Состояние воды в растворах

Физиолог чаще всего имеет дело не с чистой водой в растении, а с растворами. В растворах, прежде всего, происходит нарушение типичной для чистой воды структуры. Происходит это по двум причинам: 1) из-за различий в размерах растворяемых ионов и молекул воды и полостей каркаса (геометрический фактор); 2) из-за переориентации молекул воды в электрическом поле иона (электрический фактор). Во втором случае образуется новая структура. От соотношения этих двух факторов зависит окончательный эффект, то есть преобладание стабилизации или разупорядоченности структуры воды.

Растворы электролитов. В растворе, содержащем ионы, существенно меняется структура воды. Эти изменения зависят от поляризующей силы иона (отношение заряда иона к его радиусу) и его концентрации. В разбавленных растворах (< 0,1 моль/л) маленькие ионы с большей плотностью заряда сильнее действуют на структуру чистой воды по сравнению с большими ионами, имеющими малую плотность заряда: первые притягивают молекулы воды, а вторые при внедрении в воду из-за большого размера разрушают льдоподобный каркас. При этом меняется вязкость водного раствора: слабогидрированные большие ионы (Li⁺, Na⁺, Mg²⁺, F^-) делают вязкость раствора ниже чистой воды, а маленькие хорошо гидрированные ионы, обусловливают более высокую вязкость, чем в чистой воде (K⁺, Pb⁺, NH₄⁺, C₃⁺, Cl^-, OH^-, NO₃^- и др.). Вокруг иона формируется первичный или ближний слой из молекул воды – это гидратация. Во время электрофореза этот слой движется вместе с ионом. Его подвижность очень низкая. За пределами первичной гидратации находится слой ориентированных молекул воды за счет действия иона. Подвижность воды во вторичной гидратной оболочке выше. При высокой концентрации раствора (более 1,5-2 моль/л) вторичные гидратные оболочки ионов перекрываются и структура воды перестает существовать, она переходит в кристаллогидрат. Чем больше ионов в растворе, тем больше нарушена структура воды и тем ниже температура кипения раствора, т. е. нужно меньше затратить энергии на разрыв оставшихся водородных связей.

Растворы неэлектролитов. В этом случае действует лишь геометрический фактор нарушения структуры чистой воды, так как между неполярными (гидрофобными) молекулами и водой не могут возникать электростатические взаимодействия и водородные связи.

Неполярные молекулы не встраиваются в льдоподобную структуру, а располагаются в ее полостях. Поэтому взаимодействие вода-вода не нарушается. Если размер неполярных молекул невелик, они не затрагивают гексагонального каркаса, а если велик, то вокруг них образуется иная структура (пентагональная и др.) с большими пустотами. Все это ведет к упорядочиванию структуры воды. стабилизацию структуры воды под влиянием неполярных молекул и радикалов называют гидрофобной гидратацией.

Растворы белков. Из-за большого размера макромолекул нарушается структура чистой воды. Образование новой структуры осуществляется путем гидратации гидрофильных групп (ионовых и электронейтральных), гидрофобной гидратации и иммобилизации (механического захвата) воды.

Ионная гидратация осуществляется по ионизированным группам макромолекулы (NH₃⁺, COO^-). Действующей силой является электростатическое притяжение. Поэтому ионная гидратация минимальна при изоэлектрической точке и усиливается по мере удаления от нее.

Электронейтральная гидратация происходит по полярным группам (COOH, CO, CHO, NH, NH₂, CONH₂) за счет водородной связи системы вода-белок.

Т.Ю. Щёголева (1981) показала, что структура гидратных оболочек макромолекул представляет собой несколько ассоциатов молекул воды около гидратных центров, которыми служат атомы указанных выше групп, свободные от внутри- и межмолекулярных контактов. Данные ЯМР показывают, что помимо воды, непосредственно взаимодействующей с полярными группами и ионами макромолекулы, на ее поверхности существует 2-3 слоя воды с ограниченной подвижностью. Различают невращательно-связанную воду - монослой гидратных оболочек, где подвижность молекул воды снижена на 3-4 порядка, и менее прочносвязанную воду двух следующих слоев молекул. Здесь подвижность воды снижена на два порядка. Эти данные опровергают существующее в 60-е гг. 20-ого столетия представление о том, что гидратная оболочка воды идентична льдообразной структуре. Количество гидратной воды у белков составляет 0,3 г на 1 г белка.

Гидрофобная гидратация неполярных групп макромолекулы белка осуществляется также, как и неполярных молекул (в растворе неэлектролитов).

Иммобилизованная макромолекулами, или структурно связанная вода, представляет собой механически захваченную воду при конформационных изменениях макромолекул. При этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве (внутри макромолекулы). Физические свойства этой воды не отличаются от свойств свободной воды, кроме ограничения движения на большие расстояния. В результате чего она выведена из общего водообмена. Физиологическое значение иммобилизованной фракции воды заключается в сохранении жизнеспособности зародыша семени. Считается, что белки могут иммобилизовать воды в 30 раз больше, чем весят сами.