Високомолекулярними сполуками (ВМС) називаються речовини з молекулярною масою від декількох тисяч до багатьох мільйонів. ВМС утворені з великої кількості угруповань, які повторюються (мономірні кільця), з’єднаних між собою хімічними зв’язками. За походженням ВМС поділяються на природні (білки, полісахариди, ДНК, РНК і т.д.), синтетичні, які утворюються полімеризацією (поліетилен, полістирол і т.д.) або поліконденсацією (нейлон, капрон і т.д.), і штучні, отримані хімічною обробкою природних ВМС, частіше всього целюлози (віскоза, штучний шовк і т.д.).
За формою макромолекули ВМС поділяються на:
а) лінійні (полістирол, амілоза); б) розгалуження (амілопектин та ін.); сітчасті (гума й ін.).
За взаємодією з біосистемами класифікуються на:
а) біорозсмоктувальні (кетгут), які можуть викону-вати певні функції в організмі, але потім розсмоктуються і виводяться із організму; б) біосумісні матеріали – кровозамінники, протезування внутрішніх органів і т.д. – повинні бути гемосумісними і тромборезистентними, тобто не порушувати кліткові елементи і білки крові, не утворювати тромби, не змінювати електролітний склад крові і т.д. (лавсан, полісилоксани, фторопласт-4 та ін.).
Білки – біологічні макромолекули – утворені шляхом сполучення 20 a-амінокислот, які з?єднані між собою поліпептидними зв’язками. Різноманітність білків ( в організмі ~ 5 млн. різних білків) залежить від сполучення, послідовності і конформації поліпептидних ланцюгів.
Білки класифікуються на глобулярні, що мають сферичну або еліптичну форму (a-спіраль), і часто вміщують небілковий компонент – простатичну групу (ферменти і інші), і фібрилярні – лінійні (b-структура), що виконують в організмі структуроутворюючі функції (білки сполучних і еластичних тканин, білок волосся та шкіри тощо).
За розчинністю у водних розчинах білки можна розподілити на альбуміни, гарно розчинні у воді, і глобуліни, погано розчинні у воді, але гарно - в розріджених розчинах солей.
У водних розчинах білки виявляють амфотерні властивості і характеризуються визначеними значеннями рН. Значення рН, при якому концентрації катіонних і аніонних форм однакові, називається ізоелектричною точкою (ІЕТ) – рІ даного білка. При значеннях рН < ІЕТ у розчині переважає катіонна форма, вище ІЕТ – аніонна форма.
Більшість природних білків, які знаходяться в in vivo, мають негативний заряд.
Розчини біополімерів є гомогенними, термодинамічно стійкими, тобто схожими на істинні розчини. Але великі розміри молекул ВМС і взаємодія між ними при великих концентраціях надають їх розчинам деяких властивостій, спільних з властивостями колоїдних систем – в’язкісних, здатності до набрякання і застиглості, тиксотропії і т.д.
Процес розчинення деяких ВМС – мимовільний, але протікає через стадію набрякання – полімер поглинає значну кількість низькомолекулярного розчинника, збільшуючись в об’ємі і масі. При розчиненні спостерігаються дві стадії: сольватаційна (з виділенням тепла) і поглинання розчинника (без виділення тепла).
Процеси набрякання і розчинення у ВМС розглядаються як процеси змішування двох рідин: низькомолекулярної і високомолекулярної.
Причина набрякання – взаємна дифузія молекул ВМС і розчинника, при цьому молекули розчинника проникають між молекулами ВМС.
Розрізняють: а) неорганічне набрякання, яке призводить до розчинення ВМС, процес мимовільний, наприклад, желатини в гарячій воді і т.д. Необмежене набрякання ВМС має багато спільного з необмеженим змішуванням 2 рідин (спирт і вода); б) обмежене набрякання не переходить у розчинення, і полімер тільки набрякає до визначеного об’єму з утворенням еластичних драглів. Обмежене набрякання можна порівняти з обмеженим розчиненням 2 рідин (наприклад, фенол і вода) в області визначених концентрацій і температур (наприклад, желатина у воді, агар-агар та ін.).
Біополімери, як правило, є поліелектролітами, містять велику кількість полярних груп. Внаслідок цього вони мають високий ступінь гідратації і тому майже всі розчинні у воді.
Цікаві особливості властиві процесу набрякання поліелектролітів, зокрема білкових молекул у воді та у водних розчинах, наприклад, желатини. Електростатична взаємодія між дисоціюючими NH2- та –СООН групами в білках залежить від рН середовища. Цим, зокрема, пояснюється амфотерність білків. Ланцюги макромолекул білків мають згорнуту спіральну конфігурацію, тому що залишки амінокислот поєднуються між собою O H плоскорозміщеними пептидними зв’язками –С--N-
Велика кількість внутрішньомолекулярних водневих зв’язків у білках надає їм значної жорсткості.
У кислому середовищі білки, завдяки іонізації аміногруп, заряджаються позитивно, диполі молекул води електростатично притягаються, і відбувається гідратація макромолекул і розтягування ланцюгів білка. Цей процес супроводжується набряканням білків.
У лужному середовищі відбувається дисоціація кислотних груп, білок заряджається негативно і набрякає. При рН, близьких до ізоелектричного стану, іонізація кислотної і основної груп пригнічена в однаковому ступені, білок втрачає заряд, і гідратація його незначна.
Таким чином, в ізоелектричному стані набрякання білка мінімальне.
Методом електрофорезу можна показати, що заряд білкових макромолекул змінює знак при переході через ізоелектричний стан (перезарядження білка). Отже, білок набрякає при будь-якому рН, що пояснюється утворенням водневих зв’язків молекули води як з атомом кисню карбоксильної групи, так і з атомом азоту аміногрупи (наприклад, для желатини)
Для більшості білків константа дисоціації – СООН-груп + перевищує константу дисоціації –NH3OH-груп і ІЕТ зсовується у область кислого середовища.
На ступінь набрякання білків впливають аніони солі, це пов’язане із ступенем їх гідратації. Наприклад, набрякання білків за наявності аніонів CNS- або I- максимальне , тому що ці іони практично не гідратуються. Аніони SO42-, навпаки, сильно гідратуються, і тому за їх наявності набрякання білків мінімальне. За впливом на процес набрякання білків аніони можна розміщувати у такий ряд:
Для розчинів біополімерів явище коагуляції не характерне. Білки з розчину можна видалити за допомогою концентрованих розчинів солей, тобто застосувати процес висолювання. Як правило, для висолювання використо-вують розчини сульфату амонію (NH4)2SO4 , сульфату натрію Na2SO4 та інші солі.
Механізм процесу висолювання складається з того, що іони солей гідратуються , зменшуючи тим самим кількість води, яка взаємодіє з білком. Оскільки розчинність білків у воді залежить від утворення гідратної оболонки навколо гідрофільних іонних груп, то зменшення водної оболонки навколо білка знижує його розчинність. Висолювання найбільш ефективне в ізоелектричній точці.
Застосовуючи розчини солей різних концентрацій, можна виділити різні фракції білків: за малої концентрації солей осаджуються фракції з більшою молекулярною масою, а в самих концентрованих розчинах – більш легкі фракції. Білки осаджуються із водних розчинів також при додаванні спирту, ацетону та
інших розчинників, молекули яких добре гідратуються водою і тому є дегідратуючими агентами для водних розчинів білків. На одночасній дії етилового спирту, солей та охолодження до –50С (щоб не викликати денатурацію білків) засновані методи фракціонування білків. Із сироватки крові цим методом виділено більше 12 білків.
За впливом на процес висолювання аніони і катіони розміщуються в ліотропні ряди (ряди Гофмейстера):
Процес осадження білків проводиться у м’яких умовах без порушення їх нативної природи. Так готують деякі види концентрованих лікувальних сироваток і g-глобуліну.
Розчини ВМС характеризуються високою в’язкістю навіть при малих концентраціях розчиненої речовини. В’язкість цих розчинів зростає із збільшенням концентрації і молекулярної маси полімеру.
Важливою характеристикою полімеру є його молекулярна маса, для визначення якої можна використовувати віскозиметричний метод - за рівнянням Марка-Хувінка: [h] = K ? Ma, де [h] – характеристична в’язкість ; К – константа для визначеного полімергомологичного ряду речовин; М – молекулярна маса; a - ступінь згортання та гнучкості ланцюга. Для жорстких паличкоподібних макромолекул a = 1, для гнучких глобулярних молекул a< 1.
На в’язкість розчинів білків впливає величина рН. Найменшу в’язкість розчини білків мають в області ізоелектричної точки, тому що в цій точці макромолекули згорнуті у найбільш щільні клубки, які чинять найменший опір течії рідини.
