Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура воды и ее состояние в модельных системах и биологических объектах

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Структура воды и ее состояние в модельных системах и биологических объектах"

РГБ ОД

1 О №ОП 1935

На правах рукописи

ЖУКОВСКИЙ Андрей Павлович

СТРУКТУРА ВОДЫ И ЕЁ СОСТОЯНИЕ В МОДЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

Специальность 03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете ГК РФ по высшему образованию (ректор - доктор филологических наук, профессор Л. А. Вербицкая).

Официальные оппоненты, доктор технических наук Н.В. Седых

доктор химических наук Ю.И. Наберухин

доктор физико-математических наук Г.С. Денисов

Ведущая организация - Институт высокомолекулярны* соединений РАН (Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится *-' ')' / Р 1995 г.

в /'/ час, на заседании Диссертационного совета Д 063.38.23 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете ГК РФ по высшему образованию (195251, Санкт-Петербург,ул. Политехническая д. 29).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "У\! " _1995 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, ( Д кандидат физико-математических наук -П ^¡У О Л. Власова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследование водных систем различной природы и степени сложности с целью определения их структуры, состояния воды и характера молекулярных процессов относится к числу важнейших проблем физики, физической химии и молекулярной биофизики. Развитие биологии и смежных с ней наук, возникших а результате внедрения в биологию физических идей и методов исследования, привело к признанию исключительной и своеобразной роли воды в функционировании биологических систем. В настоящее время интерпретация многих процессов в биологических системах немыслима без привлечения соображений о роли воды в этих процессах. В то же время необходимо признать, что глубокое и полное понимание роли воды в биологических процессах а, следовательно, и понимание механизмов этих процессов в целом, по-прежнему остаётся задачей, далёкой от своего окончательного решения. Большое количество фактов, свидетельствующих об определяющей роли воды во многих биологических процессах, нередко подвергается разноречивым, а зачастую и взаимоисключающим интерпретациям. Наряду о отдельными впечатляющими успехами в решении некоторых аспектов этой проблемы, многие соображения о роли воды часто относятся к области умозрительных гипотез, на имеющих серьёзного обоснования. Такая тенденция не в последнюю очередь обусловлена тем обстоятельством, что потребности биологии а установлении детального механизма влияния воды на функционирование биосистем в известной мере опережают реальные возможности, предоставляемые соответствующими разделами физики и физической химии. До настоящего времени остаются нерешёнными мг.огие проблемы, связанные со структурой и свойствами воды в различных условиях и с изменениями структуры воды при её взаимодействии с неводными компонентами • биологических систем. Более того, не может считаться однозначно решённым фундаментальный вопрос о структуре самой воды. Отсутствие общепринятых взглядов на некоторые фундаме! гальные свойства воды и на природу ряда процессов в

содержащих воду системах затрудняет решение вопроса о ропи воды в столь сложных объектах, какими являются биологические системы,-наиболее сложные иэ водных систем, характеризующиеся многообразием межмолекулярных взаимодействий различной природы. Для дальнейшего прогресса в познании механизмов многих биологических процессов и в установлении роли воды в этих процессах необходимы целенаправленные и последовательные исследования водных систем различной природы и степени сложности как самостоятельных и специфических объектов.

Цель работы. Выполнение настоящей работы было продиктовано необходимостью выделения водных систем в отдельный своеобразный класс объектов и изучения этих систем в рамках самостоятельного научного направления. Программа предпринятого исследования предусматривала изучение состояния воды в различных водных системах, характер взаимодействий в которых моделировал те или иные аспекты межмолекулярных взаимодействий в биологических объектах. Установленные в результате изучения модельных систем основные закономерности были применены к выяснению роли воды в некоторых конкретных процессах с участием биологических макромолекул и микроорганизмов. Широта постановки задачи, обусловленная многообразием мэжмолвкулярнык взаимодействий в реальных биологических структурах, потребовала привлечения в качеств© модельных систем весьма широкого класса объектов. Поставленная задача могла быть выполнена только на основании единого подхода, потребовавшего решения фундаментальных вопросов о структуре чистой воды и об изменениях состояния воды при её взаимодействии с неводными компонентами различной природы. Этим был предопределён естественный логический ход исследований, - от простого к сложному, от исследований чистой объёмной воды к изучению её состояния а модельных системах различной природы, вплоть до исследований состояния воды в растворах белков, взаимодействия воды с макромолекулами биополимеров, состояния воды в замкнутом ограниченном окружении и роли воды в ряде биологических процессов, - поддержания стабильности белкоа, регуляции их

функциональной активности, роли воды в жизнедеятельности бактериальных популяций.

Научная новизна работы. Автором разработан новый подход к исследованию состояния воды в водных системах методом колебательной спектроскопии, отличающийся от общепринятого формализма и основанный на статистической интерпретации формы спектральных контуроз. Теоретическую основу этого подхода составляет предложенное е работа решение одной из фундаментальных проблем спектроскопии водородной связи, - проблемы формы контуров широких полос поглощения в системах с водородными связями средней прочности. При статистической интерпретации формы попос ' основным экспериментальным документом являются не частоты нормальных колебаний, а статистические контуры полос поглощения, обусловленные распределением молекул по геометрическим параметрам и по энергии водородных связей. На основе этого подхода автором впервые приведены убедительные экспериментальные доказательства континуальной концепции структуры жидкой водь/. Впервые показано, что определяемая из колебательных спектров функция энергетической плотности состояний содержит информацию о зависимости потенциалов взаимодействия от геометрических параметров связи. Сформулированные автором принципы анализа колебательных спектров методами спектроскопии статистических контуров были положены в основу интерпретации экспериментального материала. Применение разработанного подхода к анализу колебательны* спектров растворов электролитов позволило исследовать такие характеристики растворов, которые ранее не входили в сферу приложения инфракрасной спектроскопии. Впервые спектроскопическим методом исследованы такие характеристики ближней гидратация как числа гидратации и относительные времена переориентации молекул воды в гидратных оболочках. Применение методов спектроскопии статистических контуров позволило сделать выводы о характере взаимодействия воды с ионами и о виде потенциалов взаимодействия в зависимости от ориентации молекул воды в гидратных оболочках.

Впервые получаны прямые спектроскопические свидетельства существования процессов стабилизации воды в растворах неэлектролитов и исследованы его основные закономерности. Также впервые установлена роль неполярных радикалов и функциональных групп молекул неэлектролитов а стабилизации воды. Исследован молекулярный механизм процесса стабилизации. Впервые обнаружены спектроскопические проявления гидрофобных взаимодействий и исследованы закономерности этих процессов.

Предложен новый метод исследования конформационных изменений макромолекул белков в водных растворах, основанный на изучении колебательного спектра воды в растворе и на чувствительности этого спектра к состоянию неводного компонента системы и к характеру взаимодействия этого компонента с водой.

Обнаружено и исследовано новое, ранее не известное свойство молекул натизных белков, - термостабильность их пространственной организации, поддерживаемая немонотонными температурными изменениями этой организации. Исследован молекулярный механизм этого процесса. Разработана теоретическая интерпретация немонотонной тепловой деформации белков на основе статистического описания системы с жёсткими связями. Предложены основные принципы искусственной регуляции функциональной активности белков. Приведены успешные экспериментальные примеры такой регуляции.

В процессе исследований состояния воды в замкнутом ограничении окружении, - в обращенных мицеллах поверхностно-активных веществ и в микрорасслаивающихся растворах, - впервые обнаружено особое "жёсткое" состояние воды в этих системах.

Впервые исследовано состояние воды в бактериальных суспензиях и обнаружена корреляция между состоянием воды и температурным оптимумом жизнедеятельности бактерий.

Практическое значение работы. Разработанные принципы анализа колебательных спектров, основанные на статистической интерпретации

формы спектральных контуров, имеют общеспектроскопическое значение и могут быть использованы при исследованиях широкого класса систем с водородными связями. Результаты изучения стабилизации воды гидрофобными радикалами могут найти применение в медицине и фармакологии при поиске эффективных анестезирующих препаратов. Исследования гидратации ионов и стабилизации воды неполярными радикалами находят применение в практической метеорологии для направленного подбора наиболее эффективных льдообразующих реагентов, используемых для искусственного вызывания осадков. Предложенные автором принципы искусственной регуляции активности белков могут найти практическое применение в энзимологии, медицина, фармакологии и биотехнологии. Результаты исследований состояния воды э обращенных мицеллах и в микрорасслаивающихся растворах и состояния белков в этих системах могут быть использованы в медицинской биотехнологии и мицеллярной энзимологии.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных совещаниях: Всесоюзный симпозиум по проблеме релаксационных явлений в жидкостях (г.Душанбе, 1969 г.); XVII Конгресс по спектроскопии (г.Минск, 1971 г.); IV Международный биофизический конгресс (г.Москва, 1972 г.); VII Совещание химического общества "Дехема" по проблеме "Индустриальное опреснение солёной водь" (г.Франкфурт-на Майне, ФРГ. 1973 г.); Международный симпозиум "Структура воды и водных растворов" (г.Марбург, ФРГ, 1973 г.): II Всесоюзная конференция по спектроскопии биополимеров (г.Харьков, 1974 г.); XII Международный ботанический конгресс (г.Ленинград, 1975 г.); Ill Всесоюзная конференция по конформационным изменениям биополимеров в растворах (г.Тбилиси, 1ЭТ5 г.); Всесоюзный семинар "Изменение структуры и свойств воды под влиянием физических воздействий" (г.Ленинград, 1973 г. и г.Киев, 1980 г.); Советско-польское рабочее совещание по спектроскопии водородной связи и переносу протона (г.Ленинград, 1S81 г.); I Всесоюзный биофизический съезд (г.Москва, 1982 г.); XIX Всесоюзный съезд по спектроскопии (г.Томск,

1983 г.); Международная конференция "Медицинская биотехнология, иммунизация и СПИД" (г.Ленинград, 1991 г.); IV Европейская конференция по спектроскопии биологических молекул (г.Йорк, Англия, 1992 г.); X Международная конференция "Поверхностные силы" (г.Москва, 1992 г.);

V

Международная конференция "Здоровье и социальные проблемы в арктических регионах" (г.Надым, 1993 г.); X Международная конференция "Горизонты исследований водородной связи" (г.Отран, Франция, 1993 г.); VII Международная конференция "Проводники протонов в твёрдом состоянии" (г.Швебиш Гмюнд, ФРГ, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 69 печатных работ в научных журналах и сборниках.

Объём и структура. Диссертационная работа изложена на 101 странице машинописного текста, включает 42 рисунка и состоит из введения, семи глав, выводов и списка цитируемой литературы, насчитывающего 205 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вода и водные системы в Физике, химии и биологии. Очевидно, что выяснение состояния и роли воды в биологических системах должно базироваться на чётких представлениях о физических механизмах процессов, затрагивающих воду и её взаимодействие с окружением. Фундаментальным вопросом, от решения которого зависит интерпретация множества процессов в биологических и модельных водных системах, является вопрос о структуре чистой жидкой воды. Все сформулированные до сих пор многочисленные модели воды могут быть отнесены к одному из двух взаимоисключающих классов: либо к дискретной, или смешанной модели, рассматривающей воду как равновесную смесь малого числа отчётливо различимых типов молекул, либо к непрерывной, или континуальной, модели, предполагающей существование в воде непрерывного распределения ОН-фупп по геометрическим параметрам водородных мостиков и по энергиям водородных

связей. Существует большое количество экспериментальных методов, которые изучают свойства жидкости, содержащие информацию только о диффузионно-усреднённой, или D - структуре. К таким методам относятся исследования термодинамических свойств, ядерный магнитный резонанс, рентгенография, рассеяние света. Изучземые этими методами макроскопические характеристики, взятые сами по себе, не могут дать информацию о колебательно-усреднённой, или V - структуре жидкости. Именно этим обстоятельством и объясняется тот факт, что термодинамические свойства воды, радиальная функция распределения, статическая диэлектрическая постоянная, химический сдвиг ЯМР при соответствующем подборе параметров теории одинаково удовлетворительно объясняются с позиций диаметрально противоположных концепций V -структуры воды., Отсюда же становится очевидной необходимость первоочередного привлечения для установления структуры воды результатов именно таких экспериментальных методов, которые позволяют получить информацию о V - структуре жидкости. Как известно, к числу таких методов относится инфракрасная спектроскопия.

В этой же главе рассмотрены существующие в литературе представления <? состоянии воды в различных водных системах: растворах электролитов, неэлектролитов, белков, и в обращенных мицеллах поверхностно-активных веществ.

Методика эксперимента. Во второй главе диссертации приводится описание методики эксперимента. Спектроскопические исследования проводились на следующих спектральных приборах: спектры поглощения в ближней инфракрасной области и в ультрафиолетовой области регистрировались на спектрофотометре Beckman Acta М-7 (США); спектры поглощения е средней инфракрасной области регистрировались на спектрофотометрах Psrkin-Elmer 621 (США) и Сагу 17 (США). Круговой дихроизм белков исследовался на дихрографе Jasco - 40 С (Япония). Спектры флуоресценции белков

регистрировались на спектрофлуориметрах Hitachi MPF 4 (Япония) и Shimadzu RF 510 (Япония).

Спецификой настоящей работы яаилось то обстоятельство, что в соответствии с разработанными в диссертации принципами анализа колебательных спектров, для получения необходимой информации а большинстве случаев требовалось исследование полной формы контура той или иной полосы поглощения и обработка её по специальной процедуре. Для решения некоторого круга задач оказывалось достаточным исследование отдельных спектроскопических характеристик, таких как положение полосы, интенсивность полосы и ей полуширина и асимметрия. В этих случаях широко использовался метод моментов спектральных полос. Вычислялись нулевыо моменты, или интегральные интенсивности полос М0 , а тают,о нормированные первый iWi и второй (Лг моменты спектральных полос, связанные, соответственно, с центром тяжести и шириной спектрального контура. Среднеквадратичная ошибка определения первого момента но превышала 0,5 % от полуширины полосы.

Структура воды. При отсутствии строгого теоретического описания структуры воды ощущается особая необходимость в создании достаточно простой модели структуры, оперирующей с несложной математической техникой и корректно отражающей макроскопические свойства воды. Наиболее прямая информация о V-структуре воды, согласно широко распространённому мнению, содержится в еЗ спектроскопических свойствах: Однако, извлечение этой информации из экспериментального спектроскопического материала оказалось сопряжённым со значительными трудностями. Проаедёкныа до сих пор исследования не привели к установлению общепринятой точки зрения на структуру жидкой воды. Нередко одни и те m спектроскопические данные привлекаются для обоснования диаметрально противоположных моделей структуры. Одна из важнейших причин такого положения заключается в том. что для систем с водородными

связями, к которым относится и веда, не только отсутствует какое-либо количественное описание формы контуров полос, но, более того, не существует даже общепринятого качественного объяснения происхождения широких полос поглощения. Таким образом, проблема структуры воды оказывается тесно связанной с нерешёнными вопросами спектроскопии водородной связи. Предпринятое а реферируемой работе исследованиэ и было направлено на решение этих двух взаимосвязанных задач. На первом этапе предстояло решить спектроскопическую проблему, а именно, дать экспериментально обоснованную интерпретацию происхождения контуров широких полос поглощения а колебательных спектрах веды. . Эта интерпретация . в дальнейшем могла быть использована для аргументированного спектроскопического обоснования той или иной модели струетуры воды.

В качества объекта исследований были выбраны молекулы НйО 8 разбавленных растворах ОгО в НгО, так хзк в этих молекулах практически отсутствует внутримолекулярная связь колебаний ОН- и Ой-осцилляторов. Особое внимание было обращено на исследованиэ и интерпретацию температурных изменений спектральных контуров.

Принятая в реферируемой работе интерпретация колебательных спектров 9 системах с водородными связями средней прочности основывается на флукгуационной гипотезе водородной связи, согласно которой широкие полосы валентных колебаний у'(ОН) представляют собой огибающие континуума узких линий индивидуальных осцилляторов, возмущённых неэквивалентными водородными связями. Рассматривая совокупность водородных мостиков АН-В как ансамбль Гиббса и вводя потенциал водородной связи Е(Ц1, цг) как функцию обобщённых координат р! . Я2 (0 конкретном случае это могут быть расстояние А-В и угол изгиба связи), плотность вероятности данной конфигурации водородного мостика можно записать в виде

Р (Я1 ,42) = г-ЧТ)ехр[-Е( 41. 42 )/кТ]

(1)

где г ( Т ) - статистический интеграл. Из формулы (1) получаем выражение для плотности вероятности энергии водородной связи

Р (Е) = г-1 (Т ) иг (Е ) ехр (- Е / кТ), (2)

где и / Е ) - энергетическая плотность состояний, и уу ( Е ) = с1Г(Е) / ЬЕ, где Г(Е) - объём фазового пространства, соответствующий энергиям, не превышающим Е. Учитывая известную корреляцию между энергией Е и частотой колебаний у Е = Ь ( у - уц ) , где уи - частота колебаний свободного ОН - осциллятора, получаем следующее выражение для формы Спектрального контура:

I ( V ) = С(Т)\ЛГ(у )ехр(-Ьу/ИТ) , (3)

гдвС(Т) = г-1 (Т)ехр(Ьу/кТ), \Л/<у) = ЦЕ(у )Н(у ), »(у )-фактор интенсивности. Формула (3) может быть применена как для описания контуров полос поглощения в основной и обертонной области, так и для полос комбинационного рассеяния.

Проверка выполнимости формулы (3) для описания контуров спектральных полос и их температурной трансформации может быть осуществлена различными способами.

1. Взяв два произвольных контура Н ( у ) и 1г ( V ) при разных температурах Т, и Тг , получаем выражение

(1/кТч - 1/кТ2 )-1 1п !г( v ) / М( v ) = К ("Г1. Тг ) + Ьу , (4)

где К (Т, .Тг) = (1/КТ-) - 1/кТг )-' 1п С(Т2)/С(Т1). Из формулы (4) следует, что для любой лары температур Т1 и Тг функция о(у) - (1/кТ1-1/кТг )*11п 1гМ/Т|(у) должна быть линейной функцией от частоты, а определяемый по наклону

и

графика ч> ( v ) коэффициент Ь должен находиться в согласии с литературными данными о корреляциях Е (v). Во всех исследованных нами и другими авторами случаях формула (4) хорошо выполняется, и константа Ь представляет величину в пределах 0,06 - 0,07 кДж. /моль в хорошем согласии с литературными данными .

2. Из формулы (3) следует, что зная форму контура lj(v ) при некоторой исходной температуре Ti, можно вычислить форму контура fctv ) при любой другой температуре Тг по формуле

l2 (v ) = «(Ti. Т2) h (v ) exp Kl/kTi -1/кТг) bv )] (5)

где K(Ti, Тг) = С(Т1)/С(Тг) . Во всех проведённых исследованиях было обнаружено хорошее совпадение вычисленных я экспериментальных контуров как для полос поглощения, тах и для полос комбинационного рассеяния в широком интервала температур. При этом в области высокочастотных компонент, которые в рамках

смешанной модели приписываются свободным ОН группам, не было обнаружено никаких особенностей. Этот факт доказывает, что указанные высокочастотные компоненты относятся к единому непрерывному распределению по энергиям водородных связей.

3. Из формулы (3) можно заключить, что, зная форму контура l(v) при одной произвольно выбранной температуре То, можно вычислить выражение для часто гы максимума полосы при любой другой температуре Т по формуле

vm (Т ) = 0-1 (v), (6)

где 0-'(v) - обратная функция по отношению к функции

0(v), а 8 (v) вычисляется по формуле

0(v) = lk/b a)ní(v )/dv + 1Я0] (7)

Экспериментальные исследования обнаруживают хорошее совпадение вычисленных и экспериментальных частот максимумов в интервале температур 20-200° С, а при теоретически и экспериментально обоснованных вариациях параметра Ь - до температуры 400°С.

4. Интенсивные высокочастотные компоненты спектров поглощения воды в обертинной области и в спектрах комбинационного рассеяния наиболее часто используются сторонниками смешанной модели для аргументации своей точки зрения о наличии в воде свободных ОН-групп. Приведённые выше результаты доказывают, что высокочастотные компоненты не являются полосами поглощения свободных ОН-групп, а принадлежат к единой непрерывной сетке водородных связей. Наличие в спектрах воды высокочастотных компонент, создающих ложное впечатление поглощения дискретного образования, отражает асимметричный характер кривой распределения по энергиям Р(Е), а именно,наличие локального подъёма на кривой Р(Е) в области относительно слабых связей. По нашему мнению, причиной локального подъёма кривой фукции плотности вероятностей Р(Е), приводящего к появлению в колебательных спектрах отчётливых высокочастотных компонент, является специфическая форма угловой зависимости энергии водородных связей между молекулами воды. Взяв в качестве элемента объёма фазового пространства объём элементарного телесного угла díl = Sin S dS, плотность вероятности Р(Е) запишем в виде

Р(Е) = Z-1 exp(-E/kT) Sin 9(Е) d9/dE (8)

Отсюда контур полосы может быть записан в виде

i(v) = Z-1 охр (-E(v)/KT1 Sin 8 dS/dv

(9)

Интегрируя выражение (9), получаем формулу для угла изгиба связи, соответствующего определённой частоте колебаний: v

Cos 3 = Cos Эо - Z / l(v) exp [E(v)/kT] dv (10)

v„

где vo и v - частоты, соответствующие углам изгиба связи Эо и 3. Использовав в качестве l(v) контур полосы комбинационного рассеяния , мы вычислили значения Cos 8 (v) и сопоставили их с данными, полученными методом матричной изоляции. Как оказалось, наблюдается хорошее совпадение вычисленных значений с экспериментальной кривой. Таким образом, высокочастотные компоненты спектров воды являются следствием особой формы угловой зависимости частоты колебаний, - наличия резкого уменьшения наклона кривой v(3) при углах изгиба сзязи порядка 60°.

Изложенные в настоящей главе результаты приводят к выводу, что континуальная концепция структуры воды полностью согласуется со всеми наблюдаемыми спектроскопическими закономерностями.

Исследование структуры воды в модельных водных системзх. В результате проведённых нами исследований было установлено, что полосы поглощения воды в растворах электролитов обнаруживают как смещение в том или ином направлении, так и деформацию контура, зависящую от природы как аниона, так и катиона. При интерпретации результатов исследований мы основывались на разработанной нами и изложенной в 1 главе континуальной концепции структуры воды. Анализ полученных нами экспериментальных данных позволил получить следующие основные результаты:

1. На основании концепции о "границе полной гидратации" , используя концентрационные оааисимости. положений полос, нами были вычислены

числа гидратации некоторых ионов. Нами были получены следующие оценки чисел гидратации для ряда ионов: и+ - 3-4; N3* - 3-4; Мд2+ - 5-6; Са2* - 5-6; Мп2* - 5-6; N03- 5-6; С1- - 4-5. Полученные результаты хорошо согласуются с наиболее надёжными из имеющихся литературных данных.

2. Анализ изменений формы контуров в сопоставлении с температурной деформацией контуров полос поглощения чистой воды показал, что разделение ионов на "разрушающие" и "структурирующие* воду является хотя и полезным, но достаточно грубым приближением . Влияние ионов на воду приводит к достаточно сложному изменению всей сетки водородных связей.

3. Применение континуальной концепции к анализу формы спектральных контуров позволило решить некоторые вопросы о характере взаимодействия ионов с водой, которые ранее не входили в сферу приложения спектроскопии и, более того, даже не ставились и не решались при использовании любых других экспериментальных методов. Из выражения (3) для формы контура следует, что эта форма зависит от функции энергетической плотности состояний \»(Е) = с!Г(Е)/с!Е, где объём фазового пространства однозначно определяется формой потенциала взаимодействия Е{К, 9).

Нами были по пучены формулы, на основании которых по характеру деформации спектральных контуров в растворах мы оценили форму потенциалов взаимодействия воды с ионами С1-, N03-, СОз2-, Мд2+ и СЮ4-.

4. В качестве частного конкретного вывода из полученной нами формы потенциалов взаимодействия ионов с водой мы вычислили определяемые этими потенциалами величины относительного времени переориентации молекул воды в гидра гных оболочках некоторых ионов ч/то- получив следующие результаты: Мд2* -1, 9; N03- - 0, 56; С!- - 0,66; СЮ4- - 0,75 и 0,53.

Проведённые спектроскопические исследования показали, что в разбавленных водных растворах неэлектролитов наблюдается изменение

характера распределения по энергиям водородные связей между монехулами воды в направлении увеличения сродней прочности этих связей. Исследования показали, что стабилизация води неэлектролитами обусловлена воздействием на воду неполгрных радикалов молекул неэлектролитов. Степень стабилизации воды зависит от химической индивидуальности вводимых в воду молекул неэлектролитов, от размера и разветвлённое™ неполярной части эти* молекул. Однако, как было обнаружено, различия в стабилизации воды молекулами данного гомологического ряда есть различия в пределах одного порядка величины, а сам по себе этот порядок величины определяется, в основном, функциональной группой молекулы. Для понимания механизма процесса стабилизации было предпринято исследование закономерностей, связывающих стабилизирующую способность молекул с какими-либо характеристиками их неполярных групп. Был исследован ряд соединений с неполярным радикалом СНз и различными функциональными группами . в результате исследования было установлено, что существует отчётливая корреляция между стабилизирующей способностью неполярного радикала и индукционной постоянной функциональной группы о* , характеризующей эффективную электрсотрицательность этой группы и являющейся количественной мерой отрицательного индукционного эффекта. Этот результат позволил заключить, что деззкранироээниэ протонов в связях СИ неполярных радикалов молекул неэлектролитов и связанное с этим увеличение эффективного положительного заряда атомов водорода приводит к повышению способности неполлрных групп к стабилизации воды.

Предложен молекулярный механизм процесса стабилизации воды, основанный на континуальной модели сё структуры. В предлагаемом механизме процесс стабилизации воды трактуется как результат огрэничеиия неполярным радикалом трансляционных и ориентационных движений

молекул воды, обрамляющих полость, в которой помещена молекула неэлектролита.

В работе впервые получены спектроскопические свидетельства наличия в растворах неэлектролитов гидрофобных взаимодействий. Было обнаружено, что, начиная с некоторой концентрации вещества в раствора, дальнейший рост стабилизации воды прекращается. Этот результат является экспериментальным свидетельством процесса гидрофобных взаимодействий неполярных радикалов. При достаточно высоких концентрациях растворённого вещества неполярные радикалы ассоциируют и уходят от контакта с водой. Показано, что гидрофобное связывание не ограничивается образованием диме'ров или тримеров растворённых молекул, а приводит к образованию достаточно больших ассоциатов, содержащих десятки молекул.

Исследования концентрационных зависимостей положения максимумов полос поглощения воды в растворах неэлектролитов позволяют оценить числа гидрофобной гидратации или, точнее, количества молекул, которые изменили свои спектральные свойства, а, следовательно, характер связи с окружением под воздействием одной молекулы неэлектролита. Наши исследования показали, что для разных органических молекул числа гидрофобной гидратации варьируют от 5 -7 до нескольких тысяч молекул. Эти результаты являются прямым спектроскопическим свидетельством кооперативного характера структурных изменений в воде, распространяющихся по объёму воды на значительные расстояния от возмущающей молекулы. Это явление, несомненно, может играть весьма существенную ропь во многих биологических процессах.

Свойства водных растворов пептидов и 'белков. В связи с необходимостью исследования ^информационной подвижности белков по полосам поглощения Амид 1 вблизи 1650 сы-1, обязанных, в основном, колебаниям пептидных групп, предварительно следует выяснить вопрос о природе контуров этих

полос и о механизма их температурных изменений. Для проверки предположения о том, что что контур полосы поглощения Амид 1 имеет флуктуационную природу и, следовательно, отражает структуру сетки водородных связей, мы исследовали температурные изменения спектров модельных соединений и пептидных систем, не являющихся натиоными белками: . метилацетамида, ацетамидометанола, ряда дипептидов и олигопептидов, бацитрацина, денатурирорванных белков рибонуклеазы А и химотрипсиногена. Во всех случаях были обнаружены температурные смещения и деформация полос, полностью подчиняющиеся формуле (3) и всем вытекающим из неё закономерностям, присущим полосам флуктуационной природы

Результаты проведенного исследования показывают, что полосы поглощения Амид 1 во всех исследованных пептидных системах имеют статистическую природу, и их форма при любой температуре отражает статистическое распределение по энергиям водородных связей. В соответствии с установленными в спектроскопии закономерностями и корреляциями между частотой колебаний и геометрией водородных мостиков, высокочастотное смещение полосы указывает на тепловое ослабление водородных связей, сопровождающееся перераспределением геометрических параметров водородных мостиков в направлении увеличения доли деформированных связей с большими межатомными расстояниями и углами изгиба. Для полимерных образований типа синтетических полипоптидов или денатурированных белков, нэ обладающих биологической активностью, такой характер изменений спектров свидетельствует о тепловой объёмной деформации макромолекул а направлении их разрыхления.

Среди систем с водородными связями особое место принадлежит молекулам нативных белков. Как показали наши исследования , характер тепловой деформации молекул белков радикально отличается от приведённых выше закономерностей, присущих всем остальным пептидным

соединениям. Эти отличия заключаются, во-первых, в малом диапазоне спектральных, а следооательно, и структурных изменений, и, во-вторых, в немонотонном характере этих изменений. На всех кривых температурного смещения нормированного первого момента полосы Амид 1 белков наблюдаются участки высокочастотного смещения полосы, сменяющиеся низкочастотными сдвигами. Такой характер изменений спектров означает, что обычная тепловая деформация системы водородных связей в молекулах нативных белков происходит лишь в некоторых достаточно узких температурных интервалах. Достигнув определённой степени разрыхления, молекулы белков в следующем температурном интервале испытывают противоположное изменение состояния, которое можно описать как сжатие или компактизацию и которое сопровождается упрочнением водородных связей. Результатом этих чередующихся процессов противоположного направления является поддержание стабильной пространственной организации глобулы, не выходящей за определённые пределы тепловой деформации.

Для получения прямого экспериментального доказательства, что наблюдаемые у нативных белков немонотонные изменения спектров действительно отражают геометрические эффекты объёмных деформаций в направлении расширения и сжатия глобул, был поставлен эксперимент по изучению флуоресценции фермента лизиноксидазы (ЛО), содержащего 56 аминокислотных остатка тирозина и 32 - триптофана. Можно ожидать, что при тепловом расширении молекулы ЛО из-за увеличения средних расстояний между остатками тирозина и триптофана, сопровождающегося уменьшением беэизлучательного переноса энергии, вклад тирозина в полную флуоресценцию белка будет возрастать. При сжатии молекулы будет наблюдаться противоположный эффект - снижение вклада флуоресценции тирозина за счёт уменьшения средних расстояний Туг-Тгр. Проведённое исследование показало, что ожидаемые эффекты действительно

проявляются и весьма отчётливо. При переходе от сжатого состояния молекулы ПО к расширенному состоянию на суммарной полосе флуоресценции заметно возрастает коротковолновая компонента, соответствующая излучению остатков тирозина. Приняв за количественную меру вклада тирозина в суммарную полосу флуоресценции белка отношение интенсивностей при длинах волн 310 и 330 нм, мы сопоставили температурные изменения этой величины с изменениями первого момента полосы Амид 1. Резупьтаты обоих методов обнаруживают полную корреляцию. Полученный результат является прямым экспериментальным свидетельством существования немонотонных тепловых объёмных деформаций молекул ЛО,

Обращаясь к молекулярному механизму обнаруженного явления немонотонной тепловой деформации белков, отметим, что процессы упрочнения водородных связей при повышении температуры никогда ранеэ не наблюдались. Для их объяснения недостаточно только привлечения статистики водородных связей, а необходим учёт других степеней свободы. Для выяснения физической природы этих степеней свободы мы провели исследования с использованием различных экспериментальных методов. Особую важность имеет тот факт, что в тех же температурных интервалах, в которых происходит деформация белка в направлении сжатия, наблюдаются процессы стабилизации воды неполярными радикалами белка. Мы приходим к выводу о следующем механизме немонотонной тепловой деформации белков. При некоторой критической степени расширения белка в молекуле белка происходит локальное движение поверхностных атомных групп или фрагментов, сопровождающееся экспонированием некоторого числа гидрофобных радикалов из внутренней области молекулы в водное окружение и стабилизацией прилегающего к молекуле белка слоя воды экспонированными неполярными радикалами. Стабилизация прилегающего к молекуле белка слоя воды, включающего и связи белок-вода, влечёт за собой

также и деформацию всей сетки водородных связей в белке в направлении сжатия.

При обсуждении биологической роли структурных перестроек белков необходимо учитывать то обстоятельство, что при всех конкретных различиях отдельных локальных движений их результатом во всех случаях является восстановление пространственной организации остова молекулы, частично деформированного тепловым расширением. Этот вывод, подтверждающийся всеми результатами исследований, проведённых

для широкого круга белков, укладывается в предлагаемую автором концепцию, согласно которой температурные изменения конформации нативных белков представляют собой выбранный природой механизм, с помощью которого при значительных вариациях температуры поддерживается устойчивая функционально активная конфигурация молекул белков.

Термостабильность пространственной организации молекул белков, поддерживаемая немонотонными изменениями, представляет собой биологически целесообразное свойство, обусловленное наличием у молекул белков элементов конструкции . Автором предложен подход к статистическому описанию системы с жёсткими связями, сочетающей свойства механической и статистической систем. Сущность предложенного автором подхода можно охарактеризовать как использование "механического", (т.е. учитывающего наличие у молекулы белка элементов конструкции) потенциала в статистическом формализме. Как показывают данные эксперимента, в немонотонной деформации структура белка участвуют как водородные связи, так и неполярныа радикалы белка, т.е. в используемом потенциале 1){х1,х2) необходимо учесть обобщённую координату водородных связей Х1 и координату взаимодействия неполярных радикалов с водой х2. Рассмотрим предельный случай жёсткой связи, при которой разрешённой областью фазового пространства является линия

%2 = *2(х0 на фазовой плоскости (Х1, /.2). В этом случав функцию распределения по координатам XI и хг следует записать в виде

Р(х1.хг) = 2-1ехр[-и(х,.х2)/кт]8[х2-х2(х1)1 . (11)

Потенциал, обеспечивающий распределение, записанное а такой форме, геометрически можно рассматривать как пространственную кривую, которая представляет собой пересечение поверхности, соответствующей потенциалу системы без учёта элемента конструкции, и цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна оси и, а направляющей является линия хг(х1>. Распределение по координатам водородной связи определяется результирующим потенциалом Цх), представляющим собой проекцию пространственной кривой на плоскость {х)ри}. Можно показать, что для немонотонного характера температурного изменения средней координаты водородной связи необходимо, чтобы зависимость х»(х,). а, следовательно, и(х,), была неоднозначной. В этом случае, разбивая всю область интегрирования на интервалы, в каждом из которых хг принимает одно из значений х2(х1), получаем для средней координаты водородной связи выражение

Х1(Т) = 21x1 ехр[-0(х1) /кТ]с1х,/£/ехр[-0(х1) /кТТйХ!. (12)

Показано, что эмпирические неоднозначные потенциалы различной формы могут обеспечить как немонотонную тепловую деформацию, так и наличие участков относительной термостабильности.

Обнаруженное явление термостабильности белков естественным образом объясняет известный факт скачка теплоёмкости белков при их денатурации, до сих пор не имеющий удовлетворительного объяснения. Из результатов приведённых в диссертации исследований

вытекает, что существенный вклад в изменение теплоёмкости при денатурации белков должна вносить конфигурационная теплоёмкость водородных связей. Вследствие высокой термостабильности системы водородных связей в молекулах нативных белков у них практически отсутствует конфигурационный вклад в теплоёмкость. "Размораживание" водородных связей в процессе денатурации сопровождается скачком теплоёмкости на величину ЛСР , определяемую по формуле ДСР = Ь (Ыс1Т , где V - нормированный первый момент полосы поглощения денатурированного белка. Мы определили величину ДСР для двух белков -рибонуклеазы А и химотрипсиногена на Основании результатов измерений температурного смещения полосы Амид 1 для нативных и денатурированных белков . Величина ЛСр, приходящаяся на одну пептидную группу, составила для рибонуклеазы 44 Дж/моль К , для химотрипсиногена - 57 Дж/моль К . Сравнение этих величин с экспериментальными данными позволяет заключить, что конфигурационная теплоёмкость водородных связей представляет собой основной вклад в денатурационное изменение теплоёмкости белков.

В настоящее время можно считать установленным, что при наличии у белка конкретной биологически активной конфигурации, ключевую роль играет точное геометрическое соответствие, т. е. соблюдение и строгое поддержание определённых размеров как всей молекулы, так и в особенности её активного центра. Это обстоятельство, наряду с обнаруженным нами механизмом стабилизации белков, открывает реальную возможность направленной регуляции активности белков и её практического применения в медицине, фармакологии и биотехнологии. Основные принципы такой регуляции состоят в том, что при помощи некоторого внешнего воздействия принципиально возможно изменить средний размер балка и его активного центра в направлении приближения его к оптимальному и тем самым увеличить активность белка. Физическим фактором,

осуществляющим указанное внешнее воздействие, является изменение жёсткости водного окружения молекулы белка с помощью специально подобранных соединений, либо стабилизирующих воду, следствием чего явится сжатие белка, либо разрыхляющих воду, что приведёт к расширению белка. Принципиальная возможность искусственной регуляции активности белков за счёт "геометрического фактора" показана в реферируемой работе на примере белков лизиноксидазы и "расплавленной глобулы" цитохрома с.

Состояние воды в замкнутом ограниченном окружении. Состояние воды в замкнутом ограниченном окружении и особенности функционирования белков в этой вода в последние годы приобрело большой интерес и интенсивно исследуется . Повышенное внимание исследователей привлекают обращенные мицеллы поверхностно-активных веществ (ПАВ), диспергированных в неполярных растворителях . Одна из причин интереса к этим объектам состоит в том, что системы ПАВ-вода-органический растворитель в современной мицеллярной энзимологии являются средой для проведения ферментативных реакций. Ряд исследователей связывает повышенную энэиматическую активность некоторых ферментов внутри обращённых мицелл с особым состоянием воды, находящейся в гидрофильных полостях мицелл. Однако, состояние водь а обращённых мицеллах в настоящее время надёжно не установлено. Мы провели спектроскопическое исследование воды в обращённых мицеллах Аэрозоля ОТ (АОТ), опираясь на разработанные нами положения и методы флуктуационной теории водородной связи. Строгое применение этих методов требует особой методики эксперимента : исследования спектров мопекул HDO. Было обнаружено, что полоса поглощения воды в обращённых мицеллах состоит из двух перекрыааюицихся компонент. Высокочастотная компонента с максимумом при 4955 см"', преобладающая при низких степенях гидратации, принадлежит молекулам воды, образующим водородные связи с полярными группами молекул АОТ. Низкочастотная компонента принадлежит

внутренним группировкам молекул воды, образующим водородные связи между собой. Низкочастотные компоненты при всех степенях гидратации абсолютно идентичны и представляют собой узкую полосу с максимумом 4925 см'' к полушириной 90 см'1. Анализ закономерностей температурной деформации этой полосы по разработанным в диссертации процедурам (формулы (4) и (5)) показал, что количественные соотношения флукгуациснной теории для этой полосы не выполняются. Этот результат свидетельствует о том, что во внутренних группировках молекул воды не выполняется постулат о статистической независимости водородных мостиков. Отсюда следует, что водородные связи между молекулами воды в обращённых мицеллах АОТ носят отчётливо выраженный кооперативный характер. Характер спектра внутренней воды позволяет сделать вывод о существенном отличии состояния воды в обращённых мицеллах от обычной жидкой воды. Низкочастотное положение и малая полуширина полос поглощения воды в мицеллах позволяют описать состояние этой воды следующим образом. Вода в обращённых мицеллах обладает особой структурой, характеризующейся более прочными (примерно в 1,3 раза) связями, чем обычная вода. Распределение этих связей по энергиям и, следовательно, по геометрическим параметрам является в 2 раза более узким, чей распределение в обычной воде. Такое состояние воды можно охарактеризовать как льдоподобное, близкое к переохлаждённой воде, т.е. занимающее промежуточное положение между обычной водой и льдом.

В последние годы было показано, что в некоторых водно-органических смесях в области средних концентраций наблюдается явление микрсрасслаивания . При этом раствор остаётся макроскопически гомогенным, но на микроскопическом уровне обнаруживает ярко выраженную микрогетерогенность .Спектроскопическими, термодинамическими и рентгеновскими методами было показано, что такие растворы состоят из микрообластей, содержащих только молекулы чистой воды или только

молекулы неэлектролита. Состояние воды в водных микрообластях и состояние белков в таких микрорасслаивающихся растворителях до настоящего времени не изучалось. Мы провели спектроскопическое исследование микрорасслаивающихся систем вода-диметилсульфоксид (ДМСО) и вода-диоксан . Общий характер спектральных изменений оказался качественно сходным для обеих исследованных систем .При увеличении мольной доли ДМСО широкая полоса поглощения чистой воды при 5180 см-1 постепенно переходит в значительно более узкую полосу с максимумом при 5140 см-1 , обязанную поглощению микрообластей воды Эта полоса, также как и в системе вода-диоксан, состоит из двух перекрывающихся компонент : узкой высокочастотной полосы поглощения молекул воды, находящихся на поверхности водных микрообластей и взаимодействующих своими протонами с молекулами неводного компонента раствора, и более широкой и низкочастотной полосы, обязанной поглощению внутренних молекул воды в микрообластях. Различия в форме низкочастотного края полосы поглощения водных микрообластей для растворов разных концентраций объясняются тем, что с уменьшением общего содержания воды в растворе размеры водных микрообластей уменьшаются, что приводит к уменьшению вклада в суммарную полосу низкочастотной компоненты внутренней воды.

Полосы поглощения поверхностной воды в обеих системах соответствуют литературным данным о прочности водородных связей вода-ДМСО и вода-диоксан. Особый интерес представляет состояние воды во внутренних областях водной микрофазы. Как показали исследования, полоса поглощения воды в ыикросбласгях воды по форме и ширине идентична полос® поглощения объёмной воды, но весьма существенно смещена в низкочастотную сторону по сравнению '■о спектром обычной воды. Такой характер спектра свидетельствует о том, что водородные связи между молекулами воды внутри её микрообластей в растворе ДМСО на 60 % прочнее, чем водородные связи в обычной объёмной воде. Аналогичный по

характеру, но меньший по величине упрочнения связей ( 25%) эффект наблюдается и е системе диоксан-вода.

Анализ спектроскопических данных позволил установить последовательность различных стадий при изменении состава раствора, которую можно рассматривать как ' фазовую диаграмму микрорасслаивающегося раствора:

1. Мольная доля неэлектролита X = 0 - 0, 3. В этом интервале концентраций происходит стабилизация воды гидрофобными радикалами молекул неэлектролитов и образование межкомпонентных водородных связей вода-неэлектролит.

2. X = 0, 3 - 0, 5. В этом интервале концентраций сосуществуют объёмная вода и водные микрообласти, окружённые неэлектролитом. С увеличением концентрации неэлектролита происходит постепенное увеличение числа микрообластей воды за счёт объёмной воды.

3. X = 0, 5 - 0, 7. Этот интервал концентраций является областью полного микрорасслаивания. Вся вода, присутствующая в растворе, находится а форме водной микрофазы.

4. X = 0, 7 - 0, 9. Водные микрообласти начинают распадаться, и в фазе неэлектролита сосуществуют микрообласти воды и мономерные молекулы воды.

Особый интерес представляет состояние белков в микрорасслаивающихся растворах. В этом направлении нами были проведены исследования на примере двух белков: сывороточного альбумина быка в системе этанол-вода, и цитохрома с в системе ДМСО-вода. Состояние сывороточного альбумина быка в растворе определялось по положению и форме полосы поглощения белка Амид 1, а состояние молекул цитохрома с - по положению нормированного первого момента полосы Сдре.

. Исследозания показали, что спектральные характеристики белков весьма чувствительны к присутствию малых концентраций неэлектролита, но при

перехода к области микрорасслаивания эти характеристики возвращаются к исходному положению, соответствующему раствору белка в чистой воде. Эти. примеры и другие полученные нами результаты показывают, что некоторые белки в микрорасслаивающихся растворах встраиваются только в микрообласти воды и, следовательно, находятся в чисто водном окружении, оказываясь таким образом изолированными от органического компонента раствора.

В заключение этого раздела мы считаем необходимым подчеркнуть некоторые факты, указывающие на определённую аналогию микрорасслаивающихся растворов с обращенными мицеллами ПАВ.

1. В обеих системах существуют микрообласти чистой воды, находящиеся в замкнутом ограниченном окружении.

2. Вода в этих системах находится в особом жёстком состоянии.

3. Молекулы белков в обеих системах встраиваются в водные мисрообласти.

Такая аналогия позволяет предположить, что микрорасслаивающиеся

растворы, являющиеся более "физиологичными" и более простыми для приготовпения, чем системы октан-ПАВ-вода, могут оказаться полезными как для решения задач мицеллярной энзимологии, так и для практического применения в ряде областей медицины и биотехнологии.

Состояние воды в бактериальных суспензиях. Целью настоящей работы явилось исследование молекулярных процессов, протекающих во внеклеточной среде бактериальных популяций и влияющих на структуру воды, и сопоставление этих процессов с физиологическим состоянием бактериальных популяций. Процессы, протекающие во внеклеточной среде,регистрировали и изучили по температурным изменениям инфракрасных спектров воды и ультрафиолетовых (УФ) спектров метаболитов.

Для исследования были выбраны представители грамотрицательных и ; грамположительных микроорганизмов - Е. coli М 17 и В. flavum Е 531.

Температурный оптимум роста Е. coli - 37° С, В. flavum - 30» С. Клетки выращивали в стандартных условиях до стационарной фазы роста. Клетки, отмытые от питательной среды, ресуспендировали в физиологическом растворе до конечной концентрации 5 109 и инкубировали в течение 2 ч при начальных температурах 200 с для Е. coli М 17 и 180 С = для В. flavum Е 531. В ходе эксперимента температуру повышали с температурным шагом 2 К. Характер -нарушения монотонности кривых температурного смещения полосы поглощения воды в сопоставлении с результатами исследований растворов белков ¡вриводит к заключению, что в клеточных суспензиях в определённых 1 температурных интервалах происходит процесс стабилизации воды, обусловленный-конформационной перестройкой белков внеклеточной среды. Как .и ожидалось, гюсле термической инактивации белков температурная зависимость оказалась" монотонной. Известно, что температуры ■ ^информационных изменений индивидуальны для различных белков и еарьируют-а uwpoKHX пределах, а температурные интервалы этих изменений достаточно узки. -6 то же время в исследованных нами суспензиях, несмотря ■на наличие гд «их различных белков , наблюдается только один широкий температурный, интервал, в котором вода во внеклеточной среде находится в стабилизированном- состоянии. По нашему мнению, полученный результат находит бвоё'.-ейьяенение в генерализации конформационных переходов во внеклеточной ереде.в результате их взаимодействия через среду, подобно наблюдаем0адуяяя;белков, включённых в состав биомембран .

.Помимо изучения состояния воды в бактериальной суспензии, было исследовано содержание УФ-поглощающих метаболитов. В интервале температур 30-40° С для Е. coli и 24-34° С для В. flavum, отмечается существенное снижение содержания УФ-поглощающих метаболитов до некоторого постоянного уровня. Полученный характер зависимости содержания УФ-поглощающих продуктов во внеклеточной среде отражает, по

нашему мнению, активацию транспортных систем в указанных температурных интервалах.

В связи с полученными результатами необходимо отметить следующее весьма существенное обстоятельства: описанные выше процессы стабилизации воды и активации транспортных систем развиваются в температурных интервалах, соответствующих температурному оптимуму жизнедеятельности бактерий. Совместное рассмотрение полученных результатов позволяет сделать вывод : в области температурного оптимума жизнедеятельности микроорганизмов в бактериальных суспензиях наблюдаются согласованные процессы, - явление стабилизации внеклеточной воды в результата конформационной перестройки макромолекул белков, и активация транспортных систем клеток.

ВЫВОДЫ.

1. Предложено теоретическое описание формы ко.чтуров полос поглощения и комбинационного рассеяния воды .основанное на континуальной концепции структуры воды, Хорошее согласие всех выводов из предложенного теоретического описания с данными спектроскопических экспериментов свидетельствует о наличии в жидкой воде единого непрерывного распределения по геометрическим параметрам и по энергиям водородных связей.

2. Проведено исследование инфракрасных спектров поглощения воды в растворах электролитов. Определены числа гидратации некоторых ионоэ, получены качественные зависимости потенциалоа взаимодействия от ориентации молекул воды в гидратных оболочках, вычислены относительные времена переориентации молекул воды в гидратных оболочках ионов,

3. Проведены спектроскопические исследования состояния воды в растворах неэлектралитоз. Спектроскопическими методами дока»ано

существование в разбавленных растворах неэлектролитов процессов стабилизации воды нелолярньши радикалами. Исследовано влияние функциональных групп молекул неэлектролитов на стабилизацию воды неполярными радикалами. Показано, что дезэкранирование протонов а связях СН непопярных радикалов приводит к повышению способности неполярных групп к стабилизации воды. Оценка чисел гидрофобной гидратации,варьирующих для различных соединений от единиц до нескольких тысяч молекул воды, свидетельствует о кооперативном характера процессов изменения состояния воды в растворах неэлектролитов. Получены спектроскопические ■ свидетельства существования -гидрофобных взаимодействий молекул неэлектролитов. Изучены закономерности процесса гидрофобных взаимодействий.

4. Исследованы колебательные спектры водных растворов пептидов, не являющихся нативными белками: дилептидов, олигопептидов, денатурированных белков. -Показан статистический характер формы спектральных контуров полос поглощения пептидов в водных растворах и . наличие монотонной тепловой деформации системы водородных связей в этих растворах.

5. Обнаружено свойство термостабильности пространственной организации нативных ■белков, -поддерживаемой посредством немонотонной тепловой деформации системы водородных связей. Экспериментально доказано существование геометрических эффектов немонотонной объёмной деформации молекул белков.

6. Методами инфракрасной спектроскопии,электронной спектроскопии и флуоресценции исследован молекулярный механизм процесса термостабилизации, показана роль неполярных радикалов белка в этом процессе. Предложена теоретическая интерпретация немонотонной тепловой деформации молекул бепков на основе статистического описания системы с жёсткими связями в рамках концепции "балок-машина". Показано,

что основной вклад в изменение теплоёмкости белков при денатурации вносит конфигурационная теплоёмкость водородных связей.

7. Предложены основные принципы искусственной регуляции активности белков посредством изменения жёсткости водного окружения молекул белков. Экспериментально доказана применимость этих принципов.

8. Исследовано состояние воды в обращенных мицеллах Аэрозоля ОТ. Показано, что внутренняя вода в мицеллах обладает повышенной жёсткостью и кооперативным характером сетки водородных связей. Изучено явление микрорасслаивания в системах вода-диметилсульфоксид и вода-диоксан. Исследована зависимость структуры растворов и размеров водных микрообластей от мольной доли неэлектролита. Показано, что вода в водных микрообластях находится в особом жёстком состоянии, близком к переохлаждённой воде. Обнаружено, что некоторые белки в

микрорасслаиВающихся растворах встраиваются только в водные микрообласти и, следовательно, находятся в чисто водном окружении, оказываясь изолированными от органического компонента раствора.

9. Исследорпно состояние воды а бактериальных суспензиях, Пс; азано, что в темпера1урном интервале оптимума жизнедеятельности бактерий вода во внеклеточной среде находится в стабилизированном состоянии,обусловленным конформацией экстраклеточных белков. В этих жа температурных интервалах активируются транспортные процессы. Сделан вывод о наличии единой регуляторной системы, действующей в рамках всей бактериальной популяции. Интегрирующим элементом этой системы является вода во внеклеточной среде, а регулятором состояния воды - система экстраклеточных белков,

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. АИ. Сидорова, АП. Жуковский. Оптика и спектроскопия. Т. 22. С. 245. 1967.

2. А И. Сидорова, А. И. Халоимов, А П. Жуковский, И А Михайлова. Тезисы Всесоюзного симпозиума по проблеме релаксационных, явлений в жидкостях. С. 104. Душанбе. 1969.

3. А.И. Сидорова, АН. Халоимов, А П. Жуковский. В кн: Структура и роль воды в живом организме. Вып. 3. С. 3. Изд-во ЛГУ, 1970.

4. А.П. Жуковский, АИ. Сидорова, в кн: Структура и роль воды в живом организме. Вып. 3. С. 99. Изд-во ЛГУ, 1970.

5. А.И. Сидорова, H.H. Кочнев, АИ. Халоимов, А.Г1. Жуковский. Тезисы XVII Конгресса по спектроскопии. С. 216. Минск, 1971.

6. АИ. Сидорова, АП. Жуковский. Журн. структур, химии. Т. 12. С. 534. 1971

7. АИ. Сидорова. АП. Жуковский, Дьеп Нгох Ань. Вестник ЛГУ. N 4. С. 62.

1972.

6. АП. Жуковский, W.B. Деньгина. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 1. С. 74. Изд-во ЛГУ, 1973.

9. АИ. Сидорова, АП. Жуковский, Диеп Нпж Ань. В кн; Молекулярная физика и биофизика водных систем. Выл. 1. С. 74. Изд-во ЛГУ, 1973.

10. АИ. Сидорова, АП. Жуковский, Диеп Нгок Ань. Вестник ЛГУ. N 16. С, 51.

1973.

11. A Zhukovsky. In: Die 7. Tagung " Industrielle Gewinnung von Susswassers aus dem Meer". S. 7. Frankfurt (Main), 1973.

12. А.И. Халоимов. АИ.Сидорова, И.Н.Кочнев. АП. Жуковский. Тезисы докладов И Всесоюзной конференции по спектроскопии биополимеров. С. 107.Хэрьков, 1974.

13. В. Люк, АП. Жуковский. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 2. С. 131. Изд-во ЛГУ, 1974.

14. A. Zhukovsky. In: "The Structure ol Water and Aqueous Solutions". P. 575. Vertag Chemie, Weinheim, 1974.

15. АИ. Халоимов, И.Н. Кочнев, АП. Жуковск/й, АИ.Смдорова. Тезисы докладов XII Международного ботанического конгресса. С. 469. Ленинград, 1975.

16. АП. Жуковский. А.И. Сидорова. Журн. прикладн. спектроскопии. Т. 23. С. 507. 1975..

17. А.И. Сидорова, А.И. Халоимое, АП. Жуковский, И.Н.Кочнев. В кн: Конформационные изменения биополимеров в раствора*. С. 141. Тбилиси,

1975.

18. АИ. Халоимов, АП. Жуковский, С.В.Шутько, АИ. Сидорова. В кн; Молекулярная физика и биофигика водны* систем. Вып. 3. С. 46. Изд-во ЛГУ,

1976.

19. А.И. Халоимов, А.П. Жуковский, М.Н. Серова. В км: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 3. С. 55. Изд-во ЛГУ.1976.

20. АП. Жуковский, М.В.Деньгина. Журн. структур, химии. Т. 17. С. 445. 1976.

21. АП. Жуковадй. Журн. структур, химии. Т. 17. С. 931, 1976

22. АИ. Халоимов, АП. Жуковский, АИ. Сидорова. Биофизика. Т. 21. С. 971. 1976.

23. АП. Жуковский, М.В. Деньгмна. Вестник ЛГУ. N 10. С. 60. 1977.

24. С.П.Гирс, АП. Жуковский. М.Н. Серова. Труды ГГО им. Воейкова. N 389. С. 74. 1977.

25. М.Н. Серова, АП. Жуковский, С.П. Гире. Вестник ЛГУ. N 16. С. 160. 1977.

26. А П. Жуковский. Научно технический бюллетень по агрономической физика. N 30. С.46. 1977.

27. А.Л. Жуковский, М.Н. Серова. В кн: Молекулярная физика и 'биофизика водных систем. Вып. 4. С. 88. Изд-во ЛГУ. 1979.

28. М.В. Деньгина, Л.Н. Петров, АП. Жуковский. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 4. С. 95. Изд-во ЛГУ. 1979.

29. С.П. Гире, А.П. Жуковский. М.Н. Серова. Труды ГГО им. Воейкова. Вып.405. С. 76. 1979.

30. АП. Жуковский. 8 кн: Физическая активация водных систем и биологических объектов. С. 97. Л., 1979.

31. АП. Жуковский. Химия и технология воды. Т. 2. С. 494.1980.

32. АП. Жуковский. Журн. структур, химии. Т. 22. С. 58. 1981.

33. АП. Жуковский. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 5. С. 9. Изд-еоЛГУ. 1032.

• 34. А.П. Жуковский. АИ. Халоимов, И.Н. Кочнев. Тезисы докладов I Всесоюзного биофизического съезда. Т. 1. С. 23. М., 1982

35. АП. Жуковский. Тезисы докладов XIX Всесоюзного съезда по спектроскопии. Т. 3. С. 231. Томск. 1983.

36. АП. Жуковский. АИ. Халоимов, Н.В. Ровное, И.Н. Кочнев. Тезисы докладов XIX Всесоюзного съезда по спектроскопии. С. 303. Томск, 1983.

37. АП. Жуковский. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 5. С. 9. Изд-во ЛГУ. 1983.

38. А П. Жуковский, Н.В. Ровное, АИ. Халоимов. Биофизика. Т. 29. С. 586. 1984.

39. А.П. Жуковский, АИ. Халоимов, Н.В. Ровное, АН. Раев. V всесоюзная конференция по спектроскопии биополимеров. Тезисы докладов. С. 89. Харьков, 1934.

40. А.П. Жуковский, Н.В. Ровное. Журн. прикладн. спектроск. Т. 41. С. 229. 1984.

41. АП. Жуковский, Н.В. Ровное, И.Салонен. В кн: Молекулярная физика и биофизика водных систем. Вып. 6. С. 105.1986.

42. Т.Б. Ченская, АВ. Путвинский, В.А Завизион, АП. Жуковский. АВ. Куликов. В кн: Применение миллиметрового излучения низкой интенсивности в биологии и медицине. С. 245. М.. 1985.

43. А.П. Жуковский, АИ. Халоимов, H.B. Ровное, А.Н. Раав. Биофизика. Т. 32. С. 583.1987.

44. А.П. Жуковский, АИ. Халоимов, Н.В. Ровное, Л.Н. Петров. Тезисы докладов XX Всесоюзного съезда по спектроскопии. Т. 1. С. 459. Киев, 1968.

45. А.П. Жуковский, АИ. Халоимов, Н.В. Роанов, Л.Н. Петров. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по спектроскопии биополимеров. С. 128. Харьков, 198S.

46. А.П. Жуковский, А.И. Халоимов, Н.В. Ровной. Биофизика. Т. 34. С. 372. 1989.

47. А.П. Жуковский, Н.В. Роанов. Биофизика. Т. 34. С. 518.1989.

48. АП. Жуковский, Л.В. Шурулова, Н.В. Ровное. Журн. структур, химии. Т. 30. С. 108. 1389.

49. АП. Жуковский, Л.Н. Петров, Н.В. Ровное. ДАН СССР. Т. 308. С. 218. 1989.

50. А.П. Жуковский, М.Н. Серова. Вестник ЛГУ, Вып. 4. С. 88.1090.

51. А.П. Жуковский, М.Н. Серова. В кн: Физико-химические свойства водных систем. С. 119. Иэд-во СПбГУ, 1991.

52. АП. Жуковский, М.Н. Серова. В кн: Физико-химические свойства водных систем. С. 129. Иад-ео СПбГУ, 1991.

53. А.П. Жуковский, Л.Н. Петров, Н.В. Ровное. Журн. структур, химии. Т. 32. С. 81. 1991.

54. Е.В. Лукашёва, Т.Т. Берёзов, АП. Жуковский, З.К. Сода. Биохимия. Т. 56. С. 1069. 1991.

55. А.П. Жуковский. Н.В. Ровное, С.в. Сорвин, O.G. Рыбзльченко, Л.Н. Петров, Е.М. Букс. Биофизика. Т. 36. С. 303.1991.

56. А.П. Жуковский, Е.В. Лукашёва, Т.Т. Берёзов, Н.В. Ровное. Вестник ЛГУ. Сер. 4. Вып. 4. N25.1991.

57. А.P. Zhukovsky, L.N. Petrov, N.V. Rovnov, S.V. Sorvin. Intern. Conference on Medical Biotechnology, Immunization and AIDS. P. 7-12. Leningrad, 1991,

58. А.П. Жуковский, H.B. Ровное, Л.Н. Петров, С.В. Сорвин, Е.М. Вукс. Журн. структур, химии. Т. 33. С. 101.1992.

59. N.V. Rovnov, А.Р. Zhukovsky, S.V. Sorvin, L.N. Petrov. X Intern. Conference "Surface Forces*. Book of Abstracts. P. 82. Moscow, 1992.

60. А.П. Жуковский, H.B. Ровное, Л.Н. Петров, C.B. Сорвин, ЕМ. Вукс. Биофизика. Т. 38. С. 524. 1S93.

61. А.П. Жуковский, М.Н. Серова. Вестник СП6ГУ. Сер.4. Вып. 3. С. 48.1993.

62. А.П. Жуковский. Н.В. Ровное, М.А Жуковский. Журн. структур, химии. Т. 34. С. 83.1993.

63. А.Г1. Жуковский, Н.В. Ровное. С.В. Сорвин, М.А. Жуковский. Тезисы докладов X Менделеевской дискуссии "Периодический закон и свойства растворов". С. 47. Санкт-Петербург, 1993.

64. V.l. Kovalchuk, L.V. Dubovoj, АР. Zhukovsky, О.Р. Rezunkova. Intern. Medical Conference "Health and Social Problems in Arctic Regions". P. 35. Cyti of Nadym. 1993.

65. V.l. Kovalchuk, L.V. Dubovoj, V.l. Akhtyrsky, A.P. Zhukovsky. Intern. Medical Conference "Health and Social Problems In Arctic Regions". P. 3. Cyti of Nadym.

1993.

66. АП. Жуковский, О.П. Резункова, С.В. Сорвин. O.B. Добролеж, М.А Жуковский. Миллиметровые волны в биологии и медицине. N 2. С. 36.1993.

67. АР. Zhukovsky. X Intern. Workshop "Horizons in Hydrogen Bond Research", Abstracts . P. 12-P. Autrans, France, 1993.

68. AP. Zhukovsky. Protons in Motion. P. G-4. Schwabisch Gmuend. Germany.

1994.

69. А.П. Жуковский, О.П. Резункова. Биофизика. Т. 39. С. 750. 1994.