Влияние веществ разной природы, полярности и концентрации на организацию молекул воды

Процессы, происходящие в воде под влиянием присутствующих веществ сложны, а их описание неоднозначно.

Самойловым О.Я. на основании молекулярно-кинетического теплового движения молекул в жидкости сформулирована теория о положительной и отрицательной гидратации.

Свойства иона (радиус, заряд, строение электронной оболочки) определяют характер гидратации. В случае отрицательной гидратации обмен молекул воды вблизи иона происходит чаще, чем обмен молекул в воде, прочное связывание отсутствует. При положительной гидратации, наоборот, обмен ближайших к ионам молекул воды ослаблен из-за чего происходит их прочное связывание. Таким образом, отрицательная гидратация ионов вызывает значительное нарушение структуры воды, не компенсирующееся образованием связей между ними и молекулами воды [67].

Существование гидратации подтверждено радиоспектрометрическим, термохимическим и рентгенографическим и др. методами [37].

Было выявлено, что введение постороннего иона в раствор влияет на структуру воды [29, 30]. Наибольшее упорядочивающее действие среди однозарядных ионов имеют H⁺и OH. Учитывая тот факт, что на 1 моль воды при

комнатной температуре приходится 1 моль водородных связей, то есть каждый Н⁺ структурирует вокруг себя десять молекул воды. Согласно Эйгену и Майеру, ионы Н3О⁺ и OH^-, присутствующие в воде, координируют вокруг себя по 3 молекулы воды, создавая структуру H₃O⁺(H₂O)₃и OH^-(H₂O)₃ [73].

В отличие от ионов, неполярные молекулы взаимодействуют с молекулами воды через слабые ван-дер-ваальсовые силы [94, 97, 124]. Однако, низкая растворимость неполярных молекул обусловлена не тем, что энергия их ван-дер- ваальсова взаимодействия друг с другом больше, чем с молекулами воды, как предполагалось раньше, а тем, что их присутствие приводит к термодинамически неблагоприятным изменениям в структуре воды - ее упорядочиванию.

В биологических макромолекулах огромное количество групп, которые при контакте с водой должны вызывать гидрофобное взаимодействие. Причем вода не только стабилизирует структуру биомакромолекул, оказывая гидрофобное воздействие, но и разрыхляет их из-за конкуренции за водородные связи в пределах макромолекул [80].

Полярные функциональные группировки образуют сложные водородные связи с водой по донорно-акцепторному механизму за счет собственной свободной пары электронов [114]. Ионизированные группы белковой части глобулы гидратируются подобно ионам металлов. Неполярные группы макромолекул взаимодействуют с водой лишь через слабые ван-дер-ваальсовые силы, играя роль активных структурообразователей в отношении воды [94, 97, 124]. О. Я. Самойлов утверждает, что растворенные молекулы, заполняя пустоты решетки, снижают трансляционную подвижность молекул воды и увеличивают вероятность возникновения и продолжительность существования водородных связей. Поэтому

большое значение в степени структурирования имеет поверхность соприкосновения неполярной группы с водой: чем она больше, тем толще слой, стабилизируемой ею воды. Немаловажную роль играет так же ее форма, степень разветвленности, структура поверхности и электронное строение атомов, образующих водородные связи. Поскольку растворение в воде неполярных функциональных групп макромолекул приводит к ее упорядочению, то следствием этого является стремление снизить влияние неполярных групп за счет уменьшения взаимных контактов [68].

Применяя метод поляризационной четырехфотонной спектроскопии в терагерцовой и субтерагерцовой области спектра обнаружено существование спин- изомеров воды: орто- и пара-молекул. Более того, в растворах белков и ДНК наблюдалось селективное взаимодействие биополимеров с пара-молекулами Н₂О [88].

Часть изомеров гидратных оболочек белков (в соответствии с Больцмановским распределением населенностей по энергиям) могут не вращаться в основном состоянии при комнатной температуре и температуре 36.6 ⁰С [88]. Они могут «захватываться» из контактного слоя водного раствора и образовывать водородо-связанные комплексы с большей вероятностью, так как они проявляют большую адгезию к гидрофильным остаткам биополимерных молекул (белки, молекулы ДНК), чем орто-молекулы. Такое взаимодействие может приводить к формированию структурированного, льдоподобного слоя воды около молекул белка [60].

Именно благодаря такой двойственной роли воды мы можем наблюдать равновесие сил в пределах белковых макромолекул и обеспечить их высокую чувствительность к управляющему воздействию [3, 4]. Кауцман считает, что макромолекулы для поддержания устойчивости агрегатирутся, образуя различные компактные структуры, либо объединяются в более крупные фибриллярные агрегаты [108]. Таким образом, конформация белков макромолекул цитоплазмы и

нуклеиновых кислот в значительной степени определяется гидрофобным взаимодействием [10].

Таким образом, структура и свойства макромолекул находятся в тесной связи с водой и, в значительной степени, определяют ее состояние. Данные изменения будут зависеть от свойств и концентрации воздействующих компонентов [20, 44, 107, 122].

По мере эволюции биохимии и фармакологии меняются и представления о концентрации биологически активных веществ, в которых они способны оказывать воздействие. Эффективные дозы ряда гормонов и пептидов часто находятся в пределах 10^-9-10^-12моль/л и менее. А рабочие концентрации некоторых лекарственных препаратов и токсинов значительно ниже 10^-12 моль на 1 кг тела [11].

Особенно интересны данные о действии на биологические системы веществ в сверхмалых дозах (СМД, 10^-18-10^-14М). Данный интервал рассматривают в качестве сверхмалой концентрации, так как действие веществ в концентрации более 10^-13 можно объяснить лиганд - рецепторной теорией, а при концентрации 10^-19 в условиях эксперимента может не быть ни одной молекулы исследуемого вещества [14].

Однако, при экспериментальной работе с растворами сверхмалых доз и концентраций (СМК) наблюдается ряд методических трудностей. При приготовлении высокоразбавленных растворов очень сложно избежать сорбции единичных молекул на стенке посуды. Так же возможно взаимодействие вещества с растворителем и, даже, с некоторыми примесями, содержащимися в растворителе [25].

Главный критерий оценки эффективной концентрации биологически активных веществ - константа диссоциации KD лиганд-рецепторного комплекса. Установлен ряд рецепторов, для которых Kdсоставляет менее 10^-12, например, брадикинин, хотя, для большинства известных лиганд-рецепторных комплексов эта величина составляет 10^-6-10^-12моль/л. Поэтому можно считать возможным

принятие за действующие сверхмалые концентрации биологически активных веществ интервал 10^-15-10^-20моль/л (моль/кг). Концентрация вещества, при которой наблюдается максимальный эффект, может быть в несколько раз меньше константы диссоциации лиганд - рецепторного комплекса [109].

В процессе изучения данного вопроса были обнаружены четыре основных вида дозовой зависимости: колоколообразная; с противоположными максимумами при низких и высоких концентрациях; с несколькими максимумами и минимумами и с насыщением [25].

Необычной особенностью действия СМД является наличие максимума при сверхмалых концентрациях и «мертвой зоны», которая лежит в интервале 10^-12­10^-6М. Так же установлено, что в больших концентрациях вещество либо вообще не оказывает эффекта, либо воздействие того же или противоположного знака, что и при воздействии СМД [25].

Интересно, что в действии веществ в сверхмалых дозах, несмотря на различную природу соединений, и объектов воздействия, можно определить общие закономерности. В качестве наиболее важных можно выделить: сложный характер дозовой зависимости и действие СМК на фоне большей концентрации того же вещества, присутствующего в объекте воздействия эндогенно.

В настоящее время отсутствует общепринятая теория о механизмах и процессах, лежащих в основе действия СМД. Наиболее объемлющая теория, на наш взгляд, описывающая механизм действия веществ в сверхмалых

концентрациях в живой клетке предложена В.П. Ямской и И.А. Ямским. Ее основные положения представлены ниже:

1. Действие физико-химических факторов в СМД обусловлено их способностью оказывать влияние на гомеостатические процессы организма.

2. Распространение регуляторного сигнала осуществляется благодаря изменениям пространственной организации надмолекулярных структур клеточного микроокружения.

3. Система клеточного микроокружения представлена ассоциированными между собой молекулами небольших белков и воды - малым матриксом.

4. Малый матрикс - матрица для считывания, распространения и уничтожения информационного сигнала, поступающего извне в ткань.

5. Трехмерная сетка малого матрикса взаимодействует с конструкцией внутриклеточного матрикса и плазматической мембраной благодаря связыванию отдельных доменов белковых молекул этих структур [81].

Таким образом, пространственная организация водного компонента биологических систем постоянно модифицируется за счет изменения свойств и концентрации, входящих в его состав компонентов, в том числе и надмолекулярных ансамблей, образование и распад которых связан с функциональными изменениями, происходящими в организме человека.

3.