Склад та функції біологічних мембран. Вода як складовий компонент біомембран: структура, властивості, біологічна роль

Молекула води складається з одного атома кисню та двох атомів водню (H2O). Схематично будову молекули води можна зобразити так:

Молекула води є так званою полярною молекулою, тому що її позитивний і негативний зарядне розподілені рівномірно навколо якогось центру, а розміщені асиметрично, утворюючи позитивний і негативний полюси. Малюнок показує надзвичайно спрощеному вигляді, як приєднані два атоми водню до одного атома кисню, утворюючи молекулу води.

Кут позначений на малюнку та відстань між атомами залежить від агрегатного стануводи (маються на увазі рівноважні параметри, тому що мають місце постійні коливання). Так у пароподібному стані кут дорівнює 104° 40", відстань O-H- 0,096 нм; у льоду кут - 109° 30", відстань O-H - 0,099 нм. Відмінність параметром молекули в пароподібному (вільному) стані і у льоду викликано впливом сусідніх молекул. рідкій фазі, в якій крім впливу сусідніх молекул води існує сильний впливрозчинених іонів інших речовин

Історія визначення складу молекули води

Навесні 1783 р., Канендиш у своїй кембриджській лабораторії працював з нещодавно відкритим "життєвим повітрям" - так на той час називали кисень, і "горючим повітрям" (так називали водень). Він змішував один обсяг "життєвого повітря" з двома обсягами "пального повітря" та пропускав через суміш електричний розряд. Суміш спалахувала, і стінки колби покривалися крапельками рідини. Досліджуючи рідину, вчений дійшов висновку, що це чиста вода. Раніше таке явище описав французький хімікП'єр Макер: він ввів у полум'я "пального повітря" порцелянове блюдце, на якому утворилися крапельки рідини. Яке ж було здивування Макера, коли він дослідив рідину, що утворилася, і виявив що це вода. Виходив якийсь парадокс: вода, що гасить вогонь, сама утворюється при горінні. Як ми тепер розуміємо, відбувався синтез води з кисню та водню:

H 2 + O 2 → 2H 2 O + 136,74 ккал.

У звичайних умовахця реакція не йде, і щоб водень став активним, потрібно підвищити температуру суміші, наприклад, за допомогою електричної іскри, як у дослідах Кавендіша. Генрі Кавендішмав достатні дані, щоб встановити, в яких пропорціях входить кисень і водень до складу води. Але він цього не зробив. Можливо, йому завадила глибока віра у теорію флогістона, у межах якої намагався інтерпретувати свої експерименти.

Звістка про досліди Кавендіша досягла Парижа у червні того ж року. Лавуазьє відразу ж повторив ці досліди, потім провів цілу серіюподібних експериментів і через кілька місяців 12 листопада 1783 р. у день святого Мартіна доповів результати досліджень на традиційних зборах Французька академіянаук. Цікаво назва його доповіді, характерне для всієї тієї несуєтної педантичної епохи великих відкриттів природознавства: "Про природу води та експерименти, мабуть, що підтверджують, що ця речовина не є, строго кажучи, елементом, а може бути розкладена і утворена знову". Доповідь була зустрінута гарячими запереченнями - дані Лавуазьє явно суперечили шановній та популярній на той час теорії флогістону. Він зробив правильний висновок, Що вода утворюється при з'єднанні "пального газу" з киснем і містить (за масою) 15% першого та 85% другого (сучасні дані - 11,19% та 88,81%).

Через два роки Лавуазьє знову повернувся до дослідів із водою. Академія наук поставила перед Лавуазьє практичне завдання- знайти дешевий спосібодержання водню як найлегшого газу для потреб повітроплавання, що народжується. Лавуазьє залучив до роботи військового інженера, математика та хіміка Жана Меньє. В якості вихідної речовинивони вибрали воду - навряд можна було знайти сировину дешевше. Знаючи, що вода - це з'єднання водню з киснем, вони намагалися знайти спосіб відібрати від неї кисень. Для цієї мети підходили різні відновники, найбільш доступним було металеве залізо. З реторти-кип'ятильника водяні пари надходили в розпечений докрасна на жаровні рушничний ствол залізною тирсою. При температурі червоного гартування (800 °С) залізо вступає в реакцію з водяною парою, і виділяється водень:

3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

Водень, що утворився при цьому, збирався, а не водяні пари, що прореагували, конденсувалися в холодильнику і відокремлювалися у вигляді конденсату від водню. З кожних 100 гран води виходило 15 гран водню та 85 гран кисню (1 гран = 62,2 мг). Ця робота мала і важливе теоретичне значення. Вона підтвердила раніше зроблені висновки (з досвіду зі спалювання водню в кисні під дзвоном), що вода містить 15% водню та 85% кисню (сучасні дані – 11,19% та 88,81%).

Виходячи з того, що "горюче повітря" бере участь в утворенні води, французький хімік Гітон де Морво в 1787 р. запропонував назвати його hydrogene (від слів гідровода і геннао-роджу). Російське слово"водень", тобто. "що народжує воду", є точним перекладомлатинської назви.

Жозеф Луї Гей-Люссак та Олександр Гумбольдт, провівши спільні досліди 1805 року вперше встановили, що для утворення води необхідні два обсяги водню та один обсяг кисню. Подібні думки було висловлено і італійським ученим Амедео Авогадро. У 1842 р. Жан Батист Дюма встановив вагове співвідношення водень та кисню у воді як 2:16.

Однак через те, що з атомними масами елементів у першій половині XIX століття було багато плутанини і ця обстановка ще більше ускладнилася у зв'язку з введенням поняття "еквівалентна вага", то довгий часформула води записувалася в самих різних варіантах: то як HO, то як H 2 O і навіть H 2 O 2 Про це писав Д.І. Менделєєв: "У 50-х роках одні приймали O=8, інші O=16, якщо H=1. Вода для перших була HO, перекис водню HO 2 , для других, як нині, вода H 2 O, перекис водню H 2 O 2 або HO. Смута, плутаність панували ... ".

Після Міжнародного конгресу хіміків у Карлсруе, що відбувся в 1860 році, вдалося внести ясність у деякі питання, які відіграли помітну роль у подальший розвиток атомно-молекулярної теорії, отже, й у правильному тлумаченні атомарного складу води. Було встановлено єдину хімічну символіку.

Експериментальні дослідження, виконані в XIX столітті ваговими та об'ємними методами, зрештою переконливо показали, що вода як хімічне з'єднанняможе бути виражена формулою H2O.

Як відомо, молекула води досить " однобока " - обидва атома водню примикають до кисню з одного боку. Цікаво, що ця надзвичайно важлива особливістьмолекули води було встановлено суто умоглядно задовго до епохи спектроскопічних досліджень англійським професором Д. Берналом. Він виходив з того, що вода має дуже сильний електричний момент (тоді, в 1932 р., це було відомо). Найпростіше, звичайно, молекулу води "сконструювати", розташувавши всі атоми, що входять до неї, по прямій лінії, тобто. H-O-H. "Однак, - пише Бернал, - водяна молекула подібним чином побудована бути не може, бо за такої структури молекула, що містить два позитивні атоми водню і негативний атом кисню, була б електрично нейтральною, не мала б певної спрямованості ... електричний моментможливо тільки, якщо обидва атоми водню примикають до кисню з одного й того ж боку".

Вступ

Організм людини майже на 70% складається із води. Вода - насамперед розчинник, серед якого протікають все елементарні акти життєдіяльності. До того ж вода – продукт та субстрат енергетичного метаболізму в живій клітці. Образно кажучи, вода – це арена, на якій розігрується дія життя та учасник основних біохімічних перетворень.

Відомо що вода присутня у всіх частинах нашого організму, хоча наприклад у корі мозку її 85%, у шкірі 72%, у зубній емалі лише 3%. Це свідчить про те, що в найбільш інтенсивно працюючих органах міститься більша кількістьводи.

Деяка частина води в організмі може більш менш міцно зв'язуватися з розчиненими в ній речовинами і з поверхнею біополімерних макромолекул за допомогою як водневих зв'язків, так і сил іон-дипольної взаємодії. Це може призводити до помітної зміни конфігурації, ефективних розмірів і ваг тих чи інших частинок, що беруть участь в реакції, і в деяких випадках істотної модифікації їх властивостей. Наприклад, виявляється, що натрієві канали нервових клітин, мають діаметр близько 0,5 нм, практично недоступні для проходження ними іонів калію, хоча діаметр самого іона K+ дорівнює 0,26 нм. Насправді іон K+ гідратований і, отже, для розрахунку його ефективних розмірів діаметру K+ слід додати діаметр молекули води 0,28 нм. У результаті комплексний іон + діаметром майже 0,6 нм крізь натрієвий канал пройти не може, тоді як іон гідратований + діаметром близько 0,47 нм вільно дифундує через цей канал.

Іншим прикладом зміни розмірів біологічного субстратуможе бути молекула ДНК. Зокрема, відомо, що на кожен нуклеотид макромолекули припадає близько 50 молекул води, пов'язаних з ДНК. У загальної складностіводна плівка ДНК збільшує ефективний діаметр циліндричної макромолекули ДНК з 2 нм у безводному стані до 2,9 нм у водному розчині, що надзвичайно важливо, наприклад, при зчитуванні інформації.

Будова води

Вода - унікальна речовина та вся її аномальні властивості: висока температуракипіння, значна розчинна і дисоціююча здатність, мала теплопровідність, висока теплота випаровування та інші обумовлені будовою її молекули та просторовою структурою.

У окремо взятої молекули води є якість, яка проявляється тільки в присутності інших молекул: здатність утворювати водневі містки між атомами кисню двох молекул, що опинилися поруч, так, що атом водню розташовується на відрізку, що з'єднує атоми кисню. Властивість утворювати такі містки обумовлено наявністю особливої ​​міжмолекулярної взаємодії, в якій істотну рольграє атом водню. Ця взаємодія називається водневим зв'язком.

Кожна з приєднаних до цієї молекул води сама здатна до приєднання подальших молекул. Цей процес можна називати "полімеризацією". Якщо тільки одна з двох можливих зв'язківбере участь у приєднанні наступної молекули, а інша залишається вакантною, то "полімеризація" призведе до утворення або зигзагоподібного ланцюга, або замкнутого кільця. Найменше кільце, мабуть, може складатися з чотирьох молекул, але величина кута 90 ° робить водневі зв'язки вкрай напруженими. Практично ненапруженими повинні бути п'ятиланкові кільця (кут 108°), а шестиланкові (кут 120°), як і семизвенные - напружені.

Розгляд реальних структургідратів показує, що дійсно найбільш стійке шестиланкове кільце, що знаходиться в структурах льодів. Плоскі кільця є привілеєм клатратних гідратів, причому у всіх відомих структурахнайчастіше зустрічаються плоскі п'ятиланкові кільця з молекул води. Вони, як правило, чергуються у всіх структурах клатратних гідратів із шестиланковими кільцями, дуже рідко з чотириланковими, а в одному випадку – з плоским семиланковим.

У цілому нині структура води представляється як суміш всіляких гідратних структур, які у ній утворитися.

У прикладному аспектіце, наприклад, має важливе значеннярозуміння дії лікарських речовин. Як було показано Л. Полінг структурована клатратна форма води в міжсинаптичних утвореннях мозку забезпечує, з одного боку, передачу імпульсів з нейрона на нейрон, а, з іншого боку при попаданні в ці ділянки наркозної речовини така передача порушується, тобто спостерігається явище наркозу. Гідратація деяких структур мозку є одним із основ реалізації дії наркотичних анальгетиків (морфіну).

Біологічне значення води

Вода як розчинник. Вода – чудовий розчинник для полярних речовин. До них відносяться іонні сполуки, такі як солі, у яких заряджені частинки (іони) дисоціюють у воді, коли речовина розчиняється, а також деякі неіонні сполуки, наприклад цукру та прості спирти, в молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи (-OH) .

Результати численних дослідженьбудови розчинів електролітів свідчать, що з гідратації іонів у водних розчинах основну роль грає ближня гідратація - взаємодія іонів з найближчими до них молекулами води. Великий інтереспредставляє з'ясування індивідуальних характеристикближньої гідратації різних іонів, як ступеня зв'язування молекул води в гідратних оболонках, так і ступеня спотворення в цих оболонках тетраедричної льодоподібної структури чистої води- зв'язки у молекулі змінюються на неповний кут. Розмір кута залежить від іона.

Коли речовина розчиняється, її молекули або іони отримують можливість рухатися вільніше і, відповідно, її реакційна здатність зростає. З цієї причини у клітці більша частина хімічних реакційпротікає у водних розчинах. Неполярні речовини, наприклад, ліпіди, не змішуються з водою і тому можуть розділяти водні розчинина окремі компартаменти, подібно до того, як їх поділяють мембрани. Неполярні частини молекул відштовхуються водою і в її присутності притягуються один до одного, як це буває, наприклад, коли крапельки олії зливаються у великі краплі; інакше кажучи, неполярні молекули гідрофобні. Подібні гідрофобні взаємодії грають важливу рольу забезпеченні стабільності мембран, а також багатьох білкових молекул, нуклеїнових кислотта інших субклітинних структур.

Властивості води розчинника означають також, що вода служить середовищем для транспорту різних речовин. Цю роль вона виконує в крові, у лімфатичній та екскреторних системах, у травному тракті та у флоемі та ксилемі рослин.

Велика теплоємність . Питомою теплоємністюводи називають кількість теплоти в джоулях, яку необхідно, щоб підняти температуру 1 кг води на 1° C. Вода має велику теплоємність (4,184 Дж/г). Це означає, що значне збільшення теплової енергії викликає лише порівняно невелике підвищення її температури. Пояснюється таке явище тим, що значна частинацієї енергії витрачається на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.

Велика теплоємність води зводить до мінімуму те, що відбувається в ній. температурні зміни. Завдяки цьому біохімічні процесипротікають у меншому інтервалі температур, з більш постійною швидкістюі небезпека порушення цих процесів від різких відхилень температури загрожує їм настільки сильно. Вода служить багатьом клітин і організмів місцем існування, котрій характерно досить значне сталість умов.

Велика теплота випаровування. Прихована теплотавипаровування є міра кількості теплової енергії, яку необхідно повідомити рідини для її переходу в пару, тобто для подолання сил молекулярного зчеплення рідини. Випаровування води вимагає досить значних кількостей енергії (2494 Дж/г). Це існуванням водневих зв'язків між молекулами води. Саме тому температура кипіння води - речовини з настільки малими молекулами - надзвичайно висока.

Енергія, необхідна молекулам води для випаровування, черпається з їхнього оточення. Таким чином, випаровування супроводжується охолодженням. Це явище використовується у тварин при потовиділенні, при тепловій задишці у ссавців або у деяких рептилій (наприклад, у крокодилів), які сидять на сонце. відкритим ротом; можливо, воно відіграє помітну роль і в охолодженні листів, що транспірують.

Велика теплота плавлення. Прихована теплота плавлення є мірою теплової енергії, необхідної для розплавлення. твердої речовини(льоду). Воді для плавлення (танення) необхідно порівняно велика кількістьенергії. Справедливе і протилежне: при замерзанні вода має віддати велику кількість теплової енергії. Це зменшує ймовірність замерзання вмісту клітин і рідини, що їх оточує. Кристали льоду особливо згубні для живого, коли вони утворюються усередині клітин.

Щільність та поведінка води поблизу точки замерзання. Щільність води (максимальна при +4 ° С) від +4 до 0 ° С знижується, тому лід легший за воду і у воді не тоне. Вода - єдина речовина, що володіє рідким станом більшою щільністю, ніж у твердому, так як структура льоду більш пухка, ніж структура рідкої води.

Оскільки лід плаває у воді, він утворюється при замерзанні спочатку на її поверхні і лише під кінець у придонних шарах. Якби замерзання ставків йшло в зворотному порядку, знизу вгору, то в областях з помірним чи холодним кліматом життя у прісноводних водоймах взагалі не могло б існувати. Те, що шари води, температура яких впала нижче 4° С, піднімаються вгору, зумовлює перемішування води у великих водоймах. Разом з водою циркулюють і ті, що знаходяться в ній. поживні речовини, завдяки чому водоймища заселяються живими організмами на велику глибину.

Після проведення ряду експериментів було встановлено, що зв'язана вода при температурі нижче точки замерзання не переходить у кристалічні гратильоду. Це енергетично невигідно, оскільки вода досить міцно пов'язана з гідрофільними ділянками розчинених молекул. Це знаходить застосування у кріомедиціні.

Великий поверхневий натяг та когезія. Когезія – це зчеплення молекул фізичного тілаодин з одним під впливом сил тяжіння. На поверхні рідини існує поверхневий натяг – результат діючих між молекулами сил когезії, спрямованих усередину. Завдяки поверхневому натягу рідина прагне прийняти таку форму, щоб площа поверхні була мінімальною (в ідеалі - форму кулі). З усіх рідин найбільше поверхневе натяг у води (7,6 · 10-4 Н/м). Значна когезія, характерна для молекул води, відіграє важливу роль у живих клітинах, а також при русі води судинами ксилеми в рослинах. Багато дрібні організми отримують для себе користь з поверхневого натягу: воно дозволяє їм утримуватися на воді або ковзати її поверхнею.

Вода як реагент. Біологічне значенняводи визначається і тим, що вона є одним з необхідних метаболітів, тобто бере участь у метаболічних реакціях. Вода використовується, наприклад, як джерело водню в процесі фотосинтезу, а також бере участь у реакціях гідролізу.

Особливості талої води

Вже невелике нагрівання (до 50-60 ° С) призводить до денатурації білків та припиняє функціонування живих систем. Тим часом, охолодження до повного замерзання і навіть до абсолютного нуляне призводить до денатурації і не порушує конфігурацію системи біомолекул, тому життєва функціяпісля відтавання зберігається. Це положення дуже важливе для консервування органів і тканин, призначених для пересадки. Як зазначалося вище, вода в твердому станімає іншу впорядкованість молекул, ніж у рідкому і після замерзання та відтавання набуває дещо інші біологічні властивості, що спричинило застосування талої води з лікувальною метою. Після відтавання вода має більш упорядковану структуру, із зародками клатратів льоду що дозволяє їй взаємодіяти з біологічними компонентамиі розчиненими речовинами, наприклад, з іншою швидкістю. При вживанні талої води в організм потрапляють дрібні центри льодоподібної структури, які в подальшому можуть розросттися і перевести воду в льодоподібний стан і тим самим зробити оздоровлюючу дію.

Інформаційна роль води

При взаємодії молекул води зі структурними компонентами клітини можуть утворюватися не тільки вищеописані п'яти-, шести-і т. д. компонентні структури, але і тривимірні утворення можуть утворюватися додекаедральні форми, які можуть мати здатність до утворення ланцюжкових структур, пов'язаних спільними п'ятикутними сторонами. Подібні ланцюжки можуть існувати і у вигляді спіралей, що уможливлює реалізацію механізму протонної провідності по цьому універсальному струмопроводу. Слід також врахувати дані С. В. Зеніна (1997), що молекули води в таких утвореннях можуть взаємодіяти між собою за принципом зарядової комплементарності, тобто за допомогою далекої кулонівської взаємодії без утворення водневих зв'язків між гранями елементів, що дозволяє розглядати структурований стан води як вихідної інформаційної матриці. Така об'ємна структура має можливість переорієнтуватися, внаслідок чого відбувається явище "пам'яті води", оскільки в новому стані відображено кодуючу дію введених речовин або інших факторів, що обурюють. Відомо, що такі структури існують нетривалий час, але у разі знаходження всередині додекаедру кисню чи радикалів відбувається стабілізація таких структур.

У прикладному аспекті можливості "пам'яті води" та передачі інформації за допомогою структурованої води пояснюють дію гомеопатичних засобів та акупунктурних впливів.

Як мовилося раніше, все речовини при розчиненні у питній воді утворюють гідратні оболонки і тому кожній частинці розчиненої речовини відповідає конкретна структура гідратної оболонки. Струшування такого розчину призводить до зхлопування мікробульбашок з дисоціацією молекул води та утворення протонів, що стабілізують таку воду, яка набуває випромінювальних властивостей і властивостей пам'яті, властивих розчиненій речовині. При подальшому розведенні цього розчину і струшуванні утворюються дедалі довші ланцюги - спіралі й у 12-сотенном розведенні немає самої речовини, але зберігається пам'ять про ньому. Введення цієї води в організм передає цю інформацію структуровані компоненти води біологічних рідин, яка передається структурним компонентам клітин. Таким чином, гомеопатичний препарат діє передусім інформаційно. Додавання спирту у процесі приготування гомеопатичного засобу подовжує стійкість у часі структурованої води.

Не виключено, що спіралеподібні ланцюги структурованої води є можливими компонентами перенесення інформації з біологічно активних точок(крапок акупунктури) на структурні компоненти клітин певних органів.

Список літератури

1. Садівнича Л. П. із співавт. Біофізична хімія, К.: Вища школа, 1986. – 271 с.
2. Габуда С. П. Пов'язана вода. Факти та гіпотези, Новосибірськ: Наука, 1982. - 159 с.
3. Зб. Структура і роль води у живому організмі, Л.: Изд. ЛДУ, 1966. – 208 с.
4. Бишевський А. Ш., Терсенов О. А. Біохімія для лікаря, Єкатеринбург: вид. "Уральський робітник", 1994. - 378 с.
5. Грін Н., Стаут У., Тейлор Д. Біологія, т. 1: Пер. з англ. - М: Мир, 1993. - 368 с.
6. Чанг Р. Фізична хіміяз додатками до біологічним системамМ.: Світ, 1980. – 662 с.
7. Зенін С. В. Водне середовищеяк інформаційна матрицябіологічних процесів У кн. Тези доповідей 1 Міжнародного симпозіуму, Пущино, 1997, с. 12-13.
8. Сміт С. Електромагнітна біоінформація та вода. Вісник біофізичної медицини, 1994, №1, с. 3-13.
9. Антонченко В. Я., Ільїн В. В. Проблемні питанняфізики води та гомеопатії. Вісник біофізичної медицини, 1992, №1, с.11-13.

Структура та властивості біологічних мембран

Біологічними мембранаминазивають функціональні структуриклітин, товщина яких становить кілька молекулярних шарів, що обмежують цитоплазму та більшість внутрішньоклітинних структур. Вони утворюють єдину внутрішньоклітинну структуру каналів, складок та замкнутих порожнин. Товщина біологічних мембран рідко перевищує 10,0 нм, але внаслідок щільного пакування в них основних молекулярних компонентів (білки та ліпіди), а також великої загальної площі клітинних мембранвони становлять зазвичай понад половину маси сухих клітин.

Біологічні мембрани побудовані в основному з білків, ліпідів та вуглеводів. Білки та ліпіди становлять основну частину сухої маси мембран. Частка вуглеводів 10-15%, причому вони пов'язані з молекулами білка (глікопротеїни), або з молекулами ліпідів (гліколіпіди). У мембранах різного походженнявміст ліпідів становить 25-75% по масі по відношенню до білка.

До складу біомембран входять ліпіди, що належать до трьох основних класів: гліцерофосфатиди (фосфоліпіди), сфінго-і гліколіпіди. Рідко у складі мембран входять стероїди.

Мембранні ліпіди мають порівняно невелику полярну (заряджену) головку та довгі незаряджені (неполярні) вуглеводневі ланцюги. Полярні головки гліцерофосфітідів – фосфатидилхолін, фосфатидилетаноламін та сфінгомієлін. Вони несуть позитивний і негативний заряд і при нейтральних значенняхрН електронейтральні. Жирні кислоти, що входять до складу ліпідів, містять 12-22 вуглецевих атоми. Вуглеводневі ланцюги можуть бути повністю насиченими або містити 1-6 подвійних зв'язків. У природних фосфоліпідах жирні кислоти, що мають ненасичені зв'язки, виявляються зазвичай у другому положенні гліцеринового залишку.

Білковий склад мембран також різноманітний. Більшість мембран містять різноманітні білки, молекулярна масаяких становить від 10 000 до 240 000. Залежно від ступеня гідрофобності амінокислотних залишків, білки або частково або повністю занурені в ліпідний шар мембран або пронизують його наскрізь. Найбільш слабко пов'язані з мембраною периферичні білки, що утримуються за рахунок слабких електростатичних взаємодій. Білки, що сильно пов'язані з ліпідами мембран і глибоко занурені в них називають інтегральними . Вони становлять основну масу мембранних білків. У функціональному відношенні мембранні білки поділяються на групи: ферментативні, транспортні та регуляторні . Вирізняють також структурні білки, які виконують опорно-будівельні функції.

Важливим структурним компонентоммембран є вода. Воду, що входить до складу мембран, поділяють на групи: пов'язану, вільну та захоплену воду . Найменшою рухливістю має пов'язана вода, присутня у вигляді одиночних молекул у вуглеводневій зоні мембран. Основна частина пов'язаної води- Це вода гідратних оболонок макромолекул. Гідратні оболонки утворюються головним чином навколо полярних частин молекул ліпідів та білків. Гідратні оболонки основних структуроутворюючих ліпідів складаються зазвичай із 10-12 молекул води. Ця вода осмотично неактивна і нездатна розчиняти будь-які речовини.

Іноді у складі зв'язаної води виділяють слабопов'язану воду. Слабозв'язана вода за рухливістю та деякими іншими властивостями займає проміжне положенняміж водою гідратних оболонок та рідкою вільною водою.

Вільнавода входить до складу мембран у вигляді самостійної фази і має рухливість, як і у рідкої води.

Захопленавода виявлена ​​у центральній частині мембран між ліпідними бислоями. За параметрами рухливості вона відповідає рідкій вільній воді, але повільно обмінюється з зовнішнім середовищемчерез фізичну роз'єднаність.

Функції біомембран:

1. Бар'єрна– забезпечує селективний, регульований, пасивний та активний обмін речовиною з довкіллям.

2.Матрична- Забезпечує певне взаємне розташуваннята орієнтацію мембранних білків, їх оптимальну взаємодію.

3.Механічна- Забезпечує міцність і автономність клітини, внутрішньоклітинних структур.

4.Енергетична – синтез АТФна внутрішніх мембранахмітохондрій та фотосинтез у мембранах хлоропластів.

З нею пов'язані багато структурно-функціональні властивості мембран, а також процеси стабілізації та формування мембран. Вода входить до складу мембран і ділиться на вільну, пов'язану та захоплену. Пов'язана і вільна вода відрізняється за рухливістю молекул води і здатності, що розчиняє. Найменшу рухливість і розчинну здатність має внутрішня зв'язана вода. Вона присутня у ліпідній зоні мембран у вигляді окремих молекул. Основну частину зв'язаної води становить вода гідратних оболонок. Ця вода оточує полярні групи білків і ліпідів, має min рухливість і практично не має властивостей розчинника. Вільна вода в порах та каналах. Нею можуть переміщатися вільні іони. Вона є хорошим розчинником, рухлива і має всі властивості рідкої води. Захоплена вода має ізотопний рух, характерний для рідкої води, є хорошим розчинником. Вона зустрічається в центральній зоні мембран між її ліпідними шарами, але ця вода просторово ділиться як з позаклітинною рідиною, так і з цитоплазмою. Вона не має можливості вільно з ними обмінюватися.

Особливості будови води

Вода є середовищем з великою кількістюводневих зв'язків, саме вони визначають особливі властивостіводи:

Її здатність зберігати рідкий стану широкому діапазоні t0,

Низький t0 утворення льоду.

Для льоду характерно строго впорядковане розташування молекул води під тетраедричними кутами. Кожна молекула має 4 водневі зв'язки між сусідніми молекулами. Це пухка структура. Коли з льоду утворюється вода, ця структура руйнується, в рідкій воді зустрічаються молекули з 4,3,2,1 і 0 водневими зв'язками. Водневі зв'язки у рідкій воді характеризуються широким набором кутів та довжин.

Потенційна енергія. U вод. зв'язок. рідк. води – безперервна функціякута міжмолекулярного водневого зв'язку та геометричних характеристикмолекули води.

Існує декілька моделей структури води

1. Розроблена Айзенбергом та Кауцманом. Особливу увагузвертається на масштаб часу спостереження структурою. Вдалося виявити 3 структури води:

1) якщо зробити знімок із тривалістю експозиції набагато меншим, ніж період коливань молекул води (?<

2) якщо продовжити?>>кол., але набагато менше часу обертання тіл дифузії t=10–5 с, то вдається поспостерігати за К-структурою. Вона характеризується упорядкованим розташуванням молекул води, але випадковістю орієнтації.

3) при?>>періоду обертання дифузії виходить Д-структура. Вона характеризується регулярним розташуванням молекул води та його правильної, закономірної орієнтацією.

2. Кластерна модель Шерага.

Рідка вода складається з окремих молекул та структурно пов'язаних кластерів. Кластери постійно розпадаються і з'являються знову. Це створює усереднене оточення кожної окремо взятої молекули води, - слабо враховує молекули води в молекулярних групах.

3. Модель Самойлова

розглядає структурні зміни води за різних температур. Припустимо, що під час танення льоду, молекула води, що відірвалася, заповнює порожнечі кристалічної решітки, при цьому збільшується питома вага. Максимальна питома вага води спостерігається при +40С, при вищій t0 відбувається збільшення амплітуди коливань молекул води, збільшення об'єму, що займається нею, і зниження щільності.

Розчинність різних речовин у воді

У воді добре розчиняються електроліти внаслідок високої діелектричної проникності води, також речовини з великим дипольним моментом і речовини, здатні утворювати водневі зв'язки з молекулами води.

Малюнок. Нерозчинні речовини у воді: різні вуглеводні, олії, жири. Це тим, що контакти між молекулами Н2О–Н2О і С6Н6–О молекулами виявляються вигіднішими, ніж С6Н6–Н2О. У будь-якій ситуації, коли вільна енергія розчину менше вільної енергії води та розчинної речовини, ця речовина добре розчиняється у воді (і навпаки). Мембранна вода.

Поділяють на 3 типи залежно від осмотичної активності, здатності розчиняти речовини та обмінюватися із зовнішнім середовищем.

1. Вільна вода. Рухлива фаза, здатна розчиняти будь-які хімічні речовини та

має осмотичної активністю. У мембранах знаходиться у іонних каналах.

2. Захоплена вода. Близька до вільної, але локалізована між двома шарами мембрани,

Важко обмінюється із довкіллям і ефективна при транспорті.

3. Пов'язана вода (кілька типів).

Вода гідратних оболонок (зв'язується з білковим компонентом)

Міцно пов'язана з білковим компонентом іонних каналів.

Стан мембран залежить від складу ліпідів та температури середовища.

Температура фазового переходу - температура, мембрана переходить із одного фазового стану до іншого.

Організм людини майже на 70% складається із води. Вода — насамперед розчинник, серед якого протікають все елементарні акти життєдіяльності. До того ж вода — продукт та субстрат енергетичного метаболізму у живій клітині. Образно кажучи, вода – це арена, на якій розігрується дія життя та учасник основних біохімічних перетворень.

Відомо що вода присутня у всіх частинах нашого організму, хоча наприклад у корі мозку її 85%, у шкірі 72%, у зубній емалі лише 3%. Це свідчить про те, що в найбільш інтенсивно працюючих органах міститься більша кількість води.

Деяка частина води в організмі може більш менш міцно зв'язуватися з розчиненими в ній речовинами і з поверхнею біополімерних макромолекул за допомогою як водневих зв'язків, так і сил іон-дипольної взаємодії. Це може призводити до помітної зміни конфігурації, ефективних розмірів і ваг тих чи інших частинок, що беруть участь в реакції, і в деяких випадках істотної модифікації їх властивостей. Наприклад, виявляється, що натрієві канали нервових клітин, що мають діаметр близько 0,5 нм, практично недоступні для проходження ними іонів калію, хоча діаметр самого іона K+ дорівнює 0,26 нм. Насправді іон K+ гідратований і, отже, для розрахунку його ефективних розмірів діаметру K+ слід додати діаметр молекули води 0,28 нм. У результаті комплексний іон + діаметром майже 0,6 нм крізь натрієвий канал пройти не може, тоді як іон гідратований + діаметром близько 0,47 нм вільно дифундує через цей канал.

Іншим прикладом зміни розмірів біологічного субстрату може бути молекула ДНК. Зокрема, відомо, що на кожен нуклеотид макромолекули припадає близько 50 молекул води, пов'язаних з ДНК. В цілому водна плівка ДНК збільшує ефективний діаметр циліндричної макромолекули ДНК з 2 нм у безводному стані до 2,9 нм у водному розчині, що надзвичайно важливо, наприклад, при зчитуванні з неї інформації.

Будова води

Вода - унікальна речовина і всі її аномальні властивості: висока температура кипіння, значна розчинна та дисоціуюча здатність, мала теплопровідність, висока теплота випаровування та інші обумовлені будовою її молекули та просторовою структурою.

У окремо взятої молекули води є якість, яка проявляється тільки в присутності інших молекул: здатність утворювати водневі містки між атомами кисню двох молекул, що опинилися поруч, так, що атом водню розташовується на відрізку, що з'єднує атоми кисню. Властивість утворювати такі містки обумовлено наявністю особливої ​​міжмолекулярної взаємодії, в якій істотну роль відіграє атом водню. Ця взаємодія називається водневим зв'язком.

Кожна з приєднаних до цієї молекул води сама здатна до приєднання подальших молекул. Цей процес можна називати «полімеризацією». Якщо тільки один із двох можливих зв'язків бере участь у приєднанні наступної молекули, а інша залишається вакантною, то «полімеризація» призведе до утворення або зигзагоподібного ланцюга, або замкнутого кільця. Найменше кільце, мабуть, може складатися з чотирьох молекул, але величина кута 90 ° робить водневі зв'язки вкрай напруженими. Практично ненапруженими повинні бути п'ятиланкові кільця (кут 108°), а шестиланкові (кут 120°), як і семизвенные — напружені.

Розгляд реальних структур гідратів показує, що дійсно найбільш стійке шестиланкове кільце, що знаходиться в структурах льодів. Плоскі кільця є привілеєм клатратних гідратів, причому у всіх відомих структурах найчастіше зустрічаються плоскі п'ятиланкові кільця з молекул води. Вони, як правило, чергуються у всіх структурах клатратних гідратів із шестиланковими кільцями, дуже рідко з чотириланковими, а в одному випадку – з плоским семиланковим.

У цілому нині структура води представляється як суміш всіляких гідратних структур, які у ній утворитися.

У прикладному аспекті це, наприклад, має важливе значення розуміння дії лікарських речовин. Як було показано Л. Полінг структурована клатратна форма води в міжсинаптичних утвореннях мозку забезпечує, з одного боку, передачу імпульсів з нейрона на нейрон, а, з іншого боку при попаданні в ці ділянки наркозної речовини така передача порушується, тобто спостерігається явище наркозу. Гідратація деяких структур мозку є однією з основ реалізації дії наркотичних анальгетиків (морфіну).

Біологічне значення води

Вода як розчинник. Вода - чудовий розчинник для полярних речовин. До них відносяться іонні сполуки, такі як солі, у яких заряджені частинки(іони) дисоціюють у воді, коли речовина розчиняється, а також деякі неіонні сполуки, наприклад цукру та прості спирти, в молекулі яких присутні заряджені(полярні) групи(-OH) .

Результати численних досліджень будови розчинів електролітів свідчать, що з гідратації іонів у водних розчинах основну роль грає ближня гідратація — взаємодія іонів із найближчими до них молекулами води. Великий інтерес представляє з'ясування індивідуальних характеристик ближньої гідратації різних іонів як ступеня зв'язування молекул води в гідратних оболонках, так і ступеня спотворення в цих оболонках тетраедричної льодоподібної структури чистої води - зв'язки в молекулі змінюються на неповний кут. Розмір кута залежить від іона.

Коли речовина розчиняється, її молекули або іони отримують можливість рухатися вільніше і, відповідно, її реакційна здатність зростає. З цієї причини в клітині більшість хімічних реакцій протікає у водних розчинах. Неполярні речовини, наприклад, ліпіди, не змішуються з водою і тому можуть розділяти водні розчини на окремі компартаменти, подібно до того, як їх розділяють мембрани. Неполярні частини молекул відштовхуються водою і в її присутності притягуються один до одного, як це буває, наприклад, коли крапельки олії зливаються у великі краплі; інакше кажучи, неполярні молекули гідрофобні. Подібні гідрофобні взаємодії відіграють важливу роль у забезпеченні стабільності мембран, а також багатьох білкових молекул, нуклеїнових кислот та інших субклітинних структур.

Властивості воді властивості розчинника означають також, що вода служить середовищем для транспортування різних речовин. Цю роль вона виконує в крові, у лімфатичній та екскреторних системах, у травному тракті та у флоемі та ксилемі рослин.

Велика теплоємність. Питомою теплоємністю води називають кількість теплоти в джоулях, яку необхідно, щоб підняти температуру 1 кг води на 1° C. Вода має велику теплоємність (4,184 Дж/г). Це означає, що значне збільшення теплової енергії викликає лише порівняно невелике підвищення її температури. Пояснюється таке явище тим, що значна частина цієї енергії витрачається на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.

Велика теплоємність води зводить до мінімуму температурні зміни, що відбуваються в ній. Завдяки цьому біохімічні процеси протікають у меншому інтервалі температур, з більш постійною швидкістю та небезпека порушення цих процесів від різких відхилень температури загрожує їм не так сильно. Вода служить багатьом клітин і організмів місцем існування, котрій характерно досить значне сталість умов.

Велика теплота випаровування. Прихована теплота випаровування є мірою кількості теплової енергії, яку необхідно повідомити рідини для її переходу в пару, тобто для подолання сил молекулярного зчеплення в рідині. Випаровування води вимагає досить значних кількостей енергії (2494 Дж/г). Це існуванням водневих зв'язків між молекулами води. Саме тому температура кипіння води — речовини з такими малими молекулами — надзвичайно висока.

Енергія, необхідна молекулам води для випаровування, черпається з їхнього оточення. Таким чином, випаровування супроводжується охолодженням. Це явище використовується у тварин при потовиділенні, при тепловій задишці у ссавців або деяких рептилій (наприклад, у крокодилів), які на сонце сидять з відкритим ротом; можливо, воно відіграє помітну роль і в охолодженні листів, що транспірують.

Велика теплота плавлення. Прихована теплота плавлення є мірою теплової енергії, необхідної для розплавлення твердої речовини (льоду). Воді для плавлення (танення) необхідно порівняно багато енергії. Справедливе і протилежне: при замерзанні вода має віддати велику кількість теплової енергії. Це зменшує ймовірність замерзання вмісту клітин і рідини, що їх оточує. Кристали льоду особливо згубні для живого, коли вони утворюються усередині клітин.

Щільність та поведінка води поблизу точки замерзання. Щільність води (максимальна при +4 ° С) від +4 до 0 ° С знижується, тому лід легший за воду і у воді не тоне. Вода - єдина речовина, що володіє в рідкому стані більшою щільністю, ніж у твердому, так як структура льоду більш пухка, ніж структура рідкої води.

Оскільки лід плаває у воді, він утворюється при замерзанні спочатку на її поверхні і лише під кінець у придонних шарах. Якби замерзання ставків йшло у зворотному порядку, знизу вгору, то в областях з помірним чи холодним кліматом життя у прісноводних водоймах взагалі не могло б існувати. Те, що шари води, температура яких впала нижче 4° С, піднімаються вгору, зумовлює перемішування води у великих водоймах. Разом з водою циркулюють і живильні речовини, що знаходяться в ній, завдяки чому водоймища заселяються живими організмами на велику глибину.

Після проведення ряду експериментів було встановлено, що зв'язана вода при температурі нижче точки замерзання не переходить у кристалічну решітку льоду. Це енергетично невигідно, оскільки вода досить міцно пов'язана з гідрофільними ділянками розчинених молекул. Це знаходить застосування у кріомедиціні.

Великий поверхневий натяг та когезія. Когезія - це зчеплення молекул фізичного тіла одна з одною під впливом сил тяжіння. На поверхні рідини існує поверхневий натяг - результат діючих між молекулами сил когезії, спрямованих усередину. Завдяки поверхневому натягу рідина прагне прийняти таку форму, щоб площа поверхні була мінімальною (в ідеалі — форму кулі). З усіх рідин найбільше поверхневе натяг у води (7,6 · 10-4 Н/м). Значна когезія, характерна для молекул води, відіграє важливу роль у живих клітинах, а також при русі води судинами ксилеми в рослинах. Багато дрібні організми отримують для себе користь з поверхневого натягу: воно дозволяє їм утримуватися на воді або ковзати її поверхнею.

Вода як реагент. Біологічне значення води визначається і тим, що вона є одним з необхідних метаболітів, тобто бере участь у метаболічних реакціях. Вода використовується, наприклад, як джерело водню в процесі фотосинтезу, а також бере участь у реакціях гідролізу.

Особливості талої води Вже невелике нагрівання (до 50-60 ° С) призводить до денатурації білків та припиняє функціонування живих систем. Тим часом охолодження до повного замерзання і навіть абсолютного нуля не призводить до денатурації і не порушує конфігурацію системи біомолекул, так що життєва функція після відтавання зберігається. Це положення дуже важливе для консервування органів і тканин, призначених для пересадки. Як зазначалося вище, вода в твердому стані має іншу впорядкованість молекул, ніж у рідкому і після замерзання і відтавання набуває дещо інших біологічних властивостей, що спричинило застосування талої води з лікувальною метою. Після відтавання вода має більш упорядковану структуру, із зародками клатратів льоду, що дозволяє їй взаємодіяти з біологічними компонентами та розчиненими речовинами, наприклад, з іншою швидкістю. При вживанні талої води в організм потрапляють дрібні центри льодоподібної структури, які в подальшому можуть розросттися і перевести воду в льодоподібний стан і тим самим зробити оздоровлюючу дію.

Інформаційна роль води

При взаємодії молекул води зі структурними компонентами клітини можуть утворюватися не тільки вищеописані п'яти-, шести-і т. д. компонентні структури, але і тривимірні утворення можуть утворюватися додекаедральні форми, які можуть мати здатність до утворення ланцюжкових структур, пов'язаних спільними п'ятикутними сторонами. Подібні ланцюжки можуть існувати і у вигляді спіралей, що уможливлює реалізацію механізму протонної провідності по цьому універсальному струмопроводу. Слід також врахувати дані С. В. Зеніна (1997), що молекули води в таких утвореннях можуть взаємодіяти між собою за принципом зарядової комплементарності, тобто за допомогою далекої кулонівської взаємодії без утворення водневих зв'язків між гранями елементів, що дозволяє розглядати структурований стан води як вихідної інформаційної матриці. Така об'ємна структура має можливість переорієнтуватися, внаслідок чого відбувається явище «пам'яті води», тому що в новому стані відображено кодуючу дію введених речовин або інших факторів, що обурюють. Відомо, що такі структури існують нетривалий час, але у разі знаходження всередині додекаедру кисню чи радикалів відбувається стабілізація таких структур.

У прикладному аспекті можливості «пам'яті води» та передачі інформації за допомогою структурованої води пояснюють дію гомеопатичних засобів та акупунктурних впливів.

Як мовилося раніше, все речовини при розчиненні у питній воді утворюють гідратні оболонки і тому кожній частинці розчиненої речовини відповідає конкретна структура гідратної оболонки. Струшування такого розчину призводить до зхлопування мікробульбашок з дисоціацією молекул води та утворення протонів, що стабілізують таку воду, яка набуває випромінювальних властивостей і властивостей пам'яті, властивих розчиненій речовині. При подальшому розведенні цього розчину і струшуванні утворюються все довші ланцюги - спіралі і в 12-сотному розведенні вже немає самої речовини, але зберігається пам'ять про нього. Введення цієї води в організм передає цю інформацію структуровані компоненти води біологічних рідин, яка передається структурним компонентам клітин. Таким чином, гомеопатичний препарат діє передусім інформаційно. Додавання спирту у процесі приготування гомеопатичного засобу подовжує стійкість у часі структурованої води.

Не виключено, що спіралеподібні ланцюги структурованої води є можливими компонентами перенесення інформації з біологічно активних точок (точок акупунктури) на структурні компоненти клітин певних органів.

Садівнича Л. П. із співавт. Біофізична хімія, К.: Вища школа, 1986. - 271 с.
Габуда С. П. Пов'язана вода. Факти та гіпотези, Новосибірськ: Наука, 1982. - 159 с.
Зб. Структура і роль води у живому організмі, Л.: Изд. ЛДУ, 1966. - 208 с.
Бишевський А. Ш., Терсенов О. А. Біохімія для лікаря, Єкатеринбург: вид. "Уральський робітник", 1994. - 378 с.
Грін Н., Стаут У., Тейлор Д. Біологія, т. 1: Пер. з англ. - М.: Світ, 1993. - 368 с.
Чанг Р. Фізична хімія з додатками до біологічних систем М.: Світ, 1980. - 662 с.
Зенін С. В. Водне середовище як інформаційна матриця біологічних процесів. У кн. Тези доповідей 1 Міжнародного симпозіуму, Пущино, 1997, с. 12-13.
Сміт С. Електромагнітна біоінформація та вода. Вісник біофізичної медицини, 1994, №1, с. 3-13.
Антонченко В. Я., Ільїн В. В. Проблемні питання фізики води та гомеопатії. Вісник біофізичної медицини, 1992, №1, с.11-13.