Особенности поведения полиамфолитов

Полиамфолиты, макромолекулы которых содержат как кислотные, так и основные группы, в зависимости от pH среды могут вести себя либо как ноликислоты, либо как полиоснования. Это значит, что им в равной мере присущи все рассмотренные выше свойства линейных полиэлектролитов. Однако полиамфолиты обладают и рядом специфических свойств, обусловленных наличием в их молекулах ионогенных групп различной химической природы.

Для определенности рассмотрим полиамфолит, макромолекулы которых содержат слабо диссоциирующие карбоксильные группы —СООН и аминогруппы — NH₂ в различных соотношениях:

Такими полиамфолитами являются, например, макромолекулы водорастворимых белков. В кислой среде (сдвиг равновесия влево) диссоциация кислотных групп в значительной мере подавлена. В результате диссоциации основных групп макромолекула приобретает положительный заряд и ведет себя как поликатион. В щелочной среде (сдвиг равновесия вправо) картина обратная: диссоциируют главным образом кислотные группы, макромолекула приобретает отрицательный заряд и проявляет свойства полианиона. В промежуточной области макромолекулы представляют собой биполярные ионы.

Значение pH раствора, при котором средний суммарный заряд амфолита равен нулю, называется газоэлектрической точкой (ИЭТ илирГ). Величина ИЭТ не зависит от концентрации амфолита и является его важнейшей константой.

Чтобы понять, почему ИЭТ является константой, рассмотрим диссоциацию простейшего низкомолекулярного амфолита с одной кислотной и одной основной группой, например глицина H₂NCH₂COOH.

Кислотная диссоциация карбоксильной группы описывается следующими уравнениями:

Кислотная диссоциация аммонийной группы описывается как.

Для глицина рК_{а (}__сооН) = 2,3 и рК_{а (}__ш^ = 9,6. Для оценки pi возьмем отрицательный логарифм от выражений (3.48) и (3.49):

Просуммировав выражения (3.50) и (3.51), получим в изоэлектрической точке (pH = рТ)

Подставив равенство (3.53) в выражение (3.52) и переписав его относительно pi, окончательно получим.

Для глицина, согласно выражению (3.54),/?/ = (2,3 + 9,6)/2 = 5,95.

Анализ выражения (3.54) позволяет сделать ряд важных выводов относительно ИЭТ амфолитов, справедливых, в общем случае, и для макромолекул полиамфолитов, в частности белков. Во-первых, так как для глицина рК_{а (} __СООН) < р1< рК_{а (}__ш+_)у то в изоэлектрической точке и карбоксильная группа, и аминогруппа являются заряженными, т. е. молекула амфолита является цвиттер-ионом, а не нейтральной молекулой. Во-вторых, так как pi есть некоторая функция от констант диссоциации различных групп, то ИЭТ действительно является константой, не зависящей от концентрации амфолита. Наконец, в общем случае pi Ф 7, и значение pi может лежать как в кислотной, так и в щелочной области, в зависимости от значений рК диссоциирующих групп. Ниже ИЭТ средний заряд молекул амфолита положителен, выше ИЭТ — отрицателен.

Изоэлектрическая точка нуклеиновых кислот лежит в области pH = 1-^2. В области обычных физиологических pH = 5-^8 нуклеиновые кислоты заряжены отрицательно за счет диссоциации остатков фосфорной кислоты в макромолекулах, диссоциация азотистых оснований при этом полностью подавлена. Именно поэтому эти макромолекулы называют кислотами, хотя с точки зрения классификации полиэлектролитов нуклеиновые кислоты относятся к полиамфолитам. Для белков разброс значений ИЭТ значительно шире, например от 1,1 для пепсина до 11,0 для лизоцима, хотя для большинства белков ИЭТ лежит в пределах pH = 4-^7.

Значение ИЭТ можно определить с помощью электрокинетических методов (в частности, электрофореза) либо косвенным путем — по изменению свойств, связанных с зарядом макромолекул. Зависимости осмотического давления, электропроводности, растворимости полиамфолитов от pH в изоэлектрической точке проходят через минимум. Для нолиамфолитов, находящихся в конформации статистического клубка (синтетические нолиамфолиты и денатурированные белки), ИЭТ удобно определять методом вискозиметрии.

Величина удельной (и приведенной) вязкости раствора полиамфолита в ИЭТ минимальна (рис. 3.8), поскольку полимерная цепь принимает свернутую конформацию в результате взаимного притяжения присутствующих в равном количестве противоположно заряженных групп. При удалении от ИЭТ цепь полиамфолита приобретает суммарный положительный заряд (при подкислении) или суммарный отрицательный заряд (при подщелачивании) и разворачивается вследствие взаимного отталкивания одноименно заряженных звеньев. Величина удельной вязкости при этом возрастает. Дальнейшее удаление от ИЭТ приводит к некоторому уменьшению вязкости раствора, обусловленному эффектом конденсации противоионов. Увеличение ионной силы раствора приводит к экранированию электростатических взаимодействий внутри полиамфолитного клубка и к сглаживанию.

Рис. 3.8. Типичная зависимость удельной вязкости раствора неструктурированного полиамфолита от pH

зависимости удельной вязкости от pH: в точке минимума вязкость возрастает, а в максимумах — уменьшается.

Значение pH водного раствора полиамфолита при отсутствии посторонних ионов, которое определяется только диссоциацией собственных ионогенных групп, называется изоионной точкой (ИИТ или pS). В отличие от ИЭТ изоионная точка зависит от концентрации раствора полиамфолита.

Изоионная точка отвечает значению pH раствора, при котором избирательное поглощение ионов Н' или, НО полиамфолитом из раствора отсутствует. Поэтому И ИТ может быть определена, во-первых, из кривых титрования полиамфолита. Выполняя титрование при разных ионных силах раствора, получают серию кривых титрования, которые различаются наклоном в кислой и щелочной областях, но все пересекаются в одной точке, соответствующей И ИТ. Во-вторых, И ИТ можно определить путем подбора такого значения pH раствора кислоты или щелочи, которое не изменяется при добавлении полиамфолита в этот раствор. Наконец, в-третьих, И ИТ находят как pH изоионного раствора, т. е. раствора полиамфолита в воде при отсутствии посторонних ионов.

Для понимания соотношения между изоэлектрической и изоионной точками воспользуемся условием электронейтральности изоионного раствора, подразумевающим нулевой суммарный заряд раствора. Если мольная концентрация макромолекул — Vp, а их средний заряд равен Z и в растворе нет других ионов, кроме Н⁺ и, НО от диссоциации полиамфолита и воды, тогда справедливо следующее уравнение:

Знак «минус» перед [НО ] учитывает отрицательный заряд гидроксидионов.

Из уравнения (3.55) получаем.

Из уравнения (3.56) следует, что pi = pS только тогда, когда pS (или pi) равно 7. Если pS>7 ([НО ] > |Н⁺]), то в изоионной точке макромолекулы полиамфолита заряжены положительно. Для нейтрализации положительного заряда необходимо сдвинуть pH в более щелочную область, т. е. pS < pi. Если pS <7 (| НО | < | Н *' |), полиамфолит заряжен отрицательно. Для нейтрализации отрицательного заряда необходимо сдвинуть pH в более кислую область, т. е. pS > pi.

Пользуясь уравнением (3.56), можно рассчитать средний заряд макромолекулы в изоионной точке при отсутствии других ионов. Например, пусть v_p = 10 ³ моль/л, a pS = 4, тогда.

Это означает, что девять из 10 макромолекул нейтральны, а одна имеет заряд минус 1, т. е. полиамфолит практически не заряжен. В целом, из уравнения (3.56) следует, что если ИИТ отличается от нейтрального значения pH не больше чем па ±4 ед. и концентрация полиамфолита достаточно высока, то заряд макромолекул в И ИТ близок к нулю, т. е. pS ~ pi. Это легко объяснимо, так как заряжение макромолекул сопровождается увеличением электростатической составляющей свободной энергии системы. Поэтому близкое к незаряженному состояние полиамфолита будет термодинамически наиболее выгодным при отсутствии других компонентов раствора, влияющих на равновесие ионизации макромолекул.

Как изоэлектрическая, так и изоионная точки растворов полиамфолитов чувствительны к присутствию неорганических солей, ионы которых могут избирательно сорбироваться на цепях полиамфолита. Если полиамфолит сорбирует одинаковое количество анионов и катионов солей, то положение изоточек не меняется. Преимущественное связывание катиона или аниона соли приводит к смещению ИЭТ и ИИТ, причем изоионная и изоэлектрическая точки смещаются по шкале pH в противоположные стороны.

Рассмотрим в качестве примера случай преимущественного связывания анионов макромолекулами полиамфолита. Последние приобретают при этом нескомпенсированный отрицательный заряд. Для того чтобы средний суммарный заряд макромолекулы вновь стал равным нулю, ей нужно дополнительно сообщить некоторый положительный заряд, что достигается подкислением раствора. Следовательно, ИЭТ сместится в кислую область. Напротив, если рассматривать соотношение только ионов Н' и, НО в растворе, то избыточная адсорбция анионов обычно сопровождается вытеснением из клубка в раствор части гидроксид-ионов. Таким образом, собственный pH раствора полиамфолита, т. е. ИИТ, сместится в щелочную область. Аналогичные рассуждения можно привести для случая преимущественного связывания катионов. В этом случае ИЭТ смещается в щелочную, ИИТ — в кислую область.