Биофизика т.13, вып. 1, 1968г.
с. 163 -177
П.Л. Привалов
Институт белка АН
СССР, Пущино-на-Оке
Вопрос о роли воды в биологических системах стал в
последнее время одним из наиболее актуальных в
естествознании. Это обусловлено, с одной стороны, уникальным значением воды для
биосистем, в которых она к тому же составляет большую часть их, с другой
же, - аномальными свойствами воды,
превращающими ее в жидкость, уникальную даже с чисто физической точки зрения.
Если принять во внимание крайний «рационализм» живой природы, станет очевидным,
что между отмеченными двумя обстоятельствами должна существовать определенная
взаимосвязь. Отсюда возникает вопрос - без каких именно свойств воды не может
обойтись биосистема и почему?
1. Структура воды
Аномальные свойства воды обусловлены особенностью
структуры ее молекулы. Впервые эта идея была развита в классической работе
Бернала и Фаулера
[1,
2] более тридцати лет тому назад и послужила основой для
всех дальнейших теорий структуре воды [З].
В
молекуле H2O три ядра образуют равнобедренный треугольник с двумя
протонами в основании и углом НОН, близким к тетраэдрическому
[1-4].
Из
десяти электронов молекулы воды два электрона находятся вблизи ядра кислорода,
остальные же восемь движутся попарно по четырем вытянутым эллиптическим орбитам.
Оси двух орбит направлены на вдоль связей 0-Н, оси двух других лежат в плоскости, перпендикулярной НОН,
причем угол между ними также близок к тетраэдрическому
[5-7]. Таким образом, оси четырех эллиптических орбит направлены к
вершинам тетраэдра.
Электроны, движущиеся по орбитам в плоскости,
перпендикулярной к плоскости НОН, образуют так называемые
уединенные пары электронов, которые играют очень существенную роль
во
взаимодействии молекул воды
[8,
9].
Эти электроны обуславливают сравнительно большое
значение электронной плотности в периферической части молекулы воды,
противоположной той в, которой расположены атом водорода (рис. 1).
Согласно Бьерруму [10], можно принять, что электрические заряды
молекулы сосредоточены в вершинах тетраэдра (два отрицательных и два
положительных величиной ± 0,
171е) на расстоянии 0,
99А от ядра
кислорода.
Во льду молекулы воды расположены таким образом, что они
соприкасаются разноименными полюсами.
Однако, взаимодействие между
молекулами воды не ограничивается кулоновым
притяжением: электроны уединенной пары, соприкасаясь с протоном соседней
молекулы, частично переходят на его
s-орбиту, оттесняя при этом его собственное электронное облако, и, тем
самым, усиливают отрицательный заряд молекулы с противоположной стороны. Таким
образом, при контакте молекул воды происходит частичная
делокализация или обобществление электрона, и, кроме
того, разделение заряда. Такую связь между донором и акцептором электрона,
которую обычно называют «водородной связью», фактически можно представить в виде
суперпозиции следующих трех предельных структур
[11-14]:
Здесь резонанс между структурами и II (с соответствующими весовыми факторами)
представляет обычную частичную полярность 0-Н в
молекуле b. Структура же III определяет частично ковалентный характер взаимодействия
между молекулами а и b, но она приводит к частичному разделению зарядов,
пропорционально своему весовому фактору. Тем самым молекула а, выражаясь
химическим языком, делается более «кислой», молекула же b - более «щелочной». В результате облегчается их
взаимодействие с соседними молекулами c и d. Более того, если имеется связь между молекулами с-а и b-d, то связь между молекулами а-b делается более прочной. Образование же цепочки
c-a-b-d будет способствовать образованию Н-связей в
тетраэдрическом направлении.
Кооперативный характер образования Н-связей между
соседними молекулами, на который впервые обратили внимание Франк и Вэн [15,
16], играет исключительно важную роль в определении свойств
воды и льда. Во льду каждая молекула воды связана со всеми своими четырьмя
соседями, образуя максимально возможное число Н-связей. Сплошная сетка Н-связей
объединяет все молекулы воды в единую систему, можно сказать, «одну гигантскую
молекулу» [9], с исключительно ажурной структурой (рис. 2).
Привлекает внимание тот факт, что протоны в этой сетке
находятся не посередине между атомами кислорода, а располагаются ближе к тому
кислороду, с которым связаны ковалентной связью
[4] (рис. 3). Однако так как
строение молекул воды симметрично, фактически у протонов имеется не одно, а два
равноправных положения и переходы протона из одного положения в другое могут
рассматриваться, как переориентация молекул и образование
ионных пар.
Переходы протонов между двумя возможными состояниями
происходят по туннелю» водородной связи, который облегчает переход, по крайней
мере, в 70 раз [17,
18]. Судя по данным нейтронографии [19], оба положения протона равновероятны, но
конечно, переходы отдельных протонов не могут происходить полностью независимо так как это связано с перераспределением
зарядов.
Способность
протона находиться в двух возможных положениях в структуре льда объясняет
аномально высокую подвижность протона во льду
[20], приближающуюся к подвижности электронов в металлах и некоторых
полупроводниках
[16]
Согласно механизму Гротгуса,
перемещается не один и тот же индивидуальный протон, а лишь форма его свободного
состояния, т.е. протоны, присоединяются к ближайшей молекуле воды в цепи
упорядоченной последовательности, от этой молекулы отщепляется другой протон и
присоединяется к последующей и т.д. Таким
образом, возникает миграция протона сквозь туннели
Н-связей, снижающие энергетические барьеры
[18] (рис.4),
Следовательно,
мы приходим к заключению, что структура упорядоченных молекул воды - лед обладает способностью дальнодействия
Действительно, любое нарушение в распределении протона в
начале цепи должно привести к переориентации цепочки, и если это нарушение
заключается в присоединении к началу цепи свободного протона, то в результате
переориентации, свободный протон выделится на некотором расстоянии от места
присоединения, при этом «протонный пробой» будет сопровождаться волной разупорядочения структуры
[20]. И, наоборот, если в разупорядоченной системе молекул воды произойдет какая-либо
фиксация протонов в каком-либо положении (например, возле какой-либо
поверхности), то такое упорядочение должно распространяться на некоторое
расстояние и привести к упорядочению протонов в определенном слое
воды
Основное отличие структуры жидкой воды ото льда
заключается в разрыве части связей под действием усиленных тепловых колебаний
решетки и, как результат этого, в более размытом расположении атомов,
образовании дефектов, увеличении среднего координационного числа, возникновении
областей с плотной упаковкой.
Если во льду на один моль молекул воды приходится два
моля Н-связей, то, по данным инфракрасной спектроскопии [21], при плавлении льда разрывается 46% связей. Причем, число молекул С2 с двумя связями составляет всего лишь 33% от количества всех молекул, молекул с одной
связью C1 - 41%, молекул вообще без связи - Со -
27% (в этом случае подразумеваются лишь связи протонов данной молекулы с
соседними молекулами).
С
ростом температуры число разрывов повышается, что видно из приведенной таблицы,
где Сн
- относительное число неразорванных связей.
Рассматривая разрывы связей как химические реакции, по
зависимости от константы равновесия (In k) от температуры (1/Т) можно рассчитать соответствующие
теплоты реакции, или энтальпии разрыва связей. Таким образом, найдено, что
е1н
= 1,
1 ккал/моль (S1 SO),
E2Н =
6 ккал/моль (S2)
E3Н =2,
7 ккал/моль
(S2)
Экспериментально установленное различие между
Е1H и Е1H подтверждает
теоретически предсказанный Франком и Вэном [15,
16] кооперативный характер образования
Н-связи,
Учитывая относительную концентрацию одинарных и двойных
связей в воде можно рассчитывать из значений Е1H и
Е2H среднюю величину энергии разрыва одного моля
связей. Расчет дает, что ЕH = 1450 кал/моль
Обращает на себя внимание сравнительно низкое значение
энергии разрыва Н-связей в воде. Обычно с энергией Н-связи ассоциируется
величина порядка
4ккал/моль.
Обусловлено это тем, что найденные значения величин ЕH представляют не энергию разрыва Н-связи, а
суммарное изменение энергии при изменении водородных и вандерваальсовых взаимодействий [21,
22]. Разрыв Н-связей приводит к заполнению пустот ажурной
структуры льда молекулами воды. Упаковка молекул делается более плотной, иначе
говоря, возрастает координационное число z. Однако сростом координационного числа, т.е. с
повышением числа трудящихся бок о бок соседей возрастают вандерваальсовы взаимодействия каждой
молекулы.
Кооперативный механизм образования Н-связей между
молекулами воды крайне существенен, так как именно он определяет исключительно
важное свойство воды, отличающее ее от остальных
жидкостей, - ассоциативный характер ее
строения.
Как
уже говорилось, в воде при комнатной температуре более половины связей
разорвано. Однако равномерное распределение разорванных связей по молекулам не
является выгодным из-за кооперативного характера их образования. Оставшиеся
связи как бы стараются сбиться в кучу, образуя в микрообластях ассоциаты с
максимальным числом связей на молекулу, а
следовательно, со структурой, близкой к структуре льда, обеспечивающей такое
максимальное количество связей. Конечно, такие ассоциаты неустойчивы. Локальные флуктуации энергии приводят
к их распаду и возникновению новых упорядоченных ассоциатов -
кластеров. Время жизни кластеров -
порядка 10-10 сек, т.е. порядка
1000 молекулярных колебаний.
Модель «мерцающих кластеров», рассмотренная впервые
Франком и Вэном [15,
16], в дальнейшем развита Немети и
Шерага [22] и в
настоящее время является, по-видимому, наиболее разработанной моделью воды,
хотя, возможно, и не лишенной недостатков.
Необходимо упомянуть о модели воды, предложенной Ленгар - Джонсом с
Поплом
[8,
9], согласно которой при плавлении льда происходит не
разрыв, а лишь деформация Н-связей. Однако эта модель подразумевает слишком уже
большую жесткость и упругость воды, которых она в действительности не
проявляет.
Заслуживает внимания также модель Франка и Квиста [23], которые
исходя из предположения, что часть молекул воды составляет каркас структуры, а
часть заполняет полости каркаса. Причем, в связи с высокой симметрией поля в
плоскостях каркаса, молекулы, попавшие в них, слабо взаимодействуют
направленными связями с молекулами каркаса.
Несколько иной точки зрения придерживается Самойлов [3],
согласно которому вода представляет дефектную структуру льда с размытым дальним
порядком.
Согласно Немети и Шерага, молекулы в воде составляют пять классов,
различающихся энергией и внутренней свободой. Молекулы воды, связанные с
соседями четырьмя Н-связями, относятся к классу с нулевым энергетическим
уровнем. Энергетический уровень молекул, у которых разорваны все связи,
будет соответствовать энергии 4Еh. Между этими уровнями распределяются
уровни промежуточных состояний. Распределение молекул воды по классам
определяется больцмановским актором, степенью свободы для каждого уровня и условием,
согласно которому невыгодно существование малых кластеров, т.е. условием,
учитывающим кооперативный характер образования кластеров.
Теоретически рассчитанные Немети и Шерага количества
Н-связей в воде при данной температуре довольно близко совпадали с количеством,
установленным экспериментально по инфракрасному спектру [21]. Было также показано, что с ростом
температуры заметно уменьшается средняя величина кластеров - если при ОсС она
достигает 90 молекул, то при
70оС снижается до 25 молекул.
Таким образом, с ростом температуры происходит как бы «оплавление»
кластера
Очевидно, что произведение средней энергии одного моля
связей Еh
на производную количества имеющихся связей по температуре, должно
соответствовать вкладу теплоты «оплавлении» кластеров в общую теплоемкость воды.
Судя по данным [21]. Этот вклад
составляет примерно 6,
7 кал/град*моль, т.е. более чем
треть от полной теплоемкости воды -18
кал/град*моль.
Теплотой «подплавления»
Н-связей и объясняется исключительно большая теплоемкость воды по сравнению с
теплоемкостью других жидкостей.
2.
Влияние
ионов на структуру воды
A priori можно ожидать, что введение постороннего иона сложным
образом должно влиять на структуру воды,
Во-первых, должно иметь значение геометрическое
соответствие размеров ионов в решетке льда, определяющей структуру воды. Ясно, что действие малого иона, который вписывается в ажурную
структуру молекулы воды, и большого, который в нее не вписывается, должно быть
различно.
Во-вторых, должны иметь значение величина и знак заряда
иона, причем, в свою очередь, их действие не может быть простым:
электростатическое поле иона будет стремиться радикально ориентировать диполи молекул воды возле иона и, в
то же время, перераспределяя заряды в самих молекулах воды, будет усиливать их
Н-связи с соседями, тем самым, стабилизируя упорядоченную структуру льда в
воде.
Однако разупорядочивающее
действие малых ионов, по-видимому, все же не очень велико, и они не столь уж
значительно изменяют упорядоченность молекул в воде, если об упорядоченности
судить по числу имеющихся при данной температуре Н-связей. Это следует из того,
что энергия электростатического взаимодействия молекул воды с положительным
ионом изменяется от угла для всей полусферы. противоположной протонам, на величину значительно меньшую,
чем энергия разрыва Н-связи [26]. В еще
большей мере это относится к взаимодействию молекул воды с отрицательными
ионами, которое значительно слабее
[27]. Но тогда получается, так как Н-связи довольно гибки по длине и
направлению [7], что вблизи большого иона, в принципе, может образоваться такое
же количество Н-связей, что и в его отсутствие [28]. Во всяком случае, во льду количество
Н-связей будет максимальным, т.е. 100%-ным В воде же
присутствие иона все же несколько изменит вероятность разрыва Н-связи, как бы
мало ни было его воздействие.
Оценка количества Н-связей с помощью ИК-спектроскопии [29]
показывает, что если в чистой воде при 20°С не
разорвано 48% связей, то в довольно
концентрированном растворе KCl (1 моль соли к 12
моль H2O) количество Н-связей снижается до 40%, т.е. до того значения, которое имелось бы
в чистой воде при 60°С. В этом смысле можно сказать, что присутствие соли
повысило структурную температуру
Воды
Еще
большее разупорядочивающее действие производит
NaCl04 в
1/12 водном растворе: неразорвавшимися остаются лишь 29% связей, т.е. структурная температура не
соответствует 80°С.
Совершенно противоположное действие оказывают растворы
кислот и оснований.
В растворах с молярным отношением НСl/Н20=1/12 количество
Н-связей достигает 55%, в КОН же - 51%. В 1М растворе HCI эта величина снижается до 52%, в NaOH - до 51%, т.е.
до значений, которые были бы в воде лишь при
6 и 8°С.
Таким образом, мы видим, что ионы Н+ и ОН- понижают структурную температуру воды и
стабилизируют Н-связи. Судя по приведенным данным, H+ и ОН- ионы стабилизируют каждый около пяти
Н-связей.
Для концентрированных растворов подобные расчеты не
имеет смысла производить, так как в них вода частично изменяет свою структуру,
приближаясь к структуре кристаллогидратов или чистых электролитов
[3].
Данные о действии ионов на
структуру воды, полученные методом ИК-спектроскопии и
калориметрии [30], полностью
подтверждаются и иными, более косвенными методами (косвенными с точки зрения
оценки количества существующих
Н-связей)
- методами диэлектрических измерений [27,
31, 32], ядерного магнитного резонанса
[33-36] и самодиффузии [37]. Все методы убеждают нас в том, что ионы
могут приводить как к повышению структурной температуры воды, т.е. снижению
количества Н-связей, а следовательно, и степени
упорядоченности, так и к понижению структурной температуры, повышению количества
Н-связей и степени упорядочения.
Мы не даем динамической модели механизма действия ионов в терминах трансляции, которая, в основном,
развивается школой Самойлова [3]. Такое описание менее удобно для количественных
термодинамических расчетов, чем оценка структуры воды по количеству существующих
в ней Н-связей. Но ясно, что эти подходы отнюдь не
взаимоисключающие.
Результаты многочисленных исследований действия ионов на структуру воды можно суммировать следующим
образом:
Ионы, понижающие структурную
Ионы,
повышающие структурную температуру
температуру Катионы Mg+2 >
Y+> Са+2 >
Na+
K+> Rb+>
Cs+ |
Особое внимание привлекают ионы H+ и ОН-, которые занимают первое место по своему
упорядочивающему воздействию на воду среди одновалентных ионов. Из них Н-ион
стабилизирует дополнительно более 10
Н-связей. Если принять во внимание, что на
моль воды при комнатной температуре приходится около моль Н-связей (т.е. 50% максимального количества), то можно
сказать, что каждый из ионов Н - структурирует возле себя около десяти молекул
воды.
В воде Н+-ион комплексирует с молекулой воды, образуя комплекс НзО+ Согласно Эйгену и
Де Майеру [38], ионы НзО+ и ОН- координируют
возле себя по три молекулы воды, создавая структуру HзO+(H20)3 и
ОН-(Н20)3. Существование таких упорядоченных
структур подтверждается различными методами [39-42].
Необходимо отметить также следующее обстоятельство: как
уже говорилось, Н+ и ОН-
ионы не локализованы в пространстве, а перемещаются миграционным
механизмом с большой скоростью. Скорость их перемещения настолько велика, что
фактически упорядочивающее действие ионов Н+ и ОН»
усредняется по всем молекулам воды [З], проявляя, таким образом, эффект
дальнодействия в упорядочении
структуры.
Дальнодействие проявляется и в случае воздействия других ионов на
воду, хотя и в значительно меньшей мере. Заключается оно в том, что ионы
изменяют размеры и время жизни упорядоченных кластеров, хотя последние и
содержат большое количество молекул,
В отличие от ионов, неполярные молекулы взаимодействуют
с молекулами воды лишь слабыми вандерваальсовыми
силами. Однако, несмотря на слабое взаимодействие, вернее же, именно благодаря
нему, действие этих молекул на структуру воды весьма значительно. Это следует
хотя бы уже из того, что процесс растворения неполярных молекул в воде
сопровождается значительным понижением энтропии раствора, которое даже не всегда
компенсируется энтальпийным выигрышем [43-46]. В то же время, так как энергия взаимодействия неполярной молекулы с
водой
(оно может осуществляться лишь вандерсанваальсовыми силами) не может быть больше энергии
взаимодействия между молекулами воды, ясно, что энтальпийный выигрыш происходит
не за счет взаимодействия молекул воды с растворенным веществом, а за счет
усиления взаимодействия между молекулами воды, увеличения числа связей между
ними, что, в свою очередь, связано с повышением упорядоченности системы,
снижением ее энтропии
[47-49].
Убедиться в том, что присутствие неэлектролита действительно снижает структурную температуру
воды, можно различными способами - по
изменению диэлектрических свойств раствора
[50], по расширению линии ЯМР
[51], по снижению коэффициента самодиффузии.
Каким же образом неполярная молекула стабилизирует
структуру воды?
По этому поводу имеется несколько точек
зрения. Согласно Франку [16], величина
упорядоченных кластеров в воде определяется соотношением упорядочивающего и
разупорядочивающего влияний на границе кластера со
стороны внутренних и внешних слоев. Усиленное тепловое движение разупорядоченных соседей является основным источником
«теплоты плавления» упорядоченных областей. Однако,
если часть этих беспокойных соседей заменить неполярной молекулой, то граница
кластера стабилизируется, так как новый сосед слабо взаимодействует с молекулами
воды и лишь в незначительной мере будет передавать толчки и крутящие воздействия
от одной области к другой.
Бусвелл и Родебуш [52] считают, что структурирование воды
происходит вследствие того, что на воду в слое, прилегающем к неполярной
молекуле, действуют некомпенсированные силы лишь из глубинных слоев воды Это равносильно резкому падению огромного внутреннего
давления жидкости, а так как при понижении давления точка замерзания воды
повышается, то слой воды, граничащей с неполярной молекулой, замерзает,
кристаллизуясь в так называемые «айсберги».
Согласно
Самойлову [53,
54] структура воды стабилизируется просто вследствие
заполнения пустот в решетке и ограничения подвижности
молекул.
Наиболее подробно разработан механизм упорядочения
структуры воды в модели, развитой Немети и Шерага [55].
Предполагается, что присутствие неполярной молекулы приводит к двоякому
изменению энергетических уровней молекулы воды: энергетический уровень
понижается, если данная молекула воды уже связана четырьмя Н-связями с соседними
молекулами воды и образует ажурную структуру. В этом случае неполярная молекула
внедряется в уже существующую пустоту, не нарушая имеющихся связей, а лишь
добавляя к ним энергию своего вандерваальсового
взаимодействия с молекулами воды. Во всех иных случаях, когда молекулы воды не
образуют упорядоченной структуры и пустоты вокруг них заняты, энергетические
уровни молекул воды повышаются, так как контакты с неполярной группой
осуществляются ценой потери значительно более выгодного энергетически контакта с
молекулами воды. Однако изменение энергетических уровней влечет за собой и
изменение заселенности уровней: количество молекул на нижнем уровне, который в
присутствии неполярной молекулы все более понизился, возрастает, на верхних же
уровнях понижается в соответствии с больцмановским
фактором. Иначе говоря, возрастает среднее количество молекул, образующих
упорядоченные структуры, или среднее число существующих при данной температуре
Н-связей.
Результаты расчетов относительно количества Н-связей,
существующих при данной температуре в слое воды, прилегающем к алифатическому
углеводороду, приведены в табл.2.
Как видно, присутствие неполярной молекулы
алифатического углеводорода повышает количество Н-связей в слое близлежащей воды
на 13% при комнатной
температуре.
Примечательно, что скорость снижения количества Н-связей
в зависимости от температуры в растворе неполярных молекул значительно выше. чем в воде. Отсюда следует, что
парциальная теплоемкость воды в таких растворах должна быть выше теплоемкости
чистой воды. Этот эффект действительно наблюдается [43, 46, 49, 56-58]. В частности, в водном
растворе этанола, по нашим данным, инкремент теплоемкости на моль спирта
составляет примерно 32 кал/град*моль,
Инкремент теплоемкости в водных растворах неэлектролитов, образно говоря, можно было бы объяснить
теплотой «подплавления айсбергов». Необходимо только
иметь в виду, что в действительности в воде нет замороженных молекул воды и ее
«льдоподобность» заключается в увеличении среднего
количества Н-связей, существующих в ней при данной
температуре.
Как мы уже убедились, растворение в воде различных
веществ, в том числе и слабо взаимодействующих, может привести к значительному
увеличению в ней количества Н-связей и степеней упорядоченности. Первый эффект
дает энтальпийный вклад АН в изменение свободной энергии dF, второй же определяет энтропийный вклад rS. В рассматриваемом случае, как rН, так и rS отрицательны и, следовательно, знак rF=rH - TrS определяется соотношением их
величин.
При растворении в виде ионов Н+ и ОН- и небольших полярных молекул энтальпийный вклад
превосходит энтропийный и rF<0. To же самое имеет место в случае многих небольших полярных
молекул (молекулы благородных и органических
газов, например, метан), которые
хотя и слабо взаимодействуют с молекулами воды, но приводят к значительным
изменениям rН, так как идеально вписываются в ажурную решетку воды и
повышают координационное число молекул воды на
3-4, не препятствуя при этом образованию всех четырех возможных Н-связей
с соседними молекулами воды. Поэтому хотя rS в этом случае отрицательно и велико, но все же вклад
rН значительнее, чем и обусловлена большая стабильность
газовых кристаллогидратов [52, 55,
59-66]. Исключительно устойчивые кристаллогидраты образуются также большими
органическими молекулами, имеющими, кроме неполярной группы, еще и полярную,
превышающую величину rН. Например, гидрат окиси тетрабутиламмония плавится лишь при ЗО0С, гидрат
фторида тетрабутиламмония – при 25оС [59, 67. 68].
Однако в случае больших неполярных молекул - углеводов, неполярных групп многих
аминокислот и др. - энтальпийный вклад в
свободную энергию растворения меньше энтропийного, так
как не все окружающие их молекулы воды могут образовать максимальное число
Н-связей. Многие молекулы могут образовать лишь одну или две Н-связи, но в то же
время они сильно иммобилизованы и вносят большой отрицательный вклад в энтропию.
В результате свободная энергия их растворения в воде положительна, а
соответственно, и растворимость низка [55, 69,
70].
Необходимо подчеркнуть еще раз то обстоятельство, что
низкая растворимость неполярных молекул обусловлена отнюдь не тем, что энергия
их вандерваальсова взаимодействия друг с другом
больше, чем с молекулами воды, как предполагалось раньше [71, 73], а тем, что присутствие их приводит к
слишком уже термодинамически неблагоприятным
изменениям в структуре воды - ее
упорядочению, вода же стремится к снизить влияние этих молекул за
счет уменьшения взаимных контактов.
Это вытесняющее воздействие воды на неполярные группы обычно называют
гидрофобным взаимодействием [69].
Таким образом, гидрофобное взаимодействие является
специфическим для воды и порождено особенностями ее структуры - способностью к упорядочению и нежеланием
упорядочиться,
Последнее время гидрофобные взаимодействия привлекают
все возрастающее внимание [69, 74-78] по
той причине, что в биологических макромолекулах имеется большое количество
групп, которые должны приводить к возникновению такого эффекта. а следовательно, и конформация макромолекул в целом существенно должна от них
зависеть.
Гидрофобные взаимодействия в белках впервые рассмотрел
Кауцман [69],
затем более подробно исследовали Немети и Шерага [70], которые
произвели подсчет величин такого рода взаимодействий для разных
случаев.
Примечательна несколько необычная зависимость величины
гидрофобной связи от температуры, отмеченная впервые Немети и Шерага [70], - повышение температуры приводит к
усилению гидрофобной связи. Это следует из того, что чем выше температура, тем
меньше упорядочивающее влияние неполярных молекул на воду и тем меньше
количество оставшихся Н-связей, а следовательно, меньше
и те положительные изменения энтальпии и энтропии, которые имеют место при
образовании гидрофобной связи. При достаточно высоких температурах энтальпия
образования гидрофобной связи делается даже отрицательной, как это видно из
таблицы 3.
Эндотермический характер образования гидрофобной связи
приводит к тому, что она усиливается с повышением температуры (в случае
лейцин - изолейцин усиление связи
происходит вплоть до температуры 58оС). Необходимо особенно
подчеркнуть вывод, отсюда непосредственно следующий: разрыв гидрофобной
связи - процесс экзотермический, и экзотермичность его снижается с понижением температуры.
Экзотермичность процесса разрыва гидрофобной связи
сопровождается образованием большого количества Н-связей в
воде.
Совершенно очевидно, что в макромолекулах гидрофобные
связи должны приводить к такого рода компактным конфигурациям, которые дают наименьшее
число контактов неполярных групп с окружающей водой. Иначе говоря, по Кауцману [69],
устойчивыми будут конформации макромолекул,
упорядочивающее действие которых на воду минимально. Это, в основном, различные компактные структуры b-складчатая структура, а-спираль, гидрофобные ядра и др. в белках, двойная спираль
в нуклеиновых кислотах.
Существует и противоположная точка зрения, развиваемая,
в основном Клотцем
[59, 74, 79-82], согласно которому вокруг неполярных групп возникают
упорядоченные структуры воды, наподобие газовых гидратов, причем, если таких
групп много. как это имеет
место, например, на поверхности макромолекул, то возникает эффект их
кооперативного взаимодействия, приводящий к стабилизации структуры обширного
слоя воды. По Клотцу, наиболее устойчивой будет конформация макромолекулы, допускающая наибольшее
упорядочение воды возле макромолекулы.
Основная причина возникновения двух диаметрально
противоположных точек зрения заключается в различной оценке знака rF - изменения свободной энергии при образовании контакта
неполярных групп макромолекулы с водой.
Согласно Кауцману,
величина rF - положительная, т.е. контакт нежелателен. По Клотцу величина
rF - отрицательна, т.е. энтальпийный выигрыш за счет
большего числа Н-связей в воде превосходит энтропийный проигрыш, а поэтому
контакт желателен
В настоящее время большое распространение получила точка
зрения Кауцмана, хотя ее все же нельзя считать
бесспорной, так как далеко не во всех случаях очевиден
положительны знак rF. В частности, если рассматривать упорядочение
воздействие макромолекулы вообще, а не только лишь возле неполярных групп, а не
только лишь возле неполярных групп, то нельзя упускать из виду, что
упорядочивающее действие, хотя и иное в структурном отношении [83], проявляют также и боковые неполярные
цепи с концевой полярной группой или просто полярные группы, а также
Н+ и ОН- ионы, и во всех этих
случаях величина rF отрицательна.
Поэтому, по-видимому, правильнее говорить, что
макромолекула принимает конфигурацию, в которой наилучшим образом проявляются
противоположные тенденции различных групп, так что результирующая свободная энергия отрицательна [71].
Необходимо иметь в виду, что если часть групп порождает
гидрофобные связи, стремятся сделать структуру более компактной, и лишь
частично, как печальную необходимость, упорядочивает воду, то вторая часть групп
в основном упорядочивает воду и обеспечивает растворимость макромолекулы в воде.
Оценить вклад одной и второй тенденции можно лишь на основе конкретных
экспериментальных данных по взаимодействию макромолекул с
водой.
Что присутствие воды сильно влияет на структуру и
свойства макромолекул, хорошо известно. Влажная макромолекула - отнюдь не то же самое, что и сухая. Судя по
кривым сорбции и десорбции воды на белках, макромолекулы ведут себя не как
жесткий инертный субстрат, а скорее как деформируемое реактивное вещество,
которое изменяет свою структуру под действием воды [84].
Удаление воды приводит к разрушению даже такой прочной
структуры, как двойная спираль ДНК [85]
Структура обезвоженной молекулы ДНК очень
похожа на структуру денатурированной [85-89], но полностью восстанавливается при
75%-ной относительной влажности, когда содержание сорбированной воды составляет 50% от сухого веса, т.е. на нуклеотид приходится 10 молекул воды.
Однако влияние воды на макромолекулу не одностороннее и,
как уже говорилось само по себе оно возможно лишь вследствие изменения состояния
воды под воздействием макромолекулы. К сожалению, детально о состоянии воды
возле поверхности макромолекулы известно мало. Основная причина этого
заключается в том, что воздействие на макромолекулы на воду весьма сложно и
порождает весьма многообразные изменения её состояния.
сосуществующие в небольшом объеме возле макромолекулы.
Так, согласно [83], структура воды
зависит от не только от того, стабилизируется ли она возле полярной или
неполярной группы но и от пространственного
расположения этих групп. Экспериментального подхода для детального исследования
столь сложной системы до сих пор нет, обычное же описание с помощью какого-либо
одного глобального параметра заведомо далеко не полно и не может передать
структурных, термодинамических и кинетических отличий микрофаз воды возле макромолекул. Тем не менее, в настоящее
время часто пользуются таким параметром, как «гидратация», характеризуя с его
помощью взаимодействие макромолекул с водой, Под «гидратацией» обычно подразумевается
то количество воды, которое находится под «достаточно сильным влиянием»
макромолекулы (что само по себе весьма неопределенно).Если «влияние» описывается в терминах подвижности, то гидратированной водой считается вода с пониженной
подвижностью или «связанная» вода (под термином «связанная вода» здесь не
подразумевается вода, механически включенная в полости макромолекулы или сетку
хаотического клубка и движущаяся с ним как единое целое, хотя в аспекте
гидродинамики макромолекул она - тоже
«связанная»). Количественно подвижность молекул воды может быть оценена по самодиффузии [90,
91], электропроводности [92]. данным ядерного магнитного
резонанса [93-100] и дисперсии
диэлектрической проницаемости [101-106].
Однако пока ни один из перечисленных методов не дал, из-за сложности
интерпретации экспериментальных данных, достаточно однозначной информации о
состоянии воды возле макромолекулы.
Второй
подход в оценке взаимодействия воды с макромолекулой заключается в определении
термодинамических параметров этого взаимодействия либо по кривым сорбции и
десорбции паров воды [107-109], либо по теплотам
смачивания [НО], либо калориметрически - по теплотам
плавления замороженных растворов
[111-113]. Последний метод имеет то преимущество, что посредством его
можно оценить изменение состояния самой воды в присутствии макромолекулы,
дифференцируя его от эффектов, связанных с изменением состояния макромолекул при
взаимодействии их с водой.
Полагая, что связанная вода термодинамически мало отличается ото льда. Из дефицита
теплоты плавления воды в растворе
можно рассчитать количество молекул воды,
не участвующих в плавлении, а следовательно,
«замороженных» присутствием макромолекул. Конкретность этой операции
представляет определенные удобства и, к тому же, намечает путь непосредственного
определения понятия связанной воды - под
связан ной водой
можно подразумевать воду, которая не вымораживается при охлаждении, не плавится
при последующем прогреве раствора. Фактически, это одно из первых определений
связанной воды и - хотя в нем несколько
упрощенно подразумевается, что вода находится либо в «связанном», либо только в
«свободном» состоянии - до сих пор оно
является наиболее удобным из-за своей определенности. К тому же упорядочивающее
влияние макромолекул на воду, по-видимому, действительно, сосредоточено в весьма
компактном пограничном слое, а не «размазано» по всему объему, т.е. эффект дальнодействия отсутствует. Последнее следует из того. что в концентрированных растворах
макромолекул вообще нет свободной воды, которая бы замерзала при охлаждении;
появляется же она лишь при наличии в растворе воды больше критического
количества, которое и определяет величину гидратации [97]
Необходимо упомянуть также о возможности использования
гидратации макромолекул и иных методов: рентгеноструктурного анализа [144],
малоуглового рентгеновского рассеяния [115, 116], ультразвукового лоцирования [117,
118] и гидродинамических методов (см. напр. [119]).
В табл. 4
суммированы значения гидратации для некоторых макромолекул, полученные с помощью
различных методов, отмеченных в графе 2 с
соответствующей ссылкой. В последней же графе приводятся значения толщины гидратного слоя, рассчитанные из средних значений
гидратации, и известных геометрических параметров макромолекул, в предположении,
что гидратный слой компактен и равномерно покрывает
всю поверхность макромолекулы.
Из приведенных экспериментальных данных видно, что
макромолекулы действительно значительно связывают воду, однако далеко не в той
мере, какой можно было бы ожидать, исходя из представлений, развиваемых Клотцем, и согласно которым возле них образуются структуры
воды типа кристаллогидратов. Приближенный расчет средней толщины гидратного слоя возле макромолекулы также показывает, что
этот слой - порядка мономолекулярного,
величина же гидратации данного типа молекул в основном определяется их
поверхностью: чем больше относительная поверхность (т.е. отношение поверхности к
объему), тем больше и гидратация.
Весьма примечательно, что экспериментально определенные
значения гидратации глобулярных белков весьма близки к тем оценкам, которые
теоретически рассчитал Фишер [128], предположив, что на поверхности глобулярных
белков находятся все имеющиеся в них полярные группы, все же неполярные группы
запрятаны внутрь глобулы. Исходя из известного аминокислотного состава, Фишер
получил для сывороточного альбумина и гемоглобина следующие значения
гидратации:
0,
29г Н20/г вещества,
0,
29г H2O/г вещества
и
0,
29г Н2О/г вещества,
соответственно
Совпадение расчетных и экспериментальных данных
свидетельствует о том, что связывание или упорядочение воды нативными глобулярными белками, в основном осуществляется
полярными группами. Если же неполярные группы и упорядочивают воду возле нативных макромолекул, то в весьма незначительной мере,
большая же часть их обычно, по-видимому, скрыта внутри
глобулы.
Судя по данным расчета величины гидратации различных
групп в макромолекуле для проколлагена [119] и ДНК [129-132], аналогичная ситуация
наблюдается и в нативных фибриллярных макромолекулах.
Надо полагать, что именно взаимосвязь с водой определяет в первую очередь
фибриллярный тип макромолекулярной структуры
[133-136].
Следуя Кауцману [62], нужно ожидать, что при денатурации, в
связи с разрывом гидрофобных связей и обнажением контактов возле неполярных
групп, должно усилиться структурирующее действие макромолекул на
воду.
Совершенно иной результат должен получиться по модели
Клотца [74],
согласно которой денатурация представляет собой разрушение упорядоченного
водного «каркаса» возле макромолекулы, поддерживающего ее
структуру.
К сожалению, имеющиеся данные по денатурационному изменению гидратации еще более
противоречивы, чем оценки самой гидратации.
Некоторые авторы находят, что при денатурации гидратация
уменьшается [103, 137-140], другие
считают, что при денатурации происходит увеличение гидратации [98, 141], третьи же склоняются к мнению, что
денатурационные изменения гидратации крайне
незначительны [98, 118, 142], наблюдаемые
же эффекты - всего лишь
артефакты.
Наиболее достоверную информацию пока что удалось
получить, используя высокую чувствительность калориметрического метода
определения гидратации. Было показано [112], что денатурационный эффект гидратации действительно существует:
при тепловой денатурации макромолекул их гидратация увеличивается, однако
наблюдаемое увеличение весьма незначительно
- на 10% для ДНК, на 5% для проколлагена
и всего лишь на 2-3% для глобулярных
белков. Это, по-видимому, связано с частичной ренатурацией структуры макромолекул, которая, безусловно,
должна происходить при тех условиях, в которых определялась
гидратация.
В случае глобулярных белков величина эффекта связана
также непосредственно с полнотой разворачивания компактной структуры при
тепловой денатурации, Представляется весьма маловероятным, чтоб вода полностью
проникла в гидрофобное окружение и контактировала со всеми неполярными группами
макромолекулы [143-146].
Что упорядочивающее влияние макромолекул на воду все же
возрастает при денатурации, подтверждается также и значительным увеличением
теплоемкости раствора в результате денатурации.
Как было показано
[146-151], при денатурации яичного альбумина парциальная теплоемкость
увеличивается на 0,
1 кал/г*град. Это повышение теплоемкости лишь частично может
быть объяснено лабилизацией структуры макромолекулы и
увеличением числа степеней свободы. В основном же эффект, по-видимому,
обусловлен упорядочением воды, что, как уже отмечалось, приводит к повышению
теплоемкости. Факт столь значительного повышения теплоемкости при денатурации
является веским аргументом в пользу модели Кауцмана [69], однако
с ним непосредственно связано и еще одно исключительно важное обстоятельство.
Как уже отмечалось, разрыв гидрофобных связей является эндотермическим
процессом, т.е. сопровождается не поглощением, а выделением тепла, причем с
повышением температуры абсолютная величина этого вклада в суммарную теплоту
денатурации уменьшается.
Легко показать, что от температуры должна зависеть и
вторая составляющая теплоты денатурации -
теплота, идущая на разрыв водородной связи, причем эта зависимость
непосредственно определяется свойством воды
- обусловленностью ее структуры температурой
Действительно, обычно считается, что при разрыве Н-связи
в макромолекуле имеет место обменная реакция, и связь между группами заменяется
на две связи с молекулами воды Таким образом,
rНн фактически представляет разность энтальпии образования
Н-связи между полярными группами макромолекулы и молекулами воды, с одной
стороны, и между полярными группами с молекулами воды, с
другой.
Следуя Шелману [152], в течение долгого времени считали, что
rНн достигает величины порядка 1500 кал/моль, и поэтому водородные связи
представлялись основным фактором, стабилизирующим нативную конформацию
макромолекулы, однако в дальнейшем было показано, что обменная реакция при
разрыве Н-связи приводит к почти полной компенсации величин, составляющих
rНн, и энтальпийный выигрыш близок к нулю [53], так что он не может играть
определяющей роли в поддержании
структуры макромолекулы, поэтому эта роль все более стала приписываться
гидрофобным взаимодействиям [72-78]. Согласно Тауфорду [76], одни
лишь гидрофобные связи вполне могут обеспечивать стабильность макромолекулы,
хотя одними лишь этими связями невозможно объяснить высокую специфичность ее
структуры.
Кроме того, весьма маловероятной представляется теплота
обменной реакции разрыва Н-связей во всем температурном интервале.
Действительно, водородные связи в макромолекуле образуют кооперативную систему,
которая разрушается лишь как единое целое. В то же время образование Н-связи с
водой должно протекать значительно менее кооперативно и
в большей мере зависеть от структурной температуры воды. Отсюда ясно, что если
при низких температурах, когда велика вероятность образования Н-связи в воде, а
следовательно и с водой, при разрыве Н-связи в макромолекуле происходит почти
стопроцентная обменная реакция, то с повышением структурной температуры степень
полноты обмена должна понижаться, т.е. величина rНн, представляющая разностный эффект должна
возрастать.
Это
возрастание rНн с повышением температуры особенно значительным будет в
системах, где Н-связи в воде искусственно стабилизированы присутствием других
молекул. Как уже отмечалось, снижение количества Н-связей в воде с ростом
температуры в этом случае происходит значительно быстрее. Судя по расчетам Немети и Шерага [70], изменение температуры от 20 до
70° должно привести к уменьшению количества Н-связей в растворе
алифатических углеводородов приблизительно на
15%. Поэтому следует ожидать, что и rНн в этом температурном интервале возрастет на такую же
величину.
Таким образом, мы приходим к выводу, что обе
составляющие энтальпии денатурации должны приводить к ее росту с температурой.
Функциональная зависимость rНн от температуры определяется весьма
общими свойствами воды и поэтому должна иметь универсальный характер.
Экспериментально этот эффект был установлен [146-151], причем задолго до того,
как был понят его физический смысл [149,
154].
Становится очевидным, что структура и свойства
макромолекул находятся в очень тесной связи с водой и непосредственно
определяются ее состоянием. Имеются весьма веские основания полагать, что многие
электролиты, влияющие на стабильность макромолекул, действуют на них не
непосредственно, а через воду, повышая или понижая ее структурную температуру
[155]. как показал недавно
Гордон с сотрудниками [99], добавление к
воде NaCIO4 приводит к
такому же химическому сдвигу линии поглощения ЯМР, как и повышение температуры,
причем денатурация ДНК происходит при одном и том же значении химического сдвига, независимо от того, чем он
вызван - добавлением NaClО4 или повышением температуры, или тем и
другим
Вопрос о том, в каком именно состоянии находится вода в
биологических системах, до сих пор является темой ожесточенных дискуссий,
основная причина которых заключается в отсутствии достаточно достоверной
информации. Биологическая система оказалась почти «непрозрачной» для большинства
физико-химических методов, с помощью которых пытались узнать что-либо о воде.
Некоторые весьма нечеткие данные, свидетельствующие о том, что тканевая вода
находится в частично связанном состоянии, были получены методом инфракрасной
спектроскопии [156- 158]. Многочисленные
попытки использовать для исследования тканевой воды методом ЯМР привели лишь к
накоплению большого количества трудно интерпретируемых данных [159-170], на основании которых весьма
рискованно делать какие-либо выводы о состоянии воды
[171].
Пожалуй наиболее четкая информация о состоянии воды в ткани
была получена калориметрическим методом [111], оправдавшим себя при исследовании
состояния воды в растворах
макромолекул. Было показано [172, 173],
что вода в ткани действительно находится в частично упорядоченном состоянии,
оценить которое можно либо «структурной температурой», либо количеством
связанной воды (см. табл. 5). Однако, если принять во внимание, что механизм стабилизирующего
действия клеточных структур на воду не может существенно отличаться от механизма
действия макромолекул в водных растворах, а следовательно, вода в ткани также
гетерогенна по состоянию, то, по-видимому, необходимо считать более оправданным
второй способ оценки упорядоченности тканевой воды - по количеству связанной
воды.
Как видно из приведенных величин, количество связанной
воды в ткани не столь уж велико, как можно было ожидать, умозрительно
экстраполируя представления Клотца на живые системы
(см. напр. [74]), в некоторых случаях оно
даже меньше значения гидратации макромолекул. Это станет
понятным, если принять во внимание, что поверхность соприкосновения макромолекул
с водой значительно меньше в ткани (где они образуют надмолекулярные
внутриклеточные структуры), чем в молекулярном растворе, отсюда следует, что по
значениям количества связанной воды можно судить об общей величине поверхности
соприкосновения неводных клеточных структур с водой, или о «дисперсности» этих
структур.
По полученным данным, наименее дисперсной является
мозговая ткань, что вполне правдоподобно, учитывая, что по весу большую ее часть
составляют аксоны с толстыми миелиновыми оболочками.
Весьма интересно, что в процессе эмбрионального развития
количество связанной воды уменьшается. Такого рода исследование было проведено
совместно с Г.М.Мневришвили по предложению Б.Л. Астаурова на грене тутового шелкопряда. Было показано, что
при развитии грена (с конца зимовки при 4°С по восьмой
день инкубации при 20°С) количество связанной воды в ней снижается примерно в
два раза (с 0,
32 г до
0,
18 г на 1 г сухого
веса грены). Иначе говоря, с развитием упорядоченности биосистемы снижалась
упорядоченность ее воды. Физически этот эффект не является неожиданным и может
быть интерпретирован снижением общей поверхности соприкосновения неводных
компонент с водой в процессе развития макромолекулярных и надмолекулярных
структур клеток, однако привлекает внимание другая сторона этого эффекта - создается впечатление, что вода служит как
бы негэнтропейным резервуаром для живой системы в
процессе ее развития.
Подойдя вплотную к вопросу о роли воды, и в частности
связанной воды, в биосистемах, необходимо сразу же отметить большой дефицит
количественного фактического материала, пригодного для физического анализа. В
результате основное количество работ в этом направлении посвящено построению
различных предложений и экстраполяции к живым системам всего того, что известно
о воде из более простых моделей (см. напр. [59,
174-180])
Вполне возможно, что для биосистем особенно существенен
механизм дальнодействия, который присущ воде, а тем
более упорядоченной воде [59, 177, 179].
Как уже отмечалось, вода может бездиссипативно
передавать энергию и с большой скоростью проводить заряды по упорядоченным
цепочкам.
Однако не исключено, что особое значение имеет
взаимосвязь структуры макромолекулы и воды, которые образуют, выражаясь
терминами кибернетики, систему с обратной связью, причем с такой связью, которая
может изменять свой знак и регулироваться присутствием ионов. В таком случае
вода может оказаться тем звеном, через которое развивается лавина цепных
реакций, играющих столь важную роль в биологии [177], либо средой, через которую
осуществляются автоколебания [178,
180].
Недавно было показано, что при сокращении мышцы в
спектре ЯМР сужается линия поглощения протона воды [170]. Авторы считают, что
это свидетельствует о плавлении части связанной воды, имеющей в мышце [до 20%]. Однако, если
даже наблюдаемое сужение линии и не связано непосредственно с переходами в воде,
то можно быть почти уверенным, что всего лишь из-за недостатков метода.
Действительно, если вода играет столь большую роль в денатурированных
превращениях макромолекул, то она не может не играть роли и в более тонких
изменениях их структуры, происходящих при их
функционировании.
В заключение автор пользуется случаем выразить глубокую
признательность Л.П. Каюшину, по инициативе которого
был опубликован данный обзор; в основу его положен материал лекции, прочитанной
автором в 1966г. в Зимней школе по молекулярной биологии в
Дубне.
Список литературы:
1.
Bernal
S.P., Fouler R.H., J. Chem. Phys., 1, 515,
1933.
2.
Бернал Д. П., Фаулер Р.Г., Успехи физ. наук., 14,
586, 1934.
3.
Самойлов О.Я. Структура
водных растворов электролитов и гидратация ионов,
изд-во АН СССР, М., 1957.
4.
Merzberg
G., Infrared and Raman Spectre of Polyatomic
Molecules, N.Y., 1945.
5.
Mulliken
R. S., Phys. Rev., 43, 279, 1933.
6.
Lennard
– Jones J., Pople J. A., Proc. Roy. Soc., A202, 166,
1950.
7.
Pople
J.A., Proc. Roy. Soc., A202, 323,1950.
8.
Pople
J.A., Proc. Roy. Soc., A205, 163, 1951.
9.
Lennard
– Jones J., Pople J.A., Proc. Roy. Soc., A205, 155,
1951.
10.
Bjerrum
N., Structure and Properties of Ice. Dan. Mat. Fys.
Med., 27, 1, 1951.
11.
Соколов Н.Д., Докл. АН СССР, 58, 611, 1947.
12.
Соколов Н.Д., Успехи
физ. наук, 57, 205, 1955.
13.
Соколов Н.Д., в сб.: Водородная связь, «Наука»,
М., 1964.
14.
Бименталь Д., Мак-Клеллан О., Водородная связь, «Мир», М.,
1964.
15.
Frank
H.S., Wen W.Y., Diss.
Faraday Soc., 24, 133, 1957.
16.
Frank
H.S., Proc. Roy. Soc., A247, 481, 1958.
17.
Conway
B.E., McBokris S.O., Linton H., J. Chem.
Phys., 24,
834, 1956.
18.
Бродский А.И., в сб.: Водородная связь, «Наука»,
М., стр. 115, 1964.
19.
Wallen
E.O., Davidson W.L., Shull G. G., Phys. Rev., 75, 1348,
1949.
20.
Риль Н.В., Ж. Физ. химии,
29, 1372, 1955.
21.
Buijs
K., Choppin G.R., J. Chem. Phys., 39, 2035,
1963.
22.
Nemethy
G., Scheraga H., J. Chem. Phys., 36, 3982,
1962.
23.
Frank
H.S., Quist A.S., J. Chem. Phys., 34, 2, 604,
1961.
24.
Danford
M.D., Levy H.A., J. Amer. Chem. Soc., 84, 3965,
1962.
25.
Гуриков Ю.В., Ж. Структ. Химии,
6, 1372, 1965.
26.
Vaslow
F., J. Phys. Chem., 67, 2773, 1963.
27.
Hasted
J.B., Ritson D.M., Collie C.H., J. Phys. Chem., 16, 1,
1948.
28.
Hindman
J.C., J. Chem. Phys., 36, 4, 1000, 1942.
29.
Chippin
G.R., Buijs K., J. Chem. Phys., 39, 2042,
1963.
30.
Капустинский А.Ф., Самойлов О.Я., Ж.
Физ. химия, 26, 918, 1952.
31.
Ястремский П.С., Ж. Структ. Химии, 2, 268, 1961.
32.
Ястремский П.С., Ж. Структ. Химии,
3, 279, 1962.
33.
Jackson
J.A., Lemous J.F., Taube H.,
J. Chem. Phys., 32, 553,
1960.
34.
Валиев К.А., Ж. Структ. Химии, 3, 653, 1962.
35.
Валиев К.А., Ж. Структ. Химии, 5, 517, 1964.
36.
Валиев К.А., Ж. Структ. Химии,
5, 517, 1964.
37.
McCall
D.W., Douglass D.C., J. Phys. Chem., 69, 2001, 1965.
38.
Eigen
M., DeMaeyer L., Proc. Roy. Soc., A247, 505,
1958.
39.
Brady
G.W., Krause J.T., J. Chem. Phys., 27, 304, 1957.
40.
Brady
G.W., J. Chem. Phys., 33, 1079,
1960.
41.
Моисеев Ю.В., Винник М.И., Ж. Структ. Химии. 4,
336, 1963.
42.
Данилов В.И., Строение и
кристаллизация жидкости. Изд. Анн УССР, Киев 1956.
43.
Claussen
W.F., Polglase M.F., J. Amer. Chem. Soc., 74, 4817,
1952.
44.
Morrison
T.Y., J. Amer. Chem. Soc., 74, 3814, 1952.
45.
Morrison
T.J., Billet F., J. Chem. Soc., 3819, 1952.
46.
HimmelLan
D.M., J. Phys. Chem., 63, 1803, 1959.
47.
Butler
Y.A.V., Trans. Faraday Soc., 33, 229, 1937.
48.
Eley
D.D., Trans. Faraday Soc., 35, 1282, 1421, 1939.
49.
Frank
H.S., Evans M.W., J. Chem. Phys., 13, 507,
1945.
50.
Ястремский П.С., Ж. Структ. Химии, 4, 179, 1963.
51.
Матьяшь И.В., Яшкевич В.И., Ж. структ. химии, 5,
13,1964.
52.
Buswell
A.M., Rodenbush W.H., Scient. Amer., 194, 77,
1956.
53.
Буслаева М.Н., Самойлов
О.Я., Ж. структ. химии, 4, 502,
1963.
54.
Яшкевич В.И., Самойлов О.Я., Ж.
структ. химии, 3, 211, 1962.
55.
Nemethy
G., Scheraga H., J. Chem. Phys., 36, 3401,
1962.
56.
White
P., Benson G.C., J. Phys. Chem., 64, 599, 1960.
57.
Larese
J., Canady W.J., J. Phys. Chem., 76, 1240, 1961.
58.
Ackermann
Th., Schreider E., Z. Electrochem., 62, 1143, 1958.
59.
Клотц И., в сб.: Горизонты
биохимии, «Мир», М., 1964.
60.
Stackelberg
M.V., Müller H.R., Z. Electrochem., 58, 25,
1954.
61.
Stackelberg
M.V., Meinchold W., Z. Electrochem., 58, 40, 1954.
62.
Stackelberg
M.V., Früpuss H., Z. Electrochem., 58, 94,
1954.
63.
Stackelberg
M.V., Z. Electrochem., 58, 104,
1954.
64.
Stackelberg
M.V., Jahs S., Z. Electrochem., 58, 162,
1954.
65.
Stackelberg
M.V., Menthen B., Z. Electrochem., 62, 130,
1958.
66.
Claussen
W.F., Chem. Phys., 19, 1425, 1951.
67.
Feil
D., Jeffrey G.A., J. Chem. Phys., 35, 1863, 1961.
68.
Jefferey
G.A., Fell D., McMullan R., Acta cryst., 13, 1029, 1960.
69.
Kauzmann
W., Adw. Protein Chem., 14, 1,
1959.
70.
Nemethy
G., Sheraga H.A., J. Phys. Chem., 66, 1773,
1962.
71.
Талмуд Д.Л., Бреслер С.Е., Докл. АН
СССР,
43, 326, 1944.
72.
Linderstorm
– Lang K.H., Proteins and Enzyms. Lane Medical
Lectures, Stanford Univ. Press, 1952.
73.
Waugh
D.F., Adv. Protein Chem., 9, 325, 1954.
74.
Klotz
J.M., Science, 128, 815, 1958.
75.
Devoe
H., Tinoko J., J. Molec.
Biol., 4, 500, 1962.
76.
Tanford
C.D., J. Amer. Chem. Soc., 84, 4240, 1962.
77.
Scheraga
H.A., Nemethy G., Steinberg J., J. Biol. Chem., 237,
2506, 1962.
78.
Scheraga
H.A., Ber. Bunsenges Phys.
Chem., 68, 838, 1964.
79.
Klotz
J.M., Brookhaven Symp. Biol., 13, 25,
1960.
80.
Klotz
J.M., Lubarsky S.V., J. Amer. Chem. Soc., 81, 5119,
1957
81.
Klotz
J.M., Ayers J., J. Amer. Chem. Soc., 79, 4078, 1957.
82.
Klotz
J.M., Fiess H.A., Biochim.
Biophys. Acta, 38, 57,
1960.
83.
Berendsen
H., Federat. Proc., 25, 971,
1966.
84.
Altman
R.L., Bensons S.W., J. Phys. Chem., 64, 851, 1960.
85.
Sutherland
G.B.B.M., Tsuboi M., Proc. Roy. Soc., A239, 446,
1957.
86.
Kuogoku
Y., Tsuboi M., Schimanouchi
T., Watanabe Y., J. Molec. Biol., 3, 741,
1961.
87.
Tsuboi
M., Prog. Theoret. Phys.
(Kyoto), 17, 99, 1961.
88.
Langeridge
R., Marvin D.A., Seeds W., Wilson H.R., Hooper C.W., Wilkins M.H.F., Hamilton
L.D., J. Molec. Biol., 2, 38,
1961.
89.
Marvin
D.A., Spencer M., Wilkins M.H.F., Hamilton L.D., J. Molec. Biol., 3, 547, 1961.
90.
Wang
J.H., J. Amer. Chem. Soc., 77, 258, 1955.
91.
Wang
J.H., J. Amer. Chem. Soc., 76, 4755, 1954.
92.
Maricic
S., Piîat G., Pravdic V.,
Ber. Bunsenges Phys. Chem.,
68, 787, 1964.
93.
Jacobson
B., Anderson W.A., Arnold S.T., Nature, 173, 772, 1954.
94.
Belazs
E.A., Bothner-By A.A., Gergely J., J. Molec. Biol., 1,
147, 1959.
95.
Hechter
O., Wittstruck T., McNiven
N., Lester G., Proc. Nat. Canad. Sci. USA, 46, 783, 1960.
96.
Bovey
F.A., Nature, 192, 324, 1961.
97.
Berendsen
H., J. Chem. Phys., 36, 3297, 1962.
98.
Daszkiewicz
O.K., Hennel S.W., Lubas B.,
Szczepkowsky T.W., Nature, 200, 1006,
1963.
99.
Gordon
D.E., Curnutte B., Lark K., J. Molec. Biol., 13, 671,
1965.
100.
Брусков В.И., Биофизика.
11,
195, 1966.
101.
Jacobson
B., Nature, 172, 666, 1953.
102.
Jacobson
B., J. Amer. Chem. Soc., 77, 2919, 1955.
103.
Rosen
D., Trans. Faraday Soc., 59, 2178, 1963.
104.
Schwan
U.P., Ann. N. Y. Acad. Sci., 125, 344,
1965.
105.
Grant
E.H., Ann. N. Y. Acad. Sci, 125, 249,
1965.
106.
Жуков В.В., Степин Л.Д.,
Биофизика, 10, 979, 1965.
107.
Benson
S.W., Altman R.L., J. Amer. Chem. Soc., 75, 3925, 3935,
1953.
108.
Brunauer
S., Emmet P.H., Teller E., J. Amer. Chem. Soc., 60, 309,
1938.
109.
Булл Г., Физическая
биохимия, М., Изд. Иностр. Лит.,
1949.
110.
Думанский А.В., Некрач Е.Ф., Коллоидн. Ж., 17,
168, 1955.
111.
Привалов П.Л., Мревлишвили Г.М., Биофизика, 11, 951,
1966.
112.
Привалов П.Л., Мревлишвили Г.М., Биофизика, 12, 22,
1967.
113.
Мревлишвили Г.М., Привалов П.Л., в
сб.: Состояние и роль воды в биосистемах, «Наука», М.,
1967.
114.
Бреслер С.Е., Введение в
молекулярную биологию. Изд. АН СССР, М., 1963.
115.
Luzatti
V., Witz J., Nicolaeff F.,
J. Molec. Biol., 3, 379,
1961.
116.
Вазина А.А., Диффузное
рассеяние рентгеновских лучей под малыми углами на белковых растворах. Автореф. Дис., М.,
1965.
117.
Пасынский А.Г., Ж. Физ. Химии,
20, 931, 1964.
118.
Пасынский А.Г., Эльпинер Н.Е., Докл. АН СССР, 105,
1296, 1955.
119.
Эдсалл Д.Г., Размеры, форма и
гидратация белков. Из сборника «Белки» под ред. Нейрата Г. и Бейли К., Изд. Иностр. Лит., М., 1958,
т.2.
120.
Есипова Н.Г., Андреева
Н.С., Гатовская Т.В., Биофизика, 3, 529,
1958.
121.
Adair
O.S., Adair M.E., Proc. Roy. Soc., A104, 341, 1947.
122.
Adair
G.S., Adair M.E., Proc. Soc., B120, 422, 1963.
123.
Cox
D.J., Schumaker V.N., J. Amer. Chem. Soc., 83, 2433,
1961.
124.
Cox
D.J., Schumaker V.N., J. Amer. Chem. Soc., 83, 2439,
1961.
125.
Oncley
J.L., Coch E.J., Edsall
J.T., Proteins, Amino Acads and Peptides Reinhold.
N.Y., 1963.
126.
Marigic
S., Pifat G., Pravdic V.,
Ber. Bunsenges Phys. Chem.,
68, 787, 1964.
127.
Mc
Kin T.L., Groves M.L., Hipp N.J., J. Amer. Chem. Soc.,
76, 407, 1954.
128.
Fisher
H.T., Biochim. Biophys.
Acta, 109, 544, 1965.
129.
Falk
M., Hartmann K.A., Lord R.C., J. Amer. Chem. Soc., 84, 3843,
1962.
130.
Falk
M., Hartman K.A., Lord R.C., J. Amer. Chem. Soc., 85, 387,
1963.
131.
Falk
M., Hartman K.A., Lord R.C., J. Amer. Chem. Soc., 85, 391,
1963.
132.
Falk
M., Canad. J. Chem., 43, 314,
1965.
133.
Berendsen
H.J., Migchelson O., Ann. N. Y. Acad. Sci., 125, 365, 1965.
134.
Berendsen
H., J. Chem. Phys., 36, 3297, 1962.
135.
Есипова Н.Г., Чиргадзе Ю.Н., в сб.: Состояние и роль воды в биосистемах,
«Наука», М., 1967.
136.
Makler
H.R., Mekrotra B.D., Bioch.
Biophys. Acta, 55, 789,
1965.
137.
Heymann
E., Biochim. J., 30, 126, 1936.
138.
Haurowitz
E., Kolloid Z., 71, 198, 1965.
139.
Куриленко О.Д., Циперович А.С.,
Докл. АН
СССР,
86, 349, 1949.
140.
Eisenberg
M.A., Schwert L.M., J. Gen. Physiol., 34, 583, 1951.
141.
Noguchi
H., Jang J.T., Biopolymers, 1, 359, 1963.
142.
Eley
D.D., Leslie R.B., Structure and Properties of Biomolecules and Biological Systems, L. – N.Y. – Sydney,
Interscience, 238, 1964.
143.
Holcomb
D.N., VanHolde K.E., J. Phys. Chem., 66, 1999,
1962.
144.
Brandts
J., Lumry R.Y., J. Phys. Chem., 67, 1484,
1963.
145.
Циперович А.С., Успехи
химии, 25, 1173, 1956.
146.
Привалов П.Л.,
Термодинамика тепловой денатурации глоб. белков, Дис., Тбилиси, 1964.
147.
Привалов П.Л.,
Биофизика, 8, 308, 1963.
148.
Привалов П.Л., Кафиани К.А., Монаселидзе Д.Р.,
Биофизика, 10, 393, 1965.
149.
Привалов П.Л., в сб.:
Состояние и роль воды в биосистемах, «Наука», М., 1967.
150.
Brandts
J.F., J. Amer. Chem. Soc., 86, 4291, 1964.
151.
Brandts
J.F., J. Amer. Chem. Soc., 86, 4302, 1964.
152.
Schellman
J.A., J. Phys. Chem., 62, 485, 1958.
153.
Klotz
J., Franzen J.S., J. Amer. Chem. Soc., 84, 3461,
1962.
154.
Привалов П.Л., Кафиани К.А., Монаселидзе Д.Р.,
Мревлишвили Г.М., Магалдадзе
В.А., II конференция по
нуклеиновым кислотам, М., январь, 1965.
155.
Hamaguchi
K., Geiduschek P., J. Amer. Chem. Soc., 84, 1329,
1962.
156.
Сидорова А.И., Кочнев
И.Н., Вестн. Ленингр. Ун-та, 16, 38,
1964.
157.
Вержбинская И.А., Сидорова А.И.,
Биофизика, 9, 349, 1964.
158.
Сидорова А.И., Холманов А.И., в сб.: Структура и роль воды в живом организме, изд. ЛГУ,
146, 1966.
159.
Douglass
D.C., Frisch H.L., Anderson E.W., Biochim. Biophys. Acta, 40, 401,
1960.
160.
Cerbon
J., Biochim. Biophys. Acta, 88, 444, 1964.
161.
Shaw
T.M., Palmer P.H., Phys. Rev., 83, 213, 1951.
162.
Shaw
T.M., Elsken R.H., Phys. Rev., 85, 708,
1952.
163.
Shaw
T.M., Elsken R.H., J. Chem. Phys., 21, 565,
1953.
164.
Shaw
T.M., Elsken R.H., J. Appl.
Phys., 26, 313, 1955.
165.
Huggart
A., Odeblad E., Acta Radiol.,
51, 385, 1959.
166.
Odeblad
E., Bruhn U., Acta Radiol.,
47, 315, 1957.
167.
Odeblad
E., Ann. N. Y. Acad. Sci., 83, 189,
1959.
168.
Мальцев Н.А., Докл. АН СССР, 156, 695, 1964.
169.
Мальцев Н.А., Абецедарская Л.А., Ивонлев Н.Г., в
сб.: Биофизика клетки, под ред. Г.М. Франка, «Наука»,
1965.
170.
Bratton
C.B., Hopkins A.L., Weinberg J.W., Science, 147, 738,
1965.
171.
Безруков О.Ф., в сб.: Структура и роль воды в живом
организме, Изд. ЛГУ, 190, 1966.
172.
Андроникашвили Э.Л.,
Мревлишвили Г.М., Привалов П.Л., Докд. АН СССР, 171, 1198, 1966.
173.
Андроникашвили Э.Л.,
Мревлишвили Г.М., Привалов П.Л., в сб.: Состояние и
роль воды в биосистемах, «Наука», М., 1967.
174.
Тринчер К.С., Биология и
информация, «Наука», М., 1964.
175.
Сент-Дердьи А., Биоэнергетика,
Физматгиз, М., 1960.
176.
Сент-Дердьи А., Введение в субмолекулярную биологию, Физматгиз, М., 1962.
177.
Привалов П.Л.,
Биофизика, 3, 738, 1958.
178.
Шиоль С.Э., в сб.: Молекулярная биофизика,
«Наука», М., 1965.
179.
Андреева Н.С., Турчин К.Ф., в сб.: Водородная связь, «Наука», М., 290,
1964.
180.
Сырников Ю.П., в сб.:
Состояние и роль в биосистемах, «Наука», М., 1967.