Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents
The Influence of organic solvents on associative structures of intracellular water and free energy interaction of water with intracellular functionalities which form endocellular space of yeast cells Saccharomyces cerevisiae has been studied by 1H NMR spectroscopy with layer- by-layer freezing-out o...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Онлайн доступ: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/234 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Surface| _version_ | 1869291340192284672 |
|---|---|
| author | Turov, V. V. Gun'ko, V. M. Gorbyk, P. P. Kerus', S. V. |
| author_facet | Turov, V. V. Gun'ko, V. M. Gorbyk, P. P. Kerus', S. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. V. Turov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. M. Gun'ko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "S. V. Kerus'",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Turov, V. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | The Influence of organic solvents on associative structures of intracellular water and free energy interaction of water with intracellular functionalities which form endocellular space of yeast cells Saccharomyces cerevisiae has been studied by 1H NMR spectroscopy with layer- by-layer freezing-out of bulk and bound water. Water in partially dehydrated cells exists in unusual slightly association state in which average part of hydrogen bounds in each molecule of water less than one. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.253-264
253
УДК 615 + 544.7:546.284.31
СТРУКТУРНАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ВОДЫ В ЧАСТИЧНО
ОБЕЗВОЖЕНЫХ КЛЕТКАХ SACCHAROMYCES
CEREVISIAE ПОД ВЛИЯНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ
РАСТВОРИТЕЛЕЙ
В.В. Туров, В.М. Гунько, П.П. Горбик, С.В. Керусь
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, 03164, Киев-164
Методом 1Н ЯМР спектроскопии с вымораживанием жидкой фазы изучено
влияние органических растворителей на структуру ассоциативных агрегатов внутри-
клеточной воды и свободную энергию ее взаимодействия со стенками, формирующими
внутриклеточное пространство дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae. Пока-
зано, что вода в частично дегидратированных клетках находится в необычном слабо-
ассоциированном состоянии, в котором среднее число водородных связей, приходящихся
на каждую молекулу воды меньше единици.
The Influence of organic solvents on associative structures of intracellular water and
free energy interaction of water with intracellular functionalities which form endocellular
space of yeast cells Saccharomyces cerevisiae has been studied by 1H NMR spectroscopy with
layer- by-layer freezing-out of bulk and bound water. Water in partially dehydrated cells exists
in unusual slightly association state in which average part of hydrogen bounds in each
molecule of water less than one.
Введение
Многие микроорганизмы при неблагоприятном изменении условий внешней сре-
ды могут переходить в состояние анабиоза, сопровождающееся сильной дегидратацией
клеток и практически полным прекращением жизненных процессов [1 – 4]. В этом сос-
тоянии они способны находится неограниченно долго и могут быть подвергнуты холо-
довому стрессу или замораживанию до температуры жидкого азота. Возвращение к
активной фазе происходит при таком изменении внешних условий, которые отвечают
оптимальным параметрам жизнедеятельности и деления клеток (водная среда, наличие в
ней питательных веществ, температурный фон) [5]. Регидратация клеток осуществляется
достаточно быстро [6], что свидетельствует о доступности внутреннего пространства
клеток для молекул воды и растворенных в ней веществ. Состояние анабиоза широко
используется во многих схемах криоконсервирования и длительного хранения клеточ-
ных объектов и тканей организма при температуре жидкого азота [7 – 10]. Как и в при-
родных условиях, в процессе криоконсервирования с использованием низкомолекуляр-
ных криоконсервантов имеет место сильная дегидратация клеток. Однако это в основ-
ном обусловлено вытеснением внутриклеточной воды органическими веществами и
формированием в клетках концентрированных растворов криоконсервантов.
Дегидратированная клетка представляет собой сложную систему сообщающихся
между собой наноразмерных полостей, сформированную фрагментами органелл, биопо-
лимерными молекулами, входящими в состав внутриклеточной среды и клеточными
254
мембранами. Тогда дегидратированные клетки в состоянии анабиоза могут рассматри-
ваться как некоторая морфологически упорядоченная система, в которой внутренняя
структура организована таким образом, что обеспечиваются благоприятные условия для
абсорбции внутренним пространством веществ из окружающей среды. Внутренние
полости дегидратированной клетки заполнены связанной водой, в которой растворены
низкомолекулярные органические и неорганические вещества.
Исследования, выполненные на дрожжевых клетках Saccharomyces cerevisiae
методом ЯМР спектроскопии с вымораживанием жидкой фазы, показали, что вода в
частично дегидратированных клетках находится в необычном слабоассоциированном
состоянии, в котором среднее число водородных связей, приходящихся на каждую
молекулу воды меньше единицы [11 – 14]. В отличие от обычной, сильноассоциирован-
ной воды, химический сдвиг которой близок к 5 м.д., для слабоассоциированной воды
регистрируются химические сдвиги в диапазоне d = 1,3¼2 м.д., что совпадает с хими-
ческим сдвигом газообразной воды или воды, растворенной в слабополярных органичес-
ких растворителях [15 – 17]. Большое количество слабоассоциированной воды обнару-
жено также в костной ткани [18, 19] и на межфазной границе гидратированных нанораз-
мерных частиц со слабополярной органической средой [13, 20]. Ее свойства сильно
отличаются от свойств объемной воды. Во многих изученных системах она замерзает
при температуре ниже 200 К и способна образовывать со слабополярными органически-
ми молекулами концентрированные растворы [13].
Целью настоящей работы было изучение влияния органических растворителей на
структуру ассоциативных агрегатов внутриклеточной воды и свободную энергию взаи-
модействия воды со стенками, формирующими внутриклеточное пространство.
Материалы и методы исследований
Материалы: В качестве исходной клеточной субстанции использовали дегидра-
тированные дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae, содержащие 7 % масс. воды. В
большинстве экспериментов к гранулированной клеточной массе (диаметр 0,25 мм)
добавляли 10 % масс. воды и выдерживали ее в течении семи суток при комнатной
температуре. Протонсодержащие органические растворители (2 г на г клеточной масс-
сы), химической квалификации ЧДА или их дейтерированные аналоги, квалификации
«Для ЯМР спектроскопии», фирмы Aldrich добавляли к навескам клеточной массы
(300 – 400 мг) непосредственно в ампулы ЯМР спектрометра и уравновешивались
10 мин при интенсивном встряхивании и 1 ч без встряхивания, после чего ампулы
помещались в датчик ЯМР спектрометра, в котором температура за 15 мин понижалась
до 200 – 210 К, а затем повышалась с шагом 5 – 10 К и термостатированием при каждой
температуре в течение 5 мин.
ЯМР спектроскопия: Спектры ЯМР снимали на ЯМР спектрометре высокого
разрешения Varian Mercury 400 с рабочей частотой 400 МГц. Температуру регулировали
с точностью ± 1 K, используя термоприставку Bruker VT-1000. Интенсивности сигналов
определяли с точностью ± 10 %. Для предотвращения переохлаждения образцов спектры
1Н ЯМР незамерзающей воды записывали при нагревании суспензий, предварительно
охлажденных до температуры 210 К.
Способ определения характеристик межфазных слоев воды с помощью 1Н ЯМР
спектроскопии подробно изложен в [13, 21]. Он базируется на влиянии межфазной гра-
ницы на температуру фазового перехода вода-лед. Благодаря адсорбционным взаимо-
действиям температура замерзания межфазной воды понижена. Поскольку свободная
энергия льда с уменьшением температуры изменяется по линейному закону [22], измене-
ние свободной энергии Гиббса ( GD ) и температуры фазового перехода (273 – T) связаны
соотношением:
255
)273(036,0 TG --=D . (1)
Площадь, ограниченная графиком зависимости )( uwCGD определяет величину
межфазной энергии (gS), которая равна суммарному понижению свободной энергии воды
обусловленному присутствием границы раздела фаз:
òD=
max
0
uwC
uws GdCKg , (2)
где max
uwC – толщина слоя незамерзающей воды при Т→ 273 К.
На зависимостях )( uwCGD обычно могут быть выделены участки, относящиеся к
слабосвязанной и сильносвязанной воде. При этом под слабосвязанной водой понимают
ту часть незамерзающей воды, свободная энергия которой лишь немного понижена
адсорбционными взаимодействиями с поверхностью адсорбентов или биополимеров.
Она замерзает при температуре вблизи 273 К. Сильносвязанная вода может не замерзать
даже при сильном охлаждении суспензии [13]. Количественные ( s
uwC и w
uwC для сильно-
и слабосвязанной воды соответственно) и энергетические ( sGD и wGD ) характеристики
слоев связанной воды могут быть получены экстраполяцией соответствующих участков
графиков к осям абсцисс и ординат. По способности молекул межфазной воды образо-
вывать водородные связи со своими соседями она подразделяется на сильно- и слабоас-
социированную. В случае, когда переход воды в слабоассоциированное состояние
энергетически выгоден, слабоассоциированная вода является сильносвязанной и замер-
зает при очень низкой температуре. Если же формирование слоя слабоассоциированной
воды определяется энтропийным фактором, то слабоассоциированная вода может быть
слабосвязанной.
Процесс замерзания воды в узких внутриклеточных полостях может быть описан
уравнением Гиббса-Томпсона [23]:
RH
T
TRTT
f
msl
mmm r
s
D
=-=D ¥
¥
,
,
2
)( , (3)
где )(RTm – температура плавления льда, локализированного в порах (пустотах) радиу-
сом R, Тm,∞ – температура плавления объемного льда, ρ – плотность твердой фазы, σs1 –
энергия взаимодействия твердого тела с жидкостью (посредством водородных связей),
fHD – объемная энтальпия плавления. Это уравнение может быть использовано для
расчета распределений по размерам пор (IPSD) на основе зависимостей )(TCuw . С его
помощью вычисляли распределения по размерам заполненных водой полостей для
гидратированных дрожжевых клеток в присутствии органических растворителей.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены температурные зависимости спектров 1Н ЯМР воды в исход-
ной клеточной субстанции, содержащей 7 % масс. воды. Спектр состоит из одиночного
сигнала, химический сдвиг которого не превышает 2 м.д., что позволят отнести внутри-
клеточную воду к типу слабоассоциированной. Основная часть этой воды замерзает при
температуре выше 240 К, что в соответствии с формулой (1) отвечает понижению сво-
бодной энергии Гиббса меньше, чем на 1 кДж/моль. Следовательно, эта вода – слабо-
связанная.
256
8 6 4 2 0 -2 -4
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
Рис. 1. Температурная зависимость спектров воды в дрожжевых клетках Saccharomyces
cerevisiae, содержащих 7 % масс. воды. Температура указана в К.
Аналогичная форма и температурное поведение спектров ЯМР наблюдается для
образцов, содержащих 17 % масс. адсорбированной воды. Оказалось, что дрожжевые
клетки способны поглощать значительное количество слабополярных органических
веществ, в том числе и газообразных. На рис. 2, а показаны температурные изменения
спектров 1Н ЯМР дрожжевых клеток, содержащих 17 % масс. адсорбированной воды
после помещения их на 30 мин в среду метана при скорости тока газа 50 мл/мин. Сигнал
метана, с химическим сдвигом d = 0 м.д., наблюдается в спектрах раздельно от сигнала
воды при T < 250 K, когда интенсивность значительно более широкого сигнала воды
становится пренебрежимо малой. Концентрация поглощенного метана составляет около
0,5 % масс. по отношению к клеточной массе.
Внутрь клеток легко проникают и молекулы таких неполярных органических
растворителей, как CCl4 и бензол. На рис. 2, б, в показаны спектры 1Н ЯМР воды в
дрожжевых клетках, помещенных в среду CCl4 и бензола-Н6 соответственно. В
последнем случае кроме сигналов воды при d = 7,2 м.д. регистрируется и сигнал бензола.
Как следует из рис. 2, б, в, присутствие в клетках органических веществ привело
к кардинальным изменениям в спектрах адсорбированной воды. Под влиянием слабопо-
лярной среды, значительная часть внутриклеточной воды стала сильноассоциированной
и вместо одиночного сигнала слабоассоциированной воды с химическим сдвигом
d = 2 м.д. (рис. 1, 2, а) раздельно регистрируются сигналы сильноассоциированной воды
(с химическим сдвигом d = 5 м.д.) и слабоассоциированной воды (d = 1,2 м.д.). В случае
бензола сигнал сильноассоциированной воды наблюдается на правом крыле пика от
протонов бензола. Наблюдаемый эффект можно рассматривать как структурную диффе-
ренциацию внутриклеточной воды.
На рис. 3 приведены температурные зависимости концентрации слабоассоции-
рованной воды (рис. 3, а) и зависимости изменения дифференциальной энергии Гиббса
для слабоассоциированной (рис. 3, б) и сильноассоциированной (рис. 3, в) воды, рассчи-
танные в соответствии с формулой (1).
257
8 6 4 2 0 -2 -4
280
270
d, м.д.
260
250
240
230
220
210
265
10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
210 220 230
240 250
260 265
270
280
d, м.д.
а б
10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
d, м.д.
270
265
260
250
240
230
220 210
в
Рис. 2. Совместная адсорбция воды и сла-
бополярных органических веществ
в дрожжевых клетках, содержащих
17 % масс. воды, в среде:
а – метана; б – СCl4; в – C6H6.
Температура указана в К.
Как видно из рис. 3, замена воздушной среды средой слабополярных органи-
ческих растворителей приводит к существенному уменьшению количества слабоассоци-
ированной воды – в 2 раза для среды бензола и в 5 раз для среды CCl4. Оно происходит
за счет перехода части слабоассоциированной воды в сильноассоциированную. Одновре-
менно имеет место трансформация части слабоассоциированной воды из слабосвязанной
в сильносвязанную, которая и не вымерзает даже при охлаждении образцов до 210 К.
Большая часть образовавшейся в образцах сильноассоциированной воды слабосвязанная
(для нее величина – GD < 1 кДж/моль).
Таким образом, наряду со структурной дифференциацией внутриклеточной воды
под влиянием слабополярных органических растворителей происходит и ее энергетичес-
кая дифференциация. Наблюдаемое явление аналогично обнаруженному ранее эффекту
самоорганизации водно-органических систем в нанопространстве, ограниченном слабо-
гидрофильными стенками, который регистрировался для микропористых углеродных
материалов [24, 25], мезопористых оксидов [26] и непористых наноструктурированных
кремнеземов [27]. Его суть состоит в том, что при малом расстоянии между стенками, с
которыми одновременно взаимодействует вода и слабополярные вещества, а молекуляр-
ные взаимодействия могут проходить путем формирования водородносвязанных комп-
лексов или комплексов, образование которых обусловлено дисперсионными взаимо-
действиями, слабополярные вещества способны вытеснять воду из зоны контакта и
перемещать ее в среднюю часть пор или поры большего размера. При этом в нано-
размерных порах формируется слоистая структура адсорбата, в которой с поверхностью
258
граничит слой органического вещества. Если первоначально внутренняя поверхность
клетки стабилизировала слабоассоциированную форму воды, то при удалении ее от
поверхности для воды становится термодинамически более выгодным формирование
упорядоченной полиассоциированной структуры. Слабоассоциированная вода
сохраняется в переходной области между водной и органической фазами и стабилизи-
рует эту границу благодаря высокому сродству к обоим слоям. Вероятно, под действием
поверхностных сил, вода и слабополярные органические вещества способны образо-
вывать концентрированные растворы, не замерзающие до очень низких температур.
Действительно, как видно из рис. 2, в, при низких температурах в спектрах наблюдаются
сигналы слабоассоциированной, но сильносвязанной воды, и сильносвязанного бензола.
Если предположить, что это сигналы веществ, сосредоточенных в зоне контакта водной
и органической фаз, то из соотношения интенсивностей сигналов следует, что на одну
молекулу бензола приходится примерно девять молекул слабоассоциированной воды.
200 220 240 260 280
0
40
80
120
160
3
2
C
w
uw
, м
г/
г
T, K
1
0 30 60 90 120 150 180
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0 3 2 1
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/г
а б
0 30 60 90 120 150
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0 321
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/г
в
Рис. 3. Температурные зависимости кон-
центрации слабоассоциированной
воды (а), изменения свободной
энергии Гиббса в слое слабоассо-
циированной воды (б) и в слое
сильноассоциированной воды (в) в
дрожжевых клетках Saccharomyces
cerevisiae, содержащих 17 % масс.
воды в воздушной (1) среде,
бензоле (2) и среде СCl4 (3).
На рис. 4, 5 приведены температурные зависимости спектров 1Н ЯМР протонов
воды и метильных групп ацетонитрила, ацетона и диметилсульфоксида для протон-
содержащих растворителей (ацетон, ДМСО) и их дейтерированных аналогов (ацето-
нитрил, ацетон, ДМСО). В отличие от слабополярных органических веществ, использо-
ванные растворители обладают высокой электронодонорной способностью, благодаря
чему образуют растворы с водой при любой стехиометрии компонент. При избытке
259
органической составляющей для воды растворенной в ацетонитриле, ацетоне и ДМСО
характерны химические сдвиги в диапазоне 2,5 – 3 м.д.
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
6 4 2 0 -2 -4
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
а б
10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
в
Рис. 4. Температурные зависимости спект-
ров 1Н ЯМР воды, ацетона и ацето-
нитрила в дрожжевых клетках
Saccharomyces cerevisiae, содер-
жащих 17 % масс. воды:
а – CD3CN;
б – 10 % масс. (CH3)2CO;
в – 10 % масс. (CD3)2CO.
Температура указана в К.
Как видно из рис. 4, а, вода в дрожжевых клетках в среде ацетонитрила дает два
сигнала с химическими сдвигами в области 1 и 3 м.д., которые могут быть отнесены к
слабоассоциированной воде и воде, растворенной в ацетонитриле. С понижением
температуры в диапазоне 280 > T ≥ 250 K интенсивность сигнала растворенной воды
изменяется слабо, а при более низкой температуре он исчезает, вероятно, из-за выпаде-
ния эвтектической смеси вода-ацетонитрил. Поскольку сигнал слабоассоциированной
воды и воды растворенной в ацетонитриле наблюдаются раздельно, молекулярный
обмен между ними проходит медленно в шкале времени ЯМР [15], т.е. области,
содержащие разные типы воды, пространственно разделены. Так как содержание
ацетонитрила в образце на порядок превышало концентрацию воды, а наблюдаемый
сигнал воды, растворенной в ацетонитриле, имеет большую ширину, можно заключить,
что вода не переходит в объемную фазу ацетонитрила, а остается во внутриклеточном
пространстве. Как и в случае слабополярных органических веществ, часть
слабоассоциированной воды из слабосвязанной превращается в сильносвязанную и не
замерзает вплоть до 210 К. Присутствия в дрожжевых клетках, погруженных в жидкий
ацетонитрил, сильноассоциированной воды не обнаружено.
260
10 8 6 4 2 0 -2 -4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
а б
6 4 2 0 -2
d, м.д.
280
270
265
260
250
240
230
220
210
Рис. 5. Температурные зависимости спект-
ров 1Н ЯМР воды и диметилсульф-
оксида в дрожжевых клетках Sac-
charomyces cerevisiae, содержащих
17 % масс. воды:
а – 10 % масс (CH3) 2SO;
б – 10 % мас (CD3) 2SO;
в – (CD3) 2SO.
Температура указана в К.
При введении в клетки фиксированных количеств ацетона и ДМСО, молекулы
которых характеризуются более сильными электронодонорными свойствами, чем
молекулы ацетонитрила (рис. 4, б, в и рис. 5, а, б) в спектрах регистрируются сигналы
сильно- и слабоассоциированной воды (в случае ДМСО-D6 и ацетона-D6, рис. 5, б и 4, в
соответственно) или сильноассоциированной воды и метильных групп (ацетон-Н6 и
ДМСО-Н6, рис. 4, б и 5, а, соответственно). При использовании дейтеропрепаратов, тем-
пературные зависимости спектров 1Н ЯМР в области высоких температур для обоих
образцов очень близки (рис. 4, в и 5, б). Различия наблюдаются при T < 260 K. При низ-
ких температурах в клетках, содержащих ацетон, стабилизируется слабоассоциирован-
ная, а в случае ДМСО – сильноассоциированная формы воды. Для гидратированных
клеток в присутствии ацетонитрила-D3 вид температурных зависимостей спектров
незамерзающей воды полностью идентичен соответствующим спектрам в присутствии
ацетона-D6.
Вода, растворенная в ДМСО, дает ЯМР-сигнал только в случае большого избытка
органической составляющей (рис. 5, в, среда ДМСО). При температуре 280 К, более
низкой, чем температура замерзания жидкого ДМСО (291 К), в спектрах наблюдаются
три сигнала воды с химическими сдвигами 1, 3 и 5 м.д., отвечающие слабоассоциирован-
ной, растворенной в ДМСО и сильноассоциированной воде, соответственно. По мере
понижения температуры растворенная в ДМСО вода превращается в сильноассоцииро-
ванную (вероятно, в процессе кристаллизации ДМСО). При этом ее химический сдвиг
плавно увеличивается от 3 до 5 м.д., что свидетельствует о существовании быстрого
261
молекулярного обмена между обеими формами воды. Однако, как видно из рис. 5, в, в
температурном интервале 280 > T > 260 K в спектрах одновременно с сигналом
растворенной воды присутствует и небольшой сигнал сильноассоциированной воды,
интенсивность которого в этом диапазоне температур изменяется слабо. Такое пове-
дение спектров можно объяснить тем, что сильноассоциированная вода внутри клеток
находится в полостях разного размера или с различными свойствами биополимерных
стенок. Поскольку эти полости пространственно разделены, молекулярного обмена воды
между ними не происходит.
На рис. 6 приведены зависимости )( uwCGD слабоассоциированной (а) и сильно-
ассоциированной воды (б) для дрожжевых клеток, содержащих 17 % масс. Н2О и 10 %
масс. органической добавки. В присутствии ацетонитрила и ацетона почти вся регистри-
руемая в спектрах слабоассоциированная вода слабосвязанная. В присутствии ДМСО-D6
слабосвязанной является примерно 60 % слабоассоциированной воды. Зависимости
)( w
uwCGD для ацетона и ацетонитрила полностью совпадают, в то время как для ДМСО-
D6 соответствующая зависимость смещена на 0,7 кДж/моль в область меньших значений
GD . Напротив, примерно половина всей регистрируемой в клетках сильноассоциирован-
ной воды в присутствии ацетона и ДМСО-D6 сильносвязанная, а в случае ацетонитрила
90 % сильноассоциированной воды – слабосвязанная.
На рис. 7 приведены рассчитанные на основании данных рис. 3 и 6 в соответствии
с формулой (3) распределения по размерам заполненных водой пустот, находящихся
внутри клеток Saccharomyces cerevisiae.
Как видно из приведенного рисунка, в клетках, содержащих только воду, она
сосредоточена в полостях, средний радиус которых составляет 0,7, 1,2 и 10 нм, причем в
случае добавки слабополярных (неполярных) веществ, основная масса воды находится в
порах с радиусом менее 1 нм. Присутствие бензола несколько уменьшает средний ради-
ус заполненных водой полостей, вероятно, вследствие смещения воды от поверхности в
среднюю часть пор или в поры большего радиуса, формирование которых внутри клеток
может происходить в результате проникновения в них органической составляющей. При
этом на распределениях появляются максимумы, соответствующие радиусам пор 1,2 и
0 10 20 30 40 50 60 70
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
3
2
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/г
1
а
0 20 40 60 80 100 120
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
13
2
DG
, к
Д
ж
/м
ол
ь
Cuw, мг/г
б
Рис. 6. Зависимости изменения свободной энергии Гиббса от концентрации неза-
мерзающей воды в клетках Saccharomyces cerevisiae, содержащих 17 % масс. во-
ды и 10 % масс. органической добавки: (а) слабоассоциированной воды; (б)
сильноассоциированной воды; 1 – (CD3)2CO; 2 – CD3CN; 3 – DMSO-D6.
262
1,7 нм. Этот эффект еще сильнее выражен в присутствии CCl4. В порах с радиусами 1,1 и
1,6 нм сосредотачивается почти половина всей присутствующей в клетках воды. Одно-
временно появляется новый максимум при радиусе пор 0,3 нм. В соответствии с даными
рис. 2, большая часть воды в клетках Saccharomyces cerevisiae в присутствии слабопо-
лярных органических веществ становится сильноассоциированной (рис. 2). Возможно,
под влиянием органической компоненты, вода, оставаясь в узких порах, перемещается к
участкам поверхности с несколько отличными гидрофобно-гидрофильными свойствами,
на которых становится термодинамически более выгодным формирование водородно-
связанных полиассоциатов.
0,2 1 10 20
0,00
0,05
0,10
0,15
0,2 1 10 100
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
от
. е
д.
R, нм
1
2
3
от
. е
д.
R, нм
1
4
5
6
Рис. 7. Распределения пор по размерам (полостей заполненных водой) в дрожжевых
клетках Saccharomyces cerevisiae, содержащих 17 % масс. воды и 10 % масс.
органической добавки: 1 – на воздухе; 2 – C6H6; 3 – CCl4; 4 – (CD3)2CO; 5 –
CD3CN; 6 – DMSO-D6.
При введении в клетки добавок полярных органических растворителей интенсив-
ность пика на распределении пор по размерам, расположенного в области малых радиу-
сов пор, резко уменьшается, и значительная часть воды сосредотачивается в порах с
радиусами 1,1 – 9 нм. Вероятно, именно рост размера внутренних полостей в присутст-
вии полярных органических молекул обеспечивает возможность перехода значительной
части слабоассоццированной воды в сильноассоциированную форму, поскольку в полос-
тях большего размера облегчается возможность формирования упорядоченной сетки
водородных связей.
Заключение
Вода в слабо гидратированных клетках Saccharomyces cerevisiae находится в
необычном, слабоассоциированном состоянии, в котором среднее число водородных
связей, приходящихся на каждую молекулу воды, меньше единици и характеризуется
химическим сдвигом протонов в области 1 – 2 м.д. Эта вода слабосвязанная и замерзает
при температурах ниже 250 К. Оказалось, что при введении в клетки органических раст-
ворителей, поведение водно-органических систем во внутриклеточном пространстве во
многом схоже с их поведением в нанопространстве, ограниченном слабогидрофильными
стенками углеродных или кремнеземных адсорбентов. Под влиянием органических раст-
ворителей происходит структурная и энергетическая дифференциация внутриклеточной
воды. В присутствии слабополярных веществ – CCl4 или бензола – значительная часть
слабоассоциированной воды превращается в сильноассоциированнную, а оставшаяся ее
263
часть становится сильносвязанной. Предположительно это происходит ввиду формиро-
вания в наноразмерных полостях внутри клеток слоистой структуры, в которой с поверх-
ностью граничит органическая составляющая, а вода перемещается в среднюю часть
наноразмерных полостей, формируя в них упорядоченную сетку водородных связей,
сходную по строению с сеткой водородных связей в жидкой воде.
Полярные органические вещества (ацетонитрил, ацетон, ДМСО), способные раст-
воряться в объемной фазе воды в любых пропорциях, при ограниченном содержании
органической компоненты плохо растворяются во внутриклеточной воде. Также, как и в
случае неполярных веществ, в полостях происходит структурная и энергетическая диф-
ференциация внутриклеточной воды, в результате которой большая часть воды перехо-
дит в сильноассоциированное состояние, в котором вода существует независимо от
органической фазы. Следовательно, условия формирования растворов органических
веществ во внутриклеточной воде сильно отличаются от объемных и в широком диапа-
зоне концентраций водная и органическая фазы существуют раздельно. Образование
растворов происходит только при большом избытке органической компоненты, но и в
этом случае раствор существует раздельно от сохранившейся внутри клеток слабоассо-
циированной воды.
Литература
1. Crowe J.H., Hoekstra F.A., Crowe L.M. Anhydrobiosis // Annu. Rev. Physiol. – 1992. –
V. 54. – P. 579 – 599.
2. Dilks T.J.K., Proctor M.C.F. The pattern of recovery of bryophytes after desiccation //
J. Bryol. – 1974. – P. 97 – 115.
3. Crowe J.H., Crowe L.M. Stabilization of membranes in anhydrobiotic organisms in:
Membrane, Metabolism and Dry Organisms, Leopold C.A. (Ed.), Comstock Publishing. –
1986. – P. 188 – 209.
4. Tunnacliffe A., de Castro A.G., Manzanera M. Anhydrobiotic engineering of bacterial and
mammalian cells: Is intracellular trehalose sufficient? // Cryobiology. – 2001. – V. 43. –
P. 124 – 132.
5. Armitage W.J., Juss B.K. The influence of cooling rate on survival of frozen cells differs in
monolayers and in suspensions // Cryo-Letters. – 1996. V. 17. – P. 213 – 218.
6. Karlsson J.O.M. A Theoretical model of intracellular devitrification // Cryobiology. –
2001. – V. 42. – P. 154 – 169.
7. Hubalek Z. Protectants used in the cryopreservation of microorganisms // Cryobiology. –
2003. – V. 46. – P. 205 – 229.
8. Ashwood-Smith M.J. Preservation of microorganisms by freezing, freeze-drying and
desiccation, in: M.J. Ashwood-Smith, J. Farrant (Eds.), Low Temperature Preservation in
Medicine and Biology // Pitman Medical, Tunbridge Wells. – 1980. – P. 219 – 252.
9. Wang J.H. A comprehensive evaluation of the effects and mechanisms of antifreeze
proteins during low-temperature preservation // Cryobiology. – 2000. – V. 41. – P. 1 – 9.
10. Tao D., Li P.H. Classification of plant cell cryoprotectants // J. Theor. Biol. – 1986. –
V. 123. – P. 305 – 310.
11. 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,
P.P. Gorbyk, E.M. Pakhlov, R. Leboda, O.V. Shulga, A.A. Chuiko // J. Coll. Inter. Sci. –
2005. – V. 283, № 2. – P. 329 – 343.
12. Асоціати води у частково зневоднених дріжджах і на поверхні гідрофобного
кремнезему / С.П. Туранська, В.В. Туров, В.М. Гунько, В.М. Богатирьов // Хімія,
фізика та технологія поверхні. – 2004. – Вип. 10. – С. 207 – 212.
264
13. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces / V.M. Gun'ko,
V.V. Turov, V.M. Bogatyrev, V.I. Zarko, R. Leboda, E.V. Goncharuk, A.A. Novza,
A.V. Turov, A.A. Chuiko // Adv. Coll. Inter. Sci. – 2005. – V. 118. – P. 125 – 172.
14. Слабоассоциированная 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 // Химия, физика и технология поверхности. – 2006. –
Вып. 11–12, – С. 397 – 430.
15. Pople J.A., Schneider W.G., Bernstein H.J. High-Resolution Nuclear Magnetic Resonance
// McGraw-Hill Book Company, New York. – 1959.
16. Hindman J.C. Proton rasonanse shift of water in the gas and liquid states // J. Chem.
Phys. – 1996. – V. 44. – P. 4582 – 4592.
17. Study of Constitutive Superficial Water of Precipitated Amorphous Silicas using 1H NMR:
Broad-Line at 4K and HR MAS at 300 K / C. Doremieux-Morin, L. Heeribout,
C. Dumousseaux, J. Fraissard, H. Hommel, A.P. Legrand // J. Amer. Chem. Soc. – 1996. –
V. 118. – P. 13040 – 13045.
18. Relationships between characteristics of interfacial water and human bone tissues /
V.M. Gun`ko, V.V. Turov, A.P. Shpilko, R. Leboda, M. Jablonski, M. Gorzelak,
E. Jagiello-Wojtowicz // Coll. and Surf. – 2006. – V. 53. – P. 29 – 36.
19. Weakly and strongly associated nonfreezable water bound in bones / V.V. Turov,
V.M. Gun`ko, V.I. Zarko, R. Leboda, Jablonski M., M. Gorzelak, E. Jagiello-Wojtowicz //
Colloids and Surfaces. – 2006. – V. 48. – P. 167 – 175.
20. Structural and Adsorptive Characteristics of Fumed Silicas in Different Media /
V.M. Gun`ko, V.I. Zarko, V.V. Turov, E.F. Voronin, I.F. Mironyuk, A.A. Chuiko in:
Colloidal Silica: Fundamentals and Applications, Bergna H.E. (Ed.), Taylor & Francis
LLC, Salisbury. – 2005. – P. 499 – 530.
21. Turov VV., Leboda R. Application of H-1 NMR spectroscopy method for determination of
characteristics of thin layers of water adsorbed on the surface of dispersed and porous
adsorbents // Adv. Coll. Inter. Sci. – 1999. – V. 79, № 2 – 3. – P. 173 – 211.
22. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. В.П. Глушкова.–
М.: Наука, 1978.– Т. 1. – 514 с.
23. Proceedings of the 15th European Experimental NMR Conference (EENC 2000), 12-17
June 2000, University of Leipzig, Germany.
24. Influence of Organics on Stucture of Water Adsorbed on Activated Carbons /
V.M. Gun`ko, V.V. Turov, R. Leboda, J. Skubiszewska-Zięba, M.D. Tsapko, D. Palijczuk
// Adsorption. – 2005. – V. 11. – P. 163 – 168.
25. 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, № 1. – P. 23 – 34.
26. Behaviour of pure water and water mixture with benzene or chloroform adsorbed onto
ordered mesoporous silica / V.M. Gun`ko, V.V. Turov, A.V. Turov, V.I. Zarko, V.I. Gerda,
V.V. Janishpolski, I.S. Berezovska, V.A. Tertykh // Central European Journal of
Chemistry. – 2007. – V. 5, № 2. – P. 420 – 454.
27. Процессы самоорганизации водно-органических систем в наноразмерном
пространстве твердых тeл и биологических объектов / В.В. Туров, В.М Гунько,
П.П. Горбик, М.Д.Цапко, Р. Лебода, А.П. Головань в кн. Физико-химия
наноматериалов и супрамолекулярных структур. Ред.Шпак А.П., Горбик П.П. – Киев:
Наукова думка. – 2007. – С. 91 – 157.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-234 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:37Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/69/845946522152bb47436414be1613be69.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2342018-11-27T09:40:57Z Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents Структурная и энергетическая дифференциация воды в частично обезвоженых клетках saccharomyces cerevisiae под влиянием органических растворителей Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents Turov, V. V. Gun'ko, V. M. Gorbyk, P. P. Kerus', S. V. The Influence of organic solvents on associative structures of intracellular water and free energy interaction of water with intracellular functionalities which form endocellular space of yeast cells Saccharomyces cerevisiae has been studied by 1H NMR spectroscopy with layer- by-layer freezing-out of bulk and bound water. Water in partially dehydrated cells exists in unusual slightly association state in which average part of hydrogen bounds in each molecule of water less than one. Методом 1Н ЯМР спектроскопии с вымораживанием жидкой фазы изучено влияние органических растворителей на структуру ассоциативных агрегатов внутриклеточной воды и свободную энергию ее взаимодействия со стенками, формирующими внутриклеточное пространство дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae. Показано, что вода в частично дегидратированных клетках находится в необычном слабоассоциированном состоянии, в котором среднее число водородных связей, приходящихся на каждую молекулу воды меньше единици. The Influence of organic solvents on associative structures of intracellular water and free energy interaction of water with intracellular functionalities which form endocellular space of yeast cells Saccharomyces cerevisiae has been studied by 1H NMR spectroscopy with layer- by-layer freezing-out of bulk and bound water. Water in partially dehydrated cells exists in unusual slightly association state in which average part of hydrogen bounds in each molecule of water less than one. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/234 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 253-264 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 253-264 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 253-264 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/234/232 Авторське право (c) 2007 V.V. Turov, V.М .Gun’ko, P.P. Gorbyk, S.V. Kerus’ |
| spellingShingle | Turov, V. V. Gun'ko, V. M. Gorbyk, P. P. Kerus', S. V. Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title_alt | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents Структурная и энергетическая дифференциация воды в частично обезвоженых клетках saccharomyces cerevisiae под влиянием органических растворителей |
| title_full | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title_fullStr | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title_full_unstemmed | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title_short | Structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of Saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| title_sort | structural and energy differentiation of water in partially dehydrated cells of saccharomyces cerevisiae as influenced by organic solvents |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/234 |
| work_keys_str_mv | AT turovvv structuralandenergydifferentiationofwaterinpartiallydehydratedcellsofsaccharomycescerevisiaeasinfluencedbyorganicsolvents AT gunkovm structuralandenergydifferentiationofwaterinpartiallydehydratedcellsofsaccharomycescerevisiaeasinfluencedbyorganicsolvents AT gorbykpp structuralandenergydifferentiationofwaterinpartiallydehydratedcellsofsaccharomycescerevisiaeasinfluencedbyorganicsolvents AT kerussv structuralandenergydifferentiationofwaterinpartiallydehydratedcellsofsaccharomycescerevisiaeasinfluencedbyorganicsolvents AT turovvv strukturnaâiénergetičeskaâdifferenciaciâvodyvčastičnoobezvoženyhkletkahsaccharomycescerevisiaepodvliâniemorganičeskihrastvoritelej AT gunkovm strukturnaâiénergetičeskaâdifferenciaciâvodyvčastičnoobezvoženyhkletkahsaccharomycescerevisiaepodvliâniemorganičeskihrastvoritelej AT gorbykpp strukturnaâiénergetičeskaâdifferenciaciâvodyvčastičnoobezvoženyhkletkahsaccharomycescerevisiaepodvliâniemorganičeskihrastvoritelej AT kerussv strukturnaâiénergetičeskaâdifferenciaciâvodyvčastičnoobezvoženyhkletkahsaccharomycescerevisiaepodvliâniemorganičeskihrastvoritelej |