Взаимодействие макромолекул с водой

Что присутствие воды сильно влияет на структуру и свойства макромолекул, хорошо известно. Влажная макромолекула - отнюдь не то же самое, что и сухая. Судя по кривым сорбции и десорбции воды на белках, макромолекулы ведут себя не как жесткий инертный субстрат, а скорее как деформируемое реактивное вещество, которое изменяет свою структуру под действием воды [84].

Удаление воды приводит к разрушению даже такой прочной структуры, как двойная спираль ДНК [85] Структура обезвоженной молекулы ДНК очень похожа на структуру денатурированной [85-89], но полностью восстанавливается при 75%-ной относительной влажности, когда содержание сорбированной воды составляет 50% от сухого веса, т.е. на нуклеотид приходится 10 молекул воды.

Однако влияние воды на макромолекулу не одностороннее и, как уже говорилось само по себе оно возможно лишь вследствие изменения состояния воды под воздействием макромолекулы. К сожалению, детально о состоянии воды возле поверхности макромолекулы известно мало. Основная причина этого заключается в том, что воздействие на макромолекулы на воду весьма сложно и порождает весьма многообразные изменения её состояния. сосуществующие в небольшом объеме возле макромолекулы. Так, согласно [83], структура воды зависит от не только от того, стабилизируется ли она возле полярной или неполярной группы но и от пространственного расположения этих групп. Экспериментального подхода для детального исследования столь сложной системы до сих пор нет, обычное же описание с помощью какого-либо одного глобального параметра заведомо далеко не полно и не может передать структурных, термодинамических и кинетических отличий микрофаз воды возле макромолекул. Тем не менее, в настоящее время часто пользуются таким параметром, как «гидратация», характеризуя с его помощью взаимодействие макромолекул с водой, Под «гидратацией» обычно подразумевается то количество воды, которое находится под «достаточно сильным влиянием» макромолекулы (что само по себе весьма неопределенно).Если «влияние» описывается в терминах подвижности, то гидратированной водой считается вода с пониженной подвижностью или «связанная» вода (под термином «связанная вода» здесь не подразумевается вода, механически включенная в полости макромолекулы или сетку хаотического клубка и движущаяся с ним как единое целое, хотя в аспекте гидродинамики макромолекул она - тоже «связанная»). Количественно подвижность молекул воды может быть оценена по самодиффузии [90, 91], электропроводности [92]. данным ядерного магнитного резонанса [93-100] и дисперсии диэлектрической проницаемости [101-106]. Однако пока ни один из перечисленных методов не дал, из-за сложности интерпретации экспериментальных данных, достаточно однозначной информации о состоянии воды возле макромолекулы.

Полагая, что связанная вода термодинамически мало отличается ото льда. Из дефицита теплоты плавления воды в растворе можно рассчитать количество молекул воды, не участвующих в плавлении, а следовательно, «замороженных» присутствием макромолекул. Конкретность этой операции представляет определенные удобства и, к тому же, намечает путь непосредственного определения понятия связанной воды - под связан ной водой можно подразумевать воду, которая не вымораживается при охлаждении, не плавится при последующем прогреве раствора. Фактически, это одно из первых определений связанной воды и - хотя в нем несколько упрощенно подразумевается, что вода находится либо в «связанном», либо только в «свободном» состоянии - до сих пор оно является наиболее удобным из-за своей определенности. К тому же упорядочивающее влияние макромолекул на воду, по-видимому, действительно, сосредоточено в весьма компактном пограничном слое, а не «размазано» по всему объему, т.е. эффект дальнодействия отсутствует. Последнее следует из того. что в концентрированных растворах макромолекул вообще нет свободной воды, которая бы замерзала при охлаждении; появляется же она лишь при наличии в растворе воды больше критического количества, которое и определяет величину гидратации [97]

Необходимо упомянуть также о возможности использования гидратации макромолекул и иных методов: рентгеноструктурного анализа [144], малоуглового рентгеновского рассеяния [115, 116], ультразвукового лоцирования [117, 118] и гидродинамических методов (см. напр. [119]).

В табл. 4 суммированы значения гидратации для некоторых макромолекул, полученные с помощью различных методов, отмеченных в графе 2 с соответствующей ссылкой. В последней же графе приводятся значения толщины гидратного слоя, рассчитанные из средних значений гидратации, и известных геометрических параметров макромолекул, в предположении, что гидратный слой компактен и равномерно покрывает всю поверхность макромолекулы.

Из приведенных экспериментальных данных видно, что макромолекулы действительно значительно связывают воду, однако далеко не в той мере, какой можно было бы ожидать, исходя из представлений, развиваемых Клотцем, и согласно которым возле них образуются структуры воды типа кристаллогидратов. Приближенный расчет средней толщины гидратного слоя возле макромолекулы также показывает, что этот слой - порядка мономолекулярного, величина же гидратации данного типа молекул в основном определяется их поверхностью: чем больше относительная поверхность (т.е. отношение поверхности к объему), тем больше и гидратация.

Весьма примечательно, что экспериментально определенные значения гидратации глобулярных белков весьма близки к тем оценкам, которые теоретически рассчитал Фишер [128], предположив, что на поверхности глобулярных белков находятся все имеющиеся в них полярные группы, все же неполярные группы запрятаны внутрь глобулы. Исходя из известного аминокислотного состава, Фишер получил для сывороточного альбумина и гемоглобина следующие значения гидратации:

0, 29г Н₂0/г вещества, 0, 29г H₂O/г вещества
и 0, 29г Н₂О/г вещества, соответственно

Совпадение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о том, что связывание или упорядочение воды нативными глобулярными белками, в основном осуществляется полярными группами. Если же неполярные группы и упорядочивают воду возле нативных макромолекул, то в весьма незначительной мере, большая же часть их обычно, по-видимому, скрыта внутри глобулы.

Судя по данным расчета величины гидратации различных групп в макромолекуле для проколлагена [119] и ДНК [129-132], аналогичная ситуация наблюдается и в нативных фибриллярных макромолекулах. Надо полагать, что именно взаимосвязь с водой определяет в первую очередь фибриллярный тип макромолекулярной структуры [133-136].

Поиск по сайту: