Энтропийный характер упругости биополимеров в высокоэластическом состоянии.
Наиболее разнообразные функции в организме выполняют белки. Поэтому Ф. Энгельс в свое время дал определение жизни как «способа существования белковых тел».
Белки так же, как и нуклеиновые кислоты, некоторые сложные углеводы и липиды относятся к биомакромолекулам – биополимерам. Биополимерам присущи некоторые свойства, которые являются необходимым условием жизни на всех уровнях ее организации – сочетание порядка и свободы, разнообразия, изменчивости.
Так, биополимеры в высокоэластическом состоянии (белки, входящие в состав мышечной ткани, соединительной ткани, кожи и т.д.) способны к большим деформациям: растяжению, сжатию, сдвигу, которые после снятия нагрузки исчезают.
Отдельные сегменты макромолекул эластомера движутся относительно независимо друг от друга. За счет поворотов вокруг С–С связей меняются конформации молекул без разрушения её структуры.
При растяжении эластомера нити их полимерных молекул за счет конформационных перестроек распутываются, вытягиваются без заметного изменения потенциальной энергии связи между различными частями молекул. После снятия нагрузки, после исчезновения сил, растягивающих молекулу, тепловые движения сегментов снова запутывают молекулу (рис.1.1).
Рис.1.1.Энтропийная природа высокоэластичности эластомера.
Макроскопические системы стремятся (при постоянном давлении и температуре) перейти в состояние с минимальной энергией Гиббса G ® Gmin (при p= const, Т= const)
Энергия Гиббса G = U-TS – pV, (1.1)
Где:
U – внутренняя энергия,
T – температура,
S – энтропия,
P – давление,
V – объём.
Система стремится, следовательно, к состоянию с минимальными значениями внутренней энергии и объема и максимальным значением энтропии.
U – min, V – min, S – max.
Объём биополимеров при их деформации практически не меняется.
Внутренняя энергия, как известно, - сумма кинетических энергий движения частиц, составляющих тело, относительно друг друга и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
U = Σ E кί + Σ E nί
При постоянной температуре кинетическая составляющая внутренней энергии не меняется.
Σ E кί = const
Потенциальная составляющая внутренней энергии стремится к min.
Σ E nί → min (1.2)
У полимеров в высокоэластическом состоянии при деформации потенциальная энергия меняется незначительно. Их упругость обусловлена стремлением к максимуму энтропии, (т.е. к максимуму беспорядка).
S ® Smax (1.3)
При снятии деформирующих эластомер внешних нагрузок полимерные нити запутываются, подчиняясь тенденции стремления к максимуму беспорядка – максимуму энтропии.
Поэтому говорят об энтропийной упругости биополимеров в высокоэластическом состоянии.
1.4. Основные типы межатомных и межмолекулярных взаимодействий
В зависимости от условий (температуры, давления) и химического строения полимеры могут находиться в четырех состояниях: вязко-текучем, высокоэластическом, стеклообразном, кристаллическом. Кроме того, в каждом из этих состояний наблюдается большое многообразие структур, образуемых биомакромолекулами.
Это многообразие структур определяется конкуренцией двух тенденций:
1)Стремление к максимуму энтропии: S®Smax.
2)Стремление к минимуму потенциальной
энергии взаимодействия между атомами
и молекулами:
Природа взаимодействия между атомами и молекулами – электрическая: взаимное притяжение положительно заряженных атомных ядер и отрицательно заряженных электронных облаков, а также отталкивание положительно заряженных атомных ядер друг от друга.
Но хотя природа всех типов межатомных и межмолекулярных взаимодействий электрическая, проявление этих электрических сил в разных типах связей разное. Разным типам связей соответствует разное пространственное распределение электрических зарядов.
Поэтому у разных типов связей разные свойства и разные энергии связи.