Условия выделения природных макромолекул

Органические макромолекулы существуют в растительных и животных тканях как сложные системы, состоящие из многих химических структур различных размеров и форм. Такие классические методы выделения и очистки органических веществ, как осаждение осадителями, кристаллизация, перегонка и т. д., к ним не применимы. При перегонке макромолекулы разрушаются, а при осаждении органическими осадителями при комнатной температуре они могут изменять свою конфигурацию. Некоторое разрушение макромолекулярных структур может происходить даже при измельчении или размалывании клеточного материала. Более того, фибриллярные макромолекулы при кристаллизации адсорбируют некоторое количество низкомолекулярных примесей. Все это объясняет, почему некоторые природные высокомолекулярные вещества, выделенные первыми исследователями химии полимеров были денатурированными или загрязненными, или и денатурированными и загрязненными.

С этой же точки зрения становится важным различать глобулярные и фибриллярные макромолекулы. Первые более устойчивы и очищаются значительно легче, чем длинные и тонкие линейные макромолекулы. Так, относительно чистый гликоген и альбумин были получены давно, а фибриллярный миозин и нуклеиновые кислоты выделены совсем недавно. Причина, по которой с фибриллярными высокомолекулярными соединениями трудно работать как с химическими веществами, зависит от формы их молекул. В растительных и животных тканях фибриллярные макромолекулы соединены в пучки, образующие нить. Длинные и тонкие молекулы в пучках имеют многочисленные точки соприкосновения. В этих местах фибриллярные макромолекулы соединяются между собой различными типами связей. В большинстве случаев это относительно слабые вторичные водородные связи, количество которых велико и макромолекула становится прочной.

Что же касается глобулярных макромолекул, то две такие молекулы имеют лишь несколько точек соприкосновения, что позволяет легко отделить их друг от друга. Поэтому, фибриллярные высокомолекулярные соединения значительно менее растворимы, чем глобулярные. Особенно трудно растворяются такие полярные линейные макромолекулярные соединения, как целлюлоза, шелк и кератины. Объясняется это тем, что между цепями могут действовать водородные, а иногда даже и сильные первичные связи [17].

Помимо плохой растворимости, фибриллярные высокомолекулярные соединения склонны к ступенчатому расщеплению. Штаудингер и другие исследователи доказали, что в присутствии следов кислорода происходит быстрая деструкция каучука даже при комнатной температуре. Вещества, подобные целлюлозе или каучуку, быстро деградируют (т. е. линейные цепи разрываются и образуются более короткие молекулы) даже при интенсивном измельчении, которое часто применяется как предварительная обработка твердых органических веществ для облегчения их растворения. Кроме того, фибриллярные ткани содержат множество фибриллярных и глобулярных макромолекул других видов, а также целый ряд небольших молекул, адсорбированных в разнородной смеси компонентов ткани. Некоторые из этих примесей могут быть катализаторами, ускоряющими гидролитическое расщепление фибриллярных ингредиентов даже при мягкой обработке. Поэтому необходимо учитывать ферментативное расщепление (такое расщепление, например, может встретиться на некоторых стадиях выделения нуклеиновой кислоты). Несмотря на все эти трудности, химики добились значительных успехов даже с такими макромолекулярными системами, как целлюлоза, шелк и нуклеиновые кислоты.

Одним из наиболее существенных факторов для успешного выделения белка без его разрушения является температура. Из охлажденных растворов неустойчивых природных высокомолекулярных соединений выделяют воду вымораживанием или лиофильной сушкой.

Если исходный материал представляет собой плотное твердое вещество, одной из первых стадий процесса выделения из него макромолекул являются размалывание и дробление. При этих операциях возможно некоторое разрушение макромолекул, однако это можно в значительной степени предотвратить путем измельчения материала при охлаждении. Кроме того, во многих случаях установлено, что отсутствие кислорода предохраняет макромолекулярную структуру от разрушения.