Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов
Свойства воды на мозаичной гидрофобно/гидрофильной поверхности пирогенных кремнеземов, силикагелей и биологических систем (биомакромолекулы, дрожжевые клетки, костные и мышечные ткани) в разных средах (воздух, вода, CCl₄ и CDCl₃) в широком температурном диапазоне были изучены с использованием методо...
Saved in:
| Date: | 2006 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України
2006
|
| Series: | Поверхность |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146556 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов / В.М. Гунько, С.П. Туранская, О.В. Нечипор, Е.В. Юхименко, В.В. Туров, А.А. Чуйко // Поверхность. — 2006. — Вип. 11-12. — С. 397-430. — Бібліогр.: 121 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146556 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1465562025-02-09T17:31:19Z Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов Weakly associated water in biological objects and at silica interfaces Гунько, В.М. Туранская, С.П. Нечипор, О.В. Юхименко, Е.В. Туров, В.В. Чуйко, А.А. Медико-биологические проблемы поверхности Свойства воды на мозаичной гидрофобно/гидрофильной поверхности пирогенных кремнеземов, силикагелей и биологических систем (биомакромолекулы, дрожжевые клетки, костные и мышечные ткани) в разных средах (воздух, вода, CCl₄ и CDCl₃) в широком температурном диапазоне были изучены с использованием методов ¹Н ЯМР спектроскопии с послойным вымораживанием жидкой фазы (вблизи 273 К) и межфазной воды (180 < T < 273 K) и квантово-химического моделирования. The behaviour of water at mosaic hydrophilic/hydrophobic surfaces of different silicas and in biosystems (biomacromolecules, yeast cells, wheat seeds, bone and muscular tissues) was studied in different dispersion media over wide temperature range using ¹Н NMR spectroscopy with layer-by-layer freezing-out of bulk water (close to 273 K) and interfacial water (180 < T < 273 K), and quantum chemical methods. 2006 Article Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов / В.М. Гунько, С.П. Туранская, О.В. Нечипор, Е.В. Юхименко, В.В. Туров, А.А. Чуйко // Поверхность. — 2006. — Вип. 11-12. — С. 397-430. — Бібліогр.: 121 назв. — рос. 2617-5975 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146556 615 + 544.7:546.284.31 ru Поверхность application/pdf Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Медико-биологические проблемы поверхности Медико-биологические проблемы поверхности |
| spellingShingle |
Медико-биологические проблемы поверхности Медико-биологические проблемы поверхности Гунько, В.М. Туранская, С.П. Нечипор, О.В. Юхименко, Е.В. Туров, В.В. Чуйко, А.А. Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов Поверхность |
| description |
Свойства воды на мозаичной гидрофобно/гидрофильной поверхности пирогенных кремнеземов, силикагелей и биологических систем (биомакромолекулы, дрожжевые клетки, костные и мышечные ткани) в разных средах (воздух, вода, CCl₄ и CDCl₃) в широком температурном диапазоне были изучены с использованием методов ¹Н ЯМР спектроскопии с послойным вымораживанием жидкой фазы (вблизи 273 К) и межфазной воды (180 < T < 273 K) и квантово-химического моделирования. |
| format |
Article |
| author |
Гунько, В.М. Туранская, С.П. Нечипор, О.В. Юхименко, Е.В. Туров, В.В. Чуйко, А.А. |
| author_facet |
Гунько, В.М. Туранская, С.П. Нечипор, О.В. Юхименко, Е.В. Туров, В.В. Чуйко, А.А. |
| author_sort |
Гунько, В.М. |
| title |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| title_short |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| title_full |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| title_fullStr |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| title_full_unstemmed |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| title_sort |
слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов |
| publisher |
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Медико-биологические проблемы поверхности |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146556 |
| citation_txt |
Слабо ассоциированная вода в биологических объектах и на межфазной границе кремнеземов / В.М. Гунько, С.П. Туранская, О.В. Нечипор, Е.В. Юхименко, В.В. Туров, А.А. Чуйко // Поверхность. — 2006. — Вип. 11-12. — С. 397-430. — Бібліогр.: 121 назв. — рос. |
| series |
Поверхность |
| work_keys_str_mv |
AT gunʹkovm slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT turanskaâsp slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT nečiporov slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT ûhimenkoev slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT turovvv slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT čujkoaa slaboassociirovannaâvodavbiologičeskihobʺektahinamežfaznojgranicekremnezemov AT gunʹkovm weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces AT turanskaâsp weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces AT nečiporov weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces AT ûhimenkoev weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces AT turovvv weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces AT čujkoaa weaklyassociatedwaterinbiologicalobjectsandatsilicainterfaces |
| first_indexed |
2025-11-28T17:33:44Z |
| last_indexed |
2025-11-28T17:33:44Z |
| _version_ |
1850056366231650304 |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2006. Вып. 11, 12. С. 397-430
397
УДК 615 + 544.7:546.284.31
СЛАБО АССОЦИИРОВАННАЯ ВОДА В БИОЛОГИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТАХ И НА МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЕ
КРЕМНЕЗЕМОВ
В.М. Гунько, С.П. Туранская, О.В. Нечипор, Е.В. Юхименко,
В.В. Туров, А.А. Чуйко
Институт химии поверхности Национальной академии наук Украины,
ул. Генерала Наумова 17, 03680 Киев-164
Свойства воды на мозаичной гидрофобно/гидрофильной поверхности пирогенных
кремнеземов, силикагелей и биологических систем (биомакромолекулы, дрожжевые
клетки, костные и мышечные ткани) в разных средах (воздух, вода, CCl4 и CDCl3) в
широком температурном диапазоне были изучены с использованием методов 1Н ЯМР
спектроскопии с послойным вымораживанием жидкой фазы (вблизи 273 К) и
межфазной воды (180 < T < 273 K) и квантово-химического моделирования. Показано,
что объемная вода и вода, локализированная на гидрофобно/гидрофильной межфазной
границе, могут иметь разную структуру. Это (i) слабо ассоциированная вода (1Н ЯМР
химический сдвиг dH = 1,1 … 1,7 м.д.), которая в то же время является водой высокой
плотности (ВВП) с разрушенной структурой водородных связей, состоящей из
индивидуальных молекул воды или небольших кластеров, а также воды с сильно
искривленными водородными связями и (ii) сильно ассоциированная вода (dH = 4…5 м.д.),
входящая в состав больших кластеров, нано- и микродоменов, а также протяженных
межфазных слоев с ВВП и водой малой плотности (ВНП). Межфазную воду можно
также разделить на слабо- (изменение свободной энергии Гиббса DG < -0,8 кДж/моль)
и сильносвязанную (DG > -0,8 кДж/моль). Молекулярная подвижность слабо
ассоциированной воды больше (благодаря частичному разрушению водородных связей
или их ослаблению), чем сильно ассоциированой воды. Это приводит к различию в
температурной зависимости 1Н ЯМР спектров при T < 273 K.
The behaviour of water at mosaic hydrophilic/hydrophobic surfaces of different silicas
and in biosystems (biomacromolecules, yeast cells, wheat seeds, bone and muscular tissues)
was studied in different dispersion media over wide temperature range using 1H NMR
spectroscopy with layer-by-layer freezing-out of bulk water (close to 273 K) and interfacial
water (180 < T < 273 K), and quantum chemical methods. Bulk water and water bound to
hydrophilic/hydrophobic interfaces can be assigned to different structural types. There are (i)
weakly associated interfacial water (1H NMR chemical shift dH = 1.1-1.7 ppm) that can be
assigned to high-density water (HDW) with collapsed structure (CS), representing individual
molecules in hydrophobic pockets, small clusters and interstitial water with strongly distorted
hydrogen bonds or without them, and (ii) strongly associated interfacial water (dH = 4-5 ppm)
with larger clusters, nano- and microdomains, and continuous interfacial layer with both HDW
and low-density water (LDW). The molecular mobility of weakly associated bound water is
higher (because hydrogen bonds are distorted and weakened and their number is smaller than
that for strongly associated water) than that of strongly associated bound water (with strong
hydrogen bonds but nevertheless weaker than that in ice Ih) that results in the difference in the
temperature dependences of the 1H NMR spectra at T < 273 K.
398
1. Различные формы воды, их объемные и поверхностные
характеристики
Поскольку свойства как объемной, так и граничной воды очень необычны, они
детально изучались как экспериментальными, так и теоретическими методами [1 - 17].
Эти свойства сильно зависят от структуры и химии поверхности твердого тела,
концентрации твердой фазы в дисперсии, температуры, давления, присутствия полярных
и неполярных растворителей, а также атомных или молекулярных ионов. Вода может
быть описана в терминах модели двух состояний с высокой плотностью (ВВП с
частично разрушенной системой водородных связей (r ³ 1 г/см3 при нормальных
условиях)) и низкой плотностью (ВНП со структурой водородных связей, подобной льду
(r < 1 г/см3)), которые находятся в динамическом равновесии. Это равновесие может
быть сдвинуто в ту или иную сторону путем изменения давления, температуры, ско-
рости нагревания или охлаждения, а также растворенными веществами или поверх-
ностными функциональными группами, которые обладают хаотропным (разупоря-
дочивающим) или космотропным (структурирующим) влиянием. Многие аспекты такого
явления детально описаны в работах Чаплина [16] и Виггинс [11]. Соответствующие
идеальная и искаженная икосаэдрическая модели структуры воды практически экви-
валентны двум состояниям воды со структурой гексагонального льда Ih и льда II [16]
или моделям воды с низкой и высокой плотностью ВНП/ВВП [11].
Правильный икосаэдрический нанодомен с 280 H2O (120 H2O на поверхности)
имеет размер ~3 нм (ВНП для Ih) и искаженную структуру ВВП [11], соответствующую
льду II [16]. Сходные нанодомены могут образовывать и большие структуры, сохра-
няющие упорядоченную сетку водородных связей [16]. Меньшие кластеры существуют
как внутри икосаэдрических, так и между ними, обеспечивая непрерывность жидкой
среды. Аналогичные кластеры воды могут формироваться в ограниченном пространстве
пор твердых адсорбентов, зазорах между смежными наночастицами или их агрегатами
или в пустотах, образованных структурными элементами макромолекул в биосистемах.
В частности, додекаэдрические кластеры воды обнаружены на гидрофобной поверх-
ности и на поверхности белков [8, 16]. Малые кластеры воды регистрировали и в порах
различных адсорбентов. Следует отметить, что имеются экспериментальные подтверж-
дения икосаэдрической структуры воды. Например, функции распределения расстояний
O×××O, O×××H и H×××H, рассчитанные на основе икосаэдрической модели, хорошо согла-
суются с рентгеновскими данными и данными дифракции нейтронов [16].
Вода обладает многими необычными свойствами [11, 16]. Так, точка кипения во-
ды слишком высока по сравнению со сходными соединениями (что обусловлено боль-
шей прочностью водородных связей), поскольку экстраполяция температуры кипения
аналогов дает для воды -75°C. Для воды высоки: точка плавления, критическая темпера-
тура, поверхностное натяжение, вязкость, теплота испарения и удельная теплоемкость и
малы: сжимаемость и термический коэффициент расширения. Для воды характерны
очень короткое время спин-спиновой ЯМР релаксации при низкой температуре, большая
по сравнению с другими материалами вариабельность стабильной (и метастабильной)
кристаллической и аморфной структур льда; более быстрое замерзание горячей воды,
чем холодной; аномально высокая подвижность протонов и гидроксил-ионов воды в эле-
ктрическом поле; высокая диэлектрическая проницаемость и ее аномальное темпера-
турное поведение и др. [16].
Ионы (и соответствуюшие функциональные группы в макромолекулах или на
поверхности твердых тел) могут быть разделены на два класса с хаотропными свойства-
ми (например, катионы N(CH3)4
+ > NH4
+ > Cs+ > Rb+ > K+ и анионы ClO4
- > NO3
- > I- >
Br- > Cl-, приводящие к формированию ВВП) и космотропными свойствами (Al3+ > Mg2+
399
> Ca2+ > H+ > Na+ и цитрат3- > сульфат2- > фосфат2-, приводящие к формированию ВНП)
[16]. Функциональные группы на поверхности немодифицированного или модифици-
рованного кремнезема могут быть как хаотропными (ºSiOH, ºSiO-), так и космо-
тропными (ºSiOSi(CH3)3).
Следует отметить, что свойства граничной воды независимо от типа поверхности,
с которой она контактирует, являются более сложными и сильно отличаются от таковых
для объемной воды. Это обусловлено электростатическими и дисперсионными взаимо-
действиями, а также пространственными эффектами, которые изменяют структуру сетки
водородных связей граничных слоев воды [18], что сказывается на ее структуре [11, 16].
В пористых телах граничная зона между мезопорами (диаметр > 2 нм) и микропорами
(диаметр £ 2 нм) соответствует размерам икосаэдра ВВП (3 нм). Особенности структуры
воды в ограниченном пространстве пор сказываются на молекулярной подвижности и
характере релаксационных процессов [19-25].
Ряд методов используют для определения характеристик граничной воды: (i) из-
мерение сил притяжения или отталкивания между двумя поверхностями, расположен-
ными на определенном расстоянии друг от друга [19, 26-28]; (ii) метод контактных
углов [29-31]; (iii) дифференциальная сканирующая калориметрия [32, 33]; (iv) измере-
ние тока термостимулированной деполяризации [34-37]; (v) диэлектрическая релаксаци-
онная спектроскопия [38, 39]; (vi) термопрограммируемая десорбция (TПД) [40, 41]; (vii)
ИК и рамановская спектроскопия [16, 42-47]; (viii) реология [16, 48]; (ix) 1H ЯМР
спектроскопия с послойным вымораживанием объемной и граничной воды [20, 39, 49-
52]; дифракция рентгеновских лучей и нейтронов [16], адсорбция [11], плотность по-
верхностного заряда и электрокинетический потенциал, а также другие методы [11, 16].
При изучении адсорбции из водных растворов взаимодействием вода - адсорбент обыч-
но пренебрегают, поскольку его достаточно трудно оценивать. Совмещение адсорбцион-
ных методов с 1H ЯМР спектроскопией позволяет глубже постичь взаимодействие меж-
ду водой, адсорбентом и подвижными или иммобилизованными молекулами адсорбата.
Метод ЯМР спектроскопии является уникальным с точки зрения получения информации
о подвижности и состоянии молекул в пористой среде [53-57] и адсорбционных слоях
[58, 59], о локализации растворенных веществ, динамике молекул воды и их взаимодей-
ствиях с биомакромолекулами или твердой поверхностью [60-65]. Измерение времени
протонной ЯМР релаксации в широком температурном интервале позволяет определить
времена корреляции вращательного и диффузионного движений [66, 67]. ЯМР исследо-
вания воды в растворах белков [68, 69], клеток [70], тканей [71, 72] и других системах
[16, 73, 74] показывают наличие структурированной воды, которая не замерзает при T <
273 K. Эта вода также называется «связанной» водой и соответствует ВВП вблизи гид-
рофильной поверхности и ВНП вблизи гидрофобной. Она характеризуется значительно
большим, по сравнению с объемной водой, временем корреляции вращательного движе-
ния [11, 16, 75]. По спектрам 1H ЯМР молекул, адсорбированных на твердой поверхно-
сти, путем сравнения химических сдвигов протонов молекул, находящихся в свободном
и связанном состояниях, можно идентифицировать разные типы структуры адсорбцион-
ных комплексов. Характеристики адсорбированной воды, возмущенной поверхностью,
могут быть рассчитаны с использованием температурных зависимостей интенсивности
1H ЯМР сигнала граничной воды в суспензиях при Т < 273 K [49-52, 76-80].
Первые 1H ЯМР исследования, направленные на определение химических сдви-
гов атомов водорода в молекуле воды (dH относительно тетраметилсилана), были прове-
дены Поплом и др. [81, 82]. Было обнаружено различие в 1H ЯМР спектрах воды в жид-
ком и газообразном состояниях, что обусловлено участием молекул воды в водородных
связях. Число водородных связей, приходящихся на одну молекулу воды (nHB), можно
оценить, предполагая слабую зависимость прочности связи от величины nHB. Точное
400
измерение величины dH как функции температуры было проведено для жидкого и газо-
образного состояний воды в широком диапазоне температур [83]. Было установлено, что
dH для неассоциированных молекул воды составляет 0,56 м.д. относительно газообраз-
ного метана и соответствует разнице между соответствующими величинами тензоров
изотропного экранирования siso = (sxx + syy + szz)/3. Позже величина dH воды, адсорби-
рованной на различных кремнеземах, была измерена с помощью твердотельного ЯМР
(CP-MAS NMR) с вращением образца под магическим углом [20, 84, 85]. Было показано,
что dH » 4 м. д. для воды, адсорбированной на кремнеземе при комнатной температуре.
Величина dH поверхностных гидроксильных групп кремнезема ºSiOH равна 1,7-1,8 м. д.
для свободных силанольных групп и до 8 м. д. для силанольных групп, участвующих в
образовании водородных связей ºSiO-H×××X. В общем, величина dH адсорбированной
воды зависит от прочности водородных связей (что влияет на тензор экранирования),
числа водородных связей, приходящихся на одну молекулу, а также влияния электроста-
тического поля и токов, обусловленных твердой поверхностью и примесями, обладаю-
щими парамагнитными или диамагнитными свойствами, а также подвижными ионами.
Каждая молекула воды может принимать участие в формировании четырех водородных
связей (двух O-H×××X и двух H2O×××H-Y). Для молекул воды, растворенных в неполярном
или слабо полярном органическом растворителе, dH = 1,1…1,7 м.д. При этом вода
находится в виде индивидуальных молекул [82, 86]. Измерения показывают, что для
льда dH = 7 м.д. [85]. В этом случае каждая молекула воды принимает участие в образо-
вании четырех водородных связей, а угол ÐOHO близок к 1800 (ВНП). Уменьшение
величины ÐOHO может приводить к переходу ВНП ® ВВП и уменьшению величины
dH [52].
Поведение воды в ограниченном пространстве полостей биомакромолекул или
клеток отличается от поведения объемной воды вследствие искажения структуры сетки
водородных связей. Известно, что молекулы воды в ограниченном пространстве микро-
пор могут формировать небольшие кластеры (от димера до пентамера) [87]. Теплота ад-
сорбции воды в таких порах может быть относительно небольшой (15-30 кДж/моль)
[88], поэтому органические молекулы или поверхностные функциональные группы мо-
гут сильно влиять на поведение воды в гидрофобном окружении [89]. Сходные эффекты
будут иметь место и для внутриклеточной воды [11, 16, 90]. Подвижность тетракоорди-
нированных молекул воды, связанной белками, сходна с подвижностью для льда, хотя
энтропийный вклад в изменение свободной энергии Гиббса соответствует промежуточ-
ному значению между жидкой водой и льдом [91]. Объем внутримембранной воды в
нативных клетках составляет небольшую часть внутриклеточной воды. Известно, что
растворенные молекулы и ионы могут располагаться как с внешней, так и с внутренней
стороны мембраны клетки и оказывать влияние на равновесие ВВП/ВНП, транс-
мембранный транспорт, каталитическую способность энзимов, процессы метаболизма и
др. [11, 16, 92].
Среднее число соседей у молекулы воды в жидкой воде может находиться между
4 и 5 (не все молекулы воды участвуют в образовании водородных связей) [16, 93, 94] и
оно увеличивается с повышением температуры при одновременном увеличении длины
Н-связей. Это приводит к искажению структуры сетки водородных связей в ВВП по
сравнению со льдом (dH = 7 м. д. для идеальной ВНП), а химический сдвиг в жидкой
воде уменьшается до dH » 4,8 м. д. (ВВП) при нормальных условиях и до 3-3,5 м. д.
вблизи температуры кипения. Для молекул воды, «выпавших» из сетки водородных
связей и отвечающих пику радиальной функции распределения расстояний между
атомами кислорода rO×××O » 0,37 нм в соответствии с XRD измерениями [16], величина dH
должна быть намного меньше средней величины. Молекулы воды, не участвующие в
401
образовании прочных водородных связей, например, в слабо полярной среде хлорофор-
ма, имеют химический сдвиг dH » 1,1…1,7 м. д. [95]. Химический сдвиг может изменять-
ся при взаимодействии с заряженными группами или ионами вследствие того, что изме-
няются электронная плотность на атоме водорода и экранирование протона.
Состояние воды на различных поверхностях исследовали методом 1Н ЯМР спек-
троскопии с вымораживанием объемной и адсорбированной воды [39, 49-52, 89, 95].
Характеристики взаимодействия воды с биомакромолекулами или клетками, например,
изменение свободной энергии Гиббса в системе клетка-вода может быть оценено доста-
точно просто [60-65, 90, 96], что показано в следующем разделе. Упомянутые внутри-
клеточные явления были исследованы лишь частично вследствие того, что характери-
стики разных типов клеток сильно различаются, а взаимодействие с водой специфиче-
ских внутриклеточных структур при различных температурах и уровнях гидратиро-
ванности трудно предвидеть [11, 16].
2. Использование 1Н ЯМР спектроскопии для измерения
характеристик межфазной воды
Спектры ЯМР записывали на спектрометрах высокого разрешения Bruker
WP-100 SY (Германия) и Varian 400 Mercury (США). Для получения 1H ЯМР спектров
использовался 90o зондирующий импульс. Температура образца регулировалась термо-
приставкой Bruker VT-1000. Погрешность измерений составляла ±10 % по интенсив-
ности 1H ЯМР сигнала и ±1 K по температуре. Для предотвращения переохлаждения
изучаемых систем, измерения концентрации незамерзающей воды проводили после
предварительного охлаждения образца до 190-200 K [49-52]. Сигнал от воды, входящей
в состав льда (как и протонов макромолекул), не вносил вклад в регистрируемый
1H ЯМР сигнал подвижной воды ввиду малых времен (~10-6 c) поперечной релаксации
протонов в твердых телах.
Измерения проводились с использованием стандартных ЯМР ампул (5 мм в диа-
метре) и вкладышей диаметром 4 мм, содержащих 400-500 мг клеток, 150 мг кости, 20-
40 мг пирогенного оксида или 200-250 мг силикагеля. Вкладыши использовали для пре-
дотвращения растрескивания основной ампулы при замораживании водных суспензий.
Дейтерохлороформ (использовался как внешний стандарт при определении химического
сдвига протонов) помещали в зазор между основной и внутренней ампулами. Образцы с
дрожжевыми клетками, не модифицированным или модифицированным кремнеземом,
помещались в ампулу, после чего к ним добавляли требуемое количество воды. Затем
содержимое образца усреднялось встряхиванием при комнатной температуре в течение
30 мин.
Измерение химических сдвигов протонов внутриклеточной воды проводили на
воздухе (с использованием внешнего стандарта CHCl3, dH = 7,26 м.д.) или в среде CDCl3.
В хлороформе способно растворяться относительно небольшое количество воды (мас-
совая доля < 0,6 % при T < 295 K). Поэтому можно было считать, что вода, растворенная
в хлороформе, не вносит существенного вклада в общий сигнал 1H ЯМР. Использование
инертного растворителя позволяло точно определять химический сдвиг dH связанной
воды, устраняло неоднородное уширение сигнала ЯМР и замедляло молекулярный об-
мен молекул воды, связанной с разными активными центрами поверхности [49-52]. Ав-
томатическое интегрирование давало возможность определить интегральную интенсив-
ность (I) выбранного сигнала и измерить: (i) интегральную интенсивность сигнала I каж-
дого образца, содержащего определенное количество воды при различных температурах;
затем произвести вычисление калибровочной функции для известного количества воды,
добавляемой к выбранному образцу при разных температурах; (ii) произвести съемку
402
спектров исследуемой системы при разных температурах; (iii) определить зависимость
количества незамерзающей воды как функции температуры путем сравнения интенсив-
ностей соответствующих сигналов изучаемых образцов; (iv) определить взаимосвязь ме-
жду изменением свободной энергии Гиббса незамерзающей воды при заданной темпера-
туре (определяемую путем сравнения с изменением свободной энергии Гиббса для льда)
с количеством воды в образце; (v) проинтегрировать эту функцию для получения сум-
марного изменения свободной энергии Гиббса межфазной воды. Все эти стадии позволя-
ют получить количественные результаты с ошибкой, не превышающей ±15 %.
Условием замерзания внутриклеточной воды или воды на межфазной границе
твердое тело/жидкость является равенство свободных энергий Гиббса межфазной воды и
льда. Понижение температуры замерзания структурированной воды (Tf < 273,15 K)
обусловлено уменьшением ее свободной энергии Гиббса, вызванным молекулярными
взаимодействиями на границе раздела фаз (DG = G – G0 < 0, где G0 свободная энергия
льда при 273,15 K), возмущающими сетку водородных связей жидкой воды. Изменения
свободной энергии Гиббса льда изменяются с температурой в соответствии с соотноше-
нием
DGice = -0,036(273,15 - Т). (1)
Тот факт, что при температуре ниже 273,15 K связанная поверхностью вода может
оставаться в незамерзшем состоянии, предполагает, что свободная энергия Гиббса
межфазной воды остается меньшей, чем для объемной воды или объемного льда. Это
обусловлено взаимодействием воды с твердой поверхностью или биомакромолекулами:
ice
i
w GG < . (2)
Дальнейшее понижение температуры смещает это неравенство к точке Tc, в которой
замерзает некоторая порция связанной воды. При Tc:
DGw = DGice, (3)
где
0)( w
i
w
i
w GTGG -=D , (4)
( 0
wG соответствует свободной энергии Гиббса невозмущенной объемной воды при
273,15 K, а индекс i показывает, что величина относится к межфазной границе), а
DGice = Gice(T) - 0
iceG , (5)
0
iceG - свободная энергия Гиббса льда при 273,15 K. Предполагается, что DGice не зависят
от присутствия твердой поверхности. Подвижность молекул воды, особенно вращатель-
ные характеристики молекул жидкой воды на межфазной границе, определяются сред-
ним числом водородных связей [49-52]. Протонный обмен в кластерах воды может быть
представлен следующей схемой:
(H2O)A « (H2O)* « (H2O)B, (6)
в которой обмен протонами осуществляется между кластерами А и В поверхностных
комплексов через переходное состояние (H2O)*. В предположении мономолекулярного
механизма скорость обмена определяется уравнением аррениусовского типа:
(T2)-1 = (T2)0
-1 exp(-DGa/RT), (7)
где (T2)0
-1 - предэкспоненциальный фактор и при высокой температуре T2 → T2,0. Урав-
нение (7) может быть преобразовано с учетом того, что свободная энергия активации
DGa = DH¹ - TDS¹. (8)
403
и тогда могут быть оценены термодинамические параметры обменных процессов (в пре-
небрежении вкладов от PDV и VDP на межфазной границе при динамическом равнове-
сии перехода ВВП/ВНП). Функция распределения свободной энергии активации для
процесса ядерной релаксации f(DGa) может быть вычислена с использованием уравне-
ния (7) как ядра интегрального уравнения Фредгольма первого рода
)()(),(')(
max
0
aaa
G
GdGfGTkTk DDD= ò
D
, (9)
которое можно решить с использованием метода регуляризации при условии f(DGa) ³ 0
для любых DGa и фиксированном параметре регуляризации (a = 0.01). Площадь, ограни-
ченная кривой DG(Cuw) (температурные зависимости DG(T) и Cuw(T) легко могут быть
преобразованы в соотношение между DG и Cuw), определяет суммарное изменение сво-
бодной энергии Гиббса для внутриклеточной или межфазной воды:
òD=
max
0
uwC
uwS GdCKg , (10)
где max
uwC - общее количество незамерзающей воды при T ® 273 K, а K - константа, зави-
сящая от размерности используемых в уравнении параметров [49-52]. Параметры силь-
носвязанной (которая в то же время является ВВП) и слабосвязанной (ВВП/ВНП) воды
могут быть рассчитаны с использованием графика зависимости DG(Cuw). Слабосвязанная
вода соответствует той части незамерзающей воды, для которой свободная энергия лишь
немного понижена межмолекулярными взаимодействиями с твердой поверхностью или
молекулами биополимеров. Она замерзает при температуре вблизи 273 K. Сильносвяза-
нная вода может находиться в незамерзшем состоянии при значительном понижении
температуры. Для гидрофильной поверхности она соответствует слою воды, максималь-
но возмущенному в результате взаимодействия с поверхностью [16, 49-52]. Толщина
слоя каждого типа связанной воды (Cs
uw и Cw
uw для сильно- и слабосвязанной воды
соответственно) и максимальное понижение свободной энергии в этих слоях воды (DGs
и DGw) могут быть оценены с использованием линейной экстраполяции участков зависи-
мости DG(Cuw), отвечающих этим слоям, к осям координат. Следует отметить, что для
определения количества воды используются две величины, обычно относимые к едини-
це массы твердого вещества: (i) вода, оставшаяся незамерзшей при температуре измере-
ний (Cuw) и (ii) общая величина воды в образце ( OHC
2
). Часть незамерзающей воды,
отвечающая DG > -0.8 кДж/моль, может быть отнесена к слабосвязанной воде. При-
менение 1H ЯМР спектроскопии с послойным вымораживанием объемной и межфазной
воды детально описано в работах [39, 49-52, 77- 80, 89, 95].
В более узких порах вода замерзает при более низких температурах, что описы-
вается уравнением Гиббса-Томпсона [21]:
RH
T
TRTT
f
msl
mmm r
s
D
=-=D ¥
¥
,
,
2
)( , (11)
где Tm(R) - температура плавления льда, локализованного в порах радиуса R, Tm,¥ - тем-
пература плавления объемного льда, r - плотность твердой фазы, ssl - энергия взаи-
модействия твердого тела с жидкостью и DHf - объемная энтальпия плавления. Это урав-
нение может быть использовано для вычисления распределения пор по размерам из
температурной зависимости величины Cuw, полученной на основе метода 1H ЯМР спек-
троскопии с послойным вымораживанием воды, для водных суспензий твердых тел или
гидратированных биологических объектов, когда применение других методов анализа
пористой структуры затруднительно.
404
2.1. Квантово-химические расчеты
Молекулярные и кластерные структуры рассчитывали с использованием пакета
программ GAMESS (текущая версия и версия 6.4 для PC) [97], а также пакетов программ
NWChem 4.5 [98] и Gaussian 94 [99]. Величины магнитного экранирования sH,iso (или
химический сдвиг dH,iso относительно тетраметилсилана) и анизотропии экранирования
Dsaniso = s11 – (s22 + s33) (12)
вычисляли методом масштабно-независимых атомных орбиталей (GIAO) [100] с исполь-
зованием метода Хартри-Фока или теории функционала плотности (DFT) (DFT исполь-
зовали с B3LYP) [99]. Константу ядерного магнитного экранирования можно пред-
ставить как асиметричный тензор с девятью независимыми компонентами
ba
ab m
s
N
N
B
E
¶¶
¶
=
2
, (13)
где a, b = x, y, z указывают компоненты внешнего магнитного поля B и ядерного
магнитного момента mN. Тензор магнитного экранирования ядра N может быть записан в
виде:
][][ )01()10()11()0(
NN
N TrTr HDHD +=s , (14)
где Tr определяет след матрицы, верхние индексы представляют порядок возмущения
под влиянием внешнего магнитного поля, а ядерные магнитные моменты D(0) и D(10)
являются невозмущенным и возмущенным моментами первого порядка и H – одно-
электронные интегралы в гамильтониане [100, 101]. Уравнение (14) справедливо при
использовании различных теоретических подходов (HF SCF, MP-n, CC, DFT) с разли-
чием в определении D(0) и D(10), кроме того, это уравнение справедливо как для случая
использования базиса независимых jm, так и зависимых от поля jm(B) атомных орби-
талей (AO). В методе GIAO последняя функция определяется как
)0,(})]()[2/exp{(),( rrRRBBr mmm jj Gci -´-= , (15)
где c - скорость света, jm(r,0) описывает систему независимых от поля базисных функ-
ций, центрированных при Rm. Метод GIAO позволяет получить масштабно-независимые
результаты для тензора магнитного экранирования. Детально этот метод описан в [100,
101].
Свободную энергию сольватации DGs, а также структурные и электронные пара-
метры молекул и кластеров в разбавленных растворах рассчитывали с использованием
сольватационных моделей SM5.42/HF/6-31G(d), SM5.42/HF/6-31+G(d) и
SM5.42/B3LYP/6-31G(d) и пакета программ GAMESOL (версия 3.1) [102]. Свободная
энергия сольватации молекул может быть определена с использованием их геометриче-
ских параметров в газообразном состоянии
CDSEPs GGRG D+D=D )( , (16)
где
DGEP = DGE +DGP, (17)
å=
k
kkCDS AG s , (18)
DGEP - электростатическая компонента DGs; DGE - энергия деформации зарядовой
плотности молекулы под влиянием растворителя; DGP - энергия взаимодействия молекул
с растворителем в процессе его реорганизации; Ak – доступная поверхность k-го атома,
sk - поверхностное натяжение k-го атома (функция пространственной геометрии
405
раствора и параметров растворителя). Величина DGs может быть определена с учетом
релаксации геометрии системы при сольватации
DGs=G(l,Re(l))-G(g,Re(g))=Е(l,Re(l))+GP(Re(l))+GCDS(Re(l))-Е(g,Re(g)), (19)
где индексы l и g отвечают жидкой и газовой фазе соответственно, а Re отвечает равно-
весной геометрии системы [102]. Для изучения эффектов сольватации использовали так-
же метод IEFPCM [103, 104].
3. Вода в биосистемах
3.1. Дрожжевые клетки
Мозаичные гидрофобно/гидрофильные структуры являются неотъемлемой
частью большинства биосистем, поскольку в макромолекулах (белки, ДНК и др.) сосед-
ствуют полярные и неполярные фрагменты. В качестве полярных фрагментов могут
выступать кислород- и азотсодержащие, а также другие группы, молекулы (например
вода) и ионы (катионы металлов, Cl- и др.). Они соседствуют с неполярными молекула-
ми (например, липидами) или фрагментами молекул (например, неполярные боковые
группы протеинов или СН цепочки фосфолипидов). Другими словами, во внутри-
клеточном пространстве контактируют различные хаотропные и космотропные молеку-
лы или молекулярные фрагменты, находящиеся во внутриклеточной воде. В клетках мо-
гут быть созданы условия для формирования межфазных слоев слабо ассоциированной
воды [90]. Для предотвращения формирования протяженных водных структур со
свойствами, близкими к свойствам объемной воды, характеризующейся химическим
сдвигом dH = 4-5 м. д., концентрация воды в системе должна быть меньше некоторой
критической величины. Наиболее подходящим объектом для изучения слабо ассоцииро-
ванной воды являются частично обезвоженные клетки, находящиеся в состоянии анаби-
оза.
В работе [90] методом 1Н ЯМР спектроскопии изучены высушенные и увлажнен-
ные дрожжевые клетки, которые характеризуются высокой устойчивостью к процессам
высушивания, замораживания и регидратации. При регидратации к навеске 100-200 мг
клеточной массы добавляли 10-200 мг воды и после перемешивания в течение 0,5 ч об-
разцы использовали для 1Н ЯМР измерений. Спектр 1H ЯМР внутриклеточной воды при
малой ее концентрации представляет собой широкий сигнал с максимумом при dH =
1-2 м. д. С ростом концентрации внутриклеточной воды химический сдвиг воды увели
чивается до 35 м. д. (рис. 1). С понижением температуры ширина сигнала воды увеличи-
вается из-за частичного замерзания внутриклеточной воды и уменьшения ее молеку-
лярной подвижности.
Данные, приведенные на рис. 1, а, показывают, что 1Н ЯМР спектры воды макси-
мально высушенных дрожжевых клеток (содержащих приблизительно 70 мг воды на 1 г
сухого вещества) имеют малый химический сдвиг dH. Следовательно, эта внутри-
клеточная вода является слабо ассоциированной, т.е. существует в виде малых кластеров
или индивидуальных молекул, локализованных между структурными элементами внут-
риклеточной системы. Величина dH увеличивается до 3-5 м.д. с увеличением общего
содержания воды до OHC
2
= 320 мг/г (рис. 1, b)
Ширина 1H ЯМР сигнала внутриклеточной воды заметно уменьшается при замене
воздуха на хлороформ-d (рис. 2). Это позволяет проследить за изменениями химического
сдвига и формы сигнала связанной воды. Если концентрация воды в клетках не превы-
шает OHC
2
= 270 мг/г, то сигнал воды имеет химический сдвиг dH = 1,1 - 1,7. Его интен-
сивность увеличивается с увеличением количества воды в клетках. Уменьшение интен-
сивности этого сигнала с понижением температуры, обусловленное замерзанием внутри-
406
клеточной воды, наблюдается только при T < 210 K. Ширина сигнала во всем диапазоне
температур, доступном измерению, изменяется незначительно, что свидетельствует о
довольно высокой подвижности молекул связанной воды при низких температурах.
Рис. 1. 1H ЯМР спектры воды в дрожжевых клетках на воздухе: (a) максимально дегид-
ратированных при 293 K и (b) содержащих OHC
2
= 320 мг/г, при различных тем-
пературах
Величина химического сдвига воды в сильно дегидратированных клетках близка
к химическому сдвигу молекул воды, которые не принимают участия в Н-связях с опти-
мальной структурой, соответствующих ВНП. Следовательно, эта вода слабо ассоци-
ирована и входит в состав комплексов с искаженными связями или является внеструк-
турной водой в ВВП. При увеличении концентрации внутриклеточной воды до
OHC
2
=320 мг/г наблюдается уменьшение интенсивности сигнала 2 при dH = 1,1-1,7 м. д.
и при этом появляется более широкий сигнал воды с химическим сдвигом dH = 5 м. д.
(сигнал 1, обусловленный преимущественно ВВП). Интенсивность этого сигнала сильно
уменьшается с понижением температуры и он перестает регистрироваться в спектрах
при T < 230 K (рис. 2, c и 2, d). Еще меньше интенсивность сигнала 2 для образца при
OHC
2
= 400 мг/г. Таким образом, состояние воды сильно изменяется в узком диапазоне
гидратированности дрожжевых клеток (270 < OHC
2
< 400 мг/г), в результате чего вода
переходит из слабо ассоциированного в сильно ассоциированное состояние с другим
равновесным отношением концентраций ВВП/ВНП, количеством внеструктурной воды
или концентрацией небольших кластеров воды с сильно нарушенной структурой водо-
родных связей.
Поскольку некоторое количество воды может растворяться в жидком хлорофор-
ме, а химический сдвиг такой воды совпадает с химическим сдвигом сигнала 2, на рис. 2,
с (нижний спектр) приведен спектр хлороформа-d с растворенной водой. В этом случае
интенсивность сигнала растворенной в объеме хлороформа воды значительно меньше,
чем интенсивность сигнала 2. Принимая во внимание тот факт, что объем дисперсной
407
среды в клеточной суспензии значительно меньше, чем объем хлороформа, насыщенно-
го водой (рис. 2, с нижний спектр), реальное соотношение интенсивности сигналов 2 и
воды, растворенной в хлороформе, еще меньше. Поэтому можно считать вклад от рас-
творенной воды в сигнал 2 незначительным.
Рис. 2. 1Н ЯМР спектры воды в дрожжевых клетках при различной температуре в среде
CDCl3 при OHC
2
= (a) 110, (b) 270, (c) 320 и (d) 400 мг/г
408
Зависимость межфазной энергии системы дрожжевые клетки/вода от содержания
воды показана на рис. 3. Как видно, величина gS уменьшается с уменьшением OHC
2
. По-
скольку вклад от слабо ассоциированной воды растет с уменьшением гидратированно-
сти клеток, можно заключить, что уменьшение межфазной энергии обусловлено умень-
шением концентрации сильно ассоциированной воды. Следует отметить, что в противо-
положность минеральным адсорбентам в клетках фаза, связанная с гидрофоб-
но/гидрофильной поверхностью не может быть детерминирована. Роль хаотропных и
космотропных функциональных групп, оказывающих разное структурирующее влияние
на внутриклеточную воду и определяющих закономерности изменения свободной энер-
гии Гиббса системы, могут играть компактно упакованные фрагменты белков, липопро-
теинов и липидов, структура которых может стабилизироваться в присутствии опреде-
ленного количества слабо ассоциированной воды. Отмеченные небольшие изменения
свободной энергии Гиббса могут свидетельствовать о высокой жизнестойкости дрож-
жевых клеток в процессах высушивания, регидратации и замораживания.
100 200 300 400 500 600
10
15
20
25
30
g S (Д
ж
/г
)
CH
2
O (мг/г)
Рис. 3. Зависимость межфазной свободной энергии Гиббса в системе дрожжевые
клетки/вода от концентрации внутриклеточной воды
Расчет распределения по размерам «пор» (т. е. карманов, образованных макро-мо-
лекулами и заполненных структурированной водой) в дрожжевых клетках, проведенный
на основе использования уравнения Гиббса-Томпсона (11) и графика зависимости Cuw(T)
для клеток в воздушной среде и среде CDCl3, показывает, какова структура пор, запол-
ненных незамерзающей водой (рис. 4). Следует отметить, что расчет PSDuw имеет смысл
только при R < 10-15 нм, когда межфазная вода «чувствует» возмущающее действие по-
верхностных сил или функциональных групп макромолекул. При OHC
2
£ 400 мг/г на
воздухе вода заполняет относительно узкие поры с R < 1 нм; хотя в среде CDCl3 значи-
тельная часть связанной воды смещается в пустоты с размером R > 1 нм. В случае макси-
мальной гидратированности при OHC
2
= 520 мг/г (в обеих средах) присутствует макси-
мальное содержание связанной воды в порах с радиусом R > 1 нм, хотя на воздухе отно-
сительная доля связанной воды, локализованной в узких порах, выше. При минимальной
гидратированности поведение связанной воды несколько другое, поскольку содержание
воды в узких порах изменяется меньше, чем в порах с радиусом R = 1…3 нм. Это пред-
полагает возможность проникновения CDCl3 в высушенные и увлажненные дрожжевые
клетки и частичное заполнение хлороформом как узких (R < 1 нм), так и широких (R >
1 нм) пор. В результате в порах может образовываться смесь хлороформа с внутрикле-
409
точной водой, т.е. наблюдается увеличение межфазного смешивания воды и CDCl3. Это
согласуется с уменьшением свободной энергии Гиббса адсорбированной воды и CCl4
(табл. 1).
0,2 1 10 30
0,000
0,005
0,010
0,015
0,2 1 10 30
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
Радиус пор (нм) Радиус пор (нм)
На воздухе
C(H
2
O) (мг/г)
70
110
220
400
520f(R
)
В CDCl3
C(H
2
O) (мг/г)
110
270
320
400
520f(R
)
(a) (b)
Рис. 4. Функция распределения пор, заполненных незамерзающей внутриклеточной во-
дой, по размерам в дрожжевых клетках на воздухе (a); в среде хлороформа-d (b)
В табл. 1 приведены также характеристики воды, адсорбированной на поверх-
ности частично модифицированных кремнеземов, которые можно рассматривать как мо-
дель мозаичной поверхности с гидрофильными и гидрофобными участками.
Малые кластеры воды, адсорбированные на такой поверхности, локализуются в
зазоре между триметилсилильными (TMС) группами, взаимодействуя как с остаточными
силанольными группами, так и с TMС-группами (рис. 5, 6). Расстояние между гидрофоб-
ными центрами уменьшается с ростом концентрации привитых групп, что может приво-
дить к уменьшению размера кластеров воды, локализованных между TMС-группами.
Эта структура может рассматриваться как аналог той, которая существует в дрожжевых
клетках (рис. 4). Поэтому некоторые общие закономерности, обнаруженные для столь
разных материалов, как дрожжевые клетки и частично модифицированный кремнезем,
можно объяснить сходством свойств ограниченных полостей, образованных структур-
ными элементами клеток и мозаичной структурой гидрофобно/гидрофильных центров
кремнезема.
Квантово-химические расчеты ЯМР спектров молекул воды, локализированных
между различными гидрофобными группами, показывают, что величина dH для атома
водорода, не связанного водородными связями, находится между 0,8 и 1,6 м. д.
(рис. 5, 6).
Атом водорода, участвующий в образовании водородной связи, характеризуется
химическим сдвигом dH, лежащим между 3,0 и 5,6 м.д. Это значение dH согласуется с эк-
спериментальной величиной химического сдвига и приведенной выше интерпретацией
1H ЯМР спектров. Экспериментальные результаты и данные квантово-химических рас-
четов кластеров воды в газовой фазе с учетом эффектов растворителя (табл. 1) под-
тверждают указанные выше причины появления в спектрах 1Н ЯМР сигнала воды с dH =
1,1-1,7 м. д. Заметим, что значительное уменьшение DsH,aniso по сравнению с молекула-
ми, взаимодействующими с немодифицированной поверхностью, наблюдается для моле-
кул воды, расположенных между TMС группами (табл. 1). Это обусловлено уменьше-
нием эффекта поляризации силилированной поверхности под влиянием адсорбирован-
ных молекул в противоположность влиянию CCl4, который уменьшает общий заряд
410
( OHq
2
= 0,044 по сравнению с OHq
2
= 0,061) для молекул воды, адсорбированных между
двумя TMС группами. Такое изменение тензора анизотропии магнитного экранирования
является дополнительным фактором появления сигнала необычной воды с химическим
сдвигом dH = 1,1-1,7 м. д.
Таблица 1. Изменение свободной энергии сольватации (кДж/моль), обусловленное
формированием адсорбционных комплексов воды с молекулами CCl4 на
кластерах исходного и частично гидрофобизированного кремнезема в воде,
четыреххлористом углероде и хлороформе (SM5.42R/6-31G(d)), а также
величины dH,iso и DsH,aniso, рассчитанные с учетом эффекта сольватации
Комплекс DDGs
(в воде)
DDGs
(в CCl4)
dH,iso
(м.д.)
DsH,aniso
(м.д.)
H2O*CCl4*Si8O12(OH)8
-24,5 -40,4 2,17
0,72
22,02
22,42
H2O*Si8O12(OH)6(OSi(CH3)3)2 -21,5 -28,9
в
CHCl3
-26,5
1,17
0,64
18,53
13,13
В малых кластерах воды (2- 6 молекул воды, отвечающих кластерам воды,
адсорбированной в микропорах гидрофобных адсорбентов), по крайней мере половина
атомов водорода не принимает участия в образовании водородных связей и находится в
контакте с молекулами CDCl3, или неполярными (слабо полярными) функциональными
группами клеток, или гидрофобной поверхностью. В соответствии с ab initio расчетами
химических сдвигов в газовой фазе (см. рис. 5, 6, а также ссылки [52, 105]) и предполо-
жением их корректности (используя линейную апроксимацию dH = a + bqH, где a и b
константы, а qH заряд на атоме, определенный на основе ab initio расчетов величины dH
для различных ассоциатов молекул воды [52, 105, 106]), в случае наличия эффектов рас-
творителя величина dH «свободных» атомов водорода (в молекуле воды) может нахо-
диться между 0,5 и 2,5 м. д. в зависимости от полярности окружающей среды, числа
молекул воды в кластере и их участия в водородных связях.
Отметим, что свободная энергия сольватации кластера воды в хлороформе растет
с увеличением его размера. Следовательно, имеется две тенденции при взаимодействии
воды с клеточными структурами или поверхностью частично триметилсилилированного
кремнезема в среде хлороформа. Первая - это образование все больших и больших клас-
теров воды или микродоменов (dH = 4…5 м.д.) с увеличением степени гидратирован-
ности клеток (сравн. интенсивности сигналов при 4-5 и 1,1-1,7 м. д. на рис. 2) или крем-
неземов. Вторая – диспергирование воды в форме небольших кластеров (с незначитель-
ным числом водородных связей), димеров и одиночных молекул (dH = 1,1…1,7 м. д.) в
клеточной (или SM1-3/хлороформ-d) среде. При этом диспергированность воды повы-
шается с уменьшением степени гидратации, поскольку сигнал при 4-5 м. д. становится
меньше, чем при dH = 1,1…1,7 м. д. (рис. 2). Кроме того, часть необычной воды может
411
соответствовать внеструктурной воде (например, молекулы локализованы внутри гекса-
гональных и других структур обычной воды). Первая тенденция становится доминирую-
щей при высокой гидратированности клеток, особенно в воздушной среде, когда сигнал
с dH = 2 м. д. (слабо ассоциированной воды) наблюдается только при минимальной гидра
тированности клеток ( OHC
2
= 70 мг/г) (рис. 1 и 2).
Рис. 5. Химический сдвиг dH,iso для адсорбированных молекул воды и протонов
силанольных групп, рассчитанный методом GIAO с базисами BLYP3/6-
31G(d,p)//HF/6-31G(d,p); первый из указанных базисов использовался для
расчета ЯМР спектров, а второй - для оптимизации геометрии.
Следовательно, хлороформ или неполярные (слабо полярные) функциональные
группы вызывают разрушение водных нанокапель до небольших кластеров или индиви-
дуальных молекул (замерзающих при более низкой температуре, чем микрокапельки
воды, которые меньше возмущены взаимодействием с функциональными группами по-
верхности) и формирование межфазной эмульсии. Это сопровождается появлением в
1Н ЯМР спектрах сигнала воды с химическим сдвигом dH = 1,1…1,7 м. д., обусловлен-
ным молекулами слабо ассоциированной воды.
Таким образом, значительная часть внутриклеточной воды в частично дегидрати-
рованных клетках может находиться в слабо ассоциированном состоянии, которое воз-
можно в ограниченной области концентрации внутриклеточной воды. С понижением
температуры обычная вода частично замерзает, в то время как слабо ассоциированная
вода остается в подвижном состоянии вплоть до 200 K.
3.2. Костная ткань
Костная ткань является одной из наиболее слабо гидратированных тканей в ор-
ганизме. Массовая доля воды, которая преимущественно входит в состав клеточных
412
a b
c d
Рис. 6. Химический сдвиг dH (м. д.) в молекулах воды, локализированных между (a, b, c)
двумя триметилсилильными группами на кластере кремнезема (B3LYP/6-
31G(d,p)//HF/6-31G(d,p)) и (d) неполярной молекуле C20H40 (B3LYP/6-
31G(d,p)//HF/3-21G)
структур и гидратных оболочек биомакромолекул (преимущественно коллагена), в ней
составляет не более 50 %. Следовательно, костная ткань может содержать необычную
воду при dH = 1,1-1,7 м. д. Поскольку эта ткань сильно гетерогенна, для получения усре-
дненных характеристик связанной воды исследовали одновременно несколько хвосто-
вых костей крыс (три кости помещались в измерительную ЯМР ампулу). Такое усредне-
ние повышало достоверность полученных результатов. На рис. 7 показаны 1H ЯМР спек-
тры воды в образце кости (150 мг) на воздухе (a) и в среде дейтерохлороформа (b) при
различных температурах. Как видно, спектр состоит из двух сигналов, один из которых
(сигнал 1) имеет химический сдвиг dH = 5 м. д. (обычная ВВП), а второй - dH = 1,4 м. д. –
слабо ассоциированная вода. Интенсивность сигнала 1 уменьшается с понижением тем-
пературы в диапазоне 250 < T < 271 K благодаря частичному замерзанию связанной во-
ды, в то время как сигнал 2 остается практически без изменения. Замерзание воды, от-
ветственной за сигнал 2, происходит только при T < 250 K. Замена воздушной среды на
среду хлороформа (рис. 7, b) приводит к значительному уменьшению ширины сигналов,
в то время как температурное поведение их интенсивности остается таким же, как и на
413
воздухе. Сигнал 1 (рис. 7) аналогичен описанному выше сигналу воды, структурирован-
ной сеткой водородных связей, аналогичной таковой в жидкой воде. Сигнал 2 отвечает
слабо ассоциированной воде, такой же, как в дрожжевых клетках, влажных порошках
частично триметилсилилированного кремнезема. Слабо ассоциированная вода замерзает
при температуре значительно ниже, чем та, которая ответственна за сигнал 1. При про-
греве костной ткани до 380 К в течение 1 ч обычная вода удаляется первой. Следова-
тельно, слабо ассоциированная вода имеет все признаки сильносвязанной воды. Этот па-
радокс обусловлен высокой термодинамической стабильностью системы, содержащей
гидрофобные и гидрофильные фрагменты биомолекулярных структур, разделяющих ма-
лые кластеры слабо ассоциированной воды. Увеличение содержания воды влечет за
собой повышение вклада от ВВП [11, 16] вследствие того, что эти кластеры агрегиру-
ются в большие структуры. Следует отметить, что необходимым условием появления
слабо ассоциированной воды на поверхности модифицированных кремнеземов, является
присутствие слабо полярной среды (хлороформа). Хотя хлороформ не проникает в глу-
бину костной ткани, он уменьшает магнитную анизотропию гетерогенной системы. Не-
обычная вода с химическим сдвигом dH = 1,1-…1,7 м. д. представляет собой зна-читель-
ную часть внутриклеточной воды в слабо гидратированных клетках.
3.3. Дегидратированная мышечная ткань
Небольшое количество слабо ассоциированной воды может быть обнаружено и в
частично дегидратированной мышечной ткани. На рис. 8 показаны 1H ЯМР спектры во-
ды в частично дегидратированной мышечной ткани курицы (после удаления 80 % воды,
находящейся в ткани, путем высушивания при 330 К на воздухе). Спектр воды состоит
из двух сигналов с химическим сдвигом dH = 4,6-5,1 м. д. (сигнал 1, который благодаря
несимметричности формы пика может быть разделен на два сигнала с химическими
сдвигами dH 4,63 и 5,05 м.д.) и dH = 1,1-1,7 м. д. (сигнал 2). Интенсивность сигнала 2
намного меньше, чем сигнала 1. Этот результат согласуется с данными, полученными
для дрожжевых клеток. В случае их частичной дегидратации в спектрах присутствуют
два аналогичных сигнала. Интенсивность второго сигнала слабая вследствие того, что
воды в ткани достаточно для формирования относительно больших микродоменов, что
влечет за собой появление интенсивного сигнала 1. Разложение сигнала 1 на два сигнала
показывает наличие воды, близкой по свойствам к объемной воде при dH = 4,63 м. д. Его
химический сдвиг совпадает с химическим сдвигом жидкой воды при температуре изме-
рения (рис. 8). Более широкий сигнал при dH = 5,05 м. д. может быть связан с сильно ас-
социированной водой, взаимодействующей с полярными и заряженными внутриклеточ-
ными функциональными группами, обладающими хаотропным или космотропным эф-
фектом, и с малыми ионами (например, Cl-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, и др.), которые вызыва-
ют уширение пика. Анионы, дотируя электронную плотность, могут вызывать уменьше-
ние экранирования протонов молекул воды окружения [52, 106].
3.4. Самоорганизация воды в гидратированном альбумине
Сывороточный альбумин человека (САЧ) является одним из основных и наиболее
изученных белков плазмы крови [107-111]. В водной среде молекулы альбумина имеют
форму деформированного сфероида, размеры которого зависят от рН среды. Простран-
ство глобулы, не занятое полипептидными цепями и боковыми группами, заполнено во-
дой. Благодаря близости к функциональным группам белковой молекулы, практически
вся вода внутри глобулы испытывает их возмущающее влияние и, следовательно, явля-
ется связанной, что находит отражение в снижении температуры замерзания этой воды.
В зависимости от гидрофильно-гидрофобных свойств участков белковой молекулы, мо-
лекулы воды могут находиться в гидрофобном или гидрофильном окружении. Вопросы
414
гидратации белков подробно рассмотрены в работах [112-115]. Влияние гидрофобных
фрагментов на связанную воду может проявляться в необычных свойствах системы. Так,
на зависимости плотности раствора альбумина от его концентрации в области малого со-
держания белка регистрируется минимум плотности, который связывают с гидрофоб-
ным эффектом [116].
dH (м. д.) dH (м. д.)
Рис. 7. 1Н ЯМР спектры воды в частично гидратированных костях при различной
температуре на воздухе (a) и в среде CDCl3 (b)
Рис. 8. Разложение 1Н ЯМР спектра воды в частично дегидратированной мышечной
ткани (на воздухе) (пик при dH = 1,76 м. д. (интенсивность 7,4%), 4,63 м. д.
(34,5%), и 5,05 м. д. (58,1%) при комнатной температуре
Можно ожидать, что слабополярные органические растворители могут сильно
влиять на воду, связанную в САЧ [117, 118]. В результате лиофильной сушки белка его
конформация практически не меняется [119], однако добавки слабополярных молекул
могут приводить к изменению соотношения объемов внутренних полостей белковой
глобулы, гидратированных по механизмам гидрофобной и гидрофильной гидратации.
На рис. 9 приведены спектры 1Н ЯМР воды, связанной с САЧ при массовых до-
лях дейтерохлороформа в диапазоне 0–46% при разных температурах. Концентрация
воды для всех образцов была постоянной и равной OHC
2
= 193 мг/г. В отсутствие хлоро-
форма спектры представляют собой синглет, ширина которого с понижением темпера-
туры увеличивается от 1 до 20 кГц, а величина химического сдвига в точке максималь-
415
ной интенсивности близка к 5 м. д. (сигнал 1), что совпадает с химическим сдвигом объ-
емной воды. Большая ширина сигнала адсорбированной воды обусловлена малой моле-
кулярной подвижностью воды, связанной с молекулами САЧ [59]. При добавлении хло-
роформа на фоне широкого сигнала начинает проявляться более узкий сигнал с химиче-
ским сдвигом dН = 1,3 м. д. (сигнал 2). Его интенсивность увеличивается с ростом кон-
центрации хлороформа (
3CDClC ). С понижением температуры интенсивность сигнала 2
остается постоянной в широком температурном диапазоне.
Если величина
3CDClC достаточна для выделения хлороформа в отдельную фазу
(рис. 10) (массовая доля в суспензии 80 %) интенсивность сигнала 1 при T < 275 K стано-
вится заметно ниже, чем при такой же температуре в порошках (рис. 9), а интенсивности
сигналов 1 и 2 становятся близкими по величине. Спектральные характеристики сигна-
ла 2 практически не зависят от температуры. Как видно из рис. 10, сигнал 2 наблюдается
даже в том случае, когда замерзает основная часть жидкого хлороформа.
Данные рис. 9, 10 могут быть интерпретированы следующим образом: сигнал 1
относится к воде, входящей в состав полиассоциатов с сеткой водородных связей, анало-
гичной сетке водородных связей в объемной воде, а сигнал 2 соответствует молекулам
воды, находящимся в слабо ассоциированном состоянии. Ранее слабо ассоциированные
формы воды на межфазной границе гидратированных твердых тел с гидрофобной сре-
дой регистрировались для смесей пирогенного кремнезема с гидрофобным кремнеземом
[95] и триметилсилилированных кремнеземов, в которых степень замещения поверхно-
стных гидроксильных групп на триметилсилильные не превышала 50 % [90].
На рис. 11 приведены температурные зависимости концентрации незамерзающей
воды (рис. 11, а) и рассчитанные на их основе зависимости DG(Cuw) для гидратирован-
ных порошков САЧ с разным содержанием хлороформа и 20 % суспензии САЧ в хлоро-
форме (рис. 11, в). В области DG < -1 кДж/моль, на зависимостях DG(Cuw) для порошков
САЧ наблюдаются вертикальные участки, которые обусловлены незамерзающей водой
при T > 250 K (рис. 11, а). В соответствии с критериями сильносвязанной и слабосвязан-
ной воды, приведенными выше, гидратированные порошки САЧ содержат только силь-
носвязанную воду. В среде хлороформа наблюдается резкое уменьшение концентрации
связанной воды при T > 220 K и переход части сильносвязанной воды в слабосвязанную
(которая замерзает вблизи 273 К). На рис. 11, б, г приведены аналогичные результаты
для САЧ, адсорбированного на поверхности ВДК А–300. Как видно из рисунка, в этом
случае превращение части сильносвязанной воды в слабосвязанную в среде хлороформа
не наблюдается.
Можно предположить, что в гидратированных молекулах САЧ слабо ассоцииро-
ванная вода находится в структурных полостях, ограниченных гидрофобными группами.
Благодаря структурным ограничениям или особенностям межмолекулярных взаимодей-
ствий в этих полостях, молекулам воды термодинамически выгоднее существовать в
слабо ассоциированном состоянии.
Следует отметить, что химический сдвиг слабо ассоциированной воды совпадает
с химическим сдвигом воды, растворенной в хлороформе [52]. Однако растворимость
воды в хлороформе не превышает 0,6 % при комнатной температуре и быстро уменьша-
ется с понижением температуры. Концентрация слабо ассоциированной воды на рис. 10
в пересчете на жидкий хлороформ составляет 1,7 %, что на порядок больше предельной
концентрации растворенной воды при Т = 190 К. Учитывая, что основная часть хлоро-
форма при такой температуре замерзает, следует заключить, что концентрация слабо
ассоциированной воды в хлороформе, не замерзшем из-за взаимодействия с молекулами
САЧ, должна была бы достигать нескольких десятков процентов.
416
0 % CDCl3 12 % CDCl3
27 % CDCl3 46 % CDCl3
Рис. 9. Влияние добавок хлороформа на форму спектров 1Н ЯМР воды, связанной с
альбумином ( OHC
2
= 193 мг/г)
Рис. 10. Температурные изменения спектров 1Н ЯМР воды ( OHC
2
= 193 мг/г),
адсорбированной на САЧ при массовой доле
3CDClC = 80 %
417
200 220 240 260 280
50
100
150
200
С(CDCl3) (% масc)
0
12
27
46
80
C
uw
(м
г/
г)
T (K)
200 220 240 2600
100
200
500
1000
117.67мг/г в CDCl3
41.9 мг/г в CDCl3
41.9 мг/г в воздухе
в воде
T (K)
C
H
2O
(м
г/
г)
а б
50 100 150 200
-3
-2
-1
0 С(CDCl3) (% масc)
0
12
27
46
80
DG
(к
Д
ж
/м
ол
ь)
Cuw (мг/г)
0 100 200 500 1000
-4
-3
-2
-1
0
117.67 мг/г в CDCl3
41.9 мг/г в CDCl
3
41.9 мг/г в воздухе
в воде
Cuw (мг/г)
D
G
(к
Д
ж
/м
ол
ь)
в г
Рис. 11. Температурные зависимости концентрации незамерзающей воды и зависимости
свободной энергии Гиббса от концентрации незамерзающей воды в системе
САЧ/вода/хлороформ [а, в] и (САЧ-ВДК)/вода/хлороформ [б, г] ( OHC
2
= 193
мг/г) при разном количестве CDCl3.
В процессе лиофильной сушки большинство молекул САЧ сохраняют свою на-
тивную глобулярную структуру, в которой с воздухом граничат преимущественно гид-
рофильные участки, легко адсорбирующие воду и формирующие гидратную оболочку
белковых молекул в воздушной и водной средах. При добавлении хлороформа его моле-
кулы сосредотачиваются преимущественно на не связанных с водой гидрофобных участ-
ках (или в гидрофобных полостях). В порошках гидрофобная и гидрофильная состав-
ляющие пространственно разделены и до определенной величины
3CDClC присутствие
хлороформа слабо влияет на гидратные свойства белковых молекул. Скачкообразное
изменение характеристик воды, связанной с САЧ, при переходе от порошков к суспен-
зии (рис. 11, а, в), вероятно, обусловлено таким изменением конформации белковых
молекул, которое обеспечивает минимум свободной энергии системы при переходе от
воздушной среды к слабо полярной среде CDCl3. При этом более доступными для внеш-
ней среды CDCl3 становятся гидрофобные области молекул САЧ, в то время как гидро-
фильные центры изменяют свое пространственное расположение таким образом, чтобы
418
обеспечивалась их минимальная свободная энергия в неполярной среде. Этот процесс
сопровождается общим уменьшением гидратированности молекул САЧ (рис. 11, а, в) и,
вероятно, формированием дополнительных внутримолекулярных водородных связей ме-
жду функциональными группами САЧ. Для САЧ, адсорбированного на поверхности
высокодисперсного кремнезема (рис. 11, б, г), подобный эффект не наблюдается, что, ве-
роятно, обусловлено слабой конформационной лабильностью адсорбированного аль-
бумина.
В соответствии с данными рис. 10 при T < 240 K в спектрах 1Н ЯМР воды для
суспензии САЧ в CDCl3 наблюдается только сигнал 2. Концентрация связанной воды,
ответственной за этот сигнал, составляет 80 мг/г (рис. 11, а). Поскольку молекулы хлоро-
форма хорошо сольватируют гидрофобные группы молекул САЧ (дисперсионное взаи-
модействие), которые ответственны за гидрофобную гидратацию САЧ, то, по-видимому,
в гидрофобных полостях молекул САЧ присутствуют как молекулы воды, так и хлоро-
форма. Учитывая большое количество слабо ассоциированной воды, можно ожидать,
что вода и хлороформ внутри гидрофобных областей белковой глобулы способны обра-
зовывать сильно структурированную смесь. Поэтому свойства воды, участвующей в гид-
рофобной гидратации в присутствии хлороформа, сильно отличаются от свойств воды,
структурированной сеткой водородных связей.
На рис. 12 приведены распределения концентрации незамерзающей воды по ра-
диусам пор (внутренних полостей, заполненных незамерзающей водой) для гидратиро-
ванных порошков САЧ в присутствии CDCl3. В исходном порошке САЧ на зависимости
PSDuw(R) регистрируются два максимума. Один отвечает радиусу пор R = 0,35 нм, а вто-
рой – R = 1 нм. С ростом концентрации хлороформа первый из этих максимумов увели-
чивается и несколько сдвигается в область больших значений R. В среде хлороформа
происходит скачкообразное изменение формы кривой распределения. Интенсивность
максимума при R = 0,35 нм уменьшается в несколько раз, и появляются новые мак-
симумы при R = 0,8 нм и R = 8 нм. Вероятно, в том случае, когда альбумин находится в
виде гидратированного порошка и при относительно небольших добавках слабо поляр-
ного растворителя, основная часть воды находится в микрополостях с радиусом
R = 0,35 нм, образованных гидрофильными участками белковой молекулы, с которыми
молекулы воды могут образовывать прочные водородные связи. Под влиянием хлоро-
форма размер этих полостей несколько увеличивается. По-видимому, это вызвано кон-
формационными изменениями белковой молекулы, стабилизирующими рост объема ги-
дрофобных областей, в которых вода находится в слабо ассоциированном состоянии и
проявляется в спектрах 1Н ЯМР в виде сигнала 2.
0,2 1 10 40
0,00
0,01
0,02
0,03
С(CDCl3) (% масc)
0
12
36
72
80
PS
D
uw
(
о.
е.
)
Радиус пор (нм)
Рис. 12. Зависимость распределения по размерам полостей, заполненных не-
замерзающей водой, от содержания хлороформа в гидратированных
порошках САЧ и его суспензии.
419
В случае, когда хлороформ образует непрерывную фазу, происходит такое изме-
нение конформации молекул белка, при которой вода удаляется из узких гидрофильных
областей во вновь образовавшиеся полости большего размера, но с меньшим количест-
вом гидрофильных центров. Такая вода становится слабосвязанной, поскольку уменьша-
ется ее взаимодействие с границей раздела фаз, но остается сильно ассоциированной, так
как формирует сетку водородных связей с другими молекулами воды. Часть воды оста-
ется в гидрофобных областях с радиусом R = 0,35 нм и, следовательно, остается сильно-
связанной (испытывает сильное возмущающее действие со стороны поверхности), но
слабо ассоциированной (имеет химический сдвиг dН = 1,4 м.д.). Такое особое состояние
воды стабилизируется средой слабо полярного дейтерохлороформа. Вероятно, необходи-
мым условием для перехода воды в слабо ассоциированное состояние является наличие
на поверхности или в окружающем пространстве достаточного числа гидрофобных уча-
стков, взаимодействующих с молекулами воды в основном по дисперсионному механиз-
му, и пространственных ограничений, препятствующих формированию трехмерной сет-
ки водородных связей. Адсорбция на поверхности кремнезема резко уменьшает конфор-
мационную лабильность молекул САЧ, а, следовательно, и объем внутренних полостей,
в которых возможна гидрофобная гидратация белковой молекулы в слабо полярной сре-
де.
3.5. Проросшая пшеница
Растения ведут циклический образ жизни, который состоит из активной и пассив-
ной фаз. Пассивная фаза отвечает состоянию анабиоза, в котором жизненные функции
сильно замедлены или практически полностью остановлены, что обычно обусловлено
отсутствием условий внешней среды, пригодных для нормального функционирования.
Многие семена растений способны оставаться в пассивной фазе годами и даже десяти-
летиями, сохраняя при этом способность к прорастанию. При благоприятных условиях
процесс прорастания семян может происходить достаточно быстро – в течение несколь-
ких дней. Основными факторами, влияющими на активизацию семян, являются высокая
влажность и подходящий температурный режим. Однако, присутствие в воде, использу-
емой для проращивания семян, небольшого количества минеральных веществ, может, в
некоторых случаях, существенно влиять на всхожесть семян и другие параметры прорас-
тания, ускоряя или замедляя переход из пассивной в активную фазу. При этом значи-
тельный интерес представляет изучение влияния минеральных добавок на изменение
структуры воды в семенах на ранних стадиях прорастания.
В табл. 2 приведены параметры прорастания семян в водной среде и в воде с до-
бавкой ВДК (массовая доля 1 %). Из этих данных следует, что кремнезем существенно
замедляет процесс развития ростков, хотя практически не сказывается на всхожести се-
мян.
На рис. 13 показаны спектры 1Н ЯМР воды в исходных семенах и семенах, кото-
рые проращивали в течение 24 и 48 ч, при разных температурах. В спектрах воды, нахо-
дящейся внутри сухих семян (влажность 17 %), при T > 260 K регистрируются два сигна-
ла: более интенсивный (сигнал 2) с химическим сдвигом d = 1,4 м. д. и менее интенсив-
ный (сигнал 1) с химическим сдвигом d = 5 м. д. С понижением температуры ниже 273 К
интенсивность сигнала 1 быстро уменьшается и в спектрах регистрируется только сиг-
нал 2. В соответствии с принципами, изложенными выше, сигнал 1 относится к сильно
ассоциированной воде, микроструктура которой аналогична структуре жидкой воды.
Химический сдвиг сигнала 2 совпадает с химическим сдвигом воды в газовой фазе или
растворенной в слабо полярных органических растворителях. Этот тип воды отвечает
признакам слабо ассоциированной воды. Такая вода полностью не замерзает, даже при
охлаждении образца до Т = 220 К. После проращивания семян относительная интен-
420
сивность сигнала 2 резко уменьшается, хотя он продолжает регистрироваться в спектрах
во всем диапазоне изменения температуры. В случае проращивания семян в 1 %-ной су-
спензии ВДК (рис. 14) вид спектров аналогичен приведенным на рис. 13, однако тенден-
ция уменьшения интенсивности сигнала 2 в процессе проращивания выражена несколь-
ко слабее.
Таблица 2. Параметры прорастания пшеницы
Измеряемый параметр семена + Н2О семена + Н2О +
1% SiO2
% к контролю
коэффициент прорастания
семян, %
72 79 +7
всхожесть, % 73 79 +6
Длина ростков, см 9,8 8 -20
Сырая масса надземной части, г 0,9 0,5 -44,4
Сырая масса корней, г 0,4 0,23 -42,5
Начальный
5
1,4
280 K
260 K
250 K
240 K
230 K
220 K
d (м.д.)
20 10 0 -10
а
-20 -10 0 10
1.4
5
x4 210 K
220 K
230 K
240 K
1 день
d (м.д.)
-
250 K
260 K
б
-15 -10 -5 0 5
2 дня
x 2
x 4
220 K
230 K
240 K
250 K
260 K
-
d (м.д.)
c
Рис. 13. Температурные зависимости формы спектров 1Н ЯМР воды в семенах пшеницы,
проращенных в чистой воде при разном времени проращивания: а – 0 ч; б –
24 ч; в – 48 ч.
-40 -20 0 20 40
1 День в
1 % SiO2
1.4
4.8
d (м.д.)
270 K
250 K
230 K
220 K
210 K
- -
а
-20 0 20
1.4
2 Дня в
1% SiO2
4.8
x4
x4
d (м.д.)
220 K
230 K
240 K
275 K
-
б
Рис. 14. Температурные зависимости формы спектров 1Н ЯМР воды в семенах пшеницы
пророщенных в воде, содержащей 1 % ВДК при разном времени проращивания:
а – 24 ч; б – 48 ч
421
Характеристики слоев связанной воды в семенах пшеницы, проращенных в вод-
ной среде и в воде с добавкой ВДК, приведены в табл. 3. На рис. 15 представлены рас-
пределения по размерам внутренних полостей в процессе прорастания пшеницы, рас-
считанные в соответствии с формулой (11). В исходных зернах вода заполняет полости,
имеющие размеры 0,3, 0,8 и 1,9 нм, причем объемы этих полостей отличаются незначи-
тельно. После 24 ч проращивания объем полостей с радиусом 0,3 нм возрастает в не-
сколько раз, а затем (после 48 ч проращивания) их размер увеличивается до 0,5 нм. Од-
новременно увеличивается объем полостей с размерами 0,8 и 1,9 нм. Кроме того, вода
заполняет полости с радиусом больше 10 нм.
Из табл. 3 следует, что при проращивании семян пшеницы увеличивается как
концентрация сильносвязанной, так и слабосвязанной воды. Поглощение воды зернами,
проращиваемыми в чистой воде, идет в полтора раза быстрее, чем в присутствии ВДК.
Следовательно, кремнезем существенно замедляет активизацию семян в процессе их
проращивания. Различия проявляются также в величине DGs. После двух дней проращи-
вания в присутствии кремнезема эта величина совпадает с таковой для исходных семян.
Поскольку максимальная величина изменения свободной энергии в слое сильносвязан-
ной воды характеризует энергию взаимодействия с поверхностью первого, граничащего
с ней монослоя воды [50], можно предположить, что в присутствии кремнезема возра-
стает энергия взаимодействия воды с межфазной границей биоструктур. В процессе про-
ращивания семян величина gS возрастает за счет увеличения общего количества воды в
семенах. однако межфазная энергия, отнесенная к единице массы связанной воды
(gS⁄сuw
max), уменьшается, что отражает опережающий рост концентрации слабосвязанной
воды.
0,2 1 10 80
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0,000
0,005
0,010
0,015 Начальный
24 ч
48 ч
+ A-300
24 ч
48 ч
PS
D
U
W
(о
.е
.)
R (нм)
(a)
Начальный
24 ч
48 ч
+ A-300
24 ч
48 ч
PS
D
U
W
(о
.е
.)
R (нм)
(б)
Рис. 15. Распределение по размерам внутренних пустот в семенах пшеницы при разном
времени проращивания, построенные на основе зависимостей DG(Cuw) в ЯМР
экспериментах с послойным вымораживанием жидкой фазы
Следует отметить, что полученные характеристики воды в семенах являются бру-
тто-параметрами, отнесение которых к отдельным частям растения затруднительно.
Однако, поскольку уже после первых суток проращивания визуально наблюдается появ-
ление ростка, значительную часть слабосвязанной воды и формирование внутренних по-
лостей с радиусом более 10 нм можно отнести именно к ростковой части семян. С дру-
гой стороны, наблюдаемая в непророщенных семенах слабо ассоциированная вода, веро-
ятно, находится в полостях с радиусом менее 1 нм (рис. 15). Формирование упорядочен-
ной сетки водородных связей в нанополостях затруднительно, благодаря чему значи-
422
тельная часть воды находится в виде индивидуальных молекул или малых кластеров.
Увеличение размеров внутренних полостей, заполненных структурированной водой, по-
сле 48 часов проращивания способствует переходу значительной части воды из слабо ас-
социированного в сильно ассоциированное состояние.
Таблица 3. Характеристики межфазной воды в проросшей пшенице
Образец
Дни
прорас-
тания
DGs,
кДж/моль
DGw,
кДж/моль
Cuw
s,
мг/г
Cuw
w,
мг/г
gS,
Дж/г
gS⁄Сuw
max
Дж/г
Проращи-
вание в
воде
0 -3,5 - 72 0 7.4 0.10
1 -3,5 0,25 190 230 28 0.07
2 -3 0,25 320 560 38 0.04
в воде +
1% SiO2
1 -2,5 0,5 150 130 15 0.05
2 -3,5 0,25 220 230 26 0.057
Влияние ВДК на скорость прорастания семян может быть обусловлено тремя ос-
новными факторами: (i) увеличением вязкости среды прорастания, что замедляет диффу-
зию воды внутрь семян; (ii) взаимодействием наноразмерных частиц ВДК с ростовой
почкой и таким изменением микроструктуры воды в зоне контакта, которое тормозит пе-
реход от пассивной к активной фазе развития растения; (iii) частичным растворением
кремнезема в водной среде и ингибирующим влиянием на скорость прорастания раство-
ренной кремниевой кислоты.
Первый из перечисленных факторов представляется малоэффективным, посколь-
ку вязкость суспензий ВДК существенно превосходит вязкость чистой воды только при
массовой доле кремнезема, большей 4 % В ряде работ [120, 121] показано, что неболь-
шие концентрации (до 0,1 %) кремнезема способны стимулировать жизнедеятельность
большинства клеточных культур, причем это наблюдается и для суспензий А-300, насы-
щающих водную фракцию кремниевой кислотой. Поэтому наиболее вероятным пред-
ставляется вклад второго фактора, хотя для доказательства прямого влияния частиц
кремнезема на скорость развития ростовой почки требуются специальные исследования.
Таким образом, большая часть воды в непророщенных семенах пшеницы нахо-
дится в слабо ассоциированном состоянии, в котором молекулы воды практически не
участвуют в образовании сильных водородных связей. Вероятно, это обусловлено тем,
что внутренние пустоты, в которых находится вода, имеют радиус, сравнимый с разме-
рами молекул воды. Внутрисеменная вода в то же время является сильносвязанной, так
как ее свободная энергия Гиббса сильно отличается от свободной энергии объемной во-
ды. В процессе прорастания семян и увеличении концентрации воды она становится
сильно ассоциированной, и вода, поглощенная семенами, в равной мере относится к
сильно- и слабосвязанной воде. Присутствие кремнезема заметно уменьшает скорость
прорастания семян, предположительно за счет взаимодействия частиц кремнезема с рос-
товыми почками.
4. Заключение
Связанная вода на гидрофобно/гидрофильной межфазной границе может сущест-
вовать в виде нескольких структурных типов, различающихся по энергии взаимодей-
ствия с твердой поверхностью или макромолекулами (сильносвязанная или слабосвязан-
ная) и по степени участия в образовании Н-связей с другими молекулами (сильно ассо-
циированная и слабо ассоциированная). Эти типы воды могут быть проанализированы в
терминах воды высокой (ВВП) и низкой (ВНП) плотности или деформированной (кол-
423
лапсированная структура, КС) и нативной (расширенная структура, РС) структуры водо-
родных связей. Молекулярная подвижность слабо ассоциированной воды с химическим
сдвигом dH = 1,1-1,7 м. д. меньше зависит от температуры, чем подвижность сильно ас-
социированной воды. Слабо ассоциированная вода имеет максимально разрушенную
сетку Н-связей и она относится к КС и ВВП типам воды. Однако слабо ассоциированная
вода может являться только частью общего количества ВВП, локализованной на грани-
цах кластеров или в структурных полостях твердой или высокомолекулярной фазы. Раз-
личие в строении слабо и сильно ассоциированной воды приводит к отличию темпера-
турных зависимостей 1Н ЯМР спектров при T < 273 K. Погружение мозаичной гидро-
фобно/гидрофильной системы (например, частично триметилсилилированный кремне-
зем, дрожжевые клетки, кости, или мышечная ткань, содержащие относительно неболь-
шое количество связанной воды) в слабополярный растворитель (CDCl3) позволяет уве-
личить вклад от слабо ассоциированной воды. Такая вода наблюдается в 1H ЯМР спект-
рах в виде отдельного пика с dH = 1,1-1,7 м.д., что свидетельствует о медленном молеку-
лярном обмене между обоими типами воды. Температура замерзания слабо ассоци-иро-
ванной воды существенно ниже, чем сильно ассоциированной и может достигать 170 К.
Необычные свойства слабо ассоциированной воды проявляются в ее способности
образовывать со слабо полярными гидрофобными растворителями сильно структуриро-
ванные смеси значительно более концентрированные, чем это возможно в жидкой фазе.
Причиной такого эффекта может служить космотропное и хаотропное влияние на меж-
фазную воду близко расположенных участков твердой поверхности или гидрофобных и
гидрофильных групп биомакромолекул, находящихся в структурных карманах, запол-
ненных водой или смесью воды с органическим растворителем. Слабо полярный раство-
ритель способен экранировать неполярные функциональные группы поверхности от
межфазной воды. Другими словами, мозаичная гидрофобно/гидрофильная поверхность
создает условия для «мозаичной» смеси хлороформа и воды. Особенности взаимодей-
ствия воды и органических молекул определяются соотношением термодинамических
параметров взаимодействия с поверхностью. Так, свободная энергия Гиббса для межфаз-
ной воды, растворенной в CHCl3 (как и в бензоле и толуоле), отрицательна (DG »
-5 кДж/моль для хлороформа и DG » -4 кДж/моль для бензола и толуола) в противопо-
ложность растворению воды в неполярном растворителе (например, DG » 11 кДж/моль
при растворении воды в гептане или DG > 0 для других алифатических растворителей).
Отрицательная свободная энергия растворения делает энергетически выгодным дробле-
ние кластеров воды, связанной с полярными силанольными или другими полярными
группами на отдельные молекулы или небольшие кластеры, разделенные слабополяр-
ными органическими молекулами, СН3-группами гидрофобной поверхности твердых тел
или функциональными группами внутриклеточных биоструктур. Полярность молекул
как воды, так и слабо полярных органических растворителей может увеличиваться вбли-
зи полярных участков поверхности, что приводит к улучшению их смешиваемости на
мозаичной поверхности, вопреки уменьшению коэффициента активности адсорбирован-
ной воды; т. е. растворение неполярных или слабо полярных растворителей в межфазной
воде ниже, чем объемной воде. Использование растворителей, менее полярных, чем хло-
роформ, может ухудшать условия появления необычной межфазной воды с dH =
1,1-1,7 м. д. если DGs ® 0 или DGs > 0. Тем не менее, в случае малого содержания меж-
фазной воды, вода в виде отдельных молекул или малых кластеров наблюдается даже в
отсутствие слабо полярного растворителя. В этом случае роль слабо полярной среды мо-
гут выполнять неполярные или слабо полярные функциональные группы поверхности.
Это приводит к появлению в 1H ЯМР спектрах сигнала с химическим сдвигом dH =
424
1,1-1,7 м. д. при небольшой гидратированности дрожжевых клеток, костей и мышечной
ткани.
Таким образом, мягкие ткани в организме могут содержать определенное количе-
ство слабо ассоциированной воды. Очевидно, такая вода является типичной для наномо-
заичных гидрофобно-гидрофильных биосистем, таких, как клетки, кости, мышечная
ткань, семена и др. Вероятно, что слабо ассоциированная вода выполняет важную функ-
цию в клеточных и мультиклеточных системах. Такой функцией может являться стаби-
лизация конформации биомакромолекул, принимающих участие в трансмембранном
переносе гидрофобных и высокомолекулярных соединений, для которых проникновение
через слой, содержащий одиночные молекулы или малые кластеры воды требует мень-
шей реорганизации межмолекулярных связей по сравнению со слоем сильно ассоцииро-
ванной воды. Поскольку слабо ассоциированная вода не замерзает при охлаждении био-
объектов вплоть до 190 K, такая вода может участвовать в защите организмов при крио-
консервировании. Возможно, путем создания условий перехода межклеточной воды в
слабо ассоциированное состояние могут быть созданы новые методы криоконсерви-
рования живых тканей. Таким образом, настоящее исследование свойств необычной
межфазной воды позволяет в определенной мере уточнить концепцию воды высокой и
низкой плотности в аспекте ее использования для изучения межфазных явлений на моза-
ичных гидрофобно/гидрофильных структурах или внутриклеточных функциональных
группах.
Литература
1. Narten A. H., Danford M. D., Levy H. A. X-Ray diffraction study of liquid water in the
temperature range 4-200°C // Faraday Discuss. – 1967. –V. 43. – P.97-107.
2. Iijima T., Nishikawa K. Structure model of liquid water as investigated by the method of
reciprocal space expansion // J. Chem. Phys. – 1994. – V. 101. – P.5017-5023.
3. Speedy R. J. Waterlike anomalies from repulsive interactions // J. Chem. Phys. – 1997. –
V. 107. – P.3222-3229.
4. Cho C. H., Singh S., Robinson G. W. Understanding all of water's anomalies with a non-
local potential // J. Chem. Phys. – 1997. – V. 107. – P.7979-7988.
5. Tanaka H. Simple physical explanation of the unusual thermodynamic behavior of liquid
water // Phys. Rev. Lett. – 1998. – V. 80. – P.5750-5753.
6. Dougherty R. C., Howard L. N. Equilibrium structural model of liquid water: Evidence
from heat capacity, spectra, density, and other properties // J. Chem. Phys. – 1998. –V. 109.
– P.7379-7393.
7. Mishima O., Stanley H. E. The relationship between liquid, supercooled and glassy water //
Nature. – 1998. – V. 396. – P.329-335.
8. A mechanistic view of the non-ideal osmotic and motional behavior of intracellular water /
I. L. Cameron, K. M. Kanal, C. R. Keener, G. D. Fullerton // Cell Biol. Int. – 1997. – V. 21.
– P.99-113.
9. Wiggins P. M. High and low density intracellular water // Cell. Mol. Biol. – 2001. – V. 47.
– P.735-744.
10. Wiggins P. M. Water in complex environments such as living systems // Physica A. – 2002.
– V. 314. – P.485-491.
11. Wiggins P. M. & MacClement B.A.E. Two states of water found in hydrophobic clefts:
their possible contribution to mechanisms of cation pumps and other enzymes // Internat.
Rev. Cytol. – 1987. – V. 108. – P.249-303.
12. Whalley E., Klug D. D., Handa Y. P. Entropy of amorphous ice // Nature. – 1989. – V. 342.
– P.782-783.
425
13. Robinson G. W., Cho C. H., Urquidi J. Isobestic points in liquid water: Further strong evi-
dence for the two-state mixture model // J. Chem. Phys. – 1999. – V. 111. – P.698-702.
14. Bartell L. S. On possible interpretations of the anomalous properties of supercooled water //
J. Phys. Chem. – 1997. – V. 101. – P.7573-7583.
15. Local structural heterogeneities in liquid water under pressure / M. Campolat, F. W. Starr,
A. Scala, M. R. Sadr-Lahijany, O. Mishima, S. Havlin, H. E. Stanley // Chem. Phys. Lett. –
1998. – V. 294. – P.9-12.
16. Chaplin M. F. A proposal for the structuring of water // Biophys. Chem. – 2000. – V. 83. –
P.211-221.
17. Kusalik P. G., Svishchev I. M. The spatial structure in liquid water // Science. – 1994. –
V. 265. – P.1219-1221.
18. Delaney J. S. Predicting aqueous solubility from structure // Drug Discovery Today. –
2005. – V. 10. – P.289-295.
19. Israelachvili J. Intermolecular and Surface Forces, 2nd edition. – New York: Academic
Press, 1994.
20. Hug J. E., van Swol F., Zukoski C. F. The freezing of colloidal suspensions in confined
spaces // Langmuir. – 1995. – V. 11. – P.111-118.
21. Proceedings of the 15th European Experimental NMR Conference (EENC 2000), (12-17
June 2000, University of Leipzig, Germany).
22. Fawcett W. R. Liquids, Solutions, and Interfaces: From Classical Macroscopic Descriptions
to Modern Microscopic Details. – Oxford University Press, 2004.
23. Collins K. D., Washabaugh M. W. The Hofmeister effect and the behaviour of water at
interfaces // Quart. Rev. Biophys. – 1985. – V. 18. – P.323-422.
24. Water organisation at the solid-aqueous solution interface / L. J. Michot, F. Villiéras,
M. François, I. Bihannic, M. Pelletier, J-M. Cases // Comptes Rendus Geosciences. – 2002.
– V. 334. – P.611-631.
25. Interaction of water with self-assembled monolayers: Neutron reflectivity measurements of
the water density in the interface region / D. Schwendel, H. Hayashi, R. Dahint, A. Pertsin,
M. Grunze, R. Steitz, F. Schreiber // Langmuir. – 2003. – V. 19. – P.2284-2293.
26. Israelachvili J., Adams G.E. Measurement of Forces Between two Mica Surfaces in
Aqueous Electrolyte Solutions in the Range 0-100 nm // J. Chem. Soc. Faraday Trans. –
1978. – V. 174. – P.975-1001.
27. Theory of the Stability of Lyophobic Colloids } The Interaction of Soil Particles Having an
Electrical Double Layer. / E.J.W. Verwey, J.Th.G. Overbeek, K. van Ness, Eds. – Elsevier,
1948.
28. Derjagin B. V., Churaev N.V., Muller V.M. Surface Forces. - Concultants Bureau: New
York, 1987.
29. Van Oss C. J. Interfacial Forces in Aqueous Media. - Marsel Dekker, New York, 1994.
30. Freitas A. M., Sharma M. M. Effect of Surface Hydrophobicity on the Hydrodynamic
Detachment of Particles from Surfaces // Langmuir. – 1999. – V. 15. – P.2466-2476.
31. Determination of physicochemical parameters of solids covered with conditioning films
from groundwaters using contact angles. Comparative analysis of different thermodynamic
approaches utilizing a range of diagnostic liquids / R. P. Shcneider B. R. Chadwick,
J. Jankowski, I. Acworth // Colloids and Surf. A. – 1997. – V. 126. – P.1-23.
32. Lee K. Y., Ha W. S. DSC studies on bond water in silk fibroin/S-carboxymethyl kerateine
// Polymer. – 1999. – V. 40. – P.4131-4134.
33. Lee S. J., Kim S. S., Lee Y. M. Interpenetrating polymer network hydrogels based on
poly(ethyleneglycol) macromer and chitosan // Carbohydrate Polymers. – 2000. – V. 41. –
P.197–205.
34. Sessler G. M., (Ed.) Electrets, Topics in Applied Physics, V. 33, Springer, Berlin, 1980.
426
35. Dielectric properties of hydrated lyophilized hemoglobin as determined with the method of
thermally stimulated depolarization / M. Reichle, T. Nedetzka, A. Mayer, H. Vogel // J.
Phys. Chem. – 1970. – V. 74 – P.2659-2666.
36. Temperature and hydration-dependence of molecular mobility in seeds / P. Pissis,
A. A. Konsta, S. Ratkovic, S. Todorovic, J. Laudat // J. Thermal Anal. – 1996.– V. 47. –
P.1463-1483.
37. Tischenko V. A., Gun’ko V. M. Water Electret Relaxation at Disperse Silica Surface //
Colloids Surf. A. – 1995. – V. 101. – P.287-294.
38. Digman M. J., Rao B. Dielectric model for porous adsorbents // J. Canad. Chem. – 1975. –
V. 53. – P.2252-2261.
39. Active Site Nature of Pyrogenic Alumina/Silica and Water Bound to Surfaces /
V. M. Gun’ko, V. V. Turov, V. I. Zarko, E. F. Voronin, V. A. Tischenko, V. V. Dudnik,
E. M. Pakhlov, A. A. Chuiko // Langmuir. – 1997. – V. 13. – P.1529-1544.
40. Zhuravlev L. T. The surface chemistry of amorphous silica. Zhuravlev model // Colloids
Surf. A. – 2000. – V. 173 – P.1–38.
41. Temperature-Programmed Desorption of Water from Fumed Silica, Titania, Silica/Titania,
and Silica/Alumina / V. M. Gun’ko, V. I. Zarko, B. A. Chuikov, V. V. Dudnik,
Yu.G. Ptushinskii, E. F. Voronin, E. M. Pakhlov, A. A. Chuiko // Int. J. Mass Spectrom.
Ion Proces. – 1998. – V. 172. – P.161-179.
42. Dabrowski A., Tertykh V. A. (Eds.) Adsorption on New and Modified Inorganic Sorbents.
– Amsterdam: Elsevier, 1996.
43. Legrand L. P. (Ed.) The Surface Properties of Silicas. – New York: Wiley, 1998.
44. Kiselev A. V., Lygin V. I. IR Spectra of Surface Compounds and Adsorbed Substances. –
Moscow: Nauka, 1972.
45. Bisset A., Dines T. J. Resonace Raman spectroscopic study of methyl red and ethyl red
adsorbed on silica // J. Chem Soc. Faraday Trabs. – 1995. – V. 91. – P.499-505.
46. Machida K. Raman spectroscopy: Sixty Yers On, Vibational spectra and structure, ed.
J.R. Durig. // Amsterdam: Elsevier, 1989. – V. 17A. – P.421.
47. Giering T., Haarer D. Structural relaxation in amorphous water studied by hole-turning
spectroscopy // Chem. Phys. Lett. – 1996. – V. 261. – P.677-484.
48. Hydration effects under near-infrared radiation / M. Komorowska, M. Gałwa, B. Herter,
U. Wesołowska // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2002. – V. 26. – P.223–233.
49. The Effect of Second Phase Distribution in Disperse X/Silica (X= Al2O3, TiO2, and GeO2)
on its Surface Properties / V. M. Gun'ko, V. I. Zarko, V. V. Turov, R. Leboda,
E. Chibowski // Langmuir. – 1999. – V. 15. – P.5694-5702.
50. Turov V. V., Leboda R. Application of 1H NMR Spectroscopy Method for Determination
of Characteristics of Thin Layers of Water Adsorbed on the Surface of Dispersed and
Porous Adsorbens // Adv. in Colloid and Interface Sci. – 1999. – V. 79. – P.173-211.
51. Turov V. V., Barvinchenko V. N. Structurally Ordered Layers of Water at the SiO2/Ice
Interface and Influence of Adsorbed Molecules of Protein Hydrolysate on them // Colloids
Surf. B. – 1997. – V. 8. – P.125-132.
52. Gun'ko V. M., Turov V. V. Structure of Hydrogen Bonds and 1H NMR Spectra of Water at
the Interface of Oxides // Langmuir. – 1999. – V. 15. – P.6405-6415.
53. Griffinc P.C., Stilbs P. Adsorbtion fractionation studies by size-resolved pulse-gradient
spin-echo-NMR // Langmuir. – 1995. – V. 11. – P.898-904.
54. Veeman W.S. Nuclear magnetic resonance, a simple introduction to the principles and
applications // Geoderma. – 1997. – V. 80. – P.225-242.
55. Grandjean J., Robert J.-L. Multynuclear magnetic resonance studies on aqueous
suspensions of synthetic saponite // J. Colloid and Interface Sci. – 1997. – V. 187. –
P.267-273.
427
56. Application of the thermal frequence response method and of pulsed field gradient NMR to
study water diffusion in zeolite NaX / V. Bourdin, A. Germanus, P. Grenier, J. Karger //
Adsorption. – 1996. – V. 2. – P.205-216.
57. Su M.Y., Nalcioglu O. Spine-latice and spin-spin relaxation in porous media: A generalized
two site relaxation model // J. Colloid and Interface Sci. – 1993. – V. 160. – P.332-337.
58. Majer C. Nuclear magnetic resonance on dispersed nanoparticles // Progr. In NMR
Spectroscopy. – 2002. – V. 40. – P.307-366.
59. Mank V.V., Lebovka N. I. NMR Spectroscopy of Water in Heterogeneous Systems. – Kiev:
Naukova Dumka, 1988.
60. Wüthrich K., (Ed.) NMR in Structural Biology. – Singapore: World Scientific, 1995.
61. Pouliquen D., Gallois Y. Physicochemical properties of structured water in human albumin
and gammaglobulin solutions // Biochemie. – 2001. – V. 83. – P.891-898.
62. Korpella M.A. 1H NMR spectroscopy of human blod plasma // Progr. In NMR Spectr. –
1995. – V. 27. – P.475-554.
63. Differential effects of uncharged aminoamide local anesthetics on phospholipids bilayers,
as monitored by 1H NMR measurements / L.E. Fraceto, A. Spisni, S. Schreier, E. Paula //
Biophysical Chem. – 2005. – V. 115. – P.11-18.
64. Holte L.L., Gawrisch K. Determining ethanol distribution in ohospholipid multilayer with
MAS-NOESY spectra // Biochemistry. – 1997. – V. 36. – P.4660-4674.
65. Wider G. Technical aspects of NMR spectroscopy with biological macromolecules and
studies of hydration in solutions // Prog. Nuc. Magn. Reson. Spectros. – 1998. – V. 32. –
P.193-275.
66. Packer K. J. The dynamic of water in heterogeneous systems // Phil. Trans. R. Soc. Lond.
B. – 1977. – V. 278. – P.59-87.
67. Fung B.M. Correlation of relaxation time with water content in muscule and brain tissues //
Biochsm. Biophys. Acta. – 1977. – V. 497. – P.317-322.
68. Kuntz I. D., Brassfield T. S., Law G. D., Purcell G.V. Hydration of macromolecules //
Science. – 1969. – V. 163. – P.1329-1331.
69. Gallier J., Rivet P., de Certaines J. D. 1H and 2H study of bovine serum albumine solutions
// Biochim. Biophys. Acta. – 1987. – V. 915. – P.1-18.
70. Zipp A., Kuntz I.D., James T.L. An investigation of ‘bound’ water in erythrocytes by
proton magnetic resonance spin-lattis, spin-spin and rotatingframe spine-lattice relaxation
time measurement // J. Magn. Reson. – 1976. – V. 24. – P.411-424.
71. Nuclear magnetic resonance spin-spin relaxation of the crystals of bone, dental enamale,
and synthetic hydroxyapatitet / Y. WU, J. Ackerman, H.-M. Kim, C. Rey, A. Barroug,
M. Glimcher // J. Bone and Mineral Research. – 2002. – V. 17. – P.472-480.
72. Garcia-Martin M. L., Ballesteros P., Cerdan S. The methabolizm of water in cells and tissue
as detected by NMR method // Progress in NMR Spectroscopy. – 2001. – V. 39. - P.41-77.
73. Smith I. C.P., Stewart L. C. Magnetic resinance spectroscopy in medicwne: clinical impact
// Progress in NMR Spectroscopy. – 2002. – V. 40. – P.1-34.
74. Highly ordered interstitial water observed in bone by nuclear magnetic resonance /
E.E. Wilson, A. Awonusi, M.D. Morris, D.H. Kohn, M. MJ. Tecklenburg, L.W. Beck //
J. Bone and Mineral Research. – 2005. – V. 20. – P.625-634.
75. De Certaines J. D., (Ed.). Magnetic Resonance Spectroscopy of Biofluids, a New Tool in
Clinical Biology. – Singapore: World Scientific, 1989.
76. NMR study of phase transitions in pure water and binary H2O/HNO3 films adsorbed on
surface of pyrogenic silica / A. Bogdan, M. Kulmala, B. Gorbunov, A. Kruppa // J. Colloid.
Interface Sci. – 1996. – V. 177. – P.79-87.
77. Turov V.V., Leboda R. In: Chemistry and Physics of Carbon, L.R. Radovic, (Ed.), Marcel
Dekker, New York. – 2001. – V. 27. – P.67-124.
428
78. Гунько В. М., Туров В. В., Лебода Р. Структурно-адсорбционные характеристики
углеродно-оксидных материалов // Теорет. и эксперим. химия. – 2002. – Т. 38, № 4. –
С.199-225.
79. Effect of Adsorption of Nitro Aromatic Compounds on Characteristics of Bound Water
Layers in Aqueous Suspensions of Activated Carbons / R. Leboda, V.V. Turov,
W. Tomaszewski, V. M. Gun’ko, J. Skubiszewska-Zięba // Carbon. – 2002. – V. 40. –
P.389-396.
80. Influence of Organics on Structure of Water Adsorbed on Activated Carbons / V.V. Turov,
V. M. Gun’ko, R. Leboda, T.J. Bandosz, J. Skubiszewska-Zięba, D. Palijczuk,
W. Tomaszewski, S. Ziętek // J. Colloid Interface Sci. – 2002. – V. 253. – P.23-34.
81. Schneider W.G., Bernstein H.J., Pople J.A. // J. Chem Phys. – 1958. – V. 28. – P.601.
82. Pople J.A., Schneider W.G., Bernstein H.J. High-Resolution Nuclear Magnetic Resonance.
– New York: McGraw-Hill Book Company, 1959.
83. Hindman J.C. Proton rasonanse shift of water in the gas and liquid states // J. Chem. Phys. –
1966. – V. 44. – P.4582-4592.
84. Study of Constitutive Superficial Water of Precipitated Amorphous Solicas using 1H NMR:
Broad-Line at 4K and MAS at 300 K / C. Doremieux-Morin, L. Heeribout, C. Dumous-
seaux, J. Fraissard, H. Hommel, A.P. Legrand // J. Amer. Chem. Soc. – 1996. – V. 118. –
P.13040-13045.
85. Kinnej D.R., Chuang I.S., Maciel G.E. Interior Hydroxyl of the Silica Gel System as
Studied by 29Si CP-MAS NMR Spectroscopy // J. Amer. Chem. Soc. – 1993. – V. 115. –
P.8695-8705.
86. Gordon A.J., Ford R.A. The Chemist's Companion. – New York: Wiley, 1972.
87. Kaneko K. Molecular assembly formation in a solid nanospace // Colloid and Surace: A. –
1996. – V. 109. – P.319-333.
88. Water in porous carbons / J. K. Brennan, T.J. Bandosz, K.T. Thomson, K.E. Gubbins //
Colloids Surf. A. – 2001. – V. 187-188. – P.539-568.
89. Structural characteristics of a carbon adsorbent and influence of organic solvents on
interfacial water / V.M. Gun’ko, V.V. Turov, J. Skubiszewska-Zięba, R. Leboda,
M.D. Tsapko, D. Palijczuk // Appl. Surf. Sci. – 2003. – V 214. – P.178-189.
90. Structured Water in Partially Dehydrated Yeast Cells and at Partially Hydrophobized
Fumed Silica Surface / V.V. Turov, V.M. Gun’ko, V.M. Bogatyrev, V.I. Zarko,
S.P. Gorbik, E.M. Pakhlov, R. Leboda, O.V. Shulga, A.A. Chuiko // J. Colloid Interface
Sci. – 2005. – V. 283. – P.329-343.
91. Haymet A.D.J., Ward L. G., Harding M. M. Winter flouder ‘antifreeze’ proteins: Synthesis
and ice growth inhibitionof analogous that probe the relative importance of hydrophobic
and hydrogen –bonding interactions // J. Am. Chem. Soc. – 1999. – V. 121. – P.941-948.
92. Conformational and associative behaviours of the third helix of Antennapedia
homeodomain in membrane-mimetic environments / J.P. Berlose, O. Convert, D. Derossi,
A. Brunissen, G. Chassaing // Eur. J. Biochem. – 1996. – V. 242. – P.372-386.
93. Dill K. A., Bromberg S. Molecular Driving Forces. – New York: Garland Science, 2003.
94. Скришевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей. – М.: Высш. школа, 1971.
95. Turov V.V., Mironyuk I.F. Adsorption layers of water on the surface of hydrophilic,
hydrophobic and mixed silicas // Colloids Surf. A. – 1998. – V. 134. – P.257-263.
96. Kozlov P.V., Burdygina G.I. The structure and properties of solid gelatin and the principles
of their modification // Polymer. – 1983. – V. 24. – P.651-666.
97. General Atomic and Molecular Electronic Structure System (GAMESS) / M.W. Schmidt,
K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J.J. Jensen, S. Koseki,
N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, T.L. Windus, M. Dupuis, J.A. Montgomery // J.
Comput. Chem. – 1993. – V. 14. – P.1347.
429
98. A Computational Chemistry Package for Parallel Computers, Version 4.5 (2003) /
T. P. Straatsma, E. Apra, T. L. Windus, M. Dupuis, E. J. Bylaska, W. De Jong, S. Hirata,
D. M. A. Smith, M. T. Hackler, L. Pollack, R. J. Harrison, J. Nieplocha, V. Tipparaju,
M. Krishnan, E. Brown, G. Cisneros, G. I. Fann, H. Fruchtl, J. Garza, K. Hirao, R. Kendall,
J. A. Nichols, K. Tsemekhman, M. Valiev, K. Wolinski, J. Anchell, D. Bernholdt,
P. Borowski, T. Clark, D. Clerc, H. Dachsel, M. Deegan, K. Dyall, D. Elwood,
E. Glendening, M. Gutowski, A. Hess, J. Jaffe, B. Johnson, J. Ju, R. Kobayashi, R. Kutteh,
Z. Lin, R. Littlefield, X. Long, B. Meng, T. Nakajima, S. Niu, M. Rosing, G. Sandrone,
M. Stave, H. Taylor, G. Thomas, J. Van Lenthe, A. Wong, and Z. Zhang // NWChem,
Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 99352-0999, USA.
99. Gaussian 94, Revision E.1 / M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, P. M. W. Gill,
B. G. Johnson, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, T. Keith, G. A. Petersson, J. A. Montgomery,
K. Raghavachari, M. A. Al-Laham, V. G. Zakrzewski, J. V. Ortiz, J. B. Foresman,
J. Cioslowski, B. B. Stefanov, A. Nanayakkara, M. Challacombe, C. Y. Peng, P. Y. Ayala,
W. Chen, M. W. Wong, J. L. Andres, E. S. Replogle, R. Gomperts, R. L. Martin, D. J. Fox,
J. S. Binkley, D. J. Defrees, J. Baker, J. P. Stewart, M. Head-Gordon, C. Gonzalez,
J. A. Pople // Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 1995.
100. Wolinski K., Hilton J.F., Pulay P. Efficient Implementation of the Gauge-Independent
Atomic Orbital Method for NMR Chemical Shift Calculations // J. Am. Chem. Soc. –
1990. – V. 112. – P.8251.
101. Keith T.A., Bader R.F.W. Calculation of magnetic response properties using a continuous
set of gauge transformations // Chem. Phys. Lett. – 1993. – V. 210. – P.223.
102. GAMESOL–version 3.1 / J. D. Xidos, J. Li, T. Zhu, G. D. Hawkins, J. D. Thompson, Y.-
Y. Chuang, P. L. Fast, D. A. Liotard, D. Rinaldi, C. J. Cramer, and D. G. Truhlar //
University of Minnesota, Minneapolis, 2002.
103. Cances M. T., Mennucci B., Tomasi J. J. Chem. Phys. – 1997. – V. 107. – P.3032.
104. Cossi M., Barone V., Mennucci B., Tomasi J. Chem. Phys. Lett. – 1998. – V. 286. –
P.253.
105. Influence of Partial Hydrophobization of Fumed Silica by Hexamethyldisilazane on
Interaction with Water / V.M. Gun'ko, V.V. Turov, V.M. Bogatyrev, B. Charmas,
J. Skubiszewska-Zięba, R. Leboda, S.V. Pakhovchishin, V.I. Zarko, L.V. Petrus,
O.V. Stebelska, M.D. Tsapko // Langmuir. – 2003.– V. 19. – P.10816-10828.
106. Characterization of Fumed Alumina/Silica/Titania in the Gas Phase and Aqueous
Suspension / V.M. Gun'ko, V.I. Zarko, V.V. Turov, R. Leboda, E. Chibowski,
E.M. Pakhlov, E.V. Goncharuk, M. Marciniak, E.F. Voronin, A.A. Chuiko // J. Colloid.
Interface Sci. – 1999. – V. 220. – P.302-323.
107. Чагер С.И. Транспортная функция сывороточного альбумина. – Бухарест: Из-во
Академии наук СРР, 1975. – С.184.
108. Principles of Biochemistry, A. L. Lehninger, D. L. Nelson, and M. M. Cox, Worth, 2004.
109. Spectroscopic investigation of the interaction between human serum albumin and three
organic acids / Yuan Liu, Meng-Xia Xie, Min Jiang, Ying-Dian Wang // Spectrochimica
Acta A. – 2005. – V. 61. – P.2245-2251.
110. Norde W., Giacomelli C.E. BSA structural chages during homomolecular exchange
between the adsorbed and the dissolved states // J. Biotechnology. – 2000. – V. 79. –
P.259-268.
111. Prat L.R., Pohorille A. Hydrophobic effects and modeling of biophysical aqueous solution
interfaces // Chem. Rev. – 2002. – V. 102. – P.2671-2692.
112. Tiwns J.K. Moisture content in proteins: its effects and measurement // J. Chromatogr. A.
– 1995. – V. 705. – P.115-127.
430
113. Pouliquen D., Gallois Y. Physicochemical properties of structured water in human
albumin and gammaglobulin solutions // Biochemie. – 2001. – V. 83. – P.891-898.
114. Robinson G.W., Cho C.H. Role of hydration water in protein unfolding // Biophys. J. –
1999. – V. 77. – P.3311-3318.
115. Vogler E.A. Structure and reactivity of water at biomaterial surfaces // Adv. Colloid
Interface Sci. – 1998. – V. 74. – P.61-117.
116. Hydrophobic volume effects in Albumin solutions / P. Schade, H. Klein, I. Egry,
X. Ademovic, D. Klii // J. Colloid Interface Sci. – 2001. – V. 234. – P.445-447.
117. Sirotkin V.A., Borisover M.D., Solomonov B.N. Heat effects and water adsorption by
human serum albumin on its suspension in water-dimethyl sulfoxide mixtures //
Thermochemica Acta. – 1995. – V. 256. – P.175-183.
118. Sirotkin V.A., Borisover M.D., Solomonov B.N. Effect of chain length on interactions of
aliphatic alcohols with suspended human serum albumin // Biophysical Chemistry. –
1997. – V. 69. – P.239-248.
119. Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. Применение физико-химических методов в
биохимии и молекулярной биологии. – М.: Мир, 1980. – 582 с.
120. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния / Под ред.
А.А. Чуйко. – Киев.: Наук. думка, 2003. – 415 с.
121. Курдиш И.К. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми материалами и его
биотехнологическое значение. // Микробиол. журнал. – 1999. – Т. 61. – С.60-70.
УДК 615 + 544.7:546.284.31
|