Гидратация биологических молекул и орто- пара- молекулы H₂O

Дроздов А.В.

Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург, Россия

e-mail: av@biophys.ru

Каждый исследователь, занимающийся изучением механизмов действия на биосистемы слабых воздействий, в конечном итоге приходит к мысли о том, что вода, являющаяся основой всего живого, должна играть важную роль в этих процессах. Попробуем и мы посмотреть на воду глазами физика, не забывая позиций биологов, и попытаемся порассуждать о роли воды в биологических системах.

Точка зрения современных биологов на живые системы единодушна в том, что первоосновой всего живого является – клетка. Именно в простейших клетках зародилась на Земле жизнь. Следующим фактом, разделяемым всеми биологами, является то, что без воды жизни на Земле не существовало бы. По крайней мере, в той форме, которая есть. А вот дальше у биологов начинаются расхождения в понимании роли воды. Одни считаю воду обычным растворителем в котором растворены различные жизненно важные хим.элементы, а другие придают воде более важную, структурную роль [1, 2]. Последние считают, что вода в клетке является не жидкой, а имеет гелеподобную структуру.

Рассматривая клетку как гель, удается непротиворечиво (с точки зрения физика) объяснить многие основные вопросы цитологии. В этих представлениях молекулы воды, находящиеся внутри клетки, адсорбируются на поверхностях полимеров. Адсорбция упорядочивает воду, а упорядоченная вода гостеприимна не для всех веществ одинаково. Фактически, распределение веществ зависит от их относительной растворимости в структурированной воде, а также от их сродства к поверхностям белков. В свою очередь, оба эти свойства зависят от размера гидратной оболочки иона. Чем больше оболочка, тем меньше его растворимость; чем больше оболочка, тем больше энергии необходимо затратить для ее удаления, чтобы ион мог достичь поверхности полимера. Относительно большая оболочка иона натрия подразумевает его значительную эксклюзию из цитоплазмы и ограниченное сродство к белкам. Меньшая оболочка иона калия обеспечивает ему более высокую растворимость и высокое сродство. Принцип, основанный на связанной внутриклеточной воде, отличается от общепринятой концепции в цитологии, однако дает возможность по новому взглянуть на ключевой вопросы биологии, в том числе «Откуда живые системы черпают энергию?».

В основе этого взгляда лежит вполне очевидная энергетическая гипотеза — энергия, необходимая клетке для работы, в конечном счете, возникает благодаря заряду. Заряд может скапливаться на митохондриальных и на белковых поверхностях. Так, сосредоточенный вблизи митохондрии заряд структурирует окружающую воду, которая переводит молекулы белков в их развернутое состояние; заряд, скопившийся на поверхностях молекул белков, вытягивает их; в результате, структурируется и окружающая вода. В обоих случаях водно-белковый матрикс увеличивает свою потенциальную энергию. Эта потенциальная энергия, высвобождаемая при фазовом переходе структурированной воды в не структурированную, посредством фазового перехода, может быть израсходована на выполнение какого-либо действия. Клетка, в каком-то роде, представляет собой энтропийную машину, подготавливающую себя к действию путем создания и поддержания упорядоченных структур, и высвобождающая энергию путем их разрушения. Клетки представляют собой вместилища порядка, в этом отражена их огромная энергоемкость — свойство жизненно необходимое.

То, что упорядоченность играет центральную роль в биологии, неудивительно, поскольку термодинамика предшествовала появлению жизни. Сам факт образования доклеточной структуры из моря диспергированных веществ является примером упорядочения. Стремление к порядку отражено также во внутренней структуре клетки: мономеры выстраиваются в полимеры, полимеры объединяются в матриксы, из которых собираются органеллы. В каждом случае мелкие элементы образуют более крупномасштабные упорядоченные структуры. Структурная упорядоченность, фактически, является признаком жизни. Когда клетка чахнет и погибает, наступает конец и порядку. На основании очевидных явлений можно сделать весьма важный вывод: упорядочение, являющееся отличительным признаком живого состояния, фактически, представляет собой замаскированный механизм накопления потенциальной энергии. По крайней мере, часть энергии может быть запасена в виде упорядоченной структуры.

Все выше изложенное относится к взгляду биологов на воду, а теперь обратимся к современным воззрениям физиков на тот же объект. Причем посмотрим на воду с квантово-механических позиций.

В классической механике одинаковые частицы (например протоны), несмотря на тождественность их физических свойств, не теряют своей «индивидуальности». Действительно, если следить за движением частиц по каждой из своих траекторий, то в любой момент времени частицы можно идентифицировать.

В квантовой же механике положение совершенно меняется. В силу принципа неопределенности понятие траектории полностью теряет смысл. Можно сказать, что в квантовой механике одинаковые частицы полностью теряют свою «индивидуальность». Одинаковость частиц по их физическим свойствам приводит к их полной неразличимости. Принцип неразличимости одинаковых частиц играет одну из основных ролей при квантовомеханическом исследовании систем, состоящих из одинаковых частиц. В связи с этим принципом, для системы, состоящей из двух и более одинаковых частиц, имеется всего две возможности: волновая функция всей системы либо симметрична, либо антисимметрична.

Применение принципа неразличимости к молекуле H₂O приводит к тому, что молекулы воды должны быть разделены на два вида отличающихся друг от друга ориентировкой спинов протонов и ротационными квантовыми числами всей молекулы. Молекулы воды, в которых ядерные магниты антипараллельны (­¯) называются пара-H₂O. Молекулы при этом могут иметь только четные ротационные квантовые числа (0, 2, 4…). У орто-H₂O ядерные магниты параллельны (­­) и ротационные квантовые числа могут принимать только нечетные значения (1, 3, 5…).

В то время, как несимметрично построенная молекула, например HCl, свободно может из состояния вращения с четным квантовым числом перейти к вращению с нечетным, у молекулы, построенной из одинаковых ядер, как например H₂O, подобный переход спонтанно не происходит. Взаимная связь между ориентировкой ядерных спинов и ротационными квантовыми числами, а также запрещение перехода орто↔пара (спиновая конверсия) вытекают непосредственно из квантовой механики.

Различие между пара-H₂O и орто-H₂O не сводится только к обозначению определенной внутренней структуры, а в результате запрета перехода пара-H₂O ↔ орто-H₂O указывает на существование двух, во многих отношениях отличных и практически не комбинирующие друг с другом, типов молекул.

Одним из основных различий между пара- и орто- спин-изомерами воды является то, что у первой есть состояние, в котором молекула не вращается (ротационное квантовое число равно нулю). В то время как у орто- - такого состояния нет, она всегда «крутится» подобно юле. Это различие приводит к тому, что у разных спиновых изомеров воды разная степень адсорбции на поверхности. Пара-H₂O может участвовать в образование структур посредством водородных связей (в частности льдоподобные структуры), в то время как у орто-H₂O образование связей возможно только за счет электростатических сил – Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Стоит также отметить, что энергия основного вращательного состояния орто-H₂O (j=1) на 23.79 см^-1 больше энергии основного вращательном состоянии (j=0) пара-H₂O, т.е. при переходе орто-H₂O ® пара-H₂O будет выделяться.

Разговоры о двухструтурности воды ведутся давно, однако в основе этих разговоров лежит предположение о наличие в воде «льдоподобных» структур. И только совсем недавно [3] была предложена модели двухжидкостной воды как раствора двух типов молекул - орто-H₂O и пара-H₂O. Данная модель углубляет понимание происходящего в воде.

Сравнивая воззрения физиков и биологов на воду, напрашиваются определенные аналогии. И у тех и у других вода может находиться в разных состояниях, и у тех и у других возможны переходы одной воды в другую. Исходя из выше сказанного, можно задать главный вопрос «А не является ли наличие у воды двух состояний основой, позволяющей достаточно просто объяснить как связанную воду внутри клеток, так и фазовые переходы в биологических системах?». По словам Джеральда Поллака «…фазовый переход — это главный мотор в реализации клеточных функций, в разных обличиях выполняющий свою работу в клетке» [2]. Таких же воззрений придерживается и Линг [1].

На сегодняшний день уже существуют убедительные экспериментальные доказательства важности спиновой конверсии пара-H₂O ↔ орто-H₂O в биологических клетках [4]. Кто знает, может это начало нового взгляда на жизнь?

Литература

1.  Гильберт Линг, Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция // СПб., Наука, 2008.

2.  Pollack, G.H.: Cells, Gels and the Engines of Life: A New, Unifying Approach to Cell Function. Ebner & Sons, 2001

3.  Першин С.М. Двухкомпонентная вода, Избранные труды V Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» //СПб, 2009, стр.71.

4.  Першин С.М. Орто/пара конверсия Н₂О в воде и скачок «текучести» эритроцитов через микрокапилляр при температуре 36.6±0.3 0С, Избранные труды V Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» //СПб, 2009, стр.87.

© Copyright 2008. All rights reserved. Contact to Victor Martynyuk: ubs@science-center.net  tel.: +38 050 6535592