4. Состояние воды в растворах. Взаимодействие воды и биополимеров (белков), гидратация. Формы воды в клетке – свободная и связанная вода, их физиологическая роль.
Вода из-за полярной структуры и небольших размеров молекулы - наилучший растворитель полярных веществ. Растворение неорганических солей - за счет гидратации ионов, входящих в состав растворяемых соединений. Также хорошо растворяются в воде: сахара, белки и др. органические соединения, которые содержат полярные группы: COO , NH3 , OH и др.
При растворении молекулы воды ориентируются вокруг ионов и полярных молекул, нейтрализуя их электрические заряды. Это ослабляет электростатические взаимодействия между заряженными веществами и повышает их растворимость. При растворении веществ в воде происходит изменение ее жидкокристаллической структуры, изменяется также и вязкость раствора. Эти изменения зависят, прежде всего, от поляризующей силы иона и его концентрации. В разбавленных растворах небольшие по размеру ионы с большой плотностью заряда сильнее действуют на структуру водородных связей воды, чем крупные ионы, имеющие малую плотность заряда. Однако и те, и другие ионы разрушают жидкокристаллическую структуру воды и изменяют вязкость раствора.
При гидратации катиона молекулы воды ориентируются отрицательным полюсом внутрь комплекса, аниона - положительным полюсом молекул-диполей воды (рис.)
Процесс формирования слоя молекул-диполей воды, прочно связанных с центральным ионом, называют первичной гидратацией. Однако ионы могут оказывать влияние на ориентацию молекул воды, которые не входят в состав первичной оболочки, а расположены за ее пределами – вторичная гидратация. В состоянии первичной гидратации подвижность молекул воды гораздо ниже, чем у молекул воды вторичной оболочки. Вода, связанная с ионами, называется связанной осмотически и является важным элементом осмотического давления в клетках растений. При концентрации раствора более 1,5—2 моль/л вторичные гидратные оболочки вокруг ионов начинают перекрываться и вода переходит в новую форму — кристаллогидрат. Чем больше ионов в растворе, тем больше нарушается структура воды, меньше необходимо энергии для разрушения оставшихся водородных связей и тем меньше теплоемкость раствора. При гидратации происходит выделение тепла (экзотермический процесс) и увеличение объема гидратируемого вещества, при осмотическом поглощении — только увеличение объема. Вода, оказавшаяся внутри макромолекул (иммобилизованная), может находиться в двух формах. Одна часть ее формирует слой первичной гидратации, а вторая сохраняет свойства обычной воды, но с ограниченной подвижностью.
В белках гидратация обусловлена взаимодействиями молекул воды с гидрофильными (ионными и электронейтральными) и гидрофобными (неполярными) группами и ее иммобилизацией в замкнутых пространствах внутри макромолекул при их конформационных перестройках. При ионной гидратации(взаимодействие с -NH3, -СОО группами) и электронейтральной(с -СООН, -ОН, -СО, -NH) молекулы воды электростатически связываются и образуется мономолекулярный слой первичной гидратации. Число ионнизированных групп в белке зависит от рН среды. Наименее гидратирован белок в его изоэлектрической точке, при которой отмечается также самая низкая растворимость белков. (молекулы белков гидратируются только в местах расположения полярных и ионизированных групп, растворимость белков в воде варьирует в широких пределах и зависит от концентрации солей и рН)
Вода может находиться в клетках и тканях в двух состояниях:свободном и связанном. Свободная вода — это чистая, лишенная каких-либо примесей вода с высокой подвижностью. Связанная - вода, содержащаяся в гетерогенных системах, которая не может служить растворителем и имеет ограниченную подвижность. Различают три формы связанного состояния воды: осмотически, коллоидно и капиллярно связанную воду.
Осмотически связанная вода участвует в гидратации растворяемых веществ. Даже при сильном обезвоживании растительного организма очень большие количества воды удерживаются внутри клеток гидратированными коллоидами, ионами и другими осмотически активными веществами.
Коллоидно связанная вода включает интрамицеллярную воду, находящуюся внутри коллоидной системы, и интермицеллярнуюводу на поверхности коллоидов и между ними. Таким образом вода может связываться с белками и полисахаридами. Количество связываемой коллоидами воды может быть достаточно большим (например, в желатиновых гелях оно достигает 30 г воды на 1 г сухого желатина).
Капиллярно связанная вода находится в клеточных стенках и сосудах проводящей системы. Клеточные стенки обладают высокой гигроскопичностью и удерживают воду в основном за счет высокой гидрофильности пектиновых и целлюлозных компонентов. Содержание воды в клеточных стенках тургесцентных клеток может составлять около 50%. В фазе клеточных стенок вода может находиться в свободном и связанном состоянии.
Вода, удерживаемая в микрокапиллярах, а также связанная водородными связями с полисахаридами, малоподвижна. Свободная вода легко перемещается в крупных капиллярах между микрофибриллами целлюлозы. Передвижение воды вне проводящих пучков осуществляется, главным образом, по клеточным стенкам. Содержание воды в цитоплазме может достигать 95% от ее массы. Наибольшее количество воды в цитоплазме связывается на поверхности и внутри белковых молекул. Помимо белков цитоплазма содержит ионы, сахара, липиды и другие соединения, которые также оказывают влияние на состояние воды. Больше всего воды в растительной клетке (до 98%) концентрируется в вакуоли. Вакуолярный сок содержит сахара, органические кислоты, ионы, белки и другие соединения, которые связывают воду осмотически и как биоколлоиды. Вода в клетке может быть связана также пластидами, митохондриями и ядром, которые способны к самостоятельному регулированию своего водообмена за счет набухания или удерживания воды при обезвоживании клетки. В отличие от цитоплазмы содержание воды в пластидах и митохондриях обычно ниже (10—20%), что объясняется присутствием в них большого количества липидов и гидрофобных веществ. Вода является важным структурным компонентом мембран, которые могут содер- жать до 25—30% воды в связанной форме. Взаимодействие воды с мембранными липидами и белками определяет структурно-функциональные свойства мембран и играет важную роль в процессах их формирования и стабилизации. Связанная в мембранах вода обусловливает, например, образование строго ориентированного слоя фосфолипидов в результате гидрофобных взаимодействий молекул. Наименьшей подвижностью характеризуется вода, находящаяся в виде одиночных молекул в углеводородной зоне мембраны. Основная же часть связанной воды формирует гидратные оболочки вокруг полярных частей молекул липидов и белков. Гидратные оболочки структурных липидов состоят обычно из 10—12 молекул воды.