Band 100 -[ Mosimann und The Svedberg, Sedimentations- und Diffusionsmessungen 99 Heft 1 (1942)A

Aus dem Physikalisch-chemischen Institut der Universitdt UpsaIa/Schweclen (Direktor: Pro[. Dr. The Svedberg).

Sedimentat ions- und Dif fus ionsmessungen am wasser lSs l i ehen Polysaecharid aus L/irehenholz.

V o n H a n s M o s i m a n n u n d T h e S v e d b e r g * ) ( U p s a l a / S c h w e d e n ) . (Eingegangen am 10. Juni 1942)

E i n l e i t u n g .

Im Zusammenhang mit einer Untersuchung fiber Begleitstoffe der Zellulose in Holz unter- suchten wit das Polysaccharid, das sich aus L~irchenholz in betrfichtlicher Menge schon mit kaltem Wasser extrahieren l~igt. Diese Substanz ist schon 5fters studiert worden. Das erstemal wird sie wohl bei T r i m b l e (1) erwfihnt, der sie aber nicht weiter untersuchte. Eingehender befagten sich dann S c h o r g e r und Smith (2) bei ihren systemat{schen Analysen von Htilzern mit ihr. Sie stellten lest, dab die wasserlSsliche Substanz bei Western Larch (Larix occidentalis) ungeffihr 18 Proz. vom Gewicht des Kernholzes ausmachte. Bei tier Analyse der Hydrolysenprodukte fanden sie auger Galaktose auch eine gewisse Furfurol- menge, ohne das Vorhandensein einer Pentose nachweisen zu kSnnen. Sie glaubten daher, dab Galakturonsfiure neben Galaktose vorhanden sei. Bei einer neuen Untersuchung durch Wise und P e t e r s o n (3) konnte doch Arabinose im Hydro- lysat identifiziert werden, und die Zusammen- setzung wurde zu 84,6 Proz. Anhydrogalaktose und 11,95 Proz. Anhydroarabinose angegeben. Wise , H a m e r und P e t e r s o n (4) studierten sp~iter such das aus Eastern Larch (Larix laricina) isolierbare Polysaccharid. Seine Menge betrug nut etwa 4 Proz. des Holzgewichtes, aber die Zusammensetzung war dieselbe wie bei Western Larch. Es wurde nicht untersucht, ob dieser Unterschied spezifisch oder von Wachstumsbe- dingungen oder Jahreszeit abhfingig war. Von rnssischen Forschern (5) wurde Larix sibirica untersucht und dort ein Gehalt von 14 bis 15 Proz. Polysaccharid gefunden. Wise und U n k a u f (6) fraktionierten das Polysaccharid, aber die Frak- tionen hatten dieselbe Zusammensetzung wie das Ausgangsmateriat, was sie in ihrer Annahme be- stfirkte, dab Arabinose und Galaktose chemisch untereinander verbunden seien. Doch kam diese Ansicht wieder ins Wanken, als bei der Fraktio-

*) The Svedberg begann bereits in Band 7 mit zwei Originalabhandlungen, also vor 36 Jahren, die t?eihe seiner VerOl]entlichungen in tier Kolloid-Zeitschri]t. - - Schriflleitung.

nierung des Azetats P e t e r s o n , B a r r y , Wise und Unkauf (7) feststellten, dab in den Fraktio- hen die Kupferzahl, die spezifische Rotation und rlsp/C parallel mit dem Arabinosegehalt variierten. Dies deutet eher auf eine Mischung eines Arabans und eines Galaktans bin.

H u s e m a n n (8) ffihrte Messungen des osmo- tischen Drucks nach der SteighShenmethode und Viskosit~itsmessungen am Polysaccharid in Was- set un.d am Ester in organischen LSsungsmitteln aus. Das Polysaccharid hatte ein Molekular- gewicht yon 35000. Durch die Umsetzung zum Ester wurde festgelegt, dab diese TeilchengrSge durch 'den chemischen Eingriff nicht ver~indert wird. Fraktionierte Azetate zeigten sinkende Molekulargewichte yon tier schwerst zur leichtest 15slichen Fraktion, was auf Polydispersitfit der Substanz hindeutete. Der osmotische Druck und die spezifische Viskositfit nahmen im untersuchten Konzentrationsintervall proportional mit tier Konzentration zu. Dies deute t auf sphfirische oder nahezu sph~rische Molekfilform hin.

Owens (9), der die Konzentrationsabhfingig- keit der Viskosit/it ebenfalls untersuchte, stellte fest, dab die lineare Zunahme bis hinauf zu sechs Prozent erhalten bleibt. Er bestimmte such das partielle spezifische Volumen, wof~ir er den Wert 0,65 land.

P r f i p a r a t i o n .

Zur Isolierung der Substanz hielten wir uns an H u s e m a n n ' s Vorschrift. Da das ausgeffillte Produkt rein weig war, vermieden wir die ClO 2- Bleiche. Es zeigte sich nfimlich, dab das Poly- saccharid aus frisch geffilltem L~rchenholz weig erhalten werden kann. Liegt das Holz dagegen einige Zeit, so bekommt man schwach braune Produkte. Wir konnten feststellen, dab sich die C10~-Bleiche such durch Behandlung mit ver- dfinnter schwefeliger S~iure ersetzen l~igt, ohne dab bei der ultrazentrifugalen Untersuchung eine Ver~inderung hfitte bemerkt werden kSnnen. Die isolierte Menge betrug ungeffihr 8 Proz. des Holz- gewichts.

7*

100 Mosimann und The Svedberg, Sedimentations- und Diffusionsmessungen [- Kolloid- kZeitschrift

B e s t i m m u n g der S e d i m e n t a t i o n s - g e s c h w i n d i g k e i t .

Mit Hjlfe der Ultrazentrifuge bestimmte man die Sedimentationsgesehwindigkeit des Poly- saccharids. Ffir alle experimentellen Einzelheite~, die die Ultrazentrifugenmethoden betreffen, s~i au~f die Monographie von S v e d b e r g und P e d e r - sen (10) verwiesen. Ffir die bier ausgeffihrten Versuche verwendete man eine Umdrehungs- gesehwindigkeit yon rund 60000 Umdrehungen per Minute. Dies entspricht einem mittleren Zen- trifugalfeld yon ca. 250000 g. Zur Registrierung des Sedimentationsverlaufes bediente man sieh der Lamm'schen Skalenmethode(ll) . Zur Be- leuehtung der Skala verwendete man die violette Hg-Linie (~ = 436 m#).

In Fig. 1 sind vier zu verschiedenen Zeiten nach dem Beginn der Sedimentation aufgenom- mene Sedimentationsdiagramme wiedergegeben. Als LSsungsmittel verwendete man 0,2-m NaC1.

Z l ~ 101 Z

).. X

Z] fl FO' Z

l ~ qO ~ J-,..

X �9 "110 i

P

X X

Fig. I. Sedimentationsdiagramme des Lfirchenholz- polysaccharids, aufgenommen 10,40, 70 und 110 Minu- ten nach dem Erreichen der vollen Urndrehungszahl tier Zentrifuge. Abszisse : Abstand von der Rotations-

achse. Ordinate: Skalenstrichverschiebung.

Auf der Abszisse ist die Distanz vom Rotations- zentrum aufgetragen. Das Rotationszentrum hat man sich links augerhalb der Zeichnung zu denken. Das in den Diagrammen wiedergegebene Stfick Abszisse entsprieht der Distanz vom Menis- kus bis zum Boden der Zelle, in der die Sedimen- tation vor sich geht. Die Sedimentation erfolgt von links nach rechts. Als Ordinate ist die Skalen- strichverschiebung Z in # aufgetragen. Die Ska- lenstrichverschiebung ist dem Konzentrations- gradienten an der betreffenden Stelle in der Zelle proportional. Die ausgezogene Kurve gibt also ein Bild fiber die Verfinderung des Konzentra- tionsgradienten fiber die ganze Zelle. Welter ist

die zwischen der Kurve und der Abszissenachse eingeschlossene Flfiche der Konzentration der LSsung pro'portional.

Die Diagramme geben das fiberraschende Resultat, dab die sedimentierende Substanz zwei wohldefinierte Komponenten versehiedenen Mole- kulargewichts enthfilt. Das Sedimentations- diagramm ist im Prinzip/ihnlieh denen, wie man sie z. B. bei sogenannten paueidispersen Eiweil~- systemen findet (12), nieht aber dem bei konti- nuierlicher MolekulargrSgenverteilung um ein Maximum, wie man sie bei Zellulosederivaten usw. antrifft. Die bei den frfiheren Untersuchungen festgestellte Polydispersitfit beruht also nicht auf der Uneinheitlichkeit einer einzigen Komponente, sondern es handelt sich bier um zwei Komponen- ten, von denen es sich zuerst zeigen mug, ob sie, jede ffir sich genommen, einheitlich oder unein- heitlich sind. Aul3er diesen Komponenten schei- hen in unfraktionierten Produkten noch geringe Mengen einer hochmolekularen Verunreinigung vorhanden zu sein.

Wit bezeiehnen in der Fortsetzung die lang- samer sedimentierende Komponente mit a und die schneller sedimentierende mitfl. Die Sedimen- tationskonstanten tier beiden Kemponenten sind in tier folgenden Tabelle zusammengestellt. (Die Sedimentationskonstante ist die Sedimentations- geschwindigkeitim Felde 1, bezogen auf Wasser yon 200 C als LSsungsmittel.)

T a b e l l e I. Sedimentationskonstanten der Kom- ponenten in Einheiten yon 10 -~3 c. g. s.

Konzentration s. @

0,36 0,4 0,7 0,86 0,92 1,08 1,19 1,8

1,6 1,5 1,6 1,4 1,5 1,6 1,5 1,6

Mittelwert 1,54

5,3 5,2 5,3 5,2 5,5 5,3 5,2 5,1

,5,25

Die Konzentrationsangaben sind z. T. nur auf eine Stelle nach dem Komma angegeben. Diese Konzentrationen sind aus den Sedimentations- diagrammen berechnet. Es handelt sich hier um LSsungen, die man w~ihrend der PHiparation er- halten hatte und deren Konzentration nicht durch die Einwaage lufttrockener Substanz genauer be- stimmt war. Wie man aus der Tabelle sieht, sind die Sedimentationskonstanten der beiden Kom- ponenten im untersuchten Konzentrationsinter-

Band 100 "] M o s i m a n n und T h e S v e d b e r g , S e d i m e n t a t i o n s - und D i f f u s i o n s m e s s u n g e n 101 Heft 1 (1942)J

vall von tier Konzentration unabh~ngig. Daraus dfirfen wir auf eine sphfirische, oder doch davon wenig abweichende Partikelform schliegen, was mit den Resultaten frtiherer, obengenannter Untersuchungen tibereinstimmt. Da man beide Komponenten auch in den wfisserigen, nicht ge- ffillten Ausztigen des Lfirchenholzes findet, hat man eine Kontrolle, dab sie nicht erst durch die Ausffillung oder die Trocknung entstanden sind.

Unter der Voraussetzung, dab beide Kompo- nenten das gleiche Brechungsindexinkrement d n / d c haben, was man bei der nahen chemischen Verwandtschaft tier beiden Komponenten anneh: men daft, kann man den Anteil der Komponenten in der Mischung aus dem Sedimentationsdia- gramm durch Planimetrierung berechnen. Man erhfilt als Mittelwert bei verschiedenen Bestim- mungen, dab die a-Komponente 20 Proz. und die fl-Komponente 80 Proz. der Mischung ausmacht. Dieses Verhfiltnis fand man bei mehreren Pr~- parationen.

Durch Anwenden einer Separationszelle (siehe unten) und dutch fraktionierte F~llung konnten ferner LSsungen erhalten werden, deren Zusam- mensetzung von 100 Proz. a bis zu 10 Proz. a und 90"Proz. fl variierte. Es zeigte sich dabei, dab die Sedimentationskonstanten auch vonder relativen Menge tier Komponenten unabhfingig waren.

Die Sedimentationskonstante steht mit dem Molekulargewicht in folgender Beziehung (13)

s = M ( ! - - V ~ ) . !

Hier bedeuten M = Molekulargewicht, V = part. spez. Volumen der sedimentierenden Substanz,

= Dichte der LSsung und f = molarer Rei- bungswiderstand.

Fiir eine massive, unhydratisierte Kugel ist der Reibungskoeffizient fo (13)

. N 3 / 3 M V o - O ~ 7 V ~ "

~7 = Viskositfit des LSsungsmi~tels, N = Avo- gadros-Konstante.

Da nun die Molektile der beiden Komponenten sphfirisch oder doch nahezu sphfirisch sind, kSn- nen wir annehmen, dab f i f o , d. h. das VerMiltnis des wirklichen Reibungskoeffizienten zu dem einer massiven unhydratisierten Kugel desselben Molekulargewichts ftir beide Komponenten gleich sei. In diesem Fall kSnnen wir schreiben, wenn auch V, = V~

sa = kM~ ~/~ und s~ = kMp '/~ .

Ms und M~ seien die Molekulargewiehte der a- und fl-Komponenten.

Es folgt dann

Mo [1,5413/2 M s = t s , ~ J = 0 ,16

Ma -- 0,t6 M s .

M~ mug also ein ungeffihr sechsmal grSgeres Mole- kulargewicht haben als M~.

F r a k t i o n i e r u n g des Gemisches .

Das ursprtinglich erhaltene Gemisch der a- und fi-Komponenten mit 20 Proz. a und 80 Proz. fl konnte durch fraktionierte FNlung mit Alkohol in verschiedene Fraktionen ungleicher Zusammensetzung aufgeteilt werden. Obsehon die Fraktionierung des Polysaccharids mit Alko- hol wegen der LSslichkeitsverhfiltnisse nicht ge- rade g~instig ist, gelang es doch, wie man an Hand der Sedimentationsdiagramme zeigen konnte, eine Fraktion mit 15 Proz. a und 85 Proz.fl, eine weitere mit 39 Proz. a und 61 Proz. /5 und schlieglich eine sehr kleine Fraktion mit 100 Proz. a zu erhalten. Vergleicht man dieses Resultat mit den Ergebnissen der Arbeit yon P e t e r s o n , B a r r y , Wise und Unkauf , loc. cir., so bekommt man den Eindruck, dab die a-Kamponente ein Araban, die fl-Komponente ein Galaktan ist. Die rein chemische Untersuchung der Fraktionen konnte bis jetzt noch nicht in Angriff genommen werden, weshalb etwas Sicheres in dieser Frage noch nicht gesagt werden kann.

Eine andere Art tier Fraktionierung der Sub- stanz konnte in der Ultrazentrifuge dutch An- wendung der Separationszelle (14) durchgeffihrt werden. In einer Zelle, die im r die Dimen- sionen der ftir die Sedimentationsgeschwindig- keitszentrifuge fiblichen Zellen hat, ist in einer gewissen Distanz vom Zellboden eine Platte mit einer groBen Anzahl feiner LScher eingesetzt. Die gelSste Substanz in der Zelle kann nun sehr wohl durch die Platte hindurch sedimentieren, aber beim Abstellen der Zentrifuge kSnnen die dort un- vermeidlichen Konvektionen nicht den ganzen Zellinhalt wieder vermischen. Hat man nun zwei gelSste hochmolekulare Stoffe mit verschiedenen Sedimentationsgeschwindigkeiten; so kann man dutch passend gewfihlte Zentrifugierzeit es so ordnen, dab sich die schwerere Komponente zur Hauptsache in der untern Abteilung befindet, die leichtere in der oberen. Es beruht auf dem Unter- schied der Sedimentationsgeschwindigkeiten und der Art der Verbreitung des Gradienten der Kom- ponenten wfihrend der Zentrifugierung, wie gut

102 Mosimann und The Svedberg, Sedimentations- und Diffusionsmessungen F Kollo~d- LZeitschrlft

man die Trennung durchffihren kann. Natfirlich erh~ilt man immer nur sehr kleine Flfissigkeits- volumina. Doch kann man durch mehrmaliges Zentrifugierefl LSsungen erhalten, deren Volumen z.B. zur Ausffihrung yon Diffusionsversuchen hinreichend ist. Im vorliegenden Fall gelang es beispielsweise, auf diese Weise von fl vollst~indig freie LSsungen der a-Komponente zu gewinnen. Die/~-Komponente dagegen enthielt immer unge- f~ihr 10 Proz. a.

B e s t i m m u n g tier D i f f u s i o n s k o n s t a n t e n .

Die Diffusionsversuche wurden in der Lam m- schen Stahlzelle(15) ausgeffihrt. Als LSsungs- mittel diente wieder 0,2:m NaCf, die Versuchs- temperatur war 20 o C. Die Diffusionskonstanten berechnete man nach der bekannten Formel (15)

D - - A 2 4 n t H 2

A = Fl~iche, die yon der Gradientenkurve und der Abszisse eingeschlossen wird, H : max/male HShe dieser Kurve, t = Zeit in Sekunden seit dem Beginn der Diffusion.

Quense l (16) hat gezeigt, dab in gewissen F~illen die Diffusionskonstante einer Mischung verschiedener,Komponenten zur Berechnung der Diffusionskonstante einer einzelnen Komponente ausgewertet werden kann. Man muB in diesem Falle die Diffusionskonstanten aller andern in die Mischung eingehender Komponenten kennen und ferner die relative Konzentration s~imtlicher Kom- ponenten. Es gilt

D = Diffusionskonstante der Mischung, Di =Dif- fusionskonstante einer einzelnen Komponente, ai = c i / C = Verh~ltnis der Konzentration einer Einzelkomponente zur Gesamtkonzentration.

Soll die Diffusionskonstante einer Kompo- nente in der Mischung bestimmt werden, so kann man auch schreiben:

a 2 D D =

1 "='~" a i ] ~

D = Diffusionskonstante einer Komponente, a = deren Relativkonzentration.

Durch Verwendung der Separationszelle ge- ]ang es, wie erw~ihnt, vonder fi-t(omponente voll- st~indig freie LSsungen der a-Komponente zu ge- winnen. Der Mittelwert der Diffusionskonstante

dieser Komponente aus mehreren Versuchen be- tr~igt 6 ,8 .10 -7.

An einer blischung mit 20 Proz. a und 80 Proz. fl bestimmte man/ffund land den Weft 3,8 �9 10-L Mit Hilfe der obigen Beziehung kSnnen wir nun auch aus D~ und D die Diffusionskonstante ffir/~ berechnen, und man f indet

D~ = 3,4.10 -7 .

Nach der yon Quense l angegebenen Fehler- berechnung kSnnen wir untersuchen, mit wie groBer Genauigkeit die Bestimmung von D~ mSg- lich ist unter den gegebenen Voraussetzungen. Wit erhalten da

=1,,9 I 1§ D~

Nehmen wir die GrSBen D~ und D auf 5 Proz. gerlau bestimmt an, a und a~ dagegen auf 2 Proz. (da es sich um den Mittelwert einer grSgeren An- zahl gut fibereinstimmender Bestimmungen han- delt), so folgt

I d Dt~ ~ 0,06 + 0,009 + 0,04 + 0,008. D,

Der Fehler in D~ betr~igt also rund I1 Proz.

M o l e k u l a r g e w i c h t e der a- und f l - K o m p o - n e n t e n , b e r e c h n e t aus s und D.

Nach S v e d b e r g (17) kann das Molekular- gewicht einer Substanz nach der Formel

M - - R T s

(1 - - Vo)D

berechnet werden. Da nun s~ und sj~, ferner D~ und Dj~ bekannt sind, kSnnen wir Ma und M~ be- stimmen und erhalten

Ma : 15800 M~ = 107 300.

Wir kSnnen M~ auch aus Ma nach der oben angegebenen Beziehung M, = 0,16Ma berech- nen und erhalten for M,a den Wert 98800. Die Ubereinstimmung muB angesichts der Fehler- grenze von D a und der bei der Herleitung der obigen Beziehung gemachten Annahmen als gut angesehen werden.

S e d i m e n t a t i o n s g l e i c h g e w i c h t (18).

Ebenfalls bei der Bestimmung der Sedimen- tationsgleichgewichte verwendete man die Ska- lenmethode zur Registrierung des Konzentra-

Band 100 ] M o s i m a n n u n d T h e S v e d b e r g , S e d i m e n t a t i o n s - u n d D i f f u s i o n s m e s s u n g e n 103 Heft I (1942)J

tionsgradienten in der Zelle. Einige Schwierig- keit bereitet die Wahl einer passenden Um- drehungsgeschwindigkeit ffir die Zentrifuge beim Vorliegen eines Zweikomponentensystems mit so verschiedenen Molekulargewichten. Bekanntlich soll bei einem Sedimentationsgleichgewieht das Verh/iltnis der Konzentrationen am Meniskus und am Zellboden zwischen 1/5 und 1/2 liegen, damit die Berechnung des Molekulargewichts mit ge- nfigender Sicherheit durchgeffihrt werden kann (19).

Aus der Formel (20)

M = 2RTlnc2 /q (1 - - V o ) co 2 (x2 ~ - Xl 2) '

~o = Winkelgeschwindigkeit, c 1 und c 2 bedeuten die Konzentrationen in den Abst/inden x~ und x 2 yon der Rotationsachse, geht hervor, dab ffir ein bestimmtes, beliebiges Verh~iltnis c2/c ~ ffir die Komponenten gilt:

= 6 , a

wenn wir die Beziehung Ms = 0,16 M~ berfick- sichtigen. Dagegen verhalten sich die Winkel- geschwindigkeiten ffir eine tier Komponenten wie 1:2,3, damit sich das Konzentrationsverhfiltnis 1:2 resp. 1:5 zwischen Meniskus und Zellboden einstellt, Aus diesen Zahlen geht hervor, dab in jedem Fall ein gew/ihltes co nut f fir die eine Kom- ponente gfinstig sein kann, ffir die andere aber weit augerhalb der angegebenen Grenzen liegen muf3.

Sedimentationsgleichgewichte .wurden bisher nur bei einer einzigen Umdrehungszahl bestimmt, n/imlich bei 5400 Umdrehungen pro Minute. Da- gegen wurde die Zusammensetzung der Kompo- nenten variiert. Zwei Versuche wurden mit 20 Proz. a und 80 Proz. fi und einer mit 39 Proz. a und 61 Proz. fl ausgeffihrt. Die erste Zusammen- setzung entspricht der Ausgangssubstanz, wie sie aus dem L~irchenholz isoliert wurde, die zweite einer Fraktion.

Es ist prinzipiell mSglich, mit Hilfe der Sedi- mentationsgleiehgewichtsmethode und unter An- wendung der 8kalenmethode zwei verschiedene Molekulargewichtswerte zu bestimmen (21), n/im- lich erstens den sogenannten Oewichtsmittel- wert Mw, definiert durch

tl ~_T ci M i

M w - - 1 r~

.,~, c i 1

und zweitens durch

den Z-Mittelwert Mz, definiert

rl

v ci M? M z - - I

n ~ c i M i .

1

Diese beiden Ausdrficke sind, wie man leicht sieht, fflr monodisperse Substanzen identisch. Ffir eine polydisperse Substanz dagegen gilt Mw < Mz. Ffir unser Zweikomponentensystem mfissen die beiden Mittelwerte zwischen den Mole- kulargewichten tier Komponenten liegen, so dab gilt

M~ < M w < M z < M # .

Die experimentell bestimmten Mw und Mz kSnnen in vielen F~illen zur Berechnung des Mole- kulargewichts einheitlicher K0mponenten ver- wendet werden. Die Bedingungen, unter denen dies mSglich ist, sind yon Quense l (16) ange- geben worden.

Setzen wit vorl~ufig voraus, unser Zweikom- ponentensystem bestehe aus zwei einheitlichen Nomponenten. Aus der Definition yon Mz folgt dann (vgl. Quensel loc. cir.)

Mz _ p~(1--afl) +a~ M~ p (1- - aD + a~ '

p = M~/M~, a~ = relative Konzentration von ft. Setzen wir p = 0,16, so folgt, daft, wenn a~ = 0,8, d.h. die Mischung mit 80 Proz. fl, der Z-Mittel- wert nur etwa 3 Proz. kleiner als MS wird. Der Z-Mittelwert g~ibe uns in diesem Fall ohne weite- res einen annehmbaren Wert ffir Mjs, auch wenn wir Ms nicht kennen. Nun enth~ilt leider, w ie schon erw~ihnt, die unfraktionierte Substanz eine kleine Menge einer hShermolekularen Verunreini- gung, die Mz erhiJht. Daher kann Mz in diesem Fall nicht zur Molekulargewichtsbestimmung yon M~ verwendet werden. Dagegen gab Adz ffir die fraktionierte Substanz einen guten Wert ffir Mj~. Die Rechnung zeigt, dab Mz in diesem Fall 9 Proz. zu klein wird. Doch kann man ja diesen Fehler im Resultat berficksichtigen. Wir kSnnen aber auch Mw zur Berechnung yon Mj~ verwen- den, wenn wir aus den aus s~ und D~ bestimm- ten Wert KJr Ms in dem ffir Mw gegebenen Ausdruck einsetzen. Die Verunreinigung hat in diesem Fall einen viel geringeren Einflug auf das Resultat.

Die folgende Tabelle gibt eine Ubersicht fiber die erhaltenen Resultate.

Der aus Mz berechnete Wert ffir M~ ist etwas hSher als die drei Werte aus Mw, die unter- einander eine fiberraschende Ubereinstimmung zeigen. Dies kann aber nut ein Zufall sein. Wie

104 Mosimann und The Svedberg , Sedimentat ions- und Dif fus ionsmessungen [- Kolloid- [_Zeitschrift

T a b e l l e II.

Totalkonz. g per 100 ml

0,86 0,43 0,89

Relativkonz. 3

0,20 0,80 - 0,20 0,80 '

0,39 0,61

Mw

78800 77 900 64 000

erwfihnt, enthalten ja die nnfraktionierten Prfi- parate eine hochmolekulare Verunreinigung. Die Mw-Werte sollten also in diesem Fall eher grSger sein als der ffir die fraktionierte Substanz be- stimmte. Was den aus Adz berechneten Wert ffir Mf betrifft, so reicht schon die Fehlerbreite (siehe unten) aus, um diese Abweichung zu er- klfiren. Doch kann auch die MSglichkeit in Be- tracht gezogen werden, dag dieser Weft durch eine leichte Uneinheitlichkeit yon/~ zu grog wird.

Berechnet man nun nach Quense l ' s An- gaben (loc. cit.) die Oenauigkeit, mit der es mSg- lich ist, die oben angegebenen Molekulargewichts- werte zu bestimmen, so finden wit ffir M# aus Mz eine Fehlergrenze yon 5 Proz., wenn wit Me und Ms auf je 5 Pr0z. genau und a,8 wie vorher auf 2 Proz. genau annehmen. Unter den gleichen Voraussetzungen erhfilt man ftir M# aus Mw, wenn @ = 0,61, die Unsicherheit zu 8 Proz. In den beiden andern Versuchen mit @ = 0,8 setzen wir wegen tier Verunreinigung Mw mit einem Fehler von 10 Proz. ein und erhalten dann f/ir M a die Fehlerbreite zu 12 Proz.

Lassen wir nun bei der Mittelwertsbildung die verschiedenen, aus den Sedimentationsgleich- gewichten bestimmten Molekulargewichte mit dem ihrer Genauigkeit entsprechenden Gewicht eingehen, so erhalten wir Mj3-- 103 100. Nehmen wir dagegen an, tier aus Mz bereehnete Mp-Wert sei wegen einer leichten Uneinheitlichkeit etwas zu grog, und bilden ein arithmetisches Mittel, so wird Mj~ = 99800.

Z u s a m m e n s t e l l u n g der M o l e k u l a r - g e w i c h t s b e s t i m m u n g e n .

a - K o m p o n e n t e : Diese Kompo- nente konnte in der Separa- tionszelle frei yon ~ erhalten werden. Aus s~ und D~ erhfilt man . . . . . . . . . . . M s = 15800

f l - K o m p o n e n t e : A u s @ u n d D p M~=107300 Sedimentationsgleichgewicht 1. Mittelwertsbildung . . . . M~ = 103100 2. Mittelwertsbildung . . . . My = 99800 Aus M s = 0 , 1 6 M~ bei Ver-

wendung des oben bestimm- ten Ms-Wertes . . . . . . M~ = 98800

Mz

105 000

M~ aus M w

94 800 93 600 95 500

Mfl aus Mz

115 300

H u s e m a n n ( 8 ) bestimmte das Molekular- gewicht des Polysaccharides osmotisch und land 35000. Das osmotisch bestimmte Molekularge- wicht ist durch folgenden Ausdruck definiert (21)

tl .,~, c i

M n = 1 gl .

Wir kSnnen nun nach unseren Resultaten be- rechnen, wie grog Mn ffir unser unfraktioniertes Produkt sein miil3te und linden Mn = 48800. Dieser Wert ist wesentlich grSger als tier von H u s e m a n n bestimmte. Es ist aber sehr wohl mSglich, dag das von H u s e m a n n untersuchte Pr@arat die Komponenten in einem anderen Verh~iltnis enthielt als unseres. Ferner ist es auch denkbar, dag verschiedene L~irchenarten Kompo- nenten mit ungleich grogen Molekulargewichten enthalten.

E i n h e i t l i c h k e i t der K o m p o n e n t e n .

Zur Untersuchung der Frage, inwieweit die Komponenten einheitlich oder polydispers sind, kSnnen Sedimentationsgleichgewichts- (21) oder Diffusionsmessungen (22) reiner Komponenten verwendet werden. Da eine Reindarstellung nur im Fall der a-Komponente gelang, kann mit einiger Sicherheit. nut hierffir etwas ausgesagt werden. Gralf in (loc. cit.) zeigte, dab far poly- disperse Substanzen die nach bestfmmten Metho- den erhattenen Diffusionskonstanten voneinander abweichen. So mug z. B. die nach tier sogenann- ten Momentmethode (23) berechnete Diffusions- konstante D2,o immer grSger sein, als die oben verwendete, die nach Gra l6n mit Do,h bezeich- net sei, wenn eine uneinheitliche Substanz vorliegt. In einem Experiment, wo ffir die a-Komponente D o , n = 6 , 7 " 1 0 -~, war D2, o - 6,5 .10-L Diese beiden Werte stimmen innerhalb der Fehler- grenze aberein. Wir dfirfen daraus den Schlug ziehen, dab die a-Komponente wirklich einheitlich ist. Fin Einwand kann allerdings gemacht werden: Bei der Separation erhielt man ja hie die gesamte Menge tier a-Komponente. Ein Tell sedimentierte immer durch die Siebplatte der Separationszelle und kam bei der Untersuchung

Band 100 "] Mosimann und The Svedberg, Sedimentations- und Diffusionsmessungen 105 H e f t 1 (1942)_]

der Einheitlichkeit nicht mit. Die Behauptung fiber die Einheitlichkeit bezieht sieh folglich nut auf den untersuchten Tell.

Um f[ir die/~-Komponente eine Angabe fiber die Einheitlichkeit machen zu kbnnen, ist man mehr auf Mutmagungen hingewiesen. Man kbnnte zuerst daran denken, von der Diffusionskurve einer Mischung den der a-Komponenten ent- sprechenden Tell zu subtrahieren, da Da und aa bekannt sind. Vom fibrigbleibenden Kurventeil kSnnte man die Diffusionskonstante nach den beiden Methoden bestimmen. Dieses Verfahren ist aber viel zu unsicher.

Man hat in der GrSge des Mz-Wertes in den vorher besprochenen Bestimmungen von Sedimen- tationsgleichgewiehten einen Anhaltspunkt ffir die Einheitlichkeit der ~-Komponente. Die Tat- sache, dab der aus Mz berechnete Wert ffir M~ nicht hSher liegt als gefunden, deutet auf Einheit- lichkeit oder geringe Polydispersit/it hin.

Wit kSnnen noch einen weiteren Beweis ffir die relative Einheitlichkeit der fi-Komponenten geben. Man kann aus den Sedimentationsdia- grammen einer Substanz ebenfalls die Diffusions- konstante berechnen (24). Die Verbreiterung des Gradienten mit der Zeit ist ganz allgemein einer- seits dutch die Diffusion, andererseits durch die Polydispersit~it der sedimentierenden Substanz bestimmt. Die ausdem Sedimentationsdiagramm berechnete Diffusionskonstante einer polydis- persen Substanz ist irnmer grSger als die bei der Untersuchung der freien Diffusion gefundene, da sich bei der Sedimentation der Polydispersit/its- effekt fiberlagert. Die verschieden schweren Molekfile sedimentieren alle mit ungleichen Ge- schwindigkeiten, und dies bewirkt eine Verbreite- rung der Gradientenkurve. Die aus dem Sedi- mentationsdiagramm bestimmten Diffusionskon- stanten sind abet auch bei monodispersen Pro- teinen in der Regel grSger als die wirklichen Werte, da die Bedingungen wfihrend der Sedimen- tation mit Temperaturschwankungen usw. nieht ideal sind.

Ffir die/f-Komponente findet man zwischen 3,6 und 4,8 �9 10 -7 liegende Werte der Diffusions- konstanten. Dies deutet auf eine schwache Poly- dispersitfit hin. Doeh ist die Einheitlichkeit eben- fails nicht ausgeschlossen.

Die bisher meist untersuchten Polysaccharide wie Zellulose und Stfirke erwiesen sich bei der Untersuchung immer als stark polydispers (21, 15). Doch wurden in einzelnen F/illen Produkte von ziemlich einheitlichem Charakter gefunden, so

z.B. ein aus Tuberkelbazillen isoliertes Poly- saccharid (25), Polysaecharide in S~iften von Pflanzenzwiebeln (26)und sehlieBlich Verschiedene Hemizellulosen (8). Dieser Reihe k~Jnnen nun auch die beiden Komponenten des L~irehenholz- polysaecharids angeffigt werden.

Die Mittel zu dieser Untersuchung wurden uns durch Vermittelung der Ingenieur-Wissen- schaftsakademie (IVA) zur Verffigung gestellt.

Z u s a m m e n f a s s u n g . Das wasserlSsliehe Polysaecharid aus L~irchen-

holz wurde mit HiKe der Ultrazentrifuge unter- sucht. Dabei wurde festgestellt, dab es zwei Kom- ponenten verschiedenen Molekulargewichts ent- h/itt, die eine mit einem Molekulargewicht von rund 16000, die andere yon 100000. Es konnte nachgewiesen werden, dab die erstgenannte Kom- ponente einheitlieh ist, ffir die andere scheint die Einheitlichkeit wahrscheinlich.

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