БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 2.РОЛЬ ВОДИ, МАКРО- І МІКРОЕЛЕМЕНТІВ У ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ОРГАНІЗМІВ

2.3. Гідрофобні взаємодії, макромолекули й вода

Розчинення у воді різних речовин, у тому числі слабко взаємодіючих, може привести до значного збільшення в ній: а) кількості Н-зв'язків; б) ступенів упорядкованості. Перший ефект дає ентальпійний внесок ΔН у зміну вільної енергії ΔF, а другий - визначає ентропійний внесок Δ8. Знак ΔF = ΔН - ТΔS (де Т - абсолютна температура) визначається співвідношенням обох величин.

При розчиненні у воді іонів і невеликих полярних молекул ентальпійний внесок перевищує ентропійний і ΔF < 0. У випадку невеликих полярних молекул (молекул благородних і органічних газів, наприклад метану), які хоч і слабо взаємодіють з молекулами води, але викликають значні зміни ΔH оскільки ідеально вписуються в ажурну решітку води (див. рис. 2.5), не заважаючи утворенню всіх чотирьох можливих Н-зв'язків. Тому, хоч Δ8 у цьому випадку від'ємні й великі, проте внесок ΔН більший, тому ΔF < 0. Цим і зумовлена велика стабільність газових кристалогідратів.

У випадку великих неполярних молекул - вуглеводів, амінокислот з неполярними радикалами тощо - ентальпійний внесок у вільну енергію розчинення менший, ніж ентропійний, бо не усі молекули води, які оточують ці молекули, можуть утворювати максимальне число Н-зв'язків. Але вони дуже іммобілізовані й дають великий від'ємний внесок в ентропію. У результаті вільна енергія

їхнього розчинення у воді позитивна, а розчинність - низька. Низька розчинність неполярних молекул зумовлена не тим, що енергія їхніх вандерваальсових взаємодій більша, ніж взаємодії з молекулами води, як припускалося раніше, а тим, що їхня присутність у воді приводить до термодинамічно невигідних змін у структурі води - її впорядкованості. Вода ж намагається зменшити вплив цих молекул за рахунок зменшення від'ємних контактів. Таку «витискну» дію води на неполярні групи (рис. 2.1, Г) називають гідрофобними взаємодіями, тобто гідрофобна взаємодія є специфічною для води й зумовлена особливостями її структури - здатністю до упорядкування та «небажанням» упорядковуватись.

Увага до подібних взаємодій весь час зростає, особливо серед біохіміків, оскільки в біомолекулах є велика кількість гідрофобних груп і від них істотно залежить конформація молекули у воді. Ендотермічний характер утворення гідрофобних взаємодій зумовлює їхнє підсилення з підвищенням температури. Розрив гідрофобних взаємодій - процес екзотермічний, зі зниженням температури їхня екзотермічність знижується. Ендотермічність процесів розриву гідрофобних зв'язків супроводжується утворенням великої кількості Н-зв'язків. Звідси висновок: стійкими будуть конформації макромолекул, упорядкувальна дія яких на воду мінімальна. Якщо одна частина груп макромолекули породжує гідрофобні взаємодії, намагається зробити структуру компактнішою та частково впорядковує воду, то інша частина груп в основному впорядковує воду й забезпечує розчинність макромолекули у воді.

Присутність води дуже впливає на властивості макромолекули. Судячи з кривих «сорбція-десорбція» води на білках, макромолекули поводять себе не як жорсткий інертний субстрат, а як реактивна речовина, здатна до деформації. Видалення води викликає порушення навіть такої міцної структури, як подвійна спіраль ДНК. Проте вплив на молекулу води не однобічний. Стан води під впливом макромолекули також змінюється. Для опису таких процесів користуються терміном «гідратація» - це кількість води, яка перебуває під істотним впливом макромолекули. Гідратованою вважається вода з низькою рухливістю, або зв'язана вода. Проте вона не є водою, що механічно включена в порожнини макромолекули, оскільки належить до вільної води, замкненої у великих порах.

Виходячи з того, що зв'язана вода термодинамічно мало відрізняється від льоду, можна визначити кількість молекул води, які не беруть участі у плавленні, і, як наслідок, «заморожених» при сутністю макромолекул. Тоді під зв'язаною можна розуміти воду, яка не виморожується при охолодженні й не плавиться при прогріванні розчину. Це одне з перших визначень зв'язаної води. У концентрованих розчинах макромолекул узагалі нема вільної води, яка б замерзала при охолодженні. З'являється вільна вода лише в разі її наявності в розчині понад критичну кількість, яка й визначає величину гідратації.

Існує денатураційний ефект гідратації. При тепловій денатурації макромолекул їхня гідратація збільшується. У випадку глобулярних білків величина ефекту пов'язана безпосередньо з повнотою розгортання компактної структури при тепловій денатурації. При розриві Н-зв'язку в макромолекулі відбувається обмінна реакція: зв'язок між групами замінюється на два зв'язки з молекулами води. Тобто ΔΗβ (зміни ентальпії Н-зв'язку) фактично є різницею ентальпії утворення Н-зв'язку між полярними групами макромолекули, з одного боку, і між полярними групами макромолекули з молекулами води, з іншого. Це означає, що структура і властивості макромолекул перебувають у тісному зв'язку з водою та безпосередньо визначаються її станом. Більшість електролітів впливають на стабільність макромолекул, діючи на них не безпосередньо, а через воду, підвищуючи або знижуючи її структурованість. Так, додавання до води NaClO4 приводить до таких самих змін ліній поглинання ЯМР, як і підвищення температури. А денатурація ДНК відбувається незалежно від того, чим вона викликана: додаванням NaClO4, підвищенням температури чи тим та іншим.

Кількість зв'язаної води у тканинах близька або менша за значення гідратації молекул. Причиною є те, що поверхня дотику макромолекул з водою значно менша у тканинах (де вони утворюють надмолекулярні структури - органоїди і органели), ніж у молекулярному розчині. Тобто за значеннями кількості зв'язаної води можна судити про загальну величину дотику поверхні клітинних структур з водою або про "дисперсність" цих структур. За експериментальними даними, найменш дисперсними є мозкова тканина. І це логічно, адже за масою велику частину тканин мозку складають аксони з товстими мієліновими оболонками.

Для біологічних систем важливий механізм дальнодії, притаманний воді взагалі, а тим більше воді впорядкованій. Як уже відмічалось, вода може бездисипативно передавати енергію і з великою швидкістю проводити заряди по впорядкованих ланцюгах. Не виключено, що особливе значення мають взаємозв'язки структури макромолекули і води, що утворюють систему зі зворотним зв'язком, який може змінювати свій знак і регулюватися присутністю іонів. У такому випадку вода може виявитись тією ланкою, через яку розвиваються ланцюгові реакції, або середовищем, через яке здійснюється автоколивання. І справді, якщо вода відіграє істотну роль у денатураційних перетвореннях, то вона не може не відігравати ролі у більш тонких змінах молекулярних структур, які відбуваються при їхньому функціонуванні.

Питання про роль води в біологічних системах стало в останні роки одним із найактуальніших у біохімії. Кооперативний механізм утворення Н-зв'язків між молекулами води вельми істотний, оскільки саме він визначає виключно важливу властивість води, яка відрізняє її від інших рідин - асоціативний характер її будови. Важливою є взаємодія молекул води з біомакромолекулами, яка характеризується параметром гідратації: кількістю води, що знаходиться під сильнішим впливом макромолекули порівняно із впливом інших молекул води. Гідратованою вважається вода зі зниженою рухливістю - зв'язана вода, яка термодинамічно мало чим відрізняється від льоду. Структуру «макромолекула – вода» можна розглядати також як систему зі зворотним зв'язком, що бере участь у саморегуляції біологічних систем з автоколивальними процесами.

Вирішальна роль у формуванні єдиного підходу до розмаїття проблем зв'язаної води належить молекулярному аспекту. На рівні молекул весь світ сполук води - гідратів, розчинів та їхніх взаємоперетворень - керується єдиною силою, яка локалізована у Н-зв'язках та іон-дипольних взаємодіях молекул води з частками речовин. Ці слабкі сили зв'язків відповідальні за унікальну здатність води утворювати сполуки з величезною кількістю речовин, зумовлюють прояви важливих властивостей і особливостей поведінки гідратів. До них належать кристалізація, фазові перетворення, включаючи сегнетоелектрику, часткова або повна дегідратація. У водних розчинах перебудова ближнього порядку в розміщенні молекул може приводити до фазових переходів у рідині - розшаруванню. Це явище полягає в тому, що розчин за деяких умов сам по собі розпадається на чисті компоненти. Розшарування реалізується в біологічних системах як один із механізмів регуляції їхньої активності.