg²⁺  Ca²⁺  Sr²⁺  Ba²⁺

Висолювання максимально при рНіет, тому що тут мінімальна гідратація молекул ВМС. Висолювання лежить в основі методів виділення ВМС з розчинів, наприклад, білків, без зміни їх нативної природи.

Денатурація

- це специфічне необоротне осадження білків, руйнування водневих зв'язків і, як наслідок, порушення вторинної та третинної структури молекули ВМС. Відбувається при впливі:

1) t° (високої і низької);

2) висококонцентрованих розчинів кислот і лугів;

3) ультразвуку, високого тиску, випромінювання.

Коацервація

При ↓ розчинності ВМС відбувається злиття водних оболонок декількох частинок без об'єднання самих частинок. Це своєрідна форма коагуляції розчином ВМС

+

Це спосіб самоорганізації та самоструктуризації органічних речовин у водному середовищі в самостійну фазу - зародження життя на Землі, коацервати за фізико-хімічними властивостями схожі на протоплазму.

р-н ВМС в

р-ку р-н р-ка в

ВМС

Гелеутворення

(усворення гелю з ВМС)

Гель - структурована гомогенна система, яка втратила плинність

(текучість) і здатна зберігати форму (сітка, осередки якої заповнені НМС (розчиником).

Процес гелеутворення залежить від:

1. рН - найлегше йде при рН близьких до ІЕТ (молекули нейтральні і легше чіпляються в асоціати);

2. t° –  при ↑ t°(↑ тепловий рух молекул).

Гелеутворення

особливо це притаманно для фібрилярних білків і полісахаридів з розгалуженою структурою. Гелями в клітинах є зовнішні шари цитоплазми, а в організмі - мозок, шкіра, очне яблуко, сполучні тканини і ін.

Р-н ВМС Гелі

(студні) ВМС

Обмежене набухання в нізкомолекуляр- ному розчиннику Зміна рH

+ ел-літ, ↓t°, концентрування

У стані рівноваги виконуються дві умови:

1 . Принцип электронейтральности

[Na ⁺]1 = [R^-]1 + [Cl^-]1 ; [Na ⁺]2 = [Cl^-]2

2 . Множення концентрацій іонів, які дифундують, однаково по обидва боки мембрани:

[Na ⁺]1  [Cl^-]1 = [Na+]2  [Cl^-]2

 (С1 + х)  х = (С2 - х)²

С1х + х² = С22 – 2С2х + х² С1х + 2С2х = С22

х  (С1 + 2С₂) = С₂₂

ПРИКЛАД № 1

[RNa]1 = C1 = 0,1 моль/дм³ [NaCl]2 = C2 = 0,1 моль/дм³

всередині клітини поза клітиною

I II

[Na+]1 = 0,1 + 0,033 = 0,133 [Na⁺ ]2 = 0,1 – 0,033 = 0,067 [R^-]1 = 0,1 [Cl^-]2 = 0,1 – 0,033 = 0,067 [Cl^-]1 = 0,033  Ci = 0,134

 Ci = 0,266

↑Pосм. всередині клітини (р. I) в порівнянні з р. II (поза клітини) => підтримка тургору клітин навіть у фізіологічному розчині

1 , 0 2 1 , 0

1 , X 0

2 



 

2 1

2 2

C 2 C X C

 

0,033 3

, 0

01 ,

0 

концентрація іонів, який диф.

через мембрану

ПРИКЛАД № 2 Якщо в клітці відсутній білок (С1= 0), від

[NaCl] по обидві сторони мембрани буде однакова.

ПРИКЛАД № 3

[RNa]1 = C1 = 0,1 моль/дм³ [NaCl]2 = C2 = 0,2 моль/дм³ всередині клітини поза клітиною, гіпертон. р-н

 рівноважні концентрації іонів по обидві сторони мембран :

I II

[Na+]1 = 0,1 + 0,08 = 0,18 [Na+]2 = 0,2 – 0,08 = 0,12 [R^-]1 = 0,1[Cl^-]2 = 0,2 – 0,08 = 0,12

[Cl^-]₁ = 0,08 Ci = 0,24

Ci = 0,36

!!! У гіпертонічних розчинах 1) клітина втрачає воду і 2), частина іонів електролітів переходить всередину клітини.

[Cl^-]1 < [Cl^-]2 Б. Не дифф-т через мембрану, змінює

Дифф-т через розподіл конц. ел-літа.

Мембрану → Мембрана пропускає ел-літ в одному

P-р I містить Б. Р-р II не містить Б. напрямку. Чим ↑ конц. Б., чим ↓

конц. ел-літа в розчині, тим ↑ різниця в кінцевому розподілі іонов→ впливає на осмос і Росм.

2 С С 2

X С ²

2 2

2 

 

0,5 0,08 0,04 2 , 0 2 1 , 0

2 , X 0

2  



 

Рівновага Доннана в живому організмі

1. Різний електролітний склад

внутрішньотканної рідини плазми

[Б^-] = 20 г/дм³ обумовлений неоднаковим вмістом білків

у вигляді поліаніонів [Б^-] = 70 г/дм³ [Сl^-], [НСО^3-] [орг.к-т] [Сl^-], [НСО^3-] [орг.к-т ^-]

2. еритроцити плазма

[кат⁺], [Н⁺]

>

т.к.

[Б^-]

> > > > >

у 5 разів

рН =7,19

<

3 . Вплив на всмоктування ліків (Л) (кат⁺) (ан^-)

Л = [А^н-] per os

[А^-], які не прох. мембр., в ШКТ > , чем [А^-], які не прох. мембр., у плазмі В ШКТ [А^н-] < [А^н-] у плазмі