Введение к работе
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 приапечеміїя соображений о роли воды в этих процессах. В то же время необходимо признать, что глубокое и полное понимание роли воды в биологических процессех 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 с 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 сисіем. Более того, не может считаться однозначно решённым фундаментальный вопрос о структуре самой воды. Отсутствие общепринятых взглядов на некоторые фундамеї 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 из водных систем, характеризующиеся многообразием межмолекулярных взаимодействий различной природы. Для дальнейшего прогресса в познании механизмов многих биологических процессов и в установлений роли воды в этих процессах необходимы целенаправленные и последовательные исследования водных систем различной природы и степени сложности как самостоятельных и специфических объектос.
Ыель 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 сметам основные закономерности были применены к выяснению роли воды в некоторых конкретных процессах с участием биологических макромолекул и микроорганизмов. Широта постановки задачи, обусловленная многообразием межмолекулярных взаимодействий в реальных биологических структурах, потребовала привлечения в качестве 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 ее 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 белков, 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 сзязи, - проблемы формы контуров широких полос поглощения в системах с водородными связями средней прочности. При статистической интерпретации формы полос основным экспериментальным документом явпякгтся не частоты нормальных колебаний, а статистические контуры полсх; 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 воды. 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 колебательных 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 получены прямые спектроскопические свидетельства существования процессов стабилизации воды в растворах неэлектролитоа и исследованы его основные закономерности. Также впервые установлена соль неполярных радикалов и функциональных групп молекул неэлектролитоа а стабилизации воды. Исследован молекулярный механизм процесса стабилизации. Впервые обнаружены спектроскопические проявления гидрофобных взаимодействий и исследованы закономерности этих процессов.
Предложен новый метод исследования информационных 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 ограниченнм окружении, - в обращенных мицеллах поверхностно-активных веществ и в микрорзеслаивающихся 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, медицине, фармакологии и биотехнологии. Результаты исследований состояния воды в 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 воды" (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, 1Э75 г.); Всесоюзный семинар "Изменение структуры и свойств воды под влиянием физических воздействий" (г.Ленинград, 1978 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.); 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.