Вода в биологических системах

Вопрос о том, в каком именно состоянии находится вода в биологических системах, до сих пор является темой ожесточенных дискуссий, основная причина которых заключается в отсутствии достаточно достоверной информации. Биологическая система оказалась почти «непрозрачной» для большинства физико-химических методов, с помощью которых пытались узнать что-либо о воде. Некоторые весьма нечеткие данные, свидетельствующие о том, что тканевая вода находится в частично связанном состоянии, были получены методом инфракрасной спектроскопии [156- 158]. Многочисленные попытки использовать для исследования тканевой воды методом ЯМР привели лишь к накоплению большого количества трудно интерпретируемых данных [159-170], на основании которых весьма рискованно делать какие-либо выводы о состоянии воды [171]. Пожалуй наиболее четкая информация о состоянии воды в ткани была получена калориметрическим методом [111], оправдавшим себя при исследовании состояния воды в растворах макромолекул. Было показано [172, 173], что вода в ткани действительно находится в частично упорядоченном состоянии, оценить которое можно либо «структурной температурой», либо количеством связанной воды (см. табл. 5). Однако, если принять во внимание, что механизм стабилизирующего действия клеточных структур на воду не может существенно отличаться от механизма действия макромолекул в водных растворах, а следовательно, вода в ткани также гетерогенна по состоянию, то, по-видимому, необходимо считать более оправданным второй способ оценки упорядоченности тканевой воды - по количеству связанной воды.

Как видно из приведенных величин, количество связанной воды в ткани не столь уж велико, как можно было ожидать, умозрительно экстраполируя представления Клотца на живые системы (см. напр. [74]), в некоторых случаях оно даже меньше значения гидратации макромолекул. Это станет понятным, если принять во внимание, что поверхность соприкосновения макромолекул с водой значительно меньше в ткани (где они образуют надмолекулярные внутриклеточные структуры), чем в молекулярном растворе, отсюда следует, что по значениям количества связанной воды можно судить об общей величине поверхности соприкосновения неводных клеточных структур с водой, или о «дисперсности» этих структур.

По полученным данным, наименее дисперсной является мозговая ткань, что вполне правдоподобно, учитывая, что по весу большую ее часть составляют аксоны с толстыми миелиновыми оболочками.

Весьма интересно, что в процессе эмбрионального развития количество связанной воды уменьшается. Такого рода исследование было проведено совместно с Г.М.Мневришвили по предложению Б.Л. Астаурова на грене тутового шелкопряда. Было показано, что при развитии грена (с конца зимовки при 4°С по восьмой день инкубации при 20°С) количество связанной воды в ней снижается примерно в два раза (с 0, 32 г до 0, 18 г на 1 г сухого веса грены). Иначе говоря, с развитием упорядоченности биосистемы снижалась упорядоченность ее воды. Физически этот эффект не является неожиданным и может быть интерпретирован снижением общей поверхности соприкосновения неводных компонент с водой в процессе развития макромолекулярных и надмолекулярных структур клеток, однако привлекает внимание другая сторона этого эффекта - создается впечатление, что вода служит как бы негэнтропейным резервуаром для живой системы в процессе ее развития.

Подойдя вплотную к вопросу о роли воды, и в частности связанной воды, в биосистемах, необходимо сразу же отметить большой дефицит количественного фактического материала, пригодного для физического анализа. В результате основное количество работ в этом направлении посвящено построению различных предложений и экстраполяции к живым системам всего того, что известно о воде из более простых моделей (см. напр. [59, 174-180])

Вполне возможно, что для биосистем особенно существенен механизм дальнодействия, который присущ воде, а тем более упорядоченной воде [59, 177, 179]. Как уже отмечалось, вода может бездиссипативно передавать энергию и с большой скоростью проводить заряды по упорядоченным цепочкам.

Однако не исключено, что особое значение имеет взаимосвязь структуры макромолекулы и воды, которые образуют, выражаясь терминами кибернетики, систему с обратной связью, причем с такой связью, которая может изменять свой знак и регулироваться присутствием ионов. В таком случае вода может оказаться тем звеном, через которое развивается лавина цепных реакций, играющих столь важную роль в биологии [177], либо средой, через которую осуществляются автоколебания [178, 180].

Недавно было показано, что при сокращении мышцы в спектре ЯМР сужается линия поглощения протона воды [170]. Авторы считают, что это свидетельствует о плавлении части связанной воды, имеющей в мышце [до 20%]. Однако, если даже наблюдаемое сужение линии и не связано непосредственно с переходами в воде, то можно быть почти уверенным, что всего лишь из-за недостатков метода. Действительно, если вода играет столь большую роль в денатурированных превращениях макромолекул, то она не может не играть роли и в более тонких изменениях их структуры, происходящих при их функционировании.

Список литературы:

1. Бернал Д. П., Фаулер Р.Г., Успехи физ. наук., 14, 586, 1934.

2. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, изд-во АН СССР, М., 1957.

3. М., стр. 115, 1964.

4. Жуков В.В., Степин Л.Д., Биофизика, 10, 979, 1965.

5. Benson S.W., Altman R.L., J. Amer. Chem. Soc., 75, 3925, 3935, 1953.

6. Сидорова А.И., Холманов А.И., в сб.: Структура и роль воды в живом организме, изд. ЛГУ, 146, 1966.

Поиск по сайту: