Осмос и мембранное равновесие белков

Многие важные свойства белков в растворе объясняются очень большими размерами белковых молекул. Они не диффундируют через полупроницаемые мембраны, через которые проходит вода и низкомолекулярные вещества. Например, изготавливают целлофановые мембраны, которые используют для удаления низкомолекулярных веществ из растворов, которые содержат белки – это диализ. Если отделить раствор белков от чистой воды полупроницаемой мембраной, то наблюдается осмос (т.к. термодинамическая активность молекул воды в белковом растворе меньше, чем в чистой воде). Система компенсирует различие в активности за счет перемещения молекул чистой воды в пространство, содержащее раствор белка. Перемещение продолжается до тех пор, пока концентрация воды с обеих сторон не выровняется.

Осмотическое давление – это сила, которую нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое движение молекул воды. Посредством измерения осмотического давления можно разработать метод определения молекулярной массы белков: из уравнения Вант-Гоффа (π = RTC) следует, что, как и все энтропийные термодинамические эффекты, осмотическое давление в разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенного вещества, а при постоянной температуре определяется только общим числом кинетических элементов (ионов, молекул, коллоидных частиц) в единице объема раствора. Это и позволяет определить среднечисловую молекулярную массу белков:

M = RTС/π;

С − концентрация белка, взятого для измерения.

3.18.Термодинамическое сродство полимера и растворителя

Мерой термодинамического сродства полимера к растворителю является разность химического потенциала растворителя в растворе (μ₁) и химического потенциала чистого растворителя (μ₁⁰):

Δμ = μ₁ – μ₁⁰

При самопроизвольном процессе растворения Δμ < 0. Чем больше |Δμ|, тем выше сродство. Растворитель с большим сродством к полимеру – хороший, с малым – плохой. Термодинамическое сродство оценивают, измеряя осмотическое давление разбавленных растворов:

Δμ = -πV_p,

где V_p – парциальный молярный объем растворителя. Термодинамическое сродство компонентов в растворе зависит от парциального изменения энтальпии и энтропии смешения (ΔН_с, ΔS_c):

ΔН_с – определяет энергетические изменения при растворении;

ΔS_c – определяет изменения во взаимном расположении молекул и изменении конформации макромолекул;

Δμ =ΔН_с - ТΔS_c

Самопроизвольное растворение, сопровождающееся уменьшением химических потенциалов, может происходить только при:

( ΔН_с - ТΔS_c ) < 0.

Для гибких цепей ΔН_с≈ 0, а ΔS_c ≥.0. Это означает, что их растворимость − это следствие резкого возрастания энтропии системы. Растворение полимера с жесткими цепями сопровождается выделением тепла и ΔН_с< 0, ΔS_c ≤ 0, следовательно изменение энтропии системы падает. Это показывает, что способность полимера растворяться зависит:

1) от соотношения полярности полимера и растворителя;

2) от фазового состояния полимера;

3) от гибкости макромолекулы;

4) от плотности их упаковки.

Сильно полярные полимеры с жесткими цепями с неполярными жидкостями вообще не взаимодействуют. Они набухают в полярных растворителях и растворяются только в очень активных растворителях. Аморфные полимеры растворяются гораздо легче кристаллических. Неполярные полимеры с гибкими молекулами неограниченно растворяются в неполярных растворителях. Плотная упаковка макромолекул с сильными межмолекулярным взаимодействием ухудшает их растворимость.