Глава 2.

ПОВЕДЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СО­ЕДИНЕНИЙ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

В настоящей главе приведены результаты исследований и их обсуждение по всем работам автора, касающимся всевохможных аспектов состояния ряда биологически активных соединений, в ос­новном, производных аденозинфосфатов в водной среде. Получе­ние данных о превращениях на молекулярном уровне производи­лось методом протонного магнитного резонанса (ПМР), что в не­малой степени способствовало полному пониманию происходящих процессов, т.е. до расшифровки элементарных стадий.

К специфике предлагаемого изложения следует отнести вы­деление биологического аспекта исследований, оставляя строгие физико-химические доказательства с необходимыми математиче­скими выкладками, а также исходный эмпирический материал ци­тируемым опубликованным статьям автора. На наш взгляд это по­зволяет сохранить целостность и ясность представляемой работы.

В последовательности превращений изучаемых соединений в водной среде удалось получить интересные данные о конформаци­онных переходах, полиассоциации, внутримолекулярном свёрты­вании,протонизации и межмолекулярном взаимодействии, что по­зволило сформулировать общие принципы образования вторичных структур в водной среде.

2-1. Конформационный переход“син-анти^мв аденозин-б^- фосфате. При изучении поворота аденинового основания вокруг С-Nсвязи[55] была получена величина энергетического барьера,

39

составившая 2 ккал/моль,что оказалось близким к расчётным зна­чениям [91,146]. В положении“анти”, т.е. когда основание как бы отвёрнуто от рибозы, находится при комнатной температуре 2/3 молекул.

Получение количественных характеристик перехода “син-анти”позволяет утверждать, что в молекуле аденозин-5-фосфата происходит достаточно свободное вращение основания вокругC-Nсвязи. Вследствие того,что энергия активации перехода“анти-син” близка по величине к энергии теплового движения, разница в энер­гетических уровнях син и анти форм проявится только при умень­шении количества свободно сталкивающихся с АМФ молекул. Это может быть в том случае, если нуклеотид окажется стерически час­тично или полностью закрыт(напрмер, в случае образования ассо­циатов или полинуклеотидной цепи). Поэтому следует ожидать преимущественного анти расположения аденинового основания в более сложных образованиях, включающих аденозин-5^;-фосфат и создающих внешние стерические затруднения для вращения по гликозидной связи. (Заместители в самой молекуле аденозин-5^у-фосфата очевидно могут стабилизировать как син, так и анти поло­жения).

О роли водной среды в переходе “син-анти”может свиде­тельствовать лишь величина изменения энтропии -5,4 э.е. [55]. Для конформационного перехода это значимая величина, которая ука­зывает на относительную лёгкость раздвижения молекул раствори­теля при переходе. Скорее всего в жёсткой сетке водородных свя­зей следовало бы ожидать значительно большего изменения энтро­пии.

40

2-2. Пол иассоциацияаденошн-5-фосфатов. Идея исследо­вания отдельных стадий ассоциации может быть осуществлена при выполнении ряда условий. В зависимости от величин констант ас­социации в определённых областях концентрации будет преобла­дать влияние какого-либо одного ассоциата. Чем более разбавлен­ный раствор, тем меньшее число ассоциатов вносит свой вклад в экспериментальную величину измеряемого химического сдвига и тем легче разделить эти вклады. С увеличением концентрации, и соответственно, числа различных ассоциатов изменения в ходе кривой, связанные с преимущественным влиянием какой-либо ста­дии, должны уменьшаться и с определённого значенияч концентра­ции не будут превышать ошибки измерения. Вследствие этого при больших концентрациях наблюдаемая зависимость не может дать какие-либо сведения о механизме полиассоциации. Таким образом, следует производить измерения только в области малых концен­траций, в которой только начинает проявляться влияние ассоциа­тов. В эксперименте это обычно отмечается как начало отклонения от линейной зависимости измеряемого параметра от исходной кон­центрации. Необходимо отметить также, что для выявления точно­го хода кривой требуется достаточное количество эксперименталь­ных точек. При условии выполнения данных требований нами предложена схема учёта влияния всевозможных ассоциатов на примере изучения состояния аденозинмонофосфатов [27]. Нами показано, что вначале происходит образование стопки оснований с величиной константы ассоциации в стадии образования димеров К=11,5 л/моль. Однако модель последовательного присоединения оснований для увеличения стопки не соответствовала эксперимен­тальным данным и после стадии димеризации пришлось предпола-

41

гать взаимопроникновение димеров, которое происходит легче, чем упаковка оснований в стопку. Интересно, что такие взаимопрони­кающие димеры в чём-то напоминают модель элемента двухспи­ральных нуклеиновых кислот и это позволяет предполагать соот­ветствующий возможный механизм построения полинуклеотидных цепей.

Таким образом, естественное,казалось бы, предположение о стопкообразовании нуклеотидов, которое вытекает из идеи макси­мального перекрывания гетероциклов, в результате полученных данных о ступенчатых константах ассоциации [27] претерпело су­щественное изменение. Если бы образование стопки происходило только за счёт химического сродства адениновых колец, то в экспе­рименте наблюдалось бы увеличение числа единиц в стопке. Одна­ко, после тщательного физико-химического анализа оказалось предпочтительнее образование из димеров не стопки, чуть ли не фрагмента двойной спирали. В этом наглядна проявилась опреде­ляющая роль водной среды, спокойно изменяющей механизм ассо­циации вследствие его гидрофобного характера, т.е. при появлении большей площади соприкосновения, чем один гетероцикл, гидро­фобный процесс предпочитает этот новый более выгодный для ас­социации путь.

Прежде чем более подробно излагать экспериментальные данные, подтверждающие гиброфобную природу взаимодействия нуклеотидов, необходимо было исследовать влияние на структуру ассоциатов появления зарядов на адениновом основании и фосфат­ной группе.

РОССИЙСКАЯ

гсзсу^.'.^'пу-м*

42

2-3. Исследование протон изацни ад енозин-5-фосфатов [37]

позволило,с одной стороны,подтвердить конформацию“син-анти”при нейтральных pH (6,5), с другой стороны полученные величины изменений энтальпии(0ккал/моль) и энтропии(31э.е.) при иони­зации фосфатной группы свидетельствуют о сопутствующем пере- структурировании водной среды, окружающей аденозин-5^/- ффосфат. Этого вывода вполне достаточно для более тщательного изучения гидрофобного характера взаимодействия нуклеотидов.

2-4. Исследование природы межмолекулярных взаимодей­ствий аденозин-^-фосфатов.Наиболее информативной, хотя и непривычной по виду, оказалась полученная зависимость [27] лога­рифма контанты димеризации аденозин-5^/-фосфата от обратной температуры (рис.З). Указанная зависимость оказывается нелиней­ной и позволяет оценить только интервалы изменений энтальпии(

0,3 - 12ккал/моль)и энтропии(7-44 э.е.) в выбранном диапазоне температур. Как видно из рис.З с увеличением температуры кон­станта димеризации растёт, а величины изменений энтальпии и эн­тропии падают. Данный ход зависимости свидетельствует о том, что состояние воды, характерное для каждого значения температу­ры,является определяющим при ассоциации АМФ.

Из приведённых фактов вытекает лишь одно представление о структуре ассоциатов в указанной области температур, а именно, то, что расстояние между основаниями в ассоциате должно быть максимальным. Вероятно, это зависит от механизма взаимодейст­вия АМФ с молекулами воды, что, в свою очередь, во многом опре­деляется структурой самой воды. Определяющее влияние среды на образование димеров и тетрамеров свидетельствует о гидрофобной природе взаимодействия. Мы не ставили перед собой задачу выяс

43

Рис.3Зависимость логарифма константы димеризации аде- нозин - 5''- фосфата от обратной температуры.

44

нения точной структуры димера, данные о которой уже при­ведены в некоторых работах [118,192,197]. Кроме того, нам пред­ставляется, что в растворе всегда имеется набор различных струк­тур димеров, находящихся в динамическом равновесии, и речь мо­жет идти только об эффективной структуре. По нашему мнению, более важным является понимание природы последовательного об­разования ассоциатов. Для выяснения природы взаимодействия между молекулами АМФ мы использовали данные о тетрамере [28].Необходимо иметь ввиду, что мономеры, димеры, тетрамеры и последующие ассоциаты постоянно обмениваются между собой молеулами АМФ.

По нашему мнению,наиболее устойчивым состоянием долж­но быть состояние тетрамера в виде “четырёхугольной звезды”, по­скольку вероятность взаимодействия гетероцикла с каждым из двух соседних оснований примерно одинакова.

Таким образом, совокупность полученных данных говорит о гидрофобном характере взаимодействия гетероциклов и позволяет представить механизм образования первичных ассоциатов АМФ в воде.

2-5. Некоторые выводы об образовании ассоциатов АМФ в воде. Анализ литературных данных (гл.1) и полученных экспери­ментальных результатов (гл.2) позволяет произвести дополн/итель- ные рассуждения о природе образования ассоциатов АМФ. На наш взгляд, есть основания охарактеризовать поведение молекул АМФ в воде следующим образом. Во-первых, процесс растворения дан­ных нуклеотидов в воде приводит к их гидратации в местах, яв­

45

ляющихся центрами образования водородной связи (рис.2). Следу­ет учитывать, что рисунок соответствует состоянию АМФ в воде при значениях pH, близких к нейтральному. В этом случае депро- тонированатолько одна группа ОН в фосфате. Во-вторых, атака молекул Н₂0 на центры образования водородной связи приведёт к обмену протонов воды с протонами гидроксильных групп фосфата и рибозы и протонами амино групп. Следовательно, в реальных ус­ловиях постоянно присутствующих протонов около атомов кисло­рода и азота нет. Нет также и постоянно присутствующих в указан­ных местах гидратации молекул воды. Однако наличие обмена про­тонами и молекулами воды между гидратированным нуклеотидом и растворителем (водой) следует трактовать как факт, свидетельст­вующий о вероятности пребывания протонов или молекул воды в соответствующих местах нуклеотида. Это будет служить препятст­вием для подхода к указанным местам других молекул, например, самих же нуклеотидов, т.е. мы встречаемся в данном случае с поня­тием динамического стерического препятствия. Это понятие, по нашему мнению, лучше отражает реальное существование молекул АМФ в воде. Следует учитывать также данные о вращении отдель­ных частей молекулы: фосфатной группы вокруг экзоциклической связи С₄- С₅и гетероцикла вокруг гликозидной связиC-N. Пред­полагаемая синхронность вращения этих групп позволяет в даль­нейшем при рассмотрении ассоциации использовать представле­ния о сотоянии АМФ с более вероятным транс расположением фосфатной группы и анти ориентацией гетероцикла. Другими сло­вами, межмолекулярные соударения молекул АМФ наиболее веро­ятны именно для указываемого состояния этих молекул. Решению сложной задачи определения геометрического расположения осно­

46

ваний АМФ при ассоциации должно способствовать представле­нию АМФ в таком виде, когда динамические препятствия как-то определены. Как нам кажется, такое представление о молекуле АМФ в воде (бесконечное разбавление, нормальные условия) сле­дует рассматривать как наиболее правильное. С точки зрения ана­лиза данного состояния АМФ проведём попытку объяснения на­блюдаемой последовательности ассоциаций и явлений, сопутст­вующих образованию агрегатов. Наиболее доступной областью для подхода других молекул к АМФ в нашем рассмотрении оказывает­ся пространство между Н-2 и Н-8.Не случайно, что при ассоциации нуклеотидов эти протоны всегда оказываются подверженными дей­ствию кольцевых токов соседних гетероциклов. Наиболее вероят­ной структурой димера должно быть такое взаимное расположение гетероциклов, которое соответствует минимальному нарушению динамических стерических препятствий и максимальному пере­крытию стерически доступных областей. В данной структуре силь­но гидратированные рибозо-фосфатные остовы максимально уда­лены. Шестичленный цикл одного нуклеотида находится ближе к пятичленному циклу другого основания, что приводит, согласно нашим данным, к специфическому для димеров соотношению из­менения химических сдвигов протонов Н-2 и Н-8 [27].ГруппыNH₂в гетероциклах направленывпротивоположные стороны, посколь­ку в аденине с ними должно взаимодействовать большее количест­во молекул воды, чем с другими возможными центрами образова­ния водородной связи, т.е. динамические стерические препятствия для них выше. Указанная модель хорошо согласуется также с со­временными данными по применению внутримолекулярного эф­фекта Оверхаузера в растворах нуклеотидов[197].Последующее

47

увеличение стопки нуклеотидов не может сохранить состояние удалённости рибозофосфатных остовов,поскольку их вращение охватывает большое пространство и представляет собой сильное динамическое стерическое препятствие при наложении других нуклеотидов. Поэтому последующее образование ассоциатов долж­но происходить с нарушением структуры димера. Получение три- меров вполне возможно, однако, в этом случае при максимальной удалённости фосфатных групп, что осуществляется при лучеобраз­ной структуре тримера с основаниями в центре, симметричное от­носительно взаимодействия между гетероциклами молекул АМФ построение тримера оказывается невозможным. Такой тример не должен быть стабильным, так как одно из трёх пар взаимодействий между основаниями в тримере не является выгодным вследствие несоответствия предлагаемому взаимодействию в димере. Симмет­ричное построение можно осуществить в случае тетрамера, т.е. придти к структуре, предлагаемой нами на основании эксперимен­тальных данных. Учитывая, что в тетрамере существует влияние кольцевых токов гетероциклов как на протоны Н-2,так и на про­тоныН-8. симметричное расположение отдельных нуклеотидов должно быть таким, чтобы протоны Н-2 и Н-8 находились относи­тельно соседних оснований примерно в одинаковых условиях. Кроме того, наличие динамических стерических препятствий в ри- бозо-фосфатных звеньях должно приводить к максимальному уда­лению, а соседние основания должны взаимодействовать также как в димере.

Схема образования тетрамера из димеров несколько видоиз­меняется, а именно, при столкновении димеров каждый из них “растаскивается”вследствие удаления фосфатных групп, что при­

48

водит к расположению оснований в центре. При этом рибозо- фосфатнамчасть молекул образует гидрофильную оболочку.

Таким образом,структура ассоциатов пространственно сво­дит все амино группы нуклеотидов воедино. Скорее всего,гидрат- ные оболочки амино групп также объединяются, и в ассоциате по­лучаются три слоя. Внешний - гидратированные фосфатные группы и рибозныеостатки,средний - менее гидратированные основания нуклеотида и внутренний - объединённая гидратная оболочка всех амино групп. Внутренняя область по мере увеличения числа моно­меров в ассоциате должна также увеличиваться и, вероятно, может включать в себя не только молекулы воды, но и более крупные гид­рофильные молекулы, например, неорганический фосфат или фос­фатные остатки нуклеотидов. Такая возможность в излагаемом представлении хорошо объясняет указанные нами ранее необычные факты взаимодействия фосфатных и амино групп в водных раство­рах [28]. Предложенная структура ассоциатов АМФ позволяет объяснить также появление в спектрах ЯМР линий поглощения протонов амино групп нуклеотидов в воде[184]. Ранее сделанное нами замечание о возможности влияния образования ассоциатов на гидрофобное окружение амино групп в рассматриваемом представ­лении может быть подробно истолковано. Внутренняя оболочка ассоциата, в которой содержатся амино группы, окружена сравни­тельно гидрофобной средней оболочкой из гетероциклов. Поэтому проникновение молекул воды из внешней оболочки во внутреннюю оказывается менее вероятным процессом. Следовательно, атака мо­лекул воды на амино группы во внутренней оболочке ассоциата должна быть значительно ослаблена.В этих условиях взаимодейст­вие амино групп между собой,(межнуклеотидные водородные

49

связи )или взаимодействие амино групп с попавшим во внутрен­нюю оболочку фосфатом может вполне конкурировать с процессом гидратации амино группы. Поскольку переход от гидратированно­го состояния амино группы к комплексу с другой амино группой или фосфатом должен осуществляться через негидратированное состояние амино групп, концентрация которых мала, то а соответ­ствии с указанным в [28] механизмом время жизни протонов амино группы в комплексе должно быть велико, т.е. линияNH₂- группы может быть наблюдаема в спектре ЯМР водных растворов АМФ. Согласно принятому представлению наблюдение возможно при на­личии ассоциатов,т.е. при достаточно высокой концентрации нук­леотидов, что подтверждается на опыте [184]. Обратим ещё раз внимание на сущность динамического стерического препятствия. В отличие от обычных стерических препятствий, которые мешают подходу любых молекул, динамические препятствия отталкивают не всякие молекулы. В нашем случае в водных растворах обмен молекулами воды между растворителем и гидратной оболочкой от­дельного фрагмента молекулы препятствует подходу гидрофобных остатков или молекул с меньшей способностью образовывать водо­родные связи, чем данный фрагмент. Ориентация молекул в ассо-циате должна стремиться к такому состоянию, когда во внешней оболочке будут располагаться группы, к которым больше всего“стремится” растворитель, т.е. группы, которые легче всего обра­зуют водородные связи с растворителем (максимальный энергети­ческий выигрыш при взаимодействии с растворителем). Ориента­ция остальных групп во многом определется этим фактором, хотя их внутреннее взаимное расположение также зависит от степени связывания с окружающей средой. При наличии разных по степени

50

взаимодействия с растворителем оболочек в ассоциате указанную ориентация можно объяснить при помощи физических терминов. Если обозначить энергетический выигрыш при взаимодействии от­дельной группы с растворителем (Е), то очевидно, что в ассоциате существует градиент Е и соответственно ориентирующая силаF=dE/dr,гдег-направление максимального градиента энергии. По­скольку ориентационные силы возникают в таком представлении только при образовании ассоциата, то остаётся ещё невыясненным вопрос о сущности тех сил, которые ьы называем гидрофобными и которые обуславливают притяжение отдельных нуклеотидов. Со­гласно данным гл.2 донорно-акцепторные взаимодействия между нуклеотидами не являются определяющими при образовании ассо­циатов. Причиной их образования оказывается взаимодействие нуклеотида с растворителем. Проблема определения геометрии подхода друг к другу ароматических радикалов нуклеотидов в воде является сложной вследствие наличия многих факторов, влияющих на“стэкинг”- взаимодействие,т.е. с точки зрения развиваемых представлений вследствие факторов, влияющих на динамические стерические препятствия в нуклеотидах. Перспективным способом получения данных о геометрии вторичных структур оказалось изу­чение внутримолекулярных взаимодействий в производных нук­леотидов, содержащих остаток ароматической аминокислоты.

2-6. Исследование взаимного расположения ароматиче­ских циклов в нуклеотид ил-(5-N) - аминах производили с учё­том предполагаемого ранее [29,137] и подтверждённого в наших совместных работах [76,78] гидрофобного характера их взаимо­действия. Факт преимущественной анти ориентации гетероциклов в нуклеотидамидах [78,79] также был использован для выработки

51

представления о наиболее вероятном состоянии этих молекул в растворе. Для построения конформационных моделей нуклеотидов но данным ПМР спектроскопии были использованы следующие предпосылки.

1.Протонизация основания должна вызвать сдвиг сигналов близлежащих групп в сторону слабого поля. Степень влияния этой своеобразной“зарядовой метки” на протоны зависит от расстояния

и, следовательно, даёт информацию о внутримолекулярной струк­туре,

2.Увеличение температуры, ускоряя вращение внутримоле­кулярных групп, изменяет также величины химических сдвигов всех внутримолекулярно взаимодействующих групп, т.е. указывает на взаимосвязь, формирующую структуру. Основным условием ис­пользования этой предпосылки служит выбор достаточно малой концентрации нуклеотидамида,исключающей межмолекулярное взаимодействие [39,80].

3.Анализ величин разности химических сдвигов сигналов от протонов нуклеотидамида и сигналов от соответствующих прото­нов нуклеотида и аминокислоты позволяет построить геометриче­скую модель молекулы на основании оценки расстояний между группами. Справедливость последнего утверждения следует из из­вестных теоретических работ Джонсона и Пюльмана [136,145]. Первые положения(в применении к нуклеотидамидам) требовали дополнительных физико-химических обоснований.

2-7. Влияние ионизации на внутримолекулярное комплек- сообразование в аденилил- (5^/V-N)-n-анизидинсЛ1ри наличии в растворе смеси развёрнутой и свёрнутой форм константы иониза­

52

ции каждой из них могут не совпадать вследствие разной способ­ности ионизированной и не ионизированной форм образовывать внутримолекулярный комплекс.

В результате тщательного исследования нами показано [38],что при протонизации основания константа свёртывания аденилил-(5^У-N)- анизидина увеличиваетсяК⁺=3,6 К+2,6. Полученные данные об увеличении степени свёртывания при ионизации свиде­тельствуют об усилении взаимодействия между основаниями,кото­рое должно приводить к изменению вторичной структуруры моле­кул полинуклеотидов.

2-8. Определение термодинамическиххарактеристик внутримолекулярного комплексообразования. Нами на основа­нии температурной зависимости химических сдвигов разработана методика определения термодинамических величин внутримолеку­лярного комплексообразования аденилил - (5^/-N)- п - анизидина [40].В отличие от от межмолекулярных взаимодействий определе­ние термодинамических характеристик внутримолекулярных про­цессов было разработано недостаточно. Анализ выше указанных температурных зависимостей привёл к необходимости допущения внутримолекулярных комплексов двух типов: комплекса, не изме­нённого под влиянием растворителя, и комплекса с участием рас­творителя. Величина изменения энтальпии между ними равна 3,4 ккал/моль,т.е. переход комплекса из формы с близко расположен­ными основаниями(большое влияние кольцевых токов)в скошен­ную форму происходит с образованием внтримолекулярной водо­роднойсвязи.

53

Физико-химический анализ различных внутримолекулярных процессов в аденилил-^⁷-N)- п - анизидине позволил подойти к построению геометрических моделей нуклеотидамидов.

2-9. Построение геометрических моделей нуклеотидами­дов.

Следует подчеркнуть, что без физико-химических исследова­ний конформационных изменений в аденилил- (5^/-N)- п - анизи­дине создание общей картины взаимного расположения отдельныхI'pynnв данной молекуле представлялось бы не строгим.Цель де­тального изучения аденилил-(5 -N)- п - анизидина состояла в том, чтобы на этом примере убедиться в правильности применения вы­ше изложенных предпосылок и в дальнейшем для других нуклео­тидамидов пользоваться только некоторыми из них. Выбор данного соединения был сделан вследствие наличия максимального по сравнению с другими нуклеотидамидами эффекта сближения аро­матических циклов, наблюдаемого в спектрахKD[29,137] и в спек­трахЯМР[39]. Качественная картина взаимного усреднённого рас­положения групп в аденилил-^-N)-п-анизидине предполагает наклонное положение плоскости анизидина и плоскости аденина с последовательно удаляющимися от основания группой ОСНз, мета и орто протонами кольца анизидина. Получив качественное пред­ставление о внутримолекулярной структуре аденилил-(5^/-N)- п - анизидина,оказалось возможным перейти к количественным ха­рактеристикам и получить полную геометрическую картину распо­ложения отдельных групп в этой молекуле,что намиибыло сделано в работе [80].

54

Предложенный способ построения конформационной модели аденилил-^-N)- п-анизидина был применён при создании каче­ственных геометрических моделей других нуклеотидамидов. Для получения качественной картины пространственного расположения ароматических циклов в аденилил-^-N)-аминокислотах нами были использованы данные температурных и pH зависимостей ве­личин химических сдвигов линий поглощения протонов отдельных группмолекул, а также экспериментальные и расчётные данные о влиянии кольцевых токов ароматических систем на электронное экранирование протонов близлежащих групп [81]. Вопрос о систе­матизации качественных геометрических моделей относительного расположения ароматических циклов нуклеотидил-^-N)- аминокислот был решён в нашихсовместных работах на основании только экспериментальных и расчётных данных о влиянии кольце­вых токов ароматических систем на электронное экранирование протонов близлежащих групп [76]. Получено четыре типа взаимно­го расположения отдельных групп в нуклеотидил-(5^/-N)-аминокислотах. К1-му типу относятся фенилаланиновые и тирози- новые производные пуриновых нуклеотидов; ко 2-му типу - трип-тофановые производные пуриновых нуклеотидов; к3-му типу - фе­нилаланиновые и тирозиновые производные пиримидиновых нук­леотидов и к 4-му типу - триптофановые производные пиримиди­новых нуклеотидов. Одним из результатов наших исследований

[76,81] явилось обнаружение различия внутримолекулярных струк­турDиLформ нуклеотидил-(5^;-N)-аминокислот(сd- рибозой), которое проявляется в спектрах ПМР для всех соединений. Спек­тры ПМРDиL- аминокислот илиN- (метилфосфо) -D-(L) - аминокислот не различаются. Механизм процессов, приводящих к

55

разным спектрам ПМР диастереомеров(в данном случаеDиL- нуклеотидил-(5^/-N)-аминокислот) в ахиральных растворителях хорошо известен [56,70]. На основании данных ПМР нами предпо­ложено [81],что вD- формах ОСН₃- группа расположена ближе к центру ароматического цикла аминокислоты чем в случаеL-форм,что соответственно приводит к другому расположению ароматиче­ского остатка аминокислоты и нуклеотида.

Построение геометрических моделей нуклеотидил-^-N)- аминокислот и их сравнение с моделью аденилил-(5^/-N)- п - анизидина приводит к выводу о резком различии данных структур. Если в адснилил-(5‘-N)-п-анизидине ароматические кольца рас­положены практически взаимно перпендикулярно, то в адениловых производных нуклеотидамидов расположение ароматических сис­тем ближек параллельному. Поэтому встал вопрос об исследова­нии зависимости нековалентных взаимодействий ароматических циклов нуклеотидамидов от расстояния между ними, т.е. от единст­венного существенного фактора, различающего эти соединения.

2-10. Зависимость нековалентных взаимодействийарома­тических циклов нуклеотидамидов от расстояниямежду ними.

Были исследованы аденилил-(5^/-N)-w-аралкиламины с разным количеством метиленовых группп=1,2,4,6между арома­тическими циклами [78].

Последовательный анализ изученных соединений по мере увеличения количества метиленовых групп позволяет понять зако­номерности, которые проявляются при сближении ароматических систем. Нами высказано предположение о том, что в этих нуклео-тидамидах ароматические циклы могут быть расположены в парал­

56

лельных плоскостях, отстоящих друг от друга на 3,44 А°.По мере увеличения метиленовых групп фенильное ядро как бы “скользит”по плоскости аденина, удаляясь от протона Н-8 и приближаясь кNН₂- группе. При этом расстояние от фенильного остатка до Н-2 протона почти не меняется. Небольшое увеличение действия коль­цевых токов аденина на экранирование Н-2 может свидетельство­вать об оптимальном расположении ароматических систем в адени­лил~(5‘'-N)-2” -фенилэтиламине, который по расстоянию от фе­нильного радикала до фосфоамидного узла служит аналогом аде­нилил-(5-N)-фенилаланина, т.е. в нуклеотидил-^-N)- аминокислотах подход ароматических аминокислот к адениновому основанию может быть близок к межмолекулярному подходу от­дельных компонентов.

Выше приведённые выводы соместных исследований

[76,78,81] позволяют сделать заключение о способах подхода аро­матических молеул к гетероциклам нуклеотидов и, прежде всего,к адениновому основанию. Согласно полученным данным аромати­ческие циклы в основном стремятся к области С$ - С₆атомов угле­рода аденина. Можно предполагать также подход ароматических систем к области вблизи линии, соединяющей атомы Н-2 и Н-8 аденина, поскольку это также приведёт к указанным моделям.

Выяснению роли гидрофобных областей аденинового осно­вания при нековалентном взаимодействии с ароматическими со­единениями способствовало исследование внутримолеулярных процессов в молекуле дезоксиаденилил-(5^/-N)- п - анизидина.

57

2-11.Сравнение внутримолекулярныхпроцессов, проис­ходящихв рибо- и дезокснрибопронзводных молекулы адени­лил-(5^Л)~II- анизидина[41]. Рассмотрение термодинамиче­ских характеристик внутримолекулярного комплексообразования в указанных молекулах позволяет предложить механизм свёртыва­ния. Отрицательная величина изменения энтальпии внутримолеку-

г

лярного комплексообразования дезоксиаденилил-(5'-N)- п - ани­зидина(- 3,4 ккал/моль) свидетельствуют о преимущественном участии донорно-акцепторных взаимодействий в стабилизации данного комплекса. Согласно геометрической модели аденилил-^-N)-п- анизидина расположение плоскостей аденина и анизидина в комплексе близко к взаимно перпендикулярному, причём кольцо анизидина расположено над атомом кислорода рибозного цикла. Поэтому следует предположить, что полученные термодинамиче­ские величины относятся к взаимодействию атома кислорода рибо­зы с пи - электронами анизидина. В этом случае становится понят­ным факт необычного расположения ароматических систем в аде- нилил-(5^/-N)- п - анизидине,которое обусловлено, с одной сторо­ны,непосредственным соединением анизидинового кольца с фос-фоамидной связью, что ограничивает свободу перемещения в ком­плексе, а, с другой стороны, наличием указанных донорно-акцепторных взаимодействий.При гидрофобном взаимодействии ароматические циклы стремятся к максимальному перекрыванию, т.е. в большинстве случаев располагаются почти параллельно [192].

2-12. О природе различия дезокси и рибо производных аденозинфосфатов. Существенным различием молекул аденилил- (5'-N)- п - анизидина и дезоксиаденилил-(5^/-N)- п - анизидина согласно данным по изучению температурных зависимостей вели­

58

чин химических сдвигов является дополнительный процесс внут- римолекулярногопреобразования в аденилил-(5^;-N)- п-анизиди- не, которое, как указывалось выше, вероятно, связано с образова­нием водородной связи. Поскольку к этому различию приводит по­явление ОН - группы в2^/- положении рибозы, то очевидно следует предполагать образование водородной связиN3...Н-ОС2,стаби­лизирующей адениновыйцикл в несколько отличном от анти рас­положении. Подобное образование водородной связи могло быть и в молекуле АМФ. Однако температурные зависимости величин хи­мических сдвигов протонов Н-2 и Н-8, полученные при исследова­нии перехода син-анти, не показывают наличия этого процесса. Данные факты свидетельствуют о том,что в отличие от свободного подхода молекул воды к атомамN₃и протону группы НО-С₂в АМФ появление гидрофобного ароматического цикла анизидина вблизи этих центров образования водородной связи с растворите­лемзатрудняет подход к ним молекул воды и способствует образо­ванию внутримолекулярной водороднойСВЯЗИN3...НО-С2■

Обнаружение подобного факта образования дополнительных внутримолекулярных водородных связей позволяет сформулиро­вать возможную роль С2- ОН группы рибозы при образовании вто­ричных структур, стабилизированных стэкинг-взаимодействием. Вероятно, изменение гидрофобности вблизи оснований нуклеоти­дов приводит к изменению процессов гидратации различных цен­тров молекулы и даёт возможность осуществляться внутримолеку­лярным образованиям водородной связи, которые не могли проис­ходить из-за конкурирующего взаимодействия активных мест свя­зывания с молекулами растворителя.

59

Обобщая приведённые выше результаты, можно утверждать, что изучение внутримолекулярных взаимодействий в нуклеотида- мидах ставило своей целью получить данные о расположении аро­матическихрадикалов вблизи аденинового и других оснований.

Получены пространственные модели аденилил-(5^/-N)- аминокислот, где в качестве остатка аминокислоты выбраны фени­лаланин, тирозин и триптофан.Главным моментом в представлен­ных картинах взаимного расположения групп является взаимное расположение циклов аденина и аминокислоты. Последующие уп­рощённые“плоскостные”модели взаимного расположения гетеро­циклов других нуклеотидов и ароматических аминокислотпо­строены в соответствии с опытом изучения серии производных адениловой кислоты.Модели необходимы для сопоставления аде- нилил-(5'-N)-аминокислот с другими нуклеотидил-(5^/-N)- аминокислотами. Такое сопоставление способствует выяснению принципов формирования вторичных структур, включающих аде- нозин-5^/-фосфат. Этой же задаче посвящено исследование зависи­мости взаимодействия ароматических циклов аденина и бензола от числа соединительных метиленовых групп.

Таким образом, изучение внутримолекулярных взаимодейст­вий в нуклеотидам идах дало обширную информацию о геометрии различного окружения аденозинфосфатов, которую можно исполь­зовать при изучении более сложных структур, например, аденилил- (5^/-З¹')- аденилил-(5''-N)- фенилаланина [204]. Насколько досто­верно полученное в результате исследования вторичной структуры аденилил-^-N)-аминокислот представление о подходе аромати­ческой аминокислоты к аденину, которые являются ковалентно

60

связанными, должен был решить анализ соответствующих межмо- лекулярных взаимодействий.

Рассмотрение взаимодействия ароматических радикалов ами­нокислот и гетероциклов нуклеиновых кислот в более усложнён­ном виде оказывается вполне обоснованным,если ставить задачу нахождения характеристик элементарного комплексообразования нуклеотида и аминокислоты. Согласно литературным данным такая задача была не только не решена, но за исключением [118] в рабо­тах даже не принималось во внимание многообразие возможных взаимодействий в подобных системах, хотя с точки зрения выясне­ния специфичности связывания с нуклеиновой кислотой белков, содержащих ароматические аминокислоты, необходимо знать тер­модинамические и другие характеристики элементарного комплек­сообразования аминокислота - основание нуклеотида. Кроме того, если говорить о выяснении специфики подхода ароматических аминокислот к отдельному нуклеотиду(например, к аденозин-5^/- фосфату),то в этом случае также необходимы данные об элемен­тарном комплексообразовании.

2-13. Межмолекуляриые взаимодействия нуклеотидов и ароматическихаминокислот. Рассмотренные результаты по изу­чению внутримолекулярных взаимодействий радикалов ароматиче­ских аминокислот и гетероциклов нуклеотидов помогли предста­вить геометрию их взаимного расположения и возможные внутри­молекулярные процессы. Однако, термодинамика внутримолеку­лярного комплексообразования осталась невыясненной. Для реше­ния вопроса о способах подхода ароматических аминокислот к нуклеотиду необходимо получить термодинамические параметры их межмолекулярного взаимодействия. Это осуществлено нами в

61

системах аденозин-5^;- фосфат - ароматические аминокислоты [42,43].

Получение констант равновесия комплексообразования осно­ваний нуклеиновых кислот и ароматических аминокислот пред­ставляет собой трудную задачу, решение которойс применением известных способов расчёта в ряде случаев оказывается неодно­значным |L18 ].Эта трудность обусловлена двумя причинами. Во- первых, в подобных системах имеются три типа взаимодействий: основание - основание, основание-аминокислота и аминокислота - аминокислота. Поэтому общее выражение для измеряемого пара­метра(наблюдаемого химического сдвига) должно включать три вклада, т.е. оказывается довольно сложным. Во-вторых, исследова­ние самоассоциации ароматических систем представляет также большую проблему, в которой решается только задача нахождения механизма первичных стадий ассоциации. Осуществление расчётов межмолекулярного взаимодействия гетероциклов и ароматических аминокислот с использованием схемы последовательной самоассо­циации нуклеотидов с равными ступенчатыми константами равно­весия[118 Jявляется неоправданным, поскольку механизм полиас­социации в общем случае оказывается гораздо сложнее [27].

Нами обсуждены и выбраны условия, которые необходимы для изучения элементарного взаимодействия между двумя различ­ными ароматическими циклами и для подобных систем предложен метод определения констант равновесия комплексообразования. Вначале подробно было изучено взаимодействие аденозин-5^/- фосфата (АМФ) с метиловым эфиром тирозина (ТирОМе) в воде. При добавлении тирозина к АМФ происходит распад димеров АМФ и образование комплексов ТирОМе - АМФ. Когда влияние

62

распада димеров АМФ преобладает над образованием комплексов, химический сдвиг меняется в сторону слабого поля, затем по мере увеличения концентрации тирозина влияние образующихся ком­плексов становится основным и химический сдвиг меняется в сто­рону сильного поля. Подобное явление конкуренции димеризации и комплексообразования уже встречалось в наших работах ранее и было количественно детально нами описано [44].Наличие макси­мума характеризует одинаковое влияние двух разных процессов. Интересно, что в этой точке равновесная концентрация АМФ не зависит от константы комплексообразования, а полностью опреде­ляется контантой димеризации АМФ. Используя данные по влия­нию на протоны тирозина кольцевых токов аденина [150],можно полагать, что центр ароматического кольца тирозина находится над центром аденина, причём группа СН₂направлена в сторону шести­членного цикла аденина.

По аналогии с данной системой было исследовано межмоле- кулярное взаимодействие в воде аденозин-5^/- фосфата с фенилала­нином и триптофаном. Как видно из приведённых выше данных исследование внутримолекулярного взаимодействия ароматических аминокислот и нуклеиновых оснований в нуклеотидил-(5^/-N)- аминокислотах позволило получить данные о взаимном располо­жении ароматических остатков в этих молекулах. Однако специфи­ка подхода ароматических аминокислот к нуклеотиду, как уже от­мечалось выше, может быть выяснена только после нахождения термодинамических характеристик комплексообразования арома­тических аминокислот и нуклеотидов. Температурные зависимости величин химических сдвигов соответствующих внутримолекуляр­ных комплексов в принципе могут дать подобную информацию. В

63

действительности же оказывается, что под влиянием температуры происходит не только раскрытие внутримолекулярного комплекса, но также изменение других внутримолекулярных процессов [40]. Поэтому определение термодинамических характеристик образо­вания внутримолекулярных комплексов нуклеотидил-(5^/-N)- аминокислот оказывается затруднительным. Неизвестно также влияние ковалентной связи между основаниями и аминокислотами на термодинамические характеристики их взаимодействия.

Разработанный нами метод определения констант равновесия межмолекулярного взаимодействия ароматических молекул [42] позволил получить термодинамические характеристики элементар­ных процессов комплексообразования нуклеотидов и ароматиче­ских аминокислот и определить последовательность вероятностей подхода ароматических аминокислот к нуклеотиду. Поэтому анало­гично изучению ситемы АМФ - метиловый эфир тирозина были исследованы системы АМФ - фенилаланин и АМФ - триптофан,(см. табл. 1). Таблица1.

Константы равновесия комплексообразования АМФ с ароматическими аминокислотами.

СистемаКонстанта равновесия

АМФ - фенилаланин 27 л/моль

АМФ - метиловый эфир тирозина 45 л/моль

АМФ - триптофан 67 л/моль

64

Можно полагать в соответствии с данными таблицы 1,что благодаря различию в константах равновесия происходит“распознавание” на элементарном уровне молекулой аденозин-5'-фосфата определённой ароматической аминокислоты. При увели­чении количества ароматических циклов в каждой из взаимодейст­вующих сторон общая константа равновесия окажется близкой по величине к произведению элементарных констант равновесия, и вероятность подхода на уровне более сложных структур перейдёт в выбор определённых соединений.

На рис. 4 представлена зависимость логарифма константы равновесия от величины обратной температуры для системы АМФ

- фенилаланин. Данная зависимость нелинейна, а величины изме­нений энтальпии (0,2 - 1,5 ккал/моль) и энтропии (14-50),опре­делённые на отдельных участках кривой, оказываются положи­тельными. Зависимость термодинамических характеристик взаимо­действия АМФ с фенилаланином от температуры свидетельствует о том, что механизм образования комплекса оказывается специфич­ным для каждого значения температуры, т.е. зависит от состояния растворителя. Это свидетельствует о гидрофобном характере взаи­модействия в изученных системах. Поскольку гидрофобное взаи­модействие при увеличении площади сталкивающихся частиц должно усиливаться, то этим можно объяснить наибольшую вели­чину константы равновесия для системы АМФ - триптофан.

65

1.9

О-

17

Рис.4 Изменение логарифма константы равновесия обра­зования комплекса аденозин-5^/-фосфата с фенилаланином в зави­симости от обратной температуры.

66

Интересна причина различия во взаимодействии с АМФ оди­наковых по площади ароматических циклов фенилаланина и тиро­зина.Согласно экспериментальным данным [43] влияние кольце­вых токов аденина на ароматические протоны этих аминокислот примерно одинаковое. Более того, во внутримолекулярном ком­плексе как аденилил-(5^/-N)-фенилаланина, так и аденилил-(5¹-N)- тирозина расположение над аденином циклов фенилаланина или тирозина практически совпадает [81]. Необходимо отметить также, что для межмолекулярного комплекса АМФ - метиловый эфир тирозина изменение величин химического сдвина протоновСН2- группы и протонов в орто и мета положениях кольца тирози­на находится в той же последовательности, что и во внутримолеку­лярном комплексе[81]. Следовательно, можно говорить об анало­гии внутри и межмолекулярныхазаимодействий, определяющих пространственное расположение циклов в комплексе, и, соответст­венно, ожидать для близких по структуре комплексов АМФ - мети­ловый эфир тирозина и АМФ - фенилаланин одинаковых констант равновесия. Возможным объяснением значительного увеличения константы образования комплекса АМФ - метиловый эфир тирози­на может служитьстимулированное сближением ароматических систем образование внутрикомплексной водородной связи, вклю­чающей ОН-группу тирозина. Возможность такого стимулирова­ния в аналогичных системах показана нами ранее [41]. Согласно структуре комплекса АМФ - метиловый эфир тирозина вероятно происходит образование водородной связи ОН - группы с одним из атомов азота аденина.

67

Таким образом в результате этих исследований следует гово­рить о гидрофобной природе взаимодействия и установлении по­следовательности вероятностей подхода к нуклеотиду в системах ароматическая аминокислота - аденозин-5^/-фосфат.

2-14. Межмолекулярные взаимодействия аденозинфосфа­тов с пептидами, не содержащими ароматические аминокисло­ты. Взаимодействие нуклеотидов с неароматическими аминокисло­тами не приводит к значительным изменениям в спектрах ЯМР. Усиление эффекта связывания в этих системах наблюдается при увеличении количества мономерных единиц в одном из компонен­тов.

Из двух основных видов взаимодействия - гидрофобного “стэкинг”-взаимодействия и кулоновского (взаимодействие заря­женных групп) при образовании комплекса нуклеотид - пептид “стэкинг”-взаимодействие оказывается основным при наличии большего количества ароматических аминокислот в пептиде, а при отсутствии или их незначительном количестве основным взаимо­действием,стабилизирующим комплекс, является взаимодействие разноимённых заряженных групп. Известно, что зарядовые взаи­модействия в ассоциатах белок - нуклеотид или пептид - нуклеино­вая кислота проявляются в спектрах ЯМР только при наличии большого количества зарядов хотя бы на одном из компонентов, т.е. в данном случае, когда один из компонентов полимер. Это не­трудно понять, если учесть, что изменения в спектрах ЯМР отдель­ных компонентов будут происходить в том случае, если концентра­ция образующихся комплексов достаточно велика. Вероятно, эле­ментарное взаимодействие пары разноимённо заряженных групп недостаточно сильное, чтобы привести к заметной концентрации

ассоциатов. Кроме того, взаимное влияние зарядов в комплексе не приводит к заметному изменению величин химических сдвигов от­дельных групп в результате достаточно удалённого расположения заряда подошедшей молекулы по отношению к тем группам первой молекулы, протоны которых не обмениваются со средой. В отличие от взаимодействия разноимённо заряженных групп молекул, обра­зующих комплекс, в процессе которого сами реагирующие группы обмениваются, как правило, протонами со средой и их непосредст­венное влияние на величины химических сдвигов своих протонов в спектрах ЯМР в обычных условиях не наблюдается,“стэкинг”аро­матических циклов даёт возможность осуществить влияние кольце­вых токов этих циклов непосредственно на ароматические протоны взаимодействующих компонентов. Поэтому необходимым услови­ем обнаружения взаимного влияния молекул при изучении методом ЯМР связывания нуклеотида и пептида за счёт взаимодействия их заряженных групп является осуществление сближения в комплексе заряженных групп с необменивающимися со средой протонами. Очевидно,что в этом случае не должно быть такого расположения других заряженных групп одного из компонентов комплекса, кото­рое приводило бы к противоположному влиянию зарядов на необ- мепивающиеся протоны второго компонента, т.е. влиянию, сни­мающему эффект основного заряда, участвующего в образовании ионной связи. Это естественное условие наблюдения кулонговского взаимодействия нуклеотидов и пептидов требует перед постанов­кой такого исследования представления о конформационном со­стоянии или данных о взаимном расположении отдельных групп как нуклеотида так и пептида.

69

Нам представлялось важным для выяснения роликулонов- ских взаимодействий в многообразии межмолекулярных процессов аденознфосфатов обнаружить и изучить подобное взаимодействие между пептидом и АМФ.

В качестве пептида нами была выбрана молекула глутатиона (трипептид), в которой при нормальных значениях pH присутству­ют как положительно, так и отрицательно заряженные группы. Вы­бор глутатиона достаточно произволен за исключением того факта, что эта молекула непосредственно функционирует в биологических системах [84,86]. В отличие от конформации АМФ в растворе, дан­ные о которой были нами получены ранее и рассмотрены выше,конформацию глутатиона в воде необходимо было подробно ис­следовать, чтобы определить свободные положительно заряженные амино-группы, которые наиболее подвержены взаимодействию с отрицательно заряженными фосфатными группами АМФ.

Доказательство существования молекулы глутатиона в свёр­нутой форме, стабилизированной кулоновским взаимодействием концевых разноимённо заряженных амино и карбоксильной групп, осуществлено нами в работе [45].

Оценка значения константы равновесия комплексобразования глутатиона с АМФ с учётом всех существующих в данной системе процессов ассоциации была осуществлена,исходя из следующих предположений. Если уменьшение действия эффективного отрица­тельного заряда фосфатной группы АМФ происходит вследствие созданияэффективной положительной оболочки вокруг фосфата при комплексообразовании АМФ с глутатионом,то можно считать действие положительно заряженной сферы (оболочка вокруг фос­

70

фатной группы должна быть близка к сферической) равным дейст­вию точечного положительного заряда, расположенного в центре сферы. В этом случае эффект комплексообразования фосфатной группы с глутатионом должен быть схожим с эффектом уменьше­ния заряда фосфата. Подход однозаряженной группы глутатиона соответственно приведёт к уменьшению примерно на единицу за­ряда фосфта. Следовательно, изменение величины экранирования протона Н-8 АМФ при комплексообразовании с глутатионом должно быть близко к изменению экранирования протона Н-8 при титровании фосфатной группы, значение которого было нами из­мерено(18 гц).Использование данного значения позволило оце­нить константу равновесия комплексообразования АМФ с глута­тионом(0,23 л/моль).

Такая величина константы значительно отличается, напри­мер, от константы равновесия комплексообразования АМФ с аро­матическими аминокислотами (45л/моль), т. е. взаимодействие между заряженными группами слабее “стэкинг”- взаимодействия. В качестве положительно заряженной группы в молекуле глутатио­на может бытьNH₃^TилиNH₂⁺- группа. В сответствии с получен­ным представлением о конформационном состоянии глутатиона в воде, на наш взгляд, более предпочтительной для взаимодействиясфосфатом оказываетсяNH2⁺- группа, поскольку в свёрнутой форме вблизи этой группы находится только одна отрицательно заряжен­ная группа(NH₃⁺- группа с двух сторон экранирована отрицатель­но заряженными карбоксильными группами). Если не исключать возможности взаимодействия сЫНз⁺- группой, то скорее всего та­кое взаимодействие должно происходить в развёрнутой форме мо­лекулы глутатиона. Это утверждение эквивалентно тому, что взаи­

71

модействие фосфата с NH₃⁺- группой приведёт к разворачиванию молекулы глутатиона. Однако необходимость дополнительной за­траты энергии на раскрытие внутримолекулярного цикла при взаи-м о дейтев и исNH₃⁺- группой свидетельствует о большей вероятно­сти взаимодействия фосфата сNH₂⁺- группой.

Таким образом, результаты данного исследования указывают на реальность процессов связывания отдельных нуклеотидов и не­ароматических аминокислот и пептидов за счет кулоновского взаи­модействия разноимённо заряженных групп. Вследствие того,что величины констант равновесия комплексообразования АМФ с не­ароматическими аминокислотами значительно меньше чем величи­ны соответствующих констант в системах АМФ - ароматическая аминокислота, то, вероятно, следует предположить и различные биохимические функции этих взаимодействий. По нашему мнению, структура образующихся агрегатов, в первую очередь, должна оп­ределяться взаимодействием между имеющимися ароматическими циклами, направляющими упорядочивание частиц. После осущест­вления этого первичного расположения частиц в комплексах для точной взаимной ориентации молекул будут играть роль болеесла­бые взаимодействия, такие каккулоновские.

Исключением в предлагаемой последовательности взаимо­действий является случай, когда число взаимодействующих разно­имённо заряженных групп значительно больше числа контактов ароматических систем. Тогда определяющим фактором будеткуло-новское взаимодействие, поскольку константа суммарного связы­вания всех заряженных групп окажется больше константы равнове­сия суммарного образования контактов ароматических циклов.

72

Исследование взаимодействия положительно заряженных lpynnпептидов с отрицательно заряженной фосфатной группой АМФ дополняет общую картину нековалентных взаимодействий с аденозинфосфатами.

Предшествующие данные позволяют создать общее пред­ставление о состоянии аденозинфосфатов в воде и об их способно­сти к нековалентным взаимодействиям с различными соединения­ми.

Выделим основные моменты в экспериментальных результа­тах, позволяющие описать реальную динамическую структуру аде-нозин^-фосфата, которая проявляется при подходе молеул, со­держащих ароматические системы. Согласно геометрической мо­дели аденилил-^-N)- п - анизидина плоскость анизидина перпен­дикулярна плоскости аденина и соприкасается с ней вблизи ато­ма С - 6 гетероцикла.

В аденилил-(5^/-N)-бензиламиде удлинение цепи, связываю­щей гетероцикл и бензол за счёт добавления одной группы СН₂между атомом азота и ароматическим кольцом приводит к выходу ароматического кольца на гетероцикл над атомом С-6. Однако, эта промежуточная конформация ещё не позволяет накладываться аро­матическимсистемам. Кольцо бензола находится как бы на по­верхности эллипсоида (вернее, какого-то аналога эллипсоида во­круг основания нуклеотида, поскольку его поверхность совпадает с изоповерхностью кольцевых токов аденина, т.е. с такой поверхно­стью, на которой влияние кольцевых токов аденина одинаковое,.Последующее увеличение числа метиленовых групп способствует

73

выдвижению бензольного кольца на плоскость гетероцикла и даль­нейшему его продвижению в направленииNH₂- группы.

Геометрия аденилил-(5'-N)-аминокислот с ароматическими радикалами, с одной стороны, подтверждает результаты исследова­ния конформации аденилил-(5^;-N)-бензиламидов, а с другой сто­роны даёт дополнительные сведения о свойствах аденозинфосфата. Аденилил-(5^/-N)-фенилаланин имеет конформацию, сходную с аденшшл-(5^/-N)-бензиламидом, причём метилированная карбок­сильная группа располагается над фенильным кольцом, предостав­ляя возможность осушествить непосредственный контакт аромати­ческих систем. Подход фенилаланина при межмолекулярном взаи­модействии с АМФ происходит в соответствии с представялениями о внутримолекулярных взаимодействиях в аденилил-(5^;-N)-фенилаланине. Существенным добавлением в конформацию мети­лового эфира аденилил-(5^/-N)-тирозина,которая фактически ока­заласьидентичной с конформацией аденилил-(5^/-N)-фенилаланина, служит образование водородной связи ОН - тирози­на с атомом азотаN- 7 аденина, показанное в системе АМФ+ме­тиловый эфир тирозина. Подход триптофана к аденину как внутри- молеулярно, так и межмолекулярно происходит вблизи атома С-6, причём триптофан стремится к аденину шестичленным кольцом.Пятичленпый цикл триптофана располагается над областью от Н-8 до С-6 аденина. Расположение плоскостей ароматических систем в комплексе АМФ - ароматическая аминокислота близко к парал­лельному. Однако мы не только не может утверждать о строго па­раллельном расположении ароматических колец в комплексе, но на основании экспериментальных данных должны признать практиче­ски во всех случаях наличие отклонений. Создаётся впечатление,

74

что област ь С-5 - С-6 аденина является как бы широкой “щелью”для подхода гидрофобных групп (в данном случае ароматических систем). Взаимодействующий с АМФ ароматический цикл больше по размерам чем область С-5 - С-6,поэтому мы наблюдаем только заход в эту“щель” части кольца. С физико-химической точки зре­ния это можно понять, если представить, что к центрам образова­ния водородной связи в молекуле АМФ (в гетероцикле - атомы азо­та) подходят молекулы воды, которые не дают всей плоскости под­ходящего ароматического кольца расположиться на плоскости аде­нина. Так как в одласти С-5 - С-6 (а также вблизи линии Н-2 - Н- 8) не следует ожидать образования водородных связей с раствори­телем,то взаимодействующий с АМФ ароматический цикл в этом месте может дойти до соприкосновения с гетероциклом. Очевидно, что указанные факторы оказывают существенное влияние на ори­ентацию плоскостей ароматических систем.

Наличие метилированной карбоксильной группы аминокис­лоты влияет на взаимное расположение ароматических колец в комплексе. С одной стороны, это дало возможность указать на ме­ханизм различия в конформациях DиLпроизводных аденилил- (5^У-N)-аминокислот, с другой стороны, данный вывод свидетель­ствует о лабильности взаимного расположения ароматических сис­тем. Нельзя утверждать, что найденное взаимное расположение циклов в комплексе останется таким же при изменении окружаю­щей среды. Даже при появлении вблизи комплекса ароматических систем в воде молекул, которые практически оказываются инерт­ными по отношению к стыкующимся циклам, стыковка будет на­рушаться, если присутствие этих молекул изменит гидрофобностьокружающей комплекс среды. Непосредственное действие молекул

75

воды на компоненты комплекса изменится и, кроме того, изменится соотношение конкурирующих процессов межмолекулярного обра­зования водородной связи с молекулами воды и внутримолеулярно-го образования водородной связи. Данный факт, с одной стороны, объяснил природу различия рибо- и дезоксирибопроизводных аде­нозинфосфатов,с другой стороны, позволил раскрыть соотношение различных процессов при формировании вторичной структуры с участием аденозинфосфатов.

Согласно полученным в работе экспериментальным данным основным процессом,соединяющим в водном растворе молекулы аденозинфосфатов и другие ароматические системы в первичные агрегаты, является гидрофобное взаимодействие. Появление гид­рофобных агрегатов молекул способствует протеканию внутри этих комплексов процессов образования водородной связи и, вероятно, донорно-акцепторных взаимодействий. Поэтому структура ком­плексов определяется как внешними, так и внутренними фактора­ми.Внешние гидрофобные взаимодействия определённым образом направляют молекулы в агрегаты, внутренние процессы приводят к точному взаимному расположению молекул в комплексе. Для аде­нозинфосфатов направление гидрофобного взаимодействия моле­кул определено в основном областью С-5 - С-6 атомов аденина (а также, хотя и в меньшей мере,областью между Н-2 и Н-8 вдоль ли­нии, соединяющией эти атомы). Упорядочивание внутри комплекса ароматических систем с АМФпроисходит за счёт образования во­дородных связейN3...НОС₂,N₇...HO-R(R- например, ос­таток ароматической аминокислоты), и, вероятно, за счёт донорно- акцепторных взаимодействий(N...Р или П...П взаимодейст­вия). Указанная последовательность взаимодействий оказывается

76

полезной при рассмотрении самоассоциации АМФ. Появление не­ожиданной структуры тетрамера в виде“четырёхугольной звезды”, которая удовлетворяла экспериментальным данным, становится понятным с точки зрения стабилизации определённой структуры ассоциата внутрикомплексными взаимодействиями. В отличие от стопки из 4-х нуклеотидов (высота стопки примерно в два раза больше её диаметра), в которой дополнительной стабилизации структуры не происходит, в тетрамере типа“звезда”три образую­щих стопку гидрофобных контакта между основаниями заменяются на четыре более слабых гидрофобных взаимодействия между ос­нованиями и, кроме того, возможна дополнительная стабилизация такого ассоциата за счёт образования четырёх внутрикомплексных водородных связей. В предложенной структуре тетрамера это мож­но осуществить за счёт водородных связейNH₂-групп адениновых оснований. Наличие упорядочивающих внутрикомплексных воз­действий,наряду с соотношением гидрофобных областей и центров образования водородных связей в молекулах может оказаться ос­новным фактором, определяющим вторичную структуру в арома­тических системах и,в частности, в полинуклеотидах,

Чередование направляющих и упорядочивающих взаимодей­ствий позволяет понять принципы нековалентного образования биологических структур в воде, явления их самосборки и распада, саморегуляции определённого соотношения таких образований в растворе, и,наконец, принципы управления подобными некова­лентными процессами.

Конечно, каждое из выше указанных положений потребует в каждом конкретном случае подробного исследования. Однако вы­деление основных моментов, позволяющих заранее представлять

77

принципиальный механизм изучаемых явлений, несомненно облег­чит эту задачу.

ГЛАВА3

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АССОЦИАТОВ ВОДЫ

Прежде чем рассматривать экспериментальные данные, свидетельствующие о структурированном состоянии водной среды, необходимо указать, что отсутствие линейной зависимости лога­рифма константы равновесия от обратной температуры в системах АМФ+АМФ и АМФ+фенилаланин (рис.Зи рис.4) требовало создания таких представлений о водной среде, которые смогли бы объяснить столь необычные выше приведённые кривые. Поэтому до выяснения структуры воды нами было предпринято исследова­ние принципиальных основ поведения молекул воды вблизи гид­рофобных поверхностей, что, на наш взгляд, должно было пролить свет на явление гидрофобного взаимодействия. Макроскопическое представление о гидрофобном вытеснении растворителем, т.е. во­дой, частиц, не обладающих центрами образования водородных связей, в некие образования не давало конкретного механизма вы­теснения и тем более не объясняло дальнодействия или притяжения на расстоянии гидрофобных частиц.

3-1. Возникновение ориентационныхполей в водных рас­творах.

Рассмотренная в предыдущей главе природа не ковалентных взаимодействий между основаниями нуклеотидов в водных раство-

78

paxимеет как до норно-акцепторный, так и гидрофобный характер. Однако сам процесс сближения ароматических циклов при некова-лентном комплексообразовании в водных растворах,(“стэкинг”- взаимодействие), происходит в основном за счёт растворителя, т.е. за счёт гидрофобных сил. Нами дано теоретическое обоснование возникновения подобных силовых полей и получено эксперимен­тальное подтверждение расчётных формул.

Понятие гидрофобной поверхности подразумевает отсутствие на ней центров образования водородных связей (ЦОВС). Вследст­вие этого молекулы воды, подходящие к такой поверхности, будут отличаться от своего обычного состояния в глубине сетки водород­ных связей водной среды направленностью всех ЦОВС приповерх­ностного слоя в сторону от поверхности,чтобы реализовать обра­зование водородных связей. Таким образом, возникает градиент концентрации ЦОВС по направлению от поверхности в глубину водной среды. Таких ориентированных ЦОВС в приповерхностном слое молекул воды окажется практически вдвое больше, чем в обычном состоянии в глубине водной среды, хотя общее количест­во ЦОВС, интегрированное в любой точке по всем направлениям,естественно остаётся одним и тем же.

Развитие подобных представлений приводит к необходимо­сти рассмотрения основных понятий теории ориентационных по­лей. Пусть в ансамбль частиц, обладающих некоторым набором свойств для взаимного связывания, внедрится некая частица с пло­щадью поверхности S,не обладающая указанными свойствами час­тиц ансамбля. В этом случае поверхностьSоказывается медио- фобной или в частном случае для жидкостей соответственно соль- вофобной. Отсутствие вблизи поверхности возможности для частиц

79

реализовать все взаимные столкновения и связи, характерные для равномерно распределённых в объеме частиц, приводит к проявле­нию всех свойств взаимного столкновения и связывания частиц лишь по одну сторону от поверхности, т. е. приводит как бы к по­вышению эффективной концентрациии всех видов частиц ансамбля и их образований примерно в 2 раза.

“Избыток”концентрации у поверхностиSвоздействует на окружающие частицы, приводя к соответствующей“поляризации облаков соударения”с этими частицами.

Очевидно, что в силу неизменности числа центров образова­ния связей у каждой частицы “поляризация облаков соударений”для неё,вызывая с какой-либо стороны увеличение числа центров, приводит в остальной чатси к соответствующему уменьшению.

Таким образом,всегда при наличии такой поверхности долж­ны возникать две области повышенной и пониженной эффектив­ных концентраций, приводящих соответственно к двум типам ассо­циативного взаимодействия с разными константами равновесия. Производя полный расчёт [46], нами были получены формула зави­симости от расстояния изменения свободной энергии ориентации1моля частиц среды и выражение для силы взаимодействия между разными сферамиSiиS₂на некотором расстоянииR.

Учитывая, что ориентационное поле ЦОВС в водных раство­рах вызвано гидрофобными поверхностями, целесообразно данный вид ориентационного поля называть гидрофобным полем. Соответ­ственно полученные формулы для изменения свободной энергии и силы будут выражениями для гидрофобной силы и энергии гидро­фобного взаимодействия. Целесообразность термина

80

“гидрофобность”следует из важной роли оснований нуклеотидов и ароматических остатков аминокислот в формировании гидрофоб­ных свойств макромолекулярных образований в водных средах. Причём изменение степени гидрофобности за счёт площади по­верхностей приводит к изменению степени ориентированности ЦОВС, передающейся от гидрофобной площадки в среду. Такого рода“гидрофобная волна” в своём распространении, несомненно, будет оказывать влияние на“стэкинг”- взаимодействие и другие виды гидрофобного взаимодействия, являясь определённым сигна­лом или переносчиком информации.

Для того, чтобы формулу для энергии гидрофобного взаимо­действия можно было применить к расчёту“стэкинг”- взаимодей­ствия, необходимо учесть, что в реальных взаимодействиях абсо­лютно гидрофобных компонентов практически не бывает.

В общем случае на поверхности взаимодействующих в вод­ных растворах веществ присутствуют как центры образования свя­зей с растворителем, так и сольфобные площадки. Нами для общего случая также выведены соответствующие формулы для изменения величинсвободной энергии в процессе ассоциации между вещест­вом и растворителем [46].

Обработка данных по взаимодействию соединений с наличи­ем как мест связывания, так и сольвофобных площадок согласно выведенным формулам позволила,наконец, полностью объяснить ход зависимостей, приведённых на рис.З и рис.4и получить вели­чины разностей между изменениями энтальпии и энтропии образо­вания ассоциатов растворителя и комплексов растворителя с веще­ством.Соответственно, для системы АМФ+АМФ это -39,7

кДж/моль и -117 Дж/моль К, а для системы АМФ+фенилаланин это -36,4 кДж/моль и -119 Дж/моль К.

Следует обратить внимание на значительные величины изме­нения энтальпии, составляющие примерно величину изменения эн­тальпии образования двух водородных связей. Этот факт,скорее всего, обусловлен природой ассоциации молекул воды, выяснение которой составило довольно обширный этап исследований.

3-2. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул

воды.

Учитывая выше приведённые представления о гидрофобно- сти, нами был предложен кинетико-термодинамический подход к описанию процессов ассоциации молекул воды. Прежде всего под­робный анализ полного процесса полиассоциации позволил нам вывести формулу ограничения количества молекул в ассоциате [47]. К х М₍₁=m(m+l)/2,где К - ступенчатая константа равно­весия, М₀- собственная молярная концентрация воды,m- количе­ство молекул в ассоциате.

В этом соотношении вследствие конечных величин КиМ^должна быть также конечной и величинаш. При М₀—55 моль/л для Н₂0 и К=10 следует ожидатьm=32. Однако, зная, что разветвле­ние ассоциата воды по конечной молекуле может идти сразу по трём связям и,соответственно, вместо К надо вставить ЗК, получит­ся, чтош=57. Следовательно, в общей схеме ассоциации молекул воды в результате равновероятного увеличения числа молекулв каждом образующемся ассоциате их максимально возможное коли­чество окажется равным 57.

82

Таким образом, можно ожидать,что при такомmв линейно разветвлённых ассоциатах молекул воды в основном будет осуще­ствляться образование водородных связей внутри ассоциата, т.е. происходить образование циклических структур.

На основании представлений о гидрофобности можно опре­делить увеличение степени гидрофобности как уменьшение отно­шения числа свободных водородных связей какого-либо образова­ния, в нашем случае ассоциатов воды,к общему количеству моле­кул воды в данном образовании. Поскольку ассоциация молекул воды в таком представлении соответствует увеличению гидрофоб­ности, то для рассмотрения путей формирования молеулярных структур воды целесообразно ввести своего рода принцип макси­мальной гидрофобности.

Развивая указанный принцип как необходимость возникнове­ния ассоциатов для уменьшения отношения числа свободных цен­тров образования водородных связей (ЦОВС) кобщему числу мо­лекул в ассоциате, в применении к циклам и далее к сферическим образованиям получим для мономера - 4; для димера -3;для ли­нейного пентамера - 2,4;для циклического пентамера - 2; для шес­тициклического тетраэдрического каркаса из17молекул-1,4; для додекаэдра -1;для додекаэдрического тетраэдра из 57 -ми молекул (глобулы, состоящей из четырёх связанных в виде тетраэдра доде­каэдров)-0,7.

В соответствиии с ограничением числа молекул в ассоциате, равным57, т.е. как раз для последнего ассоциативного образования, следует остановиться в усложнении структуры ассоциатов и про­анализировать получившийся результат.

83

Любое последующее межглобулярное образование водород­ной связи будет постепенно уменьшать степень гидрофобности. Однако, согласно представлениям о гидрофобном взаимодействии как определяющем энергетически наиболее выгодное взаимное расположение молекул по максимуму перекрывания соприкасаю­щихся площадей при отсутствии на них центров образования водо­родных связей, вхождение каждого из четырёх додекаэдров глобу­лы в гидрофобную впадину другой глобулы, с одной стороны, не даёт10-ти центрам образования водородной связи на поверхности додекаэдра образовать хотя бы одну связь, с другой стороны, опре­деляет максимальное соприкосновение по площадям.

Необычность такой состыковки глобул воды позволяет рас­ширить действие принципа максимальной гидрофобности, уточнив выше принятое отношение как отношение к общему числу молекул количества свободных ЦОВС, имеющих реальную возможность или вероятность образовать водородную связь в создаваемом окру­жении, а не просто свободных ЦОВС.Тогда в этом определении для системы взаимно входящих друг в друга глобул такое отноше­ние вообще стремится к нулю. Данное состояние даже теоретиче­ски является законченным и,следовательно, реально наиболее ус­тойчивым.

Общий вид предлагаемой структуры ассоциата молекул воды представлен на рис.5. Это тетраэдр, составленный из четырёх доде­каэдров, каждый из которых имеет 12 пятиугольных граней, 30 рё­бер,20 вершин (в каждой соединяются три ребра, вершинами явля­ются атомы кислорода, ребром служит связь О-Н...О. Всего в тетраэдре додекаэдров 57 молекул воды,17из которых составляют тетраэдрический полностью гидрофобный (т.е. насыщенный че­

84

тырьмя водородными связями) центральный каркас, а в четырёх додекаэдрах на поверхности каждого находятся по 10 центров об­разования водородной связи (ОНили О).

Подтверждение предлагаемой структуры ассоциатов молекул воды, согласующейся с наиболее принятой моделью Полинга, но являющейся более развитой и усовершенствованной тетраэдриче­ской системой, формирующейся по совершенно новому неисполь­зуемому ранее критерию максимальной гидрофобности, было осу­ществлено в ряде дополнительных исследований. Одним из первых экспериментов, который должен был свидетельствовать о наличии ограниченных по числу молекул воды ассоциатов, был этап изуче­ния температурных зависимостей показателя преломления водной среды. Несмотря на то,что эти данные получались ранее и давно уже вошли в соответствующие справочники, нам представлялось целесообразным более тщательно повторить эти опыты, поскольку трактовка и способы анализа экспериментальных кривых качест­венно отличались от существующих прежде.

3-3. Температурные зависимости показателя преломления водной среды. Обработка температурных зависимостей проводи­лась для процесса циклизации молекул воды, записанного в общем виде:

М =М_св,гдеМ_св-свёрнутая в циклы форма ассоциата, М

-разрушенное или отличное от упорядоченной свёрнутой формы состояние ассоциата.

Выбор столь простой схемы изменения количества водород­ных связей в воде от температуры обусловлен приведённым выше выводом о преимущественом образовании водородных связей

85

Рис.5. Модель ассоциата воды из 57- и молекул - тетраэдр из четырёх додекаэдров (“квант”). Каждый из додекаэдров имеет 12 пятиугольных граней,30 ребёр,20 вершин(в каждой соединяются три ребра, вершинамиявляются атомы кислорода, ребром служит водородная связьО-Н...О).Из 57-и молекул воды“кванта”17 составляют тетраэдрический полностью гидрофобный(т.е. насы­щенный.четырьмя водородными связями)центральный каркас, а в четырёх додекаэдрах на поверхности каждого находятся по10цен­тров образования водородной связи(О-Н или О).

86

внутри ассоциата, что и должно определять изменение пока­зателя преломления.Согласно полученнымданным[47] значения для свёрнутой формып_св= 1,338 и для мономераn=1, 286 суще­ственно отличаются друг от друга и большая величинаПс_В.свиде­тельствует об упорядоченности свёрнутой формы. Рассчитанные же величины изменения энтальпии(21 кДж/моль) и энтропии(51 Дж/моль К) рассматриваемого процесса [47] близки к соответст­вующим параметрам образования и разрыва одной водородной свя­зи. Следовательно, разрушение свёрнутой формы ограничивается разрывом всего одной водородной связи, т.е. правильнее говорить о нарушении основной свёрнутой в циклы формы, а не о её полном раскрытии или разрушении.

Хорошее совпадение расчётных и экспериментальных кри­вых свидетельствует о справедливости применяемой схемы и по­следующих рассуждений, однако не показывает, сколь большое ко­личество молекул воды участвует в построении основной формы ассоциата.

С целью выяснения этого вопроса и для доказательства ут- вержэденияо построении ассоциатов воды по принципу наиболь­шей гидрофобности были предприняты исследования водных рас­творов солей, влияющих на ассоциаты или изменяющих основную форму ассоциата воды.

3-4. Концентрационные зависимости показателя прелом­ления водных растворовKCI. Обработка экспериментальных зависимостей изменения показателя преломления от концентрацииKCIв воде[47] привела к следующим выводам:

87

1.Небольшое увеличение показателя преломления воды в присутствииKCIпо сравнению с исходным означает приближение структурного состояния воды к большему количеству свёрнутых форм,т.е. при добавленииKCIпроисходит стабилизация обра­зующихся глобул.

2. Сравнительно большое количество молекул воды, находя­щихся под влиянием иона (800) никак не укладывается в представ­ление о том, что молекулы воды специфическим образом упорядо­чиваются вокруг иона, соответственно уходя из определённых структур ассоциатов, что также не свидетельствует о нарушении глобул.Несуразность больших значений полностью убирается, если рассчитать количество глобул, ориентированных вокруг каждого ионаК⁺и СГ.Действительно, если разделить 800 на количество молекул в глобуле по предлагаемой модели (57), то соответственно получается значение порядка 14.Поделив на два (по числу ионов) получим 7,что находится в неплохом согласии с представлением о координации молекул растворителя с ионом в основном по осям координат, т.е. приближение к иону близкого к 6-ти количества ко­ординирующих частиц. Это рассуждение в какой-то степени под­тверждает реальность наличия глобул. В этой работе у нас ещё не было данных о возможности образования ассоциатов из нескольких глобул по 57 молекул. Однако, одна из естественных трактовок на­личия около иона такого количества молекул как 800 предполагает возможность существования неких громадных образований-клат-ратов по несколько сот молекул воды в каждом. В этом случае представляется интересным само значение 800,которое указывает на порядок количества молекул в предполагаемом стабильном об­разовании из молекул воды.

88

На обработанных разными способами экспериментальных кривых присутствуют детали, которые для уравнений, описываю­щих процессы ассоциации, оказываются просто случайными от­клонениями. Однако, регулярность этих отклонений через опреде­лённый интервал (0,8 - 0,9%) и повторяемость во всех независимых опытах заставила провести эксперимент, надёжно улавливающий и фиксирующий указанные отклонения.

С этой целью в области концентраций KCI12-14% с шагом

0,1%с повышенной точностью как приготовления, так и измерения в разных условиях по температуре и давлению были получены за­висимости показателя преломления от концентрацииKCI(рис.6). Как видно из рис.6, обнаружены действительно регулярные пикиуменьшения показателя преломления, причём разность между пи­ками по концентрацииKCIпо расчёту соответствует уменьшению среднего объёма между ионамиК⁺иCI" на объём одной молекулы воды. Так в изученном диапазоне (12-14%) число молекул в ассо­циате с повышением концентрации уменьшается последовательно15-14-13. Иными словами, обнаружено замечательное явление“раздевания”глобулы по одной молекуле при увеличении ионной силы. Насыщенность раствора и соответственно полное разруше­ние глобул происходит при 22 - 24%KCI.

При понижении концентрации KCIинтервал концентраций на изменение объёма,равного объёму одной молекулы воды, быстро уменьшается, что,естественно, затрудняет его экспериментальное обнаружение.

Одним из выводов данного исследования служит также ука­зание на изменение фазового состояния воды, поскольку ступеньки,

89

Рис.6. Зависимости показателя преломления (п) от

концентрации KCIв воде при21(1) и 25°С (2).

90

проявляемые в полученных зависмостях свидетельствуюто мякрофазовых переходах и, следовательно, о стабильности сущест­вующих в воде ассоциатов.

Подтверждение существования стабильных образований в воде удалось получить из данных протонного магнитного резонан­са.

3-5. Исследование структуры воды методом протонногомагнитного резонанса [48]. В предлагаемой модели термодина­мически устойчивого ассоциата -“додекаэдрического тетраэдра”из 228 центров образования водородных связей (ЦОВС) 188 связей, т.е. 94 протона,образуют практически неразрушаемый симметрич­ный каркас ассоциата, оставляя на поверхности 40 центров воз­можного образования водородных связей, т.е. 20 протонов. По­скольку предполагаемая относительная неразрушаемость каркасаассоциата подразумевала отсутствие обмена молекул воды ассоциа­та с молекулами других ассоциатов, то в спектре ПМР в области поглощения ОН - группы теоретически предполагалось обнаружить две группы пиков в соотношении 94/20 с расположением более ин­тенсивного пика в более слабом поле.

В опытах использована сверхчистая вода (18МОМ см), полу­ченная на установке фирмы“Миллипор”. Спектры ПМР были по­лучены на спектрометре “WM- 500Bruker”,Во избежание искаже­ний в спектре мощность подаваемого импульса была выбрана отно­сительно слабой, гарантирующей сохранение правильной формы сигнала. Вращение образца было исключено из-за возможного по­

91

явления дополнительных боковых пиков. Необходимая для разре­шения однородность поля достигалась за счёт выбора измеряемого образца в виде тонкого капилляра с водой, помещённого в фикси­рованное по центру стандартной ампулы положение, а также за счёт тщательной настройки однородности поляч соответствующи­ми шимам и. На рис. 7 представлен спектр ПМР воды.В спектре присутствуют две группы пиков: основной синглет и группа близ­ких по значениям химических сдвигов слабых пиков в диапазоне)0гц как в сторону сильного,так и в сторону слабого поля. Соот­ветствием полученного спектра ПМР предложенной модели ассо­циата из 57 молекул воды (рис.5) следует считать прежде всего от­сутствиеюлько одного ожидаемого по обычным представлениям сигнала от протонов воды и появление большинства дополнитель­ных пиков в более сильном поле.

Серьёзным подтверждением модели служит отношение пло­щади основного пика к площади группы слабых сигналов. Соглас­но модели, это отношение должно быть равно 94/20,что очень близко соответствует отношению соответствующих площадей, взятых из спектра ПМР. Наличие дополнительных линий, тем более пика в более слабом поле, нетрудно объяснить при рассмотрении возможного реального поведения термодинамически устойчивого ассоциата (“кванта”) по взаимодействии с себе подобными струк­турами.

Действительно, из анализа модели додекаэдрического тетра­эдра следует, что шесть ЦОВС на каждой грани тетраэдра про­странственно по расположению и направлению связей точно соот­ветствуют шести ЦОВС на грани любого другого тетраэдра. Есте­ственно,тодля образования всех шести водородных связей между

92

Рис.7. Спектры ПМР(“Bruker-WM- 500”)протонов воды(1)и после16накоплений (2).

Расшифровка спектра ПМР на рис. 7.

На спектре ПМР стрелками показаны выявленные линии поглощения протонов воды. Анализ выделяемых из интегрального спектра 9-ти составляющих линий с соответствующими площадями позволил оценить долю протонов(f)в каждом положении по от­ношению к общей интегральной сумме площадей всего спектра. Ниже приведены полученные таким образом экспериментальные величины(f_3KC)и для сравнения соответствующие теоретические величины(Г_теир.),рассчитанные из окончательной 912-ти молеку­лярной модели структурного элемента воды. Разделение протонов

93

по степени экранирования произведено в соответствии с моделью и согласовано с расположением линий в спектре ПМР.

Тип и количество протонов. f_3KC

1.Свободные поверхностные протоны

на двух острых углах элемента (4).0,0022 0,0027

2. Протоны двух центров

супертетраэдров (8).0,0044 0,0051

3.Сферические и каркасные протоны

“квантов”(1152 + 288).0,7894 0,7836

4. Протоны на углах “квантов,”

направленных во внутрь (28 ).0,0154 0,0143

5.Свободные поверхностные протоны

на гранях элемента кроме центра (60).0,0329 0,0382

6. Протоны на связях, перпендикулярных

поверхности грани (72).0,0395 0,0440

7. Протоны в центре “квантов”кроме

центров супертетраэдров (56).0,0307 0,0294

8. Свободные поверхностные протоны

в центре грани (36).0,0197 0,0215

9. Протоны комплементарных связей

между “квантами”в элементе(120).0,06580,0612

94

гранями разных тетраэдров чередование -ОН и -О в центрах образования водородных связей на разных гранях должно быть взаимно дополняющим, т.е. комплементарным. Комбинаторный анализ чередования -ОН и -О в центрах образования водородных связей приводит к выводу о существовании четырёх типов ком­плементарных шестисвязных пар граней разных тетраэдров с соот­ношением интенсивностей 1:6:15:10. В спектре ПМР этот квар­тет линий по всей видимости наблюдается в виде уширенного сиг­наловв более сильном поле по отношению к основному пику. Это­му предположению соответствует относительное количество про­тонов,отвечающих площади данного сигнала.

Расчёт по предложенной модели количества возможных шес­тисвязных комплементарных пар показывает значительно мень­шую вероятность получения подобных пар уже на второй из четы­рёх граней тетраэдра. Поэтому одна комплементарная пара оказы­вается основной ячейкой в построении последующих ассоциатов (например,в результате образования водородных связей между пространственно соответствующими вершинами спаренных граней при подходе комплементарных пар друг к другу,т.е. по 4 и по 2связи).

Поворот комплементарной пары как наименее связанной ячейки в сетке водородных связей приводит вследствие расположе­ния положительных и отрицательных зарядов водородной связи на различных радиусах вращения вокруг центра тяжести к появлению магнитного момента ячейкм, что позволяет объяснить наличие ос­тальных линий в спектре ПМР.

95

Сигналы от протонов водородных связей, попадающих под экранирующее действие магнитного поля, окажутся в более силь­ном поле, а сигналы от протонов, наиболее удалённых от центра вращения, попадающих под дезэкранирующее влияние магнитного поля, окажутся в более слабом поле по отношению к основному сигналу. Количество, положение в спектре и относительная интен­сивность всех наблюдаемых линий в принципе хорошо соответст­вуют предлагаемой модели, однако детельная расшифровка каждой из линий требует серьёзных джополнительных исследований, и по­тому полное объяснение линий на этом этапе не представлялось целесообразнывм.

Предложенная модель и предположения о соответствии с ней данных ПМР в этой стадии исследований носили, естественно, ги­потетический характер и представляли интерес, скорее всего, для выбора последующих экспериментов,подтверждающих сугцест- воание в воде термодинамически стабильных структур. Тем не ме­нее следует отметить,что наличие отдельных линий поглощения в спектре ПМР непосредственно и наиболее наглядно доказывает наличие стабильных ассоциатов в воде.

Обнаружение в спектрах протонного магнитного резонанса воды в области более сильного поля по отношению к основной ли­нии поглощения фактически трёх областей химического сдвига с интенсивными линиями поглощения на общем нулевом фоне мо­жет объясняться либо наличием сложных структур одного типа ассоциатов,либо сущестованием разных типов образований из “квантов”воды.

96

Важная роль структурного состояния водной среды в жизне­деятельности организмов требовала серьёзного планирования даль­нейших исследований и понимания того, что вопрос о возможной стабильности вполне определённых ассоциатов из молекул воды не поднимался, поскольку считалось, что малое время жизни комплек­сов с водородной связью (10'⁹сек.) исключает появление долго­живущих комплексов на основе этих связей.

Поэтому доказательство наличия своего рода фракций воды подразумевало обязательное подтверждение существования ста­бильных ассоциатов воды непосредственно в хроматографических исследованиях. Учитывая предшествующие данные о степени ста­билизации термодинамически устойчивых “квантов” воды, нами был предпринят эксперимент по выяснению возможности разделе­ния фракций воды методом жидкостной хроматографии [49].

3-6. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды. Прежде всего следует отметить, что такие странные факты, как отклонение от линейной при снятии зависимости показателя преломления от процентного содержания в водном растворе ряда веществ: метиловогоспирта, ацетонитрила и других,- явно свиде­тельствовали о разрушении каких-то устойчивых образований из молекул воды.

Причём поражало также то, что это явление довольно специ­фично и, например, для метилсульфоксида линейность в аналогич­ной зависимости сохраняется, т.е. в этом случае со структурой воды как бы ничего не происходило. Это в какой-то мере подтверждается тем, что смесь диметилсульфоксид-вода, известная в медицине как“диметоксин”, используется для инъекций и, следовательно, не яв­

97

ляется токсичной в отличие от водных растворов метилового спир­та и ацетонитрила.

Выбор условий определения фракционного состава воды ме­тодом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Поскольку вода не поглощает в характерном для наиболеедоступных детекторов в диапазоне 200 - 700 нм и не обладает флуоресценцией, использование наиболее распостранённых и на­дёжных спектрофотометрического и флуорометрического детекто­ра, на первый взгляд, представляется невозможным. Однако“прозрачность” воды в ультрафиолете позволяет прибегнуть к кос­венному детектированию с использованием элюентов, поглощаю­щих в УФ - диапазоне. К таким элюентам относятся ацетон, уксус­ноэтиловый эфир,бензол и т.п. Выбор предпочтительного раство­рителя определяется двумя факторами: выбором колонки и воз­можностью получения растворителя с минимальным содержанием воды. Детектирование при этом возможно по снижению поглоще­ния (фона детектора) при прохождении пика воды. Возможно так­же использование рефрактометрического детектирования при дос­таточной чувствительности рефрактометра.

Как было уже показано нами [47], возможные фракции воды обладают различной гидрофобностью, следовательно для их разде­ления можно использовать обращённо-фазную хроматографию. Однакообращённо-фазное элюирование чистым органическим элюентом привело бы к элюции столь полярного соединения как вода практически в мёртвом объёме. В связи с этим для разделения было использовано обратное гидрофобности свойство фракций во­ды - различие в способности к образованию водородных связей.

98

Для разделения фракций была использована колонка с привитыми к силикагелю NH₂- группами, обладающими заметной способностью к образованию водородных связей. Учитывая, что энергия образо­вания водородных связей сопоставима с энергией дисперсионных взаимодействий,и что использование органических растворителей обеспечивает достаточно высокое удерживание на аминноЙколон­ке таких соединений, как моно- и дисахариды и спирты,NH₂- колонка была выбрана для оценки возможностей разделения фрак­цийводы.

В качестве элюентов была оценена возможность использова­ния при косвенном детектировании двух органических растворите­лей,поглощающих в УФ - диапазоне: ацетона и уксусноэтилового эфира(длины волн, соответственно,250 нм и 290 нм). В случае прямого рефрактометрического детектирования оценивали воз­можность использования этилацетата и ацетонитрила.

Результаты эксперимента при косвенном УФ детектировании. С использованием обоих элюентов удалось вы­явить элюциюводы сNH₂- колонки тремя частично разделёнными хроматографическими зонами на фоне общего сильно размытого пика (рис. 8 а-б).

При этом использование ацетона позволяло получить более чёткие зоны, иначе говоря, эффективность колонки была выше. По­степенно происходило размывание хроматографических зон, что может быть связано с насыщением колонки водой (рис. 8в).

2

Рис. 8 а. Косвенноедетектирование фракций воды по изменению поглощенияэтилацетата на длине волны 290 нм.

8 б.Косвенное детектирование фракций воды по изменению поглощения ацетона на длине волны 250 нм.

8 в. Косвенноедетектирование фракций воды

по изменению поглощения этилацетата на длине волны 290 нм в стадии насыщения колонки водой.

100

Более тщательный анализ хроматографических зон на рис.8а, рис. 8бпоказывает, что правильнее трактовать наблюдаемые ли­нии как две группы линий на общем размытом пике.

Так на рис. 8 а видно, что при использовании в качестве элю- ента этилацетата вначале отдельно выходит небольшой пик, а затем прослеживается группа линий, фактически представляющая собой неразрешённый триплет, ширина линий которого заметно больше, чем у первогопика.

Такое наблюдение и условное подразделение оправдывается анализом хроматографических зон на рис. 8 б.При использовании в качестве элюента ацетона,резко меняющего ширину линий, вна­чалеможно очертить отличающийся от остальных широкий пик, а

I

затем чётко видны три линии.Поэтому даже при предварительномкосвеном детектировании можно утверждать о наличии фракцийводы.

Использование прямого рефрактометрического детектирова­ния. Использование косвенной УФ - спектрофотометрии не по­зволяло количественно проанализировать результаты разделения, поскольку оптические характеристики детектора в этом режиме от­личались нестабильностью. Чувствительность метода была невели­ка, что вело к перегрузке колонки. Тем не менее полученные пред­варительные результаты, а также данные о показателях преломле­ния воды с различными органическими растворителями позволили предположить, что использование рефрактометрического детекти­рования позволит улучшить условия разделения. В связи с этим на следующем этапе разделение воды на фракции методом выскоэф-

101

фективной жидкостной хроматографии проводили с детектирова­нием по разности показателей преломления элюент - вода.

Поскольку при использовании косвенного УФ - детектирова­ния хорошие результаты при разделении фракций воды былипо­лучены с использованием в качествеэлюента этилового эфира ук­сусной кислоты, в первоначальных экспериментах с рефрактомет­рическим детектированием был использован тот же элюент. Одна­ко при этом не удалось обнаружить сколько-нибудь выраженных хроматографических зон или даже системных пиков.

В связи с этим на следующем этапе нами был использован широко применяемый в хроматографической практике апротонный растворитель -ацетонитрил. Практически полная прозрачность этого растворителя в УФ - диапазоне не позволила использовать его при разделении фракций воды с косвенным УФ - детектированием. В то же время ряд характеристик(низкая вязкость, полное смеше­ние с водой)позволили предположить,что он может быть успешно применён в качестве элюента при разделении фракций воды с реф­рактометрическим детектированием.

Полученные результаты полностью подтвердили это предпо­ложение. Методом ВЭЖХ на аминной колонке с использованием в качетсве элюента ацетонитрила удалось разделить на фрактции как чистую воду, так и её смеси с ацетонитрилом в различных соотно­шениях(рис. 9б- 9 е). При этом было обнаружено, что при раз­личных соотношениях ацетонитрил - вода количество фракций и эффективность разделения различны. Например, при использова­нии чистой воды на хроматограмме наблюдаетсяпри первом рас­смотрении три пика, соответствующие трём фракциям, а при ис­

102

пользовании 50 - ти процентного раствора воды в ацетонитриле(объём на объём)- фактически только одна фракция(рис. 9 в).Дополнительная проверка показала, что при инжектировании чис­того ацетонитрила наблюдается единственная хроматографическая зона, элюирующая в виде негативного пика с удерживанием около107 сек.(рис. 9 а - 1,78 мин.). Наличие этой зоны свидетельствует о том, что ранее отмеченные нами пики действительно нри-надлежат воде, и позволяет определить столь важный параметр как мёртвое время колонки, необходимое для дальнейших хроматографических расчётов.

Для понимания механизма разделения фракцийводы наNH₂- колонке при использовании в качестве элюента 100 % ацетонитри­ла следует рассмотреть имеющиеся представления о сорбции на этой колонке представителей группы веществ, также способных к образованию нескольких водородных связей - углеводов. Посколь­ку аминные колонки и элюенты типа ацетонитрил - вода широко используются для хроматографического анализа различных пред­ставителей этого класса органических веществ, существуют как многочисленные экспериментальные данные о возможном меха­низме их сорбции, так и определённые теоретические представле­ния, анализ которых может оказаться полезен при рассмотрении механизма хроматографического разделения фракций воды.

Известно, в частности, что с увеличением молекулярного ве­сасахаров, их удерживание наNH₂- колонке резко возрастает. Су­ществует также определённая зависимость между удерживанием и содержанием воды в элюенте: чем больше процентное содержание воды, тем иеньше удерживание углеводов. Таким образом, меха­низм удерживания углеводов на аминной колонке существенно от

103

Рис. 9 а - Прямое рефрактометрическое детектирование. Ба­зовая хроматограмма - время выхода мёртвого объёма в отсутствие порций воды.I-интенсивность, пропорциональная изменению по­казателя преломления.

б-Прямое рефрактометрическое детектирование фракций 100-процентнойводы.

в - Прямое рефрактометрическое детектирование фракций воды (50% в ацетонитриле).

104

).мл

__t

гз

Рис. 9 г -Прямоерефрактометрическое детектирование фракций воды(22% в ацетонитриле).

д - Прямое рефрактометрическое детектирование фракций воды(10% в ацетонитриле).

е - Прямое рефрактометрическое детектирование фракцийводы(100-процентная водопроводная вода).

105

личается от механизма удерживания на обращенно-фазной колонке, где увеличение доли органического растворителяприво­дит к уменьшению времени удерживания веществ практически всех классов. Следует отметить, что при использовании элюентов, со­держащих 15-25% воды, вода, содержащаяся в пробах углеводов, элюируется узкими зонами с очень малым временем удерживания(практически в мёртвом объёме)и без заметного разделения на фракции.

Поскольку воду можно рассматривать как соединение суще­ственно более полярное, чем углеводы,становится объяснимым малое время удерживания её фракций даже при использовании100

- процентного ацетонитрила (коэффициент удерживания около

0,3). Механизм удерживания воды при этом, как и в случае углево­дов, связан с образованием водородных связей между ОН - группа­ми на поверхности структурных элементов воды иNH₂- группами сорбента. Судя по малому времени удерживания, энергия подобных связей невелика и существенно ниже энергии образования водо­родной связи (19,6 кДж/моль). Но в случае использования чистого ацетонитрила как элюента, сродство воды к подвижной фазе суще­ственно ниже, чем в случае водно-ацетонитрильных систем, что и обуславливает её заметное удерживание на колонке. При этом ста­новится возможной реализация многократных актов сорбция - де­сорбция, что, в конечном счёте, и приводит к фракционированиюводы.

Анализ рис. 9 б- д позволяет заметить, что, несмотря на из­менение количества фракций воды при разных соотношениях в смеси ацетонитрил - вода, хроматографические зоныможно также,как и в случае косвенного детектирования,разделить на две груп-

106

ны. Вначале выходит отдельный пик, а затем,в зависимости от ус­ловий опыта, следующая группа линий, причём их максимально наблюдаемое количество оказывается, как это особенно прослежи­вается на рис. 9 е,также равно трём.

Примечательно, что сравнение хроматограмм 100-процентной дистиллированной воды (рис. 9б) и водопроводной воды (рис.9е) сразу показывает их существенное отличие. Между двумя основными группами линий в случае водопроводной воды появляется новый пик (время выхода 1,88) и, кроме того, можно говорить о появлении в хроматограмме водопроводной воды до­полнительных пиков на правом склоне уширенной группы линий.

Необходимо отметить, что подобные отличия не являются просто сигналами от примесей,а отражают появление в воде новых образований, отсутствующих в чистой воде, то есть это показательнарушения структуры воды.

Таким образом, результаты, полученные методами высоко­эффективной жидкостной хроматографии, свидетельствуют о том, что вода существует в квантованно-фракционном состоянии.

Совокупность полученных экспериментальных данных по­зволила предпринять модельные исследования построения возмож­ных многомолекулярных стабильных ассоциатов воды, которые бы удовлетворяли в своём поведении ходу изменения наблюдаемых опытных зависимостей и отвечали бы кинетико - теоретическим представлениям.

3-7.Построениегеометрических моделей ассоциатов во­ды. Первичная модель из 57-ми молекул воды(рис. 5),на наш азгляд,но предшествующим предположениям казалась достаточно

обоснованной для выбора её в качестве исходной единицы (или “кванта”) в дальнейших построениях. Более того, геометрическая законченность“додекаэдрического тетраэдра”, его соответствие экспериментальным и теоретическим выводам наводила на мысль либо о его универсальности как стабильного образования, либо о наличии у него таких качественно отличных свойств, которыебьзпозволяли перейти на новые этапы построения стабильных струк­тур.

Анализ данных,полученных тремя физико-химическими ме­тодами: рефрактометрии [47], высокоэффективной жидкостной хроматографии [49] и протонного магнитного резонанса [48], на основании которых была построена и доказана геометрическая мо­дель основной структурной ячейки воды, свидетельствует о сле­дующем:

1.На уровне первой стадии образования стабильно­го структурного элемента из57-и молекул воды (додекаэдрический тетраэдр-“квант”,рис. 5)возникает новый вид межмолекулярного взаимодействия - комплементарное образование шести водородных связей между гранями различ­ных тетраэдров - квантов (рис.10).

2. Возникновение свойства комплементарности на уровне квантов дало возможность осуществиться комплемен­тарному взаимодействию квантов, приведшему к5-ти и 6-ти квантовым образованиям - фракциям воды(рис.11-12).

108

Рис.10.Объёмная упаковка'‘квантов”воды.Располо­жение тетраэдров вершиной к наблюдателю обозначено и гранью к наблюдателю обозначено /\.Взаимодействие гра­ней возможно только в перекрёстном положении.Пунк­

тирными линиями выделены простейшие пяти (пятый за цен­тральным) и шестиквантовые образования.

109

Рис. 11. Супертетраэдр пяти“квантов”,4 тетраэдра на­правлены в разные стороны от плоскостей центрального тетра­эдра в виде“звезды”. Три грани, направленные к наблюдате­лю,расположены в одной плоскости, образуя супергрань. На­ложение этих плоскостей с перекрестным положением каждой граниневозможно.

110

Рис. 12. Циклическое образование из шести “квантов”-“снежинка”. Три грани, направленные к наблюдателю, распо­ложены в одной плоскости, образуя суперграиь. Наложение этих плоскостей с перекрёстным положением каждой грани невозможно.

Ill

Важность предложенных на основе экспериментальных данных утверждений в пп. 1и 2 требует также и рассмотрения теоретических предпосылок.

Кинетико-теоретическое обоснование появления в воде “квантов”,а также пяти- и шестиквантовых образований.

Шесть центров образования водородных связей на каждой из граней тетраэдра кванта воды можно пронумеровать в двоичной(Нили О)системе и классифицировать по типам комплементарно­го взаимодействия следующим образом: (см. табл. 2-3).Наличие центра образования водородной связи от атома -Н обозначено как

1,а от атома -О как0. В табл. 2 64 типа граней разбиты на группы по раному количеству атомов кислорода и,соответствен но, водоро­да. Систематизация типов комплементарного связывания граней тетраэдров двух квантов произведена в табл.3. Как видно из табл.3всего получается 12 типов комплементарных пар граней. Таким об­разом 24 типа граней связывания у тетраэдра дадут 24⁴типов квантов(при12⁴типах связей).

Для анализа полиассоциации квантов и определения мак­симально возможного количества квантов в ассоциате, как это уже указывалось выше, следует воспользоваться формулой ограничения ступенчатой ассоциации К М₀=m(m+1)/2,где т - число звень­ев,К - константа равновесия ступенчатой ассоциации для одной стадии, М₀- общая концентрация ассоциирующих частиц [47].На­помним, что в случае определения максимального количества мо­лекул воды в ассоциате К было выбрано 10 л/моль, а поскольку концевая молекула воды имеет три свободных центра образования водородной связи, то в расчетной формуле К получило значение 30 л/моль. Тогда количество молекул воды в квантеm=57, как это

112

Таблица 2.

Типы граней тетраэдрической модели из 57-и молекул воды./Л⁷

ОЮОООО

<ocwotО0*00Уоо Осс?ff

ФООiоо

оо оiо/

ооо//оаоо{//

оо/ооо(Оо/о о/оо/о'ОiyoiонО О//&°оОПь^{ООi/1°

с он<(оIооо9

ОjVос}

OfоOf^о/ОVl!

сIо/ооt>/o/о/

фiO1(О

о /оН/

о//ООО(У//ПРО/

Vftо/о

О//&/^/

0//tСОw/f(О!Off/fOо///^//

/ОООоо/осоо/

/с?е>оiО/о/^

/о &*оо/о<о/о/

{0*0t^{i f}/сtC>O0/о/оо/

/<о/0*0

t О /ОН/0//ОО/с?//с>f/О///Оt'f!

//оооо//о&о^f//oof&t/аО if

ftоfW

/fO/Of

/ f OffO / /of f f / / /ООО

1//оо/

///&/О

///.&/f////ОО////Of,////О//////

о /*

г

3

-у

<Г.6?

2

£

/<;>.//./2 -

в-/V-(£-/ъ-//.'Я_/9- 20-2/ -гг-ii- 2.V_

26 -г?.;?<?_<!?-зо~м.

зг-зз-

Зу -

*г-

3J? - 3f/ -

VC

fry ^ V3 ^

VV „ Vi^ ^6

V?-чн~

49^

Г/ -iT2-^3_УУ~-1Г_Уб—

£2--ti?-

6/ -62-63-

113

Таблица 3.

Классификацияг.::!:.'.-кошлэментгрных пар по данным табл.Р.

Отношение	атокоБклслсрода		Номера	Относительная
и водород:	-i награнях		граней	вероятность
п/n исходное:	ксмелем6ятарной'	исход;	-:ойкомплеме	нтарнойстыковки
16/0	0/S	0	63	3/64
2 3/3	з/з	21	42	3/64
		1	62	1/64
35/1	1/5	4	59	1/64
		16	47	1/64
		2	61	1/64
4 5/1	1 /пх/о	В	55	1/64
		32	31	1/64
		3	60	1/64
5 4/2	2/4	12	51	1/64
		48	15	1/64
		&	58	1/64
6 4/2	2/4	17	46	1/64
		20	43	1/64
		«■> о	57	1/64
7 4/2	2/4	24	39	1/64
		33	30	1/64
83/3	3/3	7 28 49	56 35 14	1/64 1/64 1/64
9 4/2	2/4	о 18 36	54 45 2?	1/64 1/64 1/64
10 4/2	2/4	10 34 40	53 29 23	1/64 1/64 1/64

11 52 1/64

11 3/3 3/3 44 19-1/64

50 13 1/64

		22	41	1/64
12 3/3	3/3	25	38	1/64
		37	26	1/64

1)4

и было показано выше, довольно точно соответствует дан­ному ограничению 57 х 58/2=1653 и 30 х 55=1650. Применяя те же рассуждения для полиассоциации квантов какого-либо одно­го типа,соответственно вместе с комплементарным ему типом, концентрация которых равна 55/57 х 2/24⁴М,и считая К=3х10⁶л/моль по числу свободных граней концевого кванта и шестисвяз­ному комплементарному комплексообразованию(при К=10

л/моль для образованияодной водороднойсвязи)получим,что ЗхЮ⁶х 55/57х2/24⁴=m(m+1 )/2.

Отсюда m=5,4, т.е. пяти- и шестичленные образования из квантов по этому расчету могут быть ограничительными по коли­честву при ассоциации квантов. Поэтому целесообразно предполо­жить наличие в водных средах преимущественного содержания термодинамически относительно устойчивых пяти- и шестикванто­вых образований (фракций,наблюдаемых в хроматографическом исследовании [49]).

3.На уровне образования фракций происходит оче­редноекачественное преобразование межмолекулярного взаи­модействия. Три шестицентровые по водородным связям грани квантов оказываются расположенными в одной плоскости (суперграни) как для фракции из 5-ти квантов (рис.11), так и для фракции из 6-ти квантов(рис. 12),приводя к возникнове­нию нового суперкомплементарного свойства.

4. Качественным отличием суперкомплементарно-сти от простого тройного набора комплементарных граней квантов оказалась дополнительнаяизбирательность нового взаимодействия. Комплементарное взаимодействие между су-

115

пергранями одного вида фракций из-за геометрического несо­ответствия оказалось невозможным. Единственным вариантом комплементарного наложения в этом случае служит взаимо­действие между гранями пяти- и шестиквантовых образований(рис, 13).

5. Суперкомплементарное взаимодействие между фракциями явилось последней стадией естественного услож­нения свойства комплементарности стабильных ассоциатов. Это связано с тем, что при формировании из фракций струк­турного образования 5 + 6 + 5 (рис. 15) к тройному набору комплементарных граней квантов,расположенных в одной плоскости, неожиданно добавилась четвертая, превращая по­лучаемый структурный элемент в простую шестигранную гео­метрическую фигуру(типа“елочной игрушки”,а в кристал­лографических терминах - триклинная сингония)по 24 центра образования водородных связей на каждой грани, для нагляд­ности соединенных друг с другом(рис. 16). Утверждение о последней ступени или стадии комплементарности вытекает из аналогичного для пп.1,2 кинетико-теоретическому расчету вывода о невозможности последующего комплементарного связывания каждой из таких шести граней в силу ограничен­ности собственной концентрации воды.

Учитывая, что в водородных связях атомы кислорода и водорода, несущие противоположные заряды, находятся на разных расстояниях от центра масс структурного элемента

116

Рис. 13. Триплет комплементарных шестицентровых связкей. Супергрань “снежинки”расположена ближе к наблю­дателю (выделена более жирной линией), а супергрань “звезды”дальше от наблюдателя. Видно, что каждый тре­угольник грани “кванта”в “снежинке” находится в перекрёст­ном положении с каждым треугольником грани“кванта” в“звезде”. Кружками обозначено их пересечение, где происхо­дит образование комплементарных связей.

117

Рис. 14. Пространственная конфигурация разных фрак­ций воды при их взаимодействии. Соединение супертетраэдра “звезды” и цикла“снежинки” происходит по схеме, указанной • на рис. 13.

118

Рис. 15. Соединение одной шести и двух пятиквантовых фракций в структурный элемент воды. Разной штриховкой по­казано образование новых граней,включающих по 4 грани от “квантов”.

119

Рис.16. Модель структурного элемента воды. Шести­гранное образование из912-ти(16 х 57)молекул воды с гра­нью в виде ромба с острым углом 60°. На каждой грани 24 центра образования водородной связи условно соединены ме­жду собой в шести центровые циклы.

120

(рис. 17),следует ожидать его поворота под действием электрических и магнитных полей. Ясно,что переориентации под действием физических полей подвергнутся прежде всего те элементы, которые будут максимально поляризованы или будут обладать максимальным магнитным или механическим моментами.

6. Основная структурная ячейка воды как оконча­тельное по механизму построения стабильное структурноеоб- разование, проявляя себя в виде супермолекулы, обладает свойством лабильной слабоэнергетической кулоновской связи по граням в соответствии с распределением зарядов по 24-м центрам, т.е. своего рода “зарядоваякомплементар-пость’\Такое самокодируемое расположение структурных яче­ек свидетельствует о самообусловленноетив расположении частиц и соответственно о кооперативное™их взаимодействия с находящимся в водном растворе веществом, служащим “затравкой”построения определенной ориентации частиц. Очевидно, что порядок расположения и ориентации зарядов на структурных элементах воды будет отражать соответствующее распределение электронной плотности молекул вещества “затравки”, т.е. отражать их свойства. Согласно структуре эле­мента это отражение будет фиксироваться всем последующим построением структурных элементов воды.

7. Утверждение об отражении свойств вещества в рисун­ке структурных элементов воды говорит отом, что водную среду нельзя рассматривать как относительно пассивный фактор, имеющий только термодииамико-

121

статистический или энтропийный характер. Каждая ячейка фактически оказывается информационной ячейкой и ихориентация есть не просто энергетически ориентационное поле, а своего рода энергоинформа­ционное поле. Совокупность взаимодействующих структурных элементов воды в этом случае следует на­зывать информационной системой воды. Следователь­но, вода выступает не просто как жидкость, а как ве­щество, находящееся в информационно-фазовом со­стоянии.

Использование достаточно естественных принципов конструирования структурного элемента воды не исключает теоретического характера самого построения и потому требует каких-то более веских экспериментальных подтверждений. Подойдя к столь громадному образованию из 912-ти молекул, необходимо вспомнить, что первым указанием на близкую по количеству молекул структуру стабильного ассоциата явилось неожиданное и потому кажущееся неестественным расчёт­ное(порядка 800)значение числа молекул в свёрнутой форме ассоциата, определённое из обработки температурной зависи­мости показателя преломления [47].Вторым и наиболее суще- ствнным фактором представляется несоответствие симметрич­ной по степени электронного экранированияпротонов струк­туры додекаэдрического тетраэдра регистрируемому спектру ПМР. В то же время полная расшифровка наблюдаемого спек­тра с соответствующим соотнесением площадей пиков(см. расшифровку спектра ПМР к рис. 7)полностью отображает реальное экранирование протонов в окончательной модели

122

Рис. 17. Схематическое изображение областей положи­тельных и отрицательных зарядов в структурномэлементе во­ды. Стрелками показано движение этих зарядов при повороте структурного элемента относительно центра масс.

123

структурного элемента. Третьим фактором подтвержде­ния предлагаемой стабильной структуры ассоциата является интерпретация наблюдаемых хроматографических зон, пока­зывающих последовательность распада структурного элемента воды. К этому выводу подводит также анализ хода зависимо­стей показателя преломления в смеси вода - ацетонитрил и во­да - метиловый спирт, проведённый нами в работе [50]. Одна­ко исследование взаимодействия с водой ацетонитрила и ме­тилового спирта показало не только возможность согласования экспериментальных данных с предложенной моделью, но и по­зволило подойти к изучению свойств структурного элементаводы.

3-8. Бомплексообразование ацетонитрилаиметило­вого спирта с водой.Новые представления о возможных ста­бильных ассоциатах воды послужили основой для выработки качественно отличных подходов к объяснению сложных зави­симостей показателя преломленияпсмесей ацетонитрил - во­да и метиловый спирт - вода, приведённых на рис. 18 и 19.

Первое обстоятельство при анализе наблюдаемых кри­вых заключается в том, что в отличие от приведённой для сравнения на рис.18-3линейной зависимости для диметил- су л ьфокси да (ДМСО) для ацетонитрила (CH₃CN) и метилово­го спирта (СН₃ОН) наблюдаются достаточно сложные зависи­мости, необъяснимые в рамках обычного физического смеше­ния жидкостей.

Для объяснения хода кривых приходится говорить о нормальном смешении Н₂0 и ДМСО без видимых структур-

124

CH₃CN - H2O и CH₃OH - H₂0. Поскольку из-за меньшей спо­собности к самоассоциацииCH₃CNи СН₃ОН по сравнению с Н₂0 можно не учитывать для объяснения кривых их структур­ных изменений(хотя в случае СН₃это влияние заметно), ос­новные рассуждения о структурных нарушениях будут касать­сяводы.

Сложный вид зависимостей делает затруднительной их обработку, поэтому было использовано естественное предпо­ложение о том, что линейная зависимость, характерная для случая физического смешения и выполняющаяся для отдель­ных участков сложных кривых, свидетельствует о существова­нии в этих условиях двух веществ, находящихся в физической смеси. Первым линейным участком, интерпретацию которого можно было осуществить наиболее простым способом, явился участок насыщенного ацетонитрилом водного раствора. Дей­ствительно, при слабой самоассоциации ацетонитрила его раз­рушающее влияние на структуру воды при высоких концен­трацияхдолжно былоприводить в концеконцов к полному разбитию всяких ассоциатов воды. Для проверки данного предположения намибыла проведена экстраполяция линейно­го участка зависимости показателя преломления счмеси ацето­нитрил - вода при близких к100% концентрации ацетонитрила в воде. Если пересечение прямой при 100%CH₃CNс осью ординат,дающее значение п=1,3430, естественно, совпа­дающее спдля ацетонитрила, представляется обычным фак­том, то линейная экстраполяция данного участка к100% Н₂0 дало зхначениеn=1, 2830,которое сильно отличается от обычного для воды п= 1, 3334. Однако указанное значение

125

Рис. 18. Заоисимость показателя преломленияпот про­центного содержания в воде ацетонитрила -1, метилового спирта - 2 и диметилсульфоксида -3.

Рис. 19. Зависимость показателя преломления пот про­центного содержания в воде метилового спирта.

127

оказывается практически совпадающим с показателем преломления мономера воды, определённого из температурной зависимости п [47]. Таким образом подтверждается версия о физическом смешении компонентов на линейных участках сложной зависимости, которая в условиях, близких к 100% концентрации ацетонитрила в воде непосредственно предпола­гает наличие двух компонентов-ацетонитрила и мономера во­ды, что и показывают экспериментальные данные. Отклонение от линейности на данном участке вблизи практически уже100% - го ацетонитрила будет объяснено ниже.

Отметим, что данный вывод имеет также важное значе­ние для интерпретации пиков в наших исследованиях методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [49], где элю- ентом выступает ацетонитрил.

Факт полного разбития ассоциатов воды при высоких концентрациях структуроразрушающего агента заставил пред­положить, что и для метилового спирта при его высоком про­центном содержании в воде должен наблюдаться излом в зави­симости показателя преломления от соотношения спирт:вода. Данное предположение было далеко не очевидным, так как анализ хода кривой смеси СН₃ОН-Н₂0 не давал повода искать в области 90-100% СН₃ОН каких-либо резких изменений, тем более, что зависимость шла непосредственно к значению пока­зателя преломления100%-го спирта. Однако предположение казалось обоснованным и поэтому нами, начиная со значения 90% с повышенной точностью измерения были получены ещё 10 значений до100%(рис.18и рис. 19).Результат подтвер-

128

дил ожидания: при 96% излом былобнаружен (рис. 19). Вследствие существенной самоассоциации спирта и включе­ния мономеров воды в сетку водородных связей молекул спир­та экстраполяцию кривой к мономеру воды в этом случае про­извести невозможно. Эффект самоассоциации в какой-то мере присутствует и у ацетонитрила, что объясняет небольшое от­клонение от линейной зависимости п вблизи100%CH3CN.

В отличие от рассмотренного участка интерпретация ос­тальных не представляется столь очевидной и доступной вследствие наличия в водных растворах при повышении кон­центрации воды устойчивых ассоциатов или структурных об­разований из молекул воды.

Тем не менее линейный участок вблизи 100%-ой воды тоже должен быть удобным для интерпретации в отличие от участков в средней части кривых. Это связано с тем, что структурное состоя­ние воды при небольших добавках других веществ менее всего подвержено резкому изменению. Поэтому на начальном линейном участке зависимостей показателя преломления водных смесей с ацетонитрилом и с метиловым спиртом можно предполагать нали­чие какой-то одной определённой структуры воды. Однако даже такое упрощающее предположение не может сразу объяснить ли­нейностьначального участка. Дело в том, что если по версии физи­ческого смешения 2-х компонентов на линейных участках в данной области первым компонентом считать некое неизменное структур­ное образование из молекул воды, то вторым компонентом нельзя считать молекулу ацетонитрила или метилового спирта, поскольку в окружении избыточного количества молекул воды основное их количество всегда находится в связанном с водой состоянии. Более

129

того, речь не идёт об обычном последовательно равновесном свя­зывании, иначе экстраполяция линейного участка приводила бы к значениям показателей преломления для CH₃CNи СН3ОН (кстати для спирта п вообще лежит с другой стороны от линейного участка зависимости).Следовательно, экстраполяция приводит к значениямпоказателя преломления неких равновесно устойчивых комплексов водных структур сCH3CNи СН₃ОН определённого состава. Ука­занный вывод может быть объяснён только существованием такой геометрии водного ассоциата, при которой возникают вполне опре­делённые места связывания с ацетонитрилом или со спиртом.

В любом случае показатель преломления должен складывать­ся из соответствующих долей показателя преломления водной структуры, комплекса этой структуры с ацетонитрилом (или спир­том) и, конечно, остаточного количества свободного ацетонитрила (или спирта).

Согласно результатам нашей обработки [50] при обозначени­ях р ,m-соответственно, количество молекул ацетонитрила и водыв комплексе удалось получить следующие соотношения: для смеси ацетонитрил-водаш/ р(р-1)=2, 677 и для смеси метиловый спирт

- вода ш/ р(р-1)=2, 673.

Фактическое совпадение значений для ацетонитрила и мети­лового спирта трудно объяснить лишь случайным совпадением, по­скольку по своим свойствам эти вещества существенно отличаются. В этом случае естественной причиной может служить определяю­щая роль во взаимодействии самих структур воды, т.е. они должны обладать вполне определённым количеством мест связывания, как

130

это уже предполагалось из самого факта существования линейной зависимости.

В целых числах указанное соотношение довольно точно вы­ражается как 8:3. Поскольку даже самая простая реализация рас­сматриваемого соотношения даёт числа 16/3 х 2, т.е. на 16 молекул воды пришлось бы3молекулы агента, объяснить это на основе обычных физико-химических представлений о возможных центрах связывания уже не представляется простым делом. Модель первич­ной стабильной структуры из 57-ми молекул воды-“кванта”по­зволяет найти достаточно разумное объяснение наблюдаемому не­обычном}’соотношению. Реализация обсуждаемого соотношения с учётом цифры 57 приводит практически к единственному решению:8/3=57 х 16/19 х 18. Поскольку 57 х 16=912 является числом молекул в предложенной модели структурного элемента воды, то необходимо рассмотреть вытекающие из модели(рис. 16)воз­можные места связывания с реагентами типаCH₃CNи СН3ОН.

Как показано на рис. 16каждая грань модели имеет 24 цен­тра образования водородных связей, расположенных в виде шести шестицентровых циклов -“пчелиных сот”, причём 10 центров об­разования водородных связей формируют 2 внутренних цикла, ко­торые окружены 4-мявнешними циклами, состоящими из 14 цен­тров. В отсутствие комплементарности связывания по каждой гра­ни,что вытекает по законам комбинаторики при известной исход­ной концентрации молекул воды, появление мест связывания в ка­ждой из ячеек необходимо увязывать с появлением, по крайней ме­ре, двух одинаковых соседних зарядов в рассматриваемой ячейке (вероятность равна 1/4). Соответственно, вероятности мест посадок на 2-х внутренних циклах и 4-х внешних циклах составляют 2/6 и

131

4/6. Применяя эти значения к 10-ти внутренним и 14-ти внешним центрам образования водородных связей как к разным местам свя­зывания, получим общую вероятность посадки, равную

1/4 х 2/6 х 60/144 +1/4 х 4/6 х 84/144=19/144

что точно соответствует единственному решению по соотно­шению в комплексе числа молекул реагентов и молекул воды на поверхности структурного элемента воды.

Обнаружение довольно необычного количества мест посадки на структурном элементе воды да ещё в некоторых случаях незави­симо от реагирующего с водой соединения подтверждает предла­гаемый кулоновский характер слабого взаимодействия с ассоциа-том воды, когда определяющим для внешнего подхода оказывается соответствие распределения заряда на компонентах образующегося комплекса. Возможность для 19-ти молекул, таких как ацетонит­рил или метиловый спирт, взаимодействовать с выше описанным стабильным ассоциатом воды не только характеризует рассматри­ваемое комплексообразование, но и оказывается своего рода базо­вым свойством структурного элемента воды. Дело в том, что после­дующее равновесное комплексообразование между элементами бу­дет определяться комплементарностью зарядов на взаимодейст­вующих 1ранях. С этой позиции необходимо говорить о присущем водной среде свойстве самокодируемости и кооперативности взаи­модействия. Последующее равновесное создание клатратов воды размером до одного микрона становится вполне ощущаемым и ре­альным явлением.

Это свойство, на наш взгляд, может послужить ключом к расшифровке явления “памяти воды”, т.е. к пониманию законов по­

132

строения лабильно устойчивых агрегатов из структурных элемен­тов воды, доступных непосредственному наблюдению на контраст- но-фазовом микроскопе (рис. 20).

Изображение аналогичных лабильно устойчивых образова­ний размером до1мкм получено также на электронном микроско­пе [165,166].

3-9. Определение минимальной концентрации реагентов, определяющих информационную структуру воды.

Нами измерена концентрационная зависимость проводимости водного раствора в диапазоне сверхмалых концентраций следую­щих веществ: гидрофильного реагента - сахарозы (рис.21),гид­рофобного реагента - бензола(рис. 22),структуроразрушающего агента - ацетонитрила(рис, 23).Обнаружены следующие эффек­ты:

- в области концентраций 10⁷ -10“⁸М поводимость растворов остаётся фактически неизменной, выходя на плато, параллельнгое, но не равное по значению исходному плато самой воды. Остаточ­ная“информационность”воды характеризует степень сверхслабого воздействия на структуру воды малых добавок вещества.

- наблюдаемый в области ещё более низких концентраций!О'⁸Минформационно-фазовый переход к исходному состоянию воды кроме ацетонитрила связан с механизмом формирования (кодирования) данным веществом информационной системы воды.

Расшифровка механизма кодирования связана с соотношени­ем геометрии мест посадки на грани структурного элемента воды и геометрическим расположением зарядов на используемом реагенте.

Рис. 20. Изображение структуры воды, полученное на контра­стно-фазовом микроскопе .Видны макрообразования размером до одного микрона, которые составлены из структурных элементов.S =1,1 х 1,1мкм,h =203 А⁰.

134

Рис. 21.Концентрационная.зависимость удельной проводи­мостиjводного раствора сахарозы. А - константа.1=Axj.

135

Рис. 22. Концентрационная зависимость удельной проводи­мостиjводного раствора бензола. Л - константа.I -А хj,

136

л1\

■fCi

-ю

во

Рис. 23. Концентрационная зависимость удельной проводи­мости jводного раствора ац его нитрил а. А - константа.I=А хj.

137

3-10. Регистрация сверхслабых электромагнитных полей информационной системой воды.

Получены кинетические зависимости изменения проводимо­сти воды (с удельным сопротивлением18МОМ см) по сравнению с контрольным образцом после обработки воды следующими поля­ми в течение 15-ти минут: полем магнитной мешалки(рис. 24),аэрогидрояонизатором Микулина(рис. 25),электромагнитным полем (5 гц) мотора аэрогидроионизатора Микулина на расстоя­нии 40 см(рис. 26).Получены также аналогичные эффекты влия­ния на проводимость воды непосредственнобходе воздействия: электри-чсским полем 1,5 в (рис. 27)и на рис. 28 к влиянию элек­трического поля 1,5 в добавлено действие сверхслабого электро­магнитного поля(5 гц)от генератора с напряжённостью поля по магнитной составляющей10’⁹Тесла,

Во всех случаях обнаружено ступенчатое изменение со вре­менем проводимости, отражающей структурированное состояние воды, что свидетельствует о возможности кондуктометрическойрегистрации сверхслабых воздействий на информационную систе­муводы.

3-11. Кинетика информационных переходов в воде.

Пусть существует некое с!руктурированное состояние водыMi(Mj- концентрация определённым образом ориентированных частиц, структурных элементов воды(рис. 29).

В результате изменения внешних фаткоров воздействия на информационную систему воды либо в результате того, что состоя­ниеMiявлялось равновесным и рассматривалось как промежуточ

138

о)

/О£0SOмин

Рис. 24. Кинетическая зависимость изменения удельной про­водимости воды jпо сравнению с контрольным образцом после а) обратимого действия поля магнитной мешалки при обработке до10мин.б)необратимого действия при 15-ти минутной обработке.

А - константа. I=А хj.

Рис. 24

139

Рис.25. Кинетическая зависимость изменения удельной про­водимости водыjпо сравнению с контрольным образцом после 15-ти минутной обработки аэрогидроионизатором акад. Микулина. Л - константа.1-Axj.

140

водимостиводыjпо сравнению с контрольным образцом после 15-ти минутной обработки полем мотора аэрогидроионизатора опытного образца, находящегося на расстоянии 40см от мотора. А-константа.I —Axj.

л!_ума

141

>02.С 30

Рис.27. Кинетическая зависимость изменения удельной про­водимости водыjпо сравнению с контрольным образцом в ходе воздействия электрического поля 1,5 в. А - константа.I —Axj.

Рис. 28. Кинетическая зависимость изменения удельной про­водимости воды jпо сравнению с контрольным образцом в ходе воздействия электрического поля 1,5 в и сверхслабого электромаг­нитногополя 5 гц от генератора с напряжённостью поля по маг­нитной составляющей10‘⁹Тесла.А-константа.I=Axj.

143

ное состояние в цепи превращений, т.е. вызывающее после­дующие изменения в структурном состоянии воды, в состоянииМ|должны появляться центры образования новых иначе ориентиро­ванных и организованных структур(рис. 30),прирост которых ес­тественно будет пропорционален количеству появляющихся и по- новому организованных структур(рис.31).

Тогда измеряемый физический параметр j, пропорциональ­ный концентрации определённого вида структур, следует записать в виде:

j = ji + (e^kU-l)Cj_k-jO/(e^kllb -1)

где jj- параметр состоянияМ],jk- параметр полностью и необратимо изменённого состоянияМ]через времяt_k, т.е. критиче­ского состояния М_к,ki.константа скорости возникновения новых образований.

Возникновение такого количества по-новому ориентирован­ных или организованных частиц (близкого к исходной собственной концентрации) ,которое по энергии кооперативного взаимодейст­вия превышает тепловую энергию, означает появление выделенной из предшествующего состояния структурной базы для построения устойчивого “рисунка”, т.е. нового структурного состояния М₂.

Следовательно, начиная с времени t_kпараметрjзаписывает­ся уже какj=j_k+(1-e'^{k2( 1}'^tk))(j₂- j_k)/(1-е'^ща'^lk))

144

Рис.29. Структурный элемент(выделен штриховкой)среди обычной упаковки подобных себе элементов воды. Ориентация всех элементов одинаковая,

145

Рис,30. Единичное возмущение упаковки одинаково ориен­тированных структурных элементов в виде перевёрнутого на 180° соседнего с выделенным структурного элемента(разные штрихов­ки).

146

Рис.31. Перестроенное под воздействием возмущения новое структурированное состояние воды. Количество пар единичной информации(разные штриховки)при энергетически выгодном их образовании способны размножаться, образуя новое состояние. Подбор пар осуществляется по принципу“зарядовой комплемен­тарное™”граней.

147

где j_k- параметр критического состоянияМк,j₂-параметр состоянияМ2,к₂- константа скорости перехода из критического состояния М_кв состояние М₂.

Нетрудно видеть стыковку выше приведённых равенств при t=t_k-Втом и другом случае получаетсяj-j_k.

Очевидно,что общий подход к описанию произвольно вы­бранной стадии превращения структурного состояния водыМ|в№Ьпозволяет описывать любое количество последовательных пре­вращений.

Оценка величин констант скорости перехода в соответствии с приведёнными равенствами по данным рис. 24-28 составляет (2-4)10'²1/сек.

Таким образом, создаются основные принципы поведения водных систем, позволяющие объяснить проявление необычных свойств и подойти к описанию качественно нового способа перда- чи тех или иных свойств через водную среду.

Нам представляется целесообразным всё-таки изложить суть вытакающей из выше изложенного материала интересной и важной гипотезы.

3-12. Гипотеза информационнойретрапеляции.

Самокодируемость водной среды при детальном анализе коо­перативного механизма взаимодействия между гранями разных структурных элементов воды приводит не только к структурирова­нию воды. Гораздо более важным и неодинарным представляется естественная клатратность воды. Если представить, что кодирова­

148

ние по определённому навязываемому рисунку заставляет струк­турный элемент воды закономерно объединяться друг с другом в специфические, соответствующие кодовому рисунку ограниченные по количествуэлементов образования,то мы вправе считать счи­тать их информационными ячейками.

Используя выше рассмотренные представления об ориента­ционныхполях следует предположить, что взаимосвязь между ячейками, скорее всего, сохраняет исходный ориентационный па­роль или код. Тогда ячеки окажутся информационно подобными и каждая из них будет как бы источником информационного влиянияи кодирования. Похоже, что мы имеем дело с явлением молеку­лярной информационной ретрансляции.Безусловно, что это пред­положение требует серьёзных доказательств в виде прямых экспе­риментов, однако, уже на стадии гипотезы очевидны преимущества такого способа передачи информации. Прежде всего, это независи­мость от расстояния и высокая надёжность. Независимость от рас­стояния вытекает из самого механимза зарождения ячейки от себепо доном.Действительно, если в какой-то точке водной среды фор­мируетсязакодированная определённым образом ячейка, то через любойинтервал в отсутствие нарушения механизма информацион­ной передачи процесс формирования очередной ячейки будет про­исходитьаналогично тому, как это было в исходной точке. Что ка­сается надёжности передачи информации, то именно множествен­ность каналов её передачи будет обеспечивать высокий информа­ционный уровень даже при нарушении способности к регенерации ячеек в какой-либо части водной среды.

Впоследствии, вероятно, будут рассмотрены все пути транс­формации передаваемого информационного рисунка, особенно при

149

наложении действия разных источников зарождения информации. Скорее всего это приведёт к рассмотрению понятия дивергенции информации, поскольку сосуществование нескольких нескольких кодообразующих рисунков в одном клатратеможет оказаться взаи­мозависимым. Следовательно, пересечение информационных путей может оказаться причиной некоторого изменения каждого из пере­даваемых информационных рисунков, т.е. будет происходить рас­хождение или дивергенция исходной передаваемой информации.

Гипотеза информационной ретрансляции имеет общий харак­тер и формально может рассматриваться для любых сред. В на­стоящей работе её рассмотрение имеет прямой смысл, поскольку высказывается мысль о механизме информационной безопасности водной среды организма. Существование специфического для каж­дого организма кодового рисунка водной среды будет обеспечивать сохранноость физиологических процессов в организме только в том случае, если не произойдёт в результате внешнего воздействия та­кой перекодировки или наложения другого кодового рисунка, что присущий организму кодовый рисунок переориентируется в такое состояние, которое окажется неспособным поддерживать нормаль­ное функционирование организма.

Некоторые примеры влияния на состояние водной среды в биосистемах и, соответственно, на протекание в них биохимиче­ских процессов приведены ниже.

150