Изучение набухания и растворения ВМС

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

для проведения занятия со студентами I курса

лечебного факультета по общей химии

Тема № 17:Физико-химия биополимеров и их растворов

Время: 3 часа

1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

Познакомить студентов-медиков с получением и физико-химическими свойствами растворов ВМС, а также с различными методами определения ИЭТ белков. Рассмотреть теоретические основы электрофореза растворов ВМС, а также области его применения.

Сформировать умения и навыки по определению степени набухания полимеров, а также по определению ИЭТ белков.

МОТИВАЦИЯ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ:

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называются вещества, макромолекулы которых состоят из десятков тысяч и сотен тысяч атомов, с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Белки и большинство природных соединений, а также все возрастающее число синтетических полимеров являются ВМС.

Синтетические полимеры широко применяются в медицине для изготовления протезов, сосудов, суставов, сердечных клапанов, хрусталиков глаза, различных тканей. Волокна из синтетических полимеров используются в качестве шовного материала в хирургической практике. Созданы специальные полимеры, из которых изготавливается аппаратура для переливания крови. Среди синтетических ВМС все большее развитие получает новое направление – химия медицинских полимеров.

В отличие от синтетических, ВМС живой природы называются биологическими или биополимерами. Это белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, сложные пептиды. Биополимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках и являются важнейшими составными частями всех живых организмов. К гелям и студням относятся мышечные волокна, хрящи, клеточные и другие оболочки и мембраны в организме. Изучение структуры и свойств биополимеров необходимо для познания важнейших биологических процессов – основы жизни. Знакомство с сущностью явлений набухания и желатинирования способствует лучшему пониманию многих физиологических процессов: воспаления, образования отеков, регенерации тканей и др.

Многие ВМС обладают физиологической активностью и применяются в качестве заменителей плазмы крови (поливинилпирролидон, поливиниловый спирт), при лечении ожогов (поливинилбутиловый эфир), в качестве пролонгаторов действия лекарств (производные целлюлозы, полиэтиленгликоли, поликислоты и др.), для стабилизации лекарственных коллоидов, суспензий и эмульсий.

Основной задачей является изучение физико-химических свойств этих важных в деятельности врача соединений.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ:

а) основные понятия химии ВМС: мономер, полимер, реакции полимеризации и поликонденсации;

б) белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты как биополимеры.

В результате проведения занятия студент должен:

1) знать:

· общую характеристику ВМС;

· понятие о биополимерах и синтетических ВМС, их применение в медицине;

· методы получения ВМС, конкретные примеры;

· теоретические основы процесса растворения ВМС;

· сравнительную характеристику свойств растворов ВМС и коллоидных растворов;

· теоретические основы набухания ВМС и факторы, влияющие на набухания;

· понятие о полиэлектролитах и белках как полиамфолитах;

· понятие об изоэлектрической точке белка и способах ее определения;

· теоретические основы электрофореза растворов ВМС и области его применения;

· понятие о вязкости растворов ВМС, уравнения Штаудинера;

· микрогетерогенные системы: эмульсии, аэрозоли, пены.

2) уметь:

· сравнивать величину набухания и коагуляции белка при различных значениях рН, зная его ИЭТ;

· определять, в какой форме (катионной или анионной) будет находиться белок с известным значением ИЭТ, помещенный в раствор с определенным рН;

· указывать направление перемещения белка при электрофорезе в растворе с определенным рН;

· зная ИЭТ ферментов определять значения рН, при которых можно разделить смесь ферментов методом электрофореза.

2. СВЯЗЬ СО СМЕЖНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ:

Полученные знания о теоретических основах растворов ВМС потребуются студентам при изучении курсов мед. физики и биологии, хирургических болезней, патологической анатомии с курсом судебной медицины.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ:

3.1 Микрогетерогенные системы: эмульсии, аэрозоли, пены.

3.2 Высокомолекулярные соединения и их растворы. Природные и синтетические ВМС.

3.3 Строение молекулы ВМС. Растворение ВМС, набухание. Влияние различных факторов на набухание.

3.4 Полиэлектролиты. Изоэлектрическая точка и методы ее определения.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАНЯТИЯ

Лабораторная работа № 1

Изучение набухания и растворения ВМС

ОПЫТ 1. Определение степени набухания каучука в воде, бензине, скипидаре

Взвесить 3 колечка (каждое отдельно) и опустить одно в бюкс с водой, другое – в бюкс с бензином, третье – в бюкс со скипидаром. Через 30 мин. вынуть каучук из растворителей, осторожно осушить фильтровальной бумагой и снова взвесить. Рассчитать степень набухания по формуле:

где m₁ и m₂ – масса каучука до и после набухания. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

№	Растворитель	Исходная масса каучука m₁	Масса после набухания m₂	Величина набухания m₂ – m₁	Степень набухания
1. 2. 3. 4. 5.

ОПЫТ 2. Зависимость величины набухания желатина от рН среды

В сухие мерные пробирки вносят по 0,5 мл порошка желатина и в каждую добавляют до 10 мл одного из растворов:

Таблица 2

№	Растворы электролитов	Исходный объем желатина V₁	Объем после набухания V₂	Величина набухания V₂ – V₁	Степень набуха-ния
1. 2. 3. 4.	0,1 н. HCl (рН = 1) Буферный раствор рН = 4,7 Дистиллир. вода (рН = 7) 0,1 н. NaOH (рН = 13)

Содержимое пробирок перемешивают палочкой, которую после каждого перемешивания следует промыть дистиллированной водой. Через 30 мин. определяют объем набухшего вещества. Рассчитывают степень набухания по формуле:

Построить график зависимости величины набухания от рН среды. Сделать вывод.

Лабораторная работа № 2

Определение изоэлектрической точки белка

Берут 5 центрифужных пробирок и в каждую наливают по 1 мл ацетатного буфера (СН₃СООН + СН₃СООNa) с рН 3,8; 4,1; 4,7; 5,3; 6,2.

Затем добавляют по 0,5 мл 1% раствора белка (желатина) и по 1 мл ацетона пипеткой. Содержимое пробирки тщательно перемешивают и на темном фоне отмечают степень и максимум мутности проб, качественно оценивая ее в системе 0 +5 "плюсов" (в случае слабо выраженной мутности в каждую пробу вносят дополнительно по 0,5 мл ацетона).

Данные занести в соответствующую графу таблицы. Максимум мутности соответствует максимальной коагуляции белков в их изоэлектрической точке.

Для более четкого обнаружения пробы, в которой произошла максимальная коагуляция белка, их дополнительно подвергают центрифугированию на электроцентрифуге. После 2-3 минут центрифугирования по 3000 об./мин. центрифугу выключают, а пробы аккуратно вынимают из гнезд и устанавливают по порядку в штатив.

На дне проб отмечают осадок белка различной толщины. Надосадочную жидкость сливают быстрым опрокидыванием пробирок. К осадку добавляют по 2 мл биуретового реактива (CuSO₄ + NaOH). Каждую пробу встряхивают до растворения осадка. Интенсивность фиолетовой окраски в пробах пропорциональна количеству коагулированного белка, выделенного центрифугированием в осадок. Оценивая интенсивность окраски количеством "+", результаты заносят в соответствующую графу таблицы 3.

Таблица 3

рН	3,8	4,1	4,7	5,3	6,2
Степень мутности
Интенсивность окраски

рН пробы с максимальной мутностью и максимальной фиолетовой окраской соответствует изоэлектрической точке белка (желатина).

5. ХОД ЗАНЯТИЯ:

Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения жидкости высокополимером, сопровождающийся увеличением его объема и массы. Набухание и растворение высокополимеров (белков, каучука и др.) рассматривают как смешение двух жидкостей.

Набухание – это первая стадия растворения полимеров. Набухший полимер представляет собой раствор низкомолекулярного компонента в высокомолекулярном. Набухание обусловлено тем, что проникновение молекул растворителя в полимер происходит быстрее, чем диффузия макромолекул ВМВ в растворитель.

Чем больше молекулярная масса полимера, тем медленнее идет процесс набухания. Имеет значение форма и размеры молекулы. Различают неограниченное и ограниченное набухание. При неограниченном набухании происходит полное растворение ВМВ (постепенно). После того как полимер набухнет, молекулы его переходят в раствор, образуя гомогенную систему. Так набухает белок в воде, каучук в бензоле.

Ограниченное набухание заканчивается образованием студня, т.е. полимер поглощает низкомолекулярную жидкость, а сам в ней почти не растворяется. Так набухает желатин, целлюлоза в воде при комнатной температуре.

Набухание – процесс избирательный. Неполярные вещества хорошо набухают в неполярных растворителях (каучук в бензоле, бензине) и не набухают в полярных. Полярные ВМВ хорошо набухают в полярных растворителях (желатин в воде) и не набухают в неполярных.

Степень набухания – предельное количество жидкости в г, поглощенное 1 г полимера на данной стадии набухания.

Скорость набухания определяется количеством жидкости, поглощенной при набухании за единицу времени. На скорость и степень набухания полярных ВМВ оказывают влияние электролиты (анионы), которые по способности усиливать набухание располагаются в лиотропный ряд или ряд Гоффмейстера:

CNS^¯ > I^¯ > ClO₃^¯ > Cl^¯ > CH₃COO^¯ > тартрат² > цитрат³ > F^¯ > SO₄²

Ион CNS усиливает набухание, а ион SO₄² тормозит, так как он сам сильнее всех ионов этого ряда гидратируется.

рН среды оказывает большое влияние на набухание ВМВ. Минимум набухания для белков лежит в изоэлектрической точке (для желатина рН = 4,7). Такое влияние на набухание связано с тем, что в изоэлектрической точке заряд макромолекулы минимален, а вместе с этим минимальна и степень гидратации. С повышением кислотности и щелочности среды степень набухания увеличивается. К набуханию способно стекловидное тело глаза и ткани мозга. Степень набухания тканей меняется при патологических процессах: ожог, воспаление, травма.

6. вопросы ДЛЯ САМОконтроля знаний:

1) Методы получения ВМС.

2) Сравните свойства растворов ВМС и коллоидных растворов.

3) Каковы особенности растворения ВМС? Какой процесс называют набуханием?

4) Что называют ИЭТ белка? Методы определения ИЭТ белка. Какие свойства белка резко меняются в изоэлектрическом состоянии?

5) В каком из растворителей – вода, спирт, толуол, физиологический раствор – желатин будет набухать, а в каком – нет. Объясните причину.

6) В каком из растворов степень набухания каучука массой 10 г выше, если после набухания в бензоле его масса составила 22 г, а в толуоле – 31,4 г.

7) При каких значениях рН лучше всего разделить смесь ферментов с ИЭТ 4,8 и 7,9, соответственно. Ответ пояснить.

8) Желатин с ИЭТ 4,7 поместили в раствор, в котором концентрация ионов водорода в 1000 раз больше чем в воде. В какой форме (катионной или анионной) будет находиться желатин в этом растворе.

7. ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ:

1. Конспект лекций.

2. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: учеб. для мед. спец. вузов / Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др.; Под ред. Ю.А. Ершова. – М.: Высш. шк., 2005. – с. 526-548;

3. Захарченко, В.Н. Коллоидная химия. / В.Н. Захарченко. – М: Высшая школа, 1989 г. – с. 196-225.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:

1. Зеленин, К.Н. Химия. / К.Н. Зеленин. – СПб: Специальная литература, 1997. – с. 611-626;

2. Равич-Щербо, М.И. Физическая и коллоидная химия / М.И. Равич-Щербо, В.В. Новиков – М.: Высшая школа, 1975, – с. 196-245.

Авторы: Зав. кафедрой, доцент, к.х.н. Лысенкова А.В., доцент, к.х.н. Филиппова В.А., ст. преподаватели Прищепова Л.В., Чернышева Л.В., Одинцова М.В., ассистенты Короткова К.И., Перминова Е.А.

05.10.2010