Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные методы изучения микроструктуры растворов электролитов 12
Глава 2. Метод ядерной магнитной релаксации 25
2.1 ЯМР-релаксация в случае быстрого молекулярного движения 26
2.2 Механизмы релаксации в растворах электролитов 28
2.2.1 Диполь-дипольное взаимодействие 28
2.2.2 Квадрупольное взаимодействие 30
2.3 Релаксация в условиях быстрого обмена 31
Глава 3. Экспериментальная часть 33
3.1 Условия эксперимента. Методика измерений 33
3.2 Моноэкспоненциальность процесса релаксации 35
3.3 Приготовление образцов 36
3.4 Программа для расчета концентраций 37
Глава 4. Магнитная релаксация ядер растворителя в двойных растворах электролитов 39
4.1 Релаксация ядер растворителя 39
4.1.1 Протоны 39
4.1.2 Дейтроны 40
4.2 Изучение микроструктуры растворов электролитов с помощью ЯМР-релаксации 41
4.3 Результаты измерений и обсуждение 45
4.3.1 Сравнение концентрационных зависимостей скоростей релаксации протонов и дейтронов 46
4.3.2 Эффективность исследования различных растворов электролитов...49
4.3.2.1 Растворы NaN03-D20 49
4.3.2.2 Растворы NaBr-D20 52
4.3.2.3 Растворы NaCl-D20 54
4.3.2.4 Растворы CaCl2-D20 56
4.4 Выводы 60
Глава 5. Релаксация ядер растворенных веществ в растворах электролитов 62
5.1 Особенности релаксации ядер растворенных веществ в растворах электролитов 63
5.2 Концентрационная зависимость скоростей релаксации ядер растворенных веществ в растворах электролитов 67
5.3 Температурная зависимость скорости релаксации ядер растворенных веществ в растворах электролитов 70
5.4 Сравнение концентрационных и температурных зависимостей 74
5.5 Выводы 75
Глава 6. Релаксация в водных растворах хлористого натрия, содержащих биологические компоненты 76
6.1 Особенности физико-химических свойств растворов, содержащих
молекулы белков 77
6.2 Особенности релаксации ядер хлора в водных растворах, содержащих органические молекулы 79
6.3 Анализ полученных результатов 81
6.3.1 Исследование растворов аланин-ЫаС1-Н20 81
6.3.2 Исследование растворов глутатион-ЫаС1-Н20 83
6.3.3 Исследование растворов альбумин-ЫаС1-Н20 84
6.3.4 Исследование растворов глобулин-ЫаС1-Н20 85
6.3.5 Другие результаты 86
6.4 Новый метод определения некоторых параметров структуры сольватных
оболочек макромолекул 92
6.4.1 Анализ скоростей релаксации ядер ионов в различных температурных интервалах 92
6.4.2 Сольватация протеина 94
6.4.3 Изучение реальных систем. Методика определения параметров сольватных оболочек макромолекул 96
6.4.4 Резюме 98
6.5 Выводы 100
Глава 7. Гипотеза об ионном механизме терморегуляции тела теплокровных организмов 101
7.1 Основные принципы регуляции температуры тела 101
7.3 Гипотеза об ионном механизме терморегуляции 106
7.3 Выводы 110
Основные результаты работы и выводы 112
Список литературы 113
- Диполь-дипольное взаимодействие
- Изучение микроструктуры растворов электролитов с помощью ЯМР-релаксации
- Температурная зависимость скорости релаксации ядер растворенных веществ в растворах электролитов
- Особенности релаксации ядер хлора в водных растворах, содержащих органические молекулы
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования
Водные растворы электролитов играют важную роль в самых разнообразных физических, химических, биологических и технологических процессах. Поэтому понимание природы и свойств этих систем необходимо для успешного решения многих научных и практических задач. Исследования микроструктуры и свойств подобных растворов при помощи различных методов (рентгено- и нейтронография, ядерный магнитный резонанс и другие спектроскопические методы, компьютерное моделирование и пр.) продолжаются в течение многих десятилетий. За это время накоплен обширный экспериментальный материал, однако задача детального описания микроструктуры растворов даже простых электролитов не решена до сих пор. Сравнение данных, полученных при помощи различных методов, показывает, что во многих случаях наблюдается лишь качественное согласие результатов. При этом существуют значительные расхождения в количественных оценках важных характеристик микроструктуры растворов, например, координационных чисел ионов. Особенно дискуссионным является вопрос об изменении координации ионов под влиянием различных воздействий на раствор. С развитием биологических и медицинских направлений в современной науке возрастает необходимость понимания процессов взаимодействия ионов с макромолекулами. Изучение свойств гидратации и сольватации белков является необходимым аспектом для понимания этих процессов.
Одним из наиболее перспективных современных методов исследования микроструктуры растворов является ЯМР, в частности, метод ЯМР-релаксации. Анализ релаксационных данных позволяет получать уникальную информацию о микроструктуре изучаемой системы и судить об изменениях структуры при вариации температуры.
Цель работы
Целью диссертационной работы является изучение влияния температуры на свойства гидратации некоторых анионов. Использованный в исследовании подход отличается относительной логической простотой и позволяет существенно расширить знания об особенностях строения растворов электролитов. Для решения основной задачи необходимо было выполнить ряд частных исследований:
Провести детальное изучение концентрационных зависимостей скоростей релаксации ядер Н, Н, Na, СІ в двухкомпонентных водных растворах электролитов, содержащих соли NaBr, NaCl, СаСЬ и NaNO-j, в широком температурном интервале (от 5 до 80 С).
Выполнить изучение температурных и концентрационных зависимостей скоростей релаксации ядер Na и СІ в водных ионных растворах, содержащих в качестве третьего компонента низко- и высокомолекулярные органические соединения (/У-аланин, глутатион, альбумин и /-глобулин).
Провести комплексный анализ релаксационных данных с целью разработки модели влияния ионов на скорость протекания энергетических реакций в живых организмах и, как следствие, на процессы термостабилизации тела теплокровных животных.
Научная новизна работы
Впервые на основе анализа температурных и концентрационных
1 9 94 IS
зависимостей скоростей релаксации ядер Н, Н, Na, СІ зарегистрирован эффект изменения свойств гидратации анионов СГ и Вг'. Удалось экспериментально исследовать данное явление в различных системах: ог простейших растворов электролитов до сложных трехкомпонентных систем, в которых в качестве третьего компонента использовались биологические соединения. В результате анализа экспериментальных данных расширен разработанный на кафедре квантовых магнитных явлений СПбГУ метод изучения микроструктуры растворов электролитов, а именно, предложен
способ определения некоторых параметров микроструктуры многокомпонентных водных растворов (относительной концентрации и времен релаксации гидратированных и сольватированных ионов), основанный на анализе температурных зависимостей скоростей релаксации ядер растворенных веществ, ионы которых характеризуются свойством изменения гидратации при варьировании температуры.
Сформулированная гипотеза о влиянии изменения свойств гидратации анионов СГ на скорость протекания энергетических реакций в живых организмах позволила предложить оригинальный механизм авторегулирования температуры тела.
Практическая значимость
Результаты работы важны для однозначной интерпретации влияния анионов СГ и Вг'на структуру водных растворов при изменении температуры.
Разработанный подход анализа свойств сольватации органических соединений от низкомолекулярных до высокомолекулярных белков позволяет определить количество сольватированных ионов в растворе и оценить их подвижность, не применяя сложных методов многоквантовой ЯМР-спектроскопии.
Полученные результаты позволили предложить оригинальную гипотезу о механизме терморегуляции теплокровных организмов, которая предполагает простой и надежный способ реализации обратной связи в управлении метаболическими процессами. Зарегистрированное явление изменения гидратации некоторых анионов позволяет более детально представлять механизм их воздействия на различные водные системы, что является необходимым условием для прогнозирования фармакологического эффекта лекарств.
На защиту выносятся
Вывод о том, что микроструктура гидратных оболочек ионов, имеющих при низкой температуре (<30С) тетраэдрическую координацию, изменяется в сторону увеличения координационных чисел (до 8 в случае анионов СГ и Вг'). Вывод сделан на основе анализа температурных и концентрационных зависимостей скоростей релаксации ядер 'Н, 2Н, 23Na, 35С1. Показано, что эффект сохраняется для трехкомпонентных растворов электролитов, содержащих макромолекулы с концентрацией, характерной для физиологических жидкостей.
Метод определения параметров микроструктуры трехкомпонентных водных растворов (в частности, относительных концентраций и времен релаксаций гидратированных и сольватированных ионов), основанный на анализе температурных зависимостей скоростей релаксации ядер растворенных веществ, ионы которых характеризуются свойством изменения гидратации при варьировании температуры.
Гипотеза о влиянии изменения свойств гидратации анионов СГ на скорость протекания энергетических реакций в живых организмах и, как следствие, на процессы термостабилизации тела теплокровных животных.
Структура диссертации
Следуя логике проведенного исследования, диссертационная работа состоит из 7 глав. В первой главе, носящей обзорный характер, рассмотрено современное состояние исследований водных растворов электролитов, отмечены некоторые существующие дискуссионные проблемы. Во второй главе основное внимание уделено теоретическому описанию, выбранного для решения поставленной задачи метода исследования ЯМР-релаксации, намечены общие направления решения планируемой задачи. Третья глава посвящена описанию экспериментальных деталей исследования, достаточно подробно рассмотрены условия проводимого исследования и препаративная часть.
Первая половина четвертой главы посвящена описанию изучения
микроструктуры растворов электролитов методом ЯМР-релаксации ядер
растворителя, подробно разобрана специальная методика, дающая
возможность определять основные параметры двухкомпонентных растворов
электролитов. Во второй части этой главы представлены основные
экспериментальные результаты, позволяющие описать явление изменения
гидратации некоторых анионов при варьировании температуры. Пятая глава
также посвящена изучению двухкомпонентных растворов, но с
использованием резонансов ядер растворенных веществ. Подтверждено
существование эффекта изменения свойств гидратации анионов СГ при
варьировании температуры. В шестой главе рассмотрены основные
особенности релаксации в трехкомпонентных растворах, где в качестве
третьего компонента используются высокомолекулярные и
низкомолекулярные органические соединения. Подробно описана разработанная методика изучения сольватации макромолекул. Завершающая седьмая глава посвящена изложению идеи о возможном механизме управления метаболическими процессами в тканях живых организмов, предложена гипотеза об ионном механизме терморегуляции тела теплокровных организмов.
Диссертация изложена на 127 страницах, содержит 41 рисунок, 4 таблицы, список цитированной литературы содержит 120 наименований.
Апробация работы
Основные результаты, содержащиеся в диссертации представлены на 17 Международных и Всероссийских конференциях (на 3-х молодежных конференциях доклады автора отмечены дипломами):
X, XII Всероссийские научные конференция студентов-физиков и молодых учёных (Москва, 2004, Новосибирск, 2006); Прямые и дистанционные методы исследования окружающей среды (Санкт-Петербурі, 2003); International symposium and summer school "Nuclear magnetic resonance in
condensed matter" (Saint-Petersburg, 2004, 2005, 2006); VIHth International Young Scientists School "Actual problems of magnetic resonance and it's application". (Kazan, 2004); Политехнический Симпозиум «Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2004); Зимняя молодежная школа-конференция школа-конференция "Магнитный резонанс и его приложения" ( Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006); Euromar. "Magnetic resonance for the future" (England, York, 2006); Ampere NMR School (Poland, Poznan, 2006); 5 Международный семинар по магнитному резонансу (Ростов-на-Дону, 2006); XIII Симпозиум по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Санкт-Петербург, 2006).
Основное содержание диссертации изложено в 3 статьях: одна в «Журнале физической химии» (2005г.) и две в «Вестнике Санкт-Петербургского университета» (2006г.). Опубликованы тезисы 16 докладов.
Исследования, проведенные в диссертации были поддержаны грантами: Минобразования и Администрации Санкт-Петербурга (2003г. М03-4.0Д-30, 2004г. М04-4.0К-240, 2005г. М05-4.0К-39, 2006г. М06-2.6К-448), РФФИ 2003-2006 №04-03-32639.
Часть исследования проведена в сотрудничестве с группой проф. Д.Михеля (D.Michel, Лейпцигский университет, Германия).
Автор приносит глубокую благодарность
Научному руководителя, зав. кафедрой квантовых магнитных явлений СПбГУ, проф. Чижику Владимиру Ивановичу за руководство и помощь при написании диссертации.
Проф. Д. Михелю (D.Michel, Лейпцигский университет, Германия) за предоставленную возможность проведения части исследования на современном оборудовании университета г. Лейпцига.
Немецкой академии наук, в частности программе им. Эйлера, Конкурсному центру фундаментальных исследований и РФФИ за финансовую поддержку, оказанную при работе над диссертацией.
Всем сотрудникам кафедры квантовых магнитных явлений СПбГУ за содействие и поддержку при выполнении работы.
Диполь-дипольное взаимодействие
Параметры микроструктуры ближайшего окружения катиона Na", определенные методами дифракции и молекулярного моделирования, находятся в лучшем соответствии, чем для иона лития. Координация Na\ определенная методами дифракции, находится в диапазоне 4-8 [12, 13], экспериментально определенное расстояние ион-вода - 250 пм. Расчетные методы предсказывают расстояние около 230-240 пм и октаэдрическую симметрию первой гидратной оболочки катиона натрия [14, 15, 16, 27].
Координация двухвалентного катиона Са2+, определенная методами рентгеновской дифракции не совпадает с большинством результатов, полученными методом молекулярной динамики [17, 18, 19, 20]. В этом случае причиной завышенной координации в расчетных методах, является несимметричность формы линии функции радиального распределения [21].
Анион СГ - один из самых активно изучаемых ионов. В работах [22, 23, 24, 25] методами рентгеновской и нейтронной дифракции предсказана октаэдрическая симметрия координация іидратной оболочки хлора. Координация, определенная методами моделирования, лежит в диапазоне 1-13 [26, 27, 28, 29, 30]. Это различие, как и в случае катиона кальция, связано с несимметричностью функции радиального распределения, получаемой при численном эксперименте. Учитывая, что по данным некоторых методов подвижность молекул растворителя в гидратных оболочках хлора выше, чем в зоне чистого растворителя, чаще всего этот ион относят к структура-разрушающим, и поэтому, в некоторых работах координационное число иона хлора вообще предполагается равным 0. Несмотря на то, что по сравнению с хлором анион Вг" имеет несколько больший радиус, однако свойства гидратации их во многом сходны (см. табл. 1.1) [ 12, 31, 29, 32].
Если при изучении гидратации одноатомных ионов результаты неоднозначны, то для многоатомных ионов наблюдается еще больший разброс между экспериментальными и расчетными данными. В работах [13, 33, 34] координация иона N03" определена в диапазоне 1,3 - 17,7. Однако, предполагая, что каждый атом азота и кислорода координирует по 1-2 молекуле воды, то координация всего иона должна быть примерно равна 8 [35, 36, 37]. Экспериментальный анализ межатомных расстояний указывает на минимальное расстояние N-0(H20) - 314пм, а максимальное - 350. Это получается исходя из того, что расстояние между N-0(B N03) ОКОЛО 120пм, 0(N03) - 0(Н20) примерно 280пм, а значит длина связи N - 0(Н20), в зависимости от угла N-0-0(H20) может лежать в диапазоне 320-350пм.
В рамках данной работы трудно дать полный исчерпывающий анализ достоверности результатов, тем более, что внутри одного метода (как следует, например, из табл. 1.1) существуют значительные разногласия. Каждый метод предполагает модель, описывающую какой-нибудь конкретный экспериментальные факт. Однако, комбинируя выводы, полученные из различных экспериментальных данных, в рамках определенных допущений можно достичь лучшею понимания структуры, изучаемых систем.
С появлением метода ЯМР-релаксации изучение микроструктуры растворов электролитов заметно продвинулось вперед. При интерпретации экспериментальных результатов часто используется модель Франка, согласно которой, при растворении соли, молекулы растворителя распределяются между следующими структурно различными областями раствора: области невозмущенного растворителя, области координации анионов и катионов, и промежуточных областей между этими подструктурами [38, 45, 39, 47]. В каждой из этих подструктур подвижность молекул растворителя характеризуются собственными скоростями спин-решеточной релаксации и временами корреляции.
Основными трудностями при изучении температурных и концентрационных зависимостей скоростей спин-решеточной релаксации являются необходимость обеспечения высокой точности проведения эксперимента и выбор "правильной" методики для обработки и интерпретации экспериментальных данных. Первыми и основными работами в этом направлении являются работы Герца и Хиндмана [40, 54]. Неправильное постулирование определенных координационных чисел некоторых ионов приводит к отсутствию аддитивности влияния ионов на структуру воды [41], что не должно наблюдаться в случае разбавленных растворов. Применение логарифмических масштабов или молярных шкал искажает зависимость и приводит к появлению изгибов экспериментальных зависимостей там, где их нет, или к выпрямлению криволинейных функций [41, 42, 43, 44].
Наиболее согласованные результаты для многих ионов были получены в работах Чижика [59]. Именно методами ЯМР-релаксации удалось зарегистрировать и объяснить эффект изменения свойств гидратации катиона Li+. Проведенное в нашей лаборатории исследование показало, что гидратная оболочка этого катиона неустойчива к температурным вариациям. При температурах меньших 30С гидратная оболочка катиона лития состоит из 4 молекул воды, при повышении выше 30С наблюдается сложная перестройка гидратного окружения, а при 40"С катион координирует 6 молекул растворителя.
Это результат наводит на мысль, что ионы, имеющие тетраэдрическую координацию при низких температурах, должны изменять ее при повышении температуры. По данным работы [59] анионы С Г, Вг" и J" имеют координационное число равное 4 при комнатной температуре. Поэтому было решено исследовать их координацию при варьировании температуры. В рамках данной работы исследуются анионы СГ и Вг .
Изучение микроструктуры растворов электролитов с помощью ЯМР-релаксации
В водных растворах характерной чертой строения ближайшего окружения большинства одноатомных катионов является наличие у них многослойных сферически симметричных гидратных оболочек. У большинства катионов зарегистрировано наличие двух гидратных оболочек, подвижность молекул в которых отличается от подвижности молекул чистой воды. Соотношение количества входящих в эти слои молекул воды равно 1:2. Неподелённые пары электронов молекулы воды первого слоя блокируются катионом, и она может образовать только две водородные связи с молекулами воды следующего слоя. Таким образом образуется тригональная структура, в отличие от характерной для воды тетраэдрической конфигурации. Исключение из этого правила составляет лишь ион Li , для которого обнаружена лишь одна гидратная оболочка, подвижность молекул растворителя в которой отличается от подвижности в структуре чистого растворителя. В силу своих небольших размеров ион лития при / = 24С координирует вокруг себя 4 молекулы воды. Таким образом, можно сделать предположение, что он реализует тетраэдрическую координацию молекул воды. Эта тетраэдрическая структура строится непосредственно от центрального иона, и подвижность молекул воды во втором слое почти не отличается от структуры чистой воды.
Для одноатомных анионов, таких как F", СГ, Вг", Г, получено одинаковое координационное число 4, то есть при комнатной температуре эти анионы, как и ион лития, вписываются в тетраэдрическую структуру воды [59].
Многоатомные ионы образуют гидратную оболочку по числу водородных связей. Необходимо учесть образование связи каждой неподеленной парой электронов атомов кислорода [69].
На основании экспериментальных данных ранее была доказана способность многих ионов сохранять свою координацию при изменении концентрации и температуры раствора. Однако при изучении растворов содержащих ионы лития было зарегистрировано необычное поведение температурной зависимости скорости релаксации [59]. При (/ 40С) ион LiT координирует вокруг себя оболочку, состоящую из 6 молекул растворителя. Обнаружение эффекта досточно резкого изменения координационного числа иона лития стимулировало экспериментальную проверку стабильности микроструктуры гидратных оболочек анионов С Г, Вг" при изменении температуры. По данным [59] эти ионы вписываются в тетраэдрическую структуру воды, т.е. имеют координационное число Пі = 4. Ввиду относительно большого размера этих ионов можно ожидать, что при росте температуры и ослаблении структуры воды, их координационные числа возрастут. Для этого исследовалось строение гидратных оболочек ионов, входящих в состав солей NaBr, NaN03, NaCl, СаС12.
На первом этапе исследования решался вопрос о выборе растворителя для изучения растворов простых электролитов методом ЯМР-релаксации. В нашей лаборатории в подобного рода исследованиях традиционно используется тяжеловодородная вода и регистрируется сигнал ядер дейтерия, основным каналом релаксации которою является электрическое взаимодействие электрического квадрупольного момента ядра с флуктуирующими неоднородными электрическими полями. При использовании легкой воды в качестве индикатора состояния системы регистрируется сигнал протонов, для которых основным взаимодействием, как уже отмечалось в пункте 2.2.1, является магнитное диполь-дипольное взаимодействие.
Чаще всего использование ядер обоих растворителей позволяв і получить адекватную информацию о микроструктуре изучаемой системы. Однако в некоторых экспериментах, к примеру, при изучении растворов кислот [70] были получены значительные расхождения. При изучении скорости релаксации в дейтерированных растворах кислот важным фактором, отличающим их от солевых растворов, является наличие в них иона гидроксония D30+. Из формулы (2.16) следует, что скорость спин-решеточной релаксации дейтронов для подвижной молекулярной системы прямо пропорциональна квадрату константы квадрупольной связи. Если константа квадрупольной связи (ККС) дейтронов, входящих в состав иона гидроксония, отлична от ККС дейтронов, принадлежащих молекуле воды, то должны различаться и скорости их спин-решеточной релаксации. Таким образом, чтобы согласовать данные, полученные из дейтронного и протонною резонансов, для растворов кислот необходимо учитывать изменение константы квадрупольной связи при переходе дейтрона из молекулы коды в ион гидроксония.
На рис. 4.1 - 4.3 представлены экспериментальные концентрационные зависимости относительной скорости спин-решеточной релаксации в водных растворах солей NaBr, NaCl, NaN03, СаС12. В случае нитрата и бромида натрия разница между данными протонного и дейтронного резонансов составляет не более 5%, а в случае хлорида кальция с возрастанием концентрации разница увеличивается. Это указывает на то, константа квадрупольной связи дейтронов в молекулах воды вблизи катиона Са2+ и в структуре чистой воды сильно отличаются.
Необходимо, однако отметить, что во всех трех случаях характер зависимостей сохранялся. Изгибы, указывающие на изменения структуры раствора, оставались при тех же концентрациях как в случае использовании в качестве растворителя легкой, и так тяжелой воды.
Сравнивая экспериментальных данные, полученные методами магнитной релаксации ядер Н и 2Н можно оценить степени подвижности молекул растворителя. Поскольку флуктуации электрического поля в молекулах воды на дейтронах вызываются беспорядочным вращательным движением молекул, то скорость релаксации дейтронов характеризует вращательную подвижность молекул воды. В случае протонной релаксации г, зависит как от вращательной, так и от трансляционной диффузии молекул воды. Однако, наши данные и результаты работы [62, 71] свидетельствуют о том, что вращательная и трансляционная подвижность изменяются в большинстве случаев симбатно, и из резонансов протонов и дейтронов извлекается адекватная информация. Как отмечено в экспериментальной части, использование резонанса ядер дейтерия предпочтительно, так как в этом случае отпадает необходимость дегазации образцов.
Температурная зависимость скорости релаксации ядер растворенных веществ в растворах электролитов
В главе 4 рассмотрен метод изучения микроструктуры растворов электролитов на основе анализа температурных и концентрационных зависимостей скоростей спин-решеточной релаксации ядер растворителя. Логическим продолжением исследований является расширение данною метода на случай изучения температурных и концентрационных зависимостей времен спин-решеточной релаксации ядер ионов растворенных веществ.
В диамагнитных растворах электролитов электрические дипольные моменты молекул растворителя и заряды противоположно заряженных ионов создают градиент электрического поля в ближайшем окружении квадрупольных ядер ионов. Флуктуации градиента электрического поля на этих ядрах, возникающее при движении молекул растворителя в сольватной оболочке, обеспечивает эффективный механизм спин-решеточной релаксации. Изучение релаксации таких ядер в зависимости от состава, концентрации и температуры раствора, позволяет получить дополнительную важную информацию о взаимодействиях как между молекулами растворителя, так и между ионами. Однако в этом случае относительно небольшая концентрация релаксирующих ядер, а также сравнительно малая величина гиромагнитного отношения для квадрупольных ядер существенно затрудняет экспериментальные измерения скоростей релаксации.
Изучение процессов релаксации ядер, растворенных ионов, представляет особенный интерес, поскольку в этом случае скорость релаксации определяется, в первую очередь, структурой ближайшего к иону окружения. Изменения именно в этой структуре будут в первую очередь сказываться на релаксации ядер ионов. Таким образом, можно рассматривать резонансы ядер ионов в роли структуро-чувствительного зонда.
Большинство ядер ионов имеют спин I 1/2 и для них основным каналом релаксации является квадрупольное взаимодействие. Флуктуирующие электрические поля в окрестности ядра, создаются не только молекулами растворителя, но и ионами с противоположным зарядом. В этом случае общую формулу для спин-решеточной релаксации можно записать (на основе выражения 2.9) в виде где первое слагаемое отражает взаимодействие ядра с ближайшей электронной оболочкой иона, второе - с молекулами растворителя, третье - с другими ионами, которое может происходить путем непосредственных столкновений или через слой молекул растворителя. В случае многоатомных ионов градиенг электрического поля в месте расположения ядра определяется структурой электронной оболочки, образующей химические связи между атомами. Тогда процесс релаксации подобен релаксации в молекулах. Естественно, что движение ионов и молекул растворителя взаимозависимы, но при малых концентрациях можно считать, что измеряемые в эксперименте времена релаксации отражают только взаимодействия с молекулами растворителя и формула (5.1) верна.
Изучение теории квадрупольной релаксации ядер ионов началась еще с 60-х годов. В одной из первых электростатических моделей, предложенных Валиевом [74, 75], молекулы растворителя были хаотически распределены около ионов. Данное предположение плохо согласуется с результатами экспериментом даже в случае сильно разбавленных растворов электролитов. Следующей моделью была модель Валиева-Герца [76], в которой диполи молекулы растворителя воды рассматривались в состоянии диффузии в непосредственной близости от ионов. Флуктуации неоднородности электрического поля носят характер белого шума и описываются экспоненциальной функцией корреляции. В этом случае скорость релаксации ядер одноатомных ионов дается формулой [77]: де ju - электрический дипольный момент молекулы растворителя; {\ + у) -коэффициент антиэкранирования; р - коэффициент поляризации среды; с -концентрация растворителя около иона; г0 - наименьшее расстояние между ядром иона и диполем молекулы растворителя. Результаты, предсказанные этой формулой, также значительно расходились с экспериментом, поэтому предположение о случайности распределения молекул растворителя оказалось недопустимым. На основе этого Валиевым было сделано предположение о том, что вокруг одноатомных ионов образуются гидратные оболочки с определенной степенью симметричности.
Следующим шагом построения модели квадрупольной релаксации стал учет корреляции движения молекул растворителя и ионов при столкновениях. До этого характер взаимодействия ионов в момент столкновения не учитывался. Известно, что ионно-ионное взаимодействие чаще всего выражается не через непосредственные столкновения ионов, а за счет деформации сольватных оболочек [78]. Учитывая этот фактор можно записать, что где Aj - учитывает возможные изменения характера движения молекул воды около данного иона в результате изменения структуры раствора при увеличении концентрации; А2 - отражает изменение структуры первого слоя при столкновении молекул с ионами; Аз - учитывает воздействие электрических полей, создаваемых непосредственно заряженными ионами.
Особенности релаксации ядер хлора в водных растворах, содержащих органические молекулы
Сравнивая содержание различных ионов в живых тканях, можно убедиться в том, что хлорид натрия весьма широко представлен в организме [93]. Даже основу физиологического раствора, используемого в медицине, составляют соль NaCl и вода. Распадаясь на ионы данная соль задействована в реализации огромного количества химико-биологических процессов. Например, без иона Na+ невозможна работа K+/Na+ АТФ-аз, без аниона СГ-анионной АТФ-азы. Интерес к изучению свойств гидратации и сольватации белков обусловлен тем, что именно состояния гидратного и сольватного окружения, в значительной степени определяет и стабилизирует пространственную структуру макромолекул [83, 84, 85].
В связи с зарегистрированным явлением изменения свойств гидратации аниона СГ при варьировании температуры, и учитывая распространенность этого аниона в живых организмах, была проведена серия экспериментов по проверке наличия данного эффекта в водных солевых растворах в присутствии биологических молекул с концентрациями, характерными для физиологических жидкостей. В качестве биологических компонентов использовались органические соединения от низкомолекулярных, включая аминокислоты, до некоторых высокомолекулярных белков.
Существующие современные селективные методы многоквантовой ЯМР спектроскопии позволяют в некоторых случаях оценить соотношение свободных и связанных компонентов, выделить вклады отдельных подструктур в изучаемых растворах [86, 87, 88, 89, 94]. Однако, процесс интерпретации экспериментальных данных затруднен из-за быстрого обмена молекул между всеми подструктурами изучаемых систем и не всегда позволяет дифференцировать вклады отдельных ее элементов. Изучение микроструктуры подобных растворов с помощью анализа времен ЯМР-релаксации ядер растворенных веществ началось на рубеже 80-х годов [90, 91,92], однако исследование, включающее в себя комплексный анализ температурных и концентрационных зависимостей скоростей релаксации, не проводилось.
В случае простых электролитов, при условии полной диссоциации растворенных солей, структура раствора определяется гидратными оболочками катионов, анионов и зоной чистого растворителя. Однако при добавлении в раствор электролита третьего компонента происходит перераспределение, и часть катионов, анионов и молекул растворителя формируют сольватные и гидратные оболочки вокруг растворенных макромолекул. Как было показано ранее, в исследованных растворах выполняется условие быстрого обмена молекул растворителя между всеми подструктурами раствора, и суммарная скорость спин-решеточной релаксации ядер, растворенных в воде веществ, складывается из скоростей релаксации сольватированных и свободных ядер ионов пропорционально их относительной концентрации.
Важнейшим свойством белков является их способность проявлять как кислые так и основные свойства, то есть выступать в роли амфотерных электролитов. Это обеспечивается за счет различных диссоциирующих группировок, входящих в состав радикалов аминокислот. Например, кислотные свойства белку придают карбоксильные группы аспарагиновой глутаминовой аминокислот, а щелочные - радикалы аргинина, лизина и гистидина. Чем больше дикарбоновых аминокислот содержится в белке, тем сильнее проявляются его кислотные свойства и наоборот. Эти же группировки имеют и электрические заряды, формирующие распределение заряда по поверхности белковой молекулы. В белках, где преобладают аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты, заряд белка будет отрицательным, избыток основных аминокислот придает положительный заряд белковой молекуле.
Так, в щелочной среде (рН 7-14) белок отдает протон и заряжается отрицательно, тогда как в кислой среде (рН 1 - 7) подавляется диссоциация кислотных групп и белок становится катионом. Таким образом, фактором, определяющим поведение белка как катиона или аниона, является реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов и выражается величиной рН. При определенных значениях рН число положительных и отрицательных зарядов уравнивается и молекула становится электронейтральной, т.е. она не будет перемещаться в электрическом поле, Такое значение рН среды называется изоэлектрической точкой белка. При этом для большинства природных белков изоэлектрическая точка находится в слабокислой среде (рН 4,8 - 5,4), что свидетельствует о преобладании в их составе дикарбоновых аминокислот.
Именно наличие определенного заряда макромолекул является необходимым условием для того, чтобы в растворе (особенно в присутствии глобулярных белков) не происходили процессы кластеризации. Иногда экранировка поверхностного заряда молекул белка, например, ионами металлов, приводит к тому, что, лишенные заряда глобулы образуют кластеры. Характерно, что в условиях живого организма при клинических анализах кластеризация белковых глобул является одним из основных предвестником различных очень тяжелых заболеваний [93].
