Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Вода
Растворенные вещества изменяют свойства воды

Водные растворы обладают четырьмя важными свойствами, известными под названием коллигативных свойств, в основе которых лежит изменение физической константы воды под влиянием растворенных в ней веществ. К этим свойствам относятся: 1) температура замерзания, 2) температура кипения, 3) давление пара и 4) осмотическое давление. Слово «коллигативный» означает «взаимосвязанный». Коллигативные свойства растворов - это свойства, имеющие общую основу и изменяющиеся под влиянием растворенных веществ так, что эти изменения можно заранее предсказать.

Раствор 1,00 моля любого идеального нелетучего вещества в 1000 г воды (или какого-либо другого растворителя) называется моляльным (1 т) раствором. В таком растворе влияние растворенного вещества проявляется в том, что при давлении 760 мм рт. ст. температура замерзания воды (0°С в случае чистой воды) снижается до — 1,86 °С, температура кипения (обычно 100 °С) повышается до 100,543°С, а осмотическое давление, измеряемое при помощи специальной аппаратуры (рис. 4-8), достигает 22,4 атм. Идеальным растворенным веществом называется такое вещество, которое не диссоциирует на две или более составные части и не претерпевает ассоциации, приводящей к уменьшению общего числа растворенных частиц. Коллигативные свойства зависят только от числа растворенных частиц в единице объема растворителя и не зависят от их химического строения. Это объясняется тем, что один моль любого деионизированного соединения содержит строго определенное число (6,02∙1023) молекул (число Авогадро). Отсюда следует, что 1т растворы глицерина (мол. масса 92) и глюкозы (мол. масса 180) должны иметь одинаковые температуры замерзания (-1,86 °С), температуры кипения (100,543 °С) и осмотические давления (22,4 атм), поскольку оба этих раствора содержат одно и то же число молекул в 1000 г (1 л) воды. Температура замерзания 0,100 m раствора глюкозы должна быть в 10 раз меньше, чем температура замерзания 1,0 т раствора, т.е. - 0,186°С, так как число молекул в этом растворе (на 1 л воды) в 10 раз меньше, чем в 1m растворе. 0,100 m раствор NaCl, в котором все молекулы полностью диссоциированы на ионы Na+ и Сl-, должен замерзать при — 0,372 °С, поскольку число частиц растворенного в нем вещества (на 1 л воды) в два раза больше, чем в 0,100 m растворе глюкозы. Все эти правила, позволяющие предвидеть коллигативные свойства и предсказывать численные значения соответствующих констант, точно соблюдаются только в случае разбавленных водных растворов.

Рис. 4-8. Осмос и осмотическое давление. А. Исходное состояние. Вода перетекает из внешнего пространства через мембрану внутрь раствора, стремясь выравнять концентрации воды по обе стороны мембраны. Б. Конечное состояние. Вода проникла в раствор вещества, молекулы которого неспособны проходить сквозь мембрану, в результате чего произошло разбавление раствора. В состоянии равновесия давление столба раствора, имеющего высоту h, точно уравновешивает осмотическое давление, характеризующее стремление воды перетекать в зону с более низкой ее концентрацией. В. Осмотическое давление - это сила, которую необходимо приложить к поршню, чтобы предотвратить направленный в противоположную сторону осмотический ток жидкости. Оно численно равно гидростатическому давлению столба жидкости высотой h.

Рассмотренная выше способность воды изменять свои свойства под влиянием растворенных в ней веществ имеет очень важное биологическое значение. Она позволяет, например, пресноводным рыбам сохранять активность в воде при температуре ее замерзания, так как общая концентрация всех растворенных веществ в крови рыб достаточно высока, чтобы температура ее замерзания оказалась ниже температуры замерзания воды. Кроме того, благодаря наличию в крови растворенных веществ, в частности белков, не способных проходить сквозь капиллярные мембраны, в крови создается более высокое осмотическое давление, чем в межклеточной жидкости. В результате вода диффундирует из межклеточной жидкости в кровеносные капилляры, что способствует заполнению сосудистой системы и предохраняет ее от коллапса.

Другая причина, по которой растворенные вещества влияют на свойства воды, состоит в том, что эти вещества стремятся разрушить водородные связи между молекулами воды. Присутствие в воде веществ ионной природы, таких, как NaCl, приводит к заметному изменению структуры жидкой воды. Это обусловлено тем, что каждый ион (в частности, ионы Na+ и Сl) окружен гидратной оболочкой, состоящей из дипольных молекул воды, причем геометрия и свойства таких гидратированных ионов несколько отличаются от геометрии и свойств ассоциатов (кластеров), образуемых молекулами воды за счет водородных связей; гидратированные ионы имеют более упорядоченную и более регулярную структуру. Таким образом, растворенные соли стремятся разрушить нормальную структуру жидкой воды и изменить ее свойства как растворителя. Ниже мы увидим, что растворимость белков резко уменьшается при повышении концентрации нейтральных солей, например NaCl, Na24 и (NH4)24, изменяющих свойства воды и снижающих ее способность растворять белки. Такое влияние растворенных нейтральных солей может быть использовано для разделения смеси белков, поскольку многие белки различаются по своей способности осаждаться из солевых растворов.



Для любых предложений по сайту: [email protected]