Водный обмен растений - Жолкепич В.Н.
ISBN 5-02-003977-2
Скачать (прямая ссылка):
туры возрастает доля мономерных молекул и концентрация кластеров (табл. 3). Это как-будто противоречит сказанному раньше. Но значительно сильнее уменьшается среднее количество молекул, входящих в кластер. Оно снижается в 5,5 раз,
тогда как концентрация кластеров возрастает лишь в 3,2 раза. Следовательно, общее количество молекул, входящих в кластер, уменьшается.
Данные разных авторов о количественном соотношении льдоподобной (кластеров) и плотноупакованной (мономерных молекул) структур при различных температурах различаются, что еще раз показывает недостаточную изученность структуры воды.
Табл. 2 и 3 создают впечатление монотонности изменений свойств воды при повышении температуры. Однако есть ряд данных, указывающих на то, что в определенных температурных точках свойства воды изменяются достаточно резко. Так, обнаружены микрофазовые переходы воды при температурах 15°, 30°, 45°, 60° и сопутствующие им изменения некоторых биологических процессов; установлены резкие изменения поляризуемости воды при 36° и 60° (первая из этих точек соответствует температуре тела человека) [26]. Я. В. Фрейдин и
В. Г. Бочков [27] считают не случайным совпадение температуры тела человека с минимумом теплоемкости воды (36, 79°), так как при минимуме теплоемкости экономится энергия терморегуляции. Касаясь упомянутых выше точек микрофазовых переходов воды, Я. В. Фрейдин и В. Г. Бочков констатируют, что в середине интервала 30—45° (что опять соответствует температуре тела человека) структура воды наиболее благоприятна для гидратации органических молекул (в частности, белков).
Давление. С повышением давления возрастает химический потенциал и активность воды (о термодинамических показателях речь пойдет в главе II). Следовательно, должна увеличиться подвижность ее молекул (фактор, разрушающий структуру). Основным видом давления, действующего на воду клеток растения, является тургорное давление, увеличение которого повышает активность внутриклеточной воды [28].
ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВОДЫ В РАСТВОРАХ
Этот вопрос представляет особый интерес для биологов, которым преимущественно приходится иметь дело с водой в сложных системах при тесном взаимодействии компонентов.
Первым этапом действия растворенных в воде веществ является нарушение типичной для чистой воды структуры. Возможны две причины этого: 1) различие размеров растворяемых ионов и молекул с размерами молекул воды и полостей каркаса (геометрический фактор); 2) переориентация молекул воды в электрическом поле иона (электростатический фактор). Вторым этапом является образование новой структуры в окружении частиц растворенного вещества, характер которой в сильной степени определяется свойствами данного вещества. От со-
отношения этих двух этапов зависит окончательный эффект, т. е. преобладание стабилизации или разупорядочения структуры воды.
Растворы электролитов. В них действуют оба фактора нарушения водной структуры (геометрический и электростатический): возникает взаимодействие растворенных ионов с окружающими молекулами воды, получившее название гидратации (как известно, вода в клетках гидратирует не только ионы, но и определенные группы в составе макромолекул (биополимеров).
Гидратация ионов зависит от их свойств: знака заряда (катионы гидратируются сильнее анионов), величины заряда (двухвалентные ионы гидратируются сильнее одновалентных), кристаллического радиуса (при одинаковых зарядах чем меньше радиус, тем сильнее гидратация). В настоящее время признается лишь мономолекулярная гидратация (изменение свойств и структуры лишь одного, ближайшего к иону слоя воды). Изменения свойств следующих слоев воды, по-видимому, не настолько велики, чтобы их могли уловить существующие методы исследования.
Гидратацию характеризуют величинами энергии активации обмена молекул (Ei) и временем жизни (т*) структуры гидрат-ной воды [29]. Энергия активации обмена гидратной воды выражается уравнением Ei=E-{-&E, где Е — энергия активации чистой воды, ДЕ — изменение энергии активации гидратной воды по сравнению с чистой. Время жизни структуры гидратной
воды определяется соотношением ~ где т — время жизни
структуры чистой воды. Возможны два случая.
1. AEi>0, >• 1, тогда Ei>E и хг>т. В этом случае обмен молекул гидратной воды происходит реже, чем объемной (чистой) воды. Следовательно, можно говорить о некотором связывании ионом ближайших молекул воды (положительная гидратация).
2. AEi<.0,~ <1, тогда Ei<z,E и тг<;тг, т. е. обмен молекул
гидратной воды учащается. В этом случае можно говорить о некотором разупорядочеиии структуры воды под влиянием иона (отрицательная гидратация).
Такая характеристика гидратации согласуется с изменением энтропии при растворении электролитов. Любое изменение подвижности молекул воды при гидратации ионов неизменно сказывается на энтропийной характеристике раствора [24]: при положительной гидратации (т. е. при упорядочении системы) энтропия уменьшается, при отрицательной (разупорядочеиии системы) —увеличивается. В табл. 4 приведены изменения энергии активации (t\Ei) и энтропии (AS) при растворении в воде некоторых ионов.
