Структура воды и ее биологическое значение

Рассмотрим структуру воды в биологических системах.

Свойства суперводы описаны для того, чтобы этим примером дать представление о том, какими необычными могут становиться структура и свойства обычной воды в теснинах клеточных лабиринтов. До сих пор мы говорили о структурах воды, пользуясь в основном неорганическими представлениями, с тем, чтобы попытаться по ним судить о механизме кристаллизации воды в клетке. В действительности же взаимодействие молекул воды в биологических системах слишком сложно, чтобы его можно было изобразить простыми неорганическими моделями. Все же попытаемся отметить хотя бы некоторые особенности структурированности воды в клетке. При исследованиях процесса изменения структуры воды, индуцируемом макромолекулами биополимеров, диэлектрический метод оказался более чувствительным, чем метод протонного магнитного резонанса. Однако растворы воды высокой электропроводимости в биосистемах изучаются по-прежнему резонансным методом, так как диэлектрический метод к ним не применим. Методом ЯМР найдено, что молекулы ДНК в ориентирующем потоке могут упорядочивать воду на расстоянии до 1000 ? от поверхности макромолекулы, т.е. диаметр области упорядоченной воды может достигать порядка 1/4 длины макромолекулы.

Способность упорядочивать расположение молекул воды в значительной степени зависит от структуры поверхности макромолекул биополимера, от конфигурации атомов. Чем более эта конфигурация подобна решетке льда, тем сильнее выражена упорядочивающая способность ууповерхности. Огромное упорядочивающее влияние ДНК объясняется тем, что форма ее спирали идеально вписывается в решетку льда. Однако это влияние в большей мере зависит не только от формы макромолекулы, но от расположения в ней атомных групп, способных образовывать водородные связи. С этим же связана растворимость макромолекул биополимеров в воде. Если число водородный связей, которые могут быть образованы между поверхностью макромолекулы и водной решеткой, мало по сравнению с числом связей между макромолекулами, вещество нерастворимо в воде. И наоборот.

Электролиты воды самым непосредственным образом могут вызывать структурные изменения в клетках. Так, например, давление электролита производит сжатие молекулы ДНК, в результате чего спираль уже не подходит к структуре льда и оболочка упорядоченной воды на молекуле ДНК сильно уменьшается. Упорядоченность структуры внутриклеточной воды в условиях нормы определяет наиболее устойчивое ее состояние и вполне соответствует термодинамическим представлениям.

В качестве веского доказательства правильности кристаллизационной (структурной), а не изотопной точки зрения при объяснении механизма действия талой и снеговой воды, обычно приводят эффект магнитной воды. Магнитное поле сильно изменяет структуру, физико-химические и даже биологические свойства воды. Обработка воды магнитом — эффективное средство борьбы с накипью в чайниках и паровых котлах, она активирует воду, видимо, каким-то образом изменяя ее структуру. Тем не менее, магнитным фактором с нашей точки зрения невозможно объяснить все аспекты благоприятного действия воды с пониженным содержанием дейтерия и трития.

Во-первых, не следует забывать о том, что вся вода на Земле находится под непрерывным воздействием магнитного поля Земли, хотя и довольно слабого. Поэтому вода в этом магнитном поле всегда в какой-то мере стремится приобрести устойчивую структуру. Таким образом, структурность должна рассматриваться как некое неотъемлемое постоянное свойство воды на нашей планете. Во-вторых, магнитное поле — это своего рода холодильник, который позволяет держать воду структурированной («замерзшей») при температуре даже выше ее верхней температуры плавления. Недостатка же в магнитных полях, вызываемых циркулирующими биотоками, в организмах нет. В-третьих, в клетке всегда действуют два фактора, упорядочивающие структуру воды. Ими являются действие поверхностей макромолекул и ориентировка диполей воды в магнитном поле Земли, организма, органа, ткани, отдельной клетки.

Н.Хорн пишет: «Вопрос о структуре жидкой воды останется на ближайшее будущее самой фундаментальной и сложной проблемой химической океанографии и молекулярной биологии». Вода в клетке находится в связанном и свободном состоянии.

В рамках микроскопического подхода структура свободной воды отличается относительно беспорядочным динамически меняющимся расположением молекул, а высокая плотность молекул воды обуславливает сильное межмолекулярное взаимодействие, осуществляемое посредством водородных связей. Таким образом, свободная вода в клетке представляет собой сложную ассоциированную жидкость с тетраэдрической сеткой молекул, соединенных водородными связями. В результате теплового движения молекул эта сетка подвержена спонтанной перестройке.

Написать ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *