Вода #2

Ще започна от края на последния си пост:

водата е дипол, има диполен момент, който нараства при наличието на други диполи;
в напълно разгънатата конформация на протеините CO- (отрицателни) и NH-групи (положителни) са достъпни за водата и водят до нейната допълнителна поляризация;
първият слой свързана вода поляризира следващия и така средно до 6 молекули;
цялата вода в клетката е свързана (чрез допълнителна поляризация) и има характеристики, различни от обикновената вода.

Ядрено-магнитен резонанс

Имена на учени и препратки към тяхната работа в книгата на Линг.

ЯМР измерва ротационното корелационно време на водородните атоми или протони във водните молекули или тяхното време на релаксация (Т1 и Т2). Ограничаването на подвижността (фиксацията) на водородните атоми във водните молекули в клетката води до промяна на времето T1 и T2 (по отношение на свободната вода), то се намалява.

Водата в различните тъкани се различава по времеви параметри Т1 и Т2. При злокачествените тумори времената Т1 и Т2 са значително по-дълги, отколкото в клетките на тъканите, от които произхождат туморите. Важно е да се отбележи, че допълнителни експерименти показаха, че увеличаването на дела на свободната вода е само една от причините за увеличаване на времето за размагнитване на водородните атоми (T1 и T2).

Робърт Дамадиан, създателят на първия комерсиален ЯМР скенер, благодари на Линг в писмо за концепциите на биофизиката на водата, които му позволиха да създаде първото ЯМР изображение на човешкото тяло.

Желатин и разбиране на колоидите

56% от желатиновата полипептидна верига е в напълно разгъната конформация и е достъпна за водата.

По отношение на аминокиселинен състав, желатинът е 13% пролин и 10% хидроксипролин,аминокиселини, неспособни да образуват α-спирални и β-нагънати структури поради отсъствието на водороден атом от техния пиролидинов азотен атом.

Също така, 33% от аминокиселинните остатъци принадлежат на глицина, който разбива спиралата. А в желатиновата молекула няма дисулфитни мостове (-S-S-), които стабилизират третичната структура.

С откриването на теорията за многослойната организация на поляризирана вода в клетката може да се даде нова дефиниция на колоидите. „Колоидът е съвместен ансамбъл от напълно разгънати макромолекули (или техни агрегати) и полярен разтворител (например вода). Макромолекулите, образуващи колоидна система, се характеризират с геометрично правилно редуване на диполи (NH и CO групи на пептидната връзка на протеини или диполи от различно естество) или фиксирани заряди по полимерната верига. По време на разтваряне такива макромолекули взаимодействат с полярен разтворител, ограничавайки подвижността на неговите молекули в резултат на многослойна адсорбция на тяхната повърхност, чиито правилно разположени заряди ги ориентират в пространството и ги поляризират. Поляризацията (увеличаването на диполния момент на молекулите на разтворителя) е най-важната предпоставка за образуването на многослойна структура от свързана вода.

Колоидите са екстравертен модел. Повечето глобуларни протеини са обърнати, по-голямата част от тяхната полипептидна верига е недостъпна за вода.

Нова хипотеза за коацервация

Коацервацията е разслояване на хомогенен воден разтвор на две несмесващи се фази с ясна граница между тях.

От гледна точка на теорията на ROAM, коацервацията е автокооперативен преход, по време на който се случват три процеса едновременно:

а) свиването на водните молекули около повърхността на напълно разгъната екстравертна молекула и тяхната ориентация и поляризация от полярните групи на макромолекулата (които, какCO и NH пептидни връзки) с образуването на многослойна структура по протежение на макромолекулата; тогава водно-протеиновите комплекси се сливат в един асоциат, в който всички макромолекули са изцяло включени в един воден "пашкул";

б) изместване на част от излишната вода на асоциата във фаза, бедна на екстравертно вещество, в резултат на оптимизиране на структурата на асоциата;

в) при образуването на повърхността на коацервата от линейни макромолекули (със свързана и структурирана вода), ориентирани перпендикулярно на фазовия интерфейс и образуващи непрекъсната структурирана водна обвивка около коацервата със същите съседни макромолекули; по този начин се образува граница между богатата на екстравертна субстанция коацерватна фаза и бедната на екстравертна субстанция фаза на разтворител, чиито молекули не се различават по степен на подреденост от обикновената насипна вода; по този начин фазовата граница е границата между две състояния на водата.

Причината, поради която процесът на коацервация започва с повишаване на температурата, е изместването на най-малко поляризираните водни молекули от коцерватната фаза в средата в резултат на „склонността“ на поляризираните водни обвивки на макромолекулата да се слеят една с друга, тъй като енергията на взаимодействие на поляризираните водни молекули една с друга е по-висока от тази на „обикновените“ поради по-силни водородни връзки. В резултат на това увеличаването на ентропията на системата коацерват-среда, свързано с освобождаването на водни молекули от кондензираната фаза (тъй като в този случай делът на структурираната вода в системата намалява), започва да надвишава приноса към термодинамиката на системата на процеса на сливане на структурирани водни черупки, които намаляват ентропията и свободната енергия на системата. Този процес е термодинамично благоприятен и води до допълнителна поляризация на свързаните водни молекули и в резултат на това,- до удебеляването на водните слоеве в пространството в пространството между макромолекулите. Следователно увеличаването на ентропията на системата е движещата сила зад коацервацията.

Защо горният модел е толкова важен:

1). Това обяснява рязко очертаните граници на коацервата, което означава способността му да не се смесва с околната вода. Преди Линг не можеше да бъде предложен молекулярният механизъм на такива явления;

2). Моделът обяснява защо само напълно разширени протеинови мрежи могат да образуват коацервати, само те могат да свързват вода под формата на многослойна структура от поляризирани молекули, чийто обем може да бъде значителен.

3). Той отговаря на въпроса защо протоплазмата от увредени клетки - от ресничките на Дюжарден до клетките на Bryopsis на Лепешкин - не се смесва с вода: това е просто коацерват.

Грубо казано, Линг обясни, чеклетката не е воден разтвор с "нищяци" в липидната мембрана, а че клетката е протеин-вода-[електролит] (повече за последното по-късно),структурата на която се поддържа от многослойната организация на поляризирана вода около напълно разгънати протеинови структури. Като се има предвид, че теорията на Линг се потвърждава на практика, а теорията за липидните мембрани противоречи на данните от наблюденията, тъй като клетката абсорбира повече вода, отколкото може да обясни мембранната теория.

Количествена теория за разпределението на веществата между клетъчната вода и водата в околната среда поради тяхното изместване от клетъчните или моделни системи

Имаме проста физическа и експериментално доказана основа защо и по какъв начин клетката измества водата.

Съответно, ROMT теорията може да обясни ниската концентрация на Na+ и захароза в клетката в сравнение с равновесната среда, както следва: енергия и ентропия.

Енергия. Образуването на „дупка“ за йона Na+ (или молекула захароза, или друго вещество) отнема повече енергия, отколкото се освобождава, когато такива „дупки“ се срутят в обикновена вода, когато Na+ преминава от околната среда в клетката. Това неравенство е основната енергийна причина за изместването на разтворените вещества от клетката.

Ентропия (ред). Мрежата от структурирани водни молекули ограничава въртеливото движение на разтворените в нея молекули, така че тяхната ротационна ентропия е по-ниска в клетката, отколкото в околната среда. Тъй като ротационната ентропия съставлява по-голямата част от общата ентропия на молекули като захароза и такива многоатомни образувания като хидратирани Na+ йони, намаляването на тяхната ентропия, съчетано с енергоемкото „образуване на дупки“ в клетката, прави разтварянето на такива вещества в клетъчна вода термодинамично неблагоприятно.

Колкото по-голяма е молекулата на веществото, толкова по-голямо е влиянието на тези термодинамични фактори, толкова по-малка е тяхната разтворимост в клетката. Това предполага "правилото за размера": истинският коефициент на равновесно разпределение (q) на веществото между клетъчната вода (или водата, свързана от екстравертен модел) и външната среда е обратно пропорционален на молекулния обем на веществото. Това е потвърдено в експерименти, за които може да се прочете в книгата на Линг, която сравнява разпределението на молекули с различни моларни обеми между мускулното влакно и средата.

Резултати

Основната позиция е многослойната организация на поляризирана вода в клетката. Вижте предишната бележка.

Поляризиращите структури в мускулните влакна (жаби) са разделени една от друга средно с 6 слоя вода. Това не е малко, тъй като всичко е клетъчна вода. Така в покой клетката не съдържа свободна вода.

Напрежение на изместване и повърхностен компонентполяризационните енергии във всяка точка на клетката са еднакви.

Съществуват количествени методи за определяне на излишната енергия на взаимодействие на свързани водни молекули.

Теорията на ROPM обяснява разликата в способността за разтваряне на средата и клетката.Превишаването на енергията на взаимодействие на водните молекули в адсорбиращите слоеве в сравнение с обемната вода само с 126 cal/mol може да доведе до изместването на такива големи йони и молекули от клетъчната вода като хидратиран натриев йон или молекула на захароза. Прост, проверим и чудесен метод. Вижте книгата на Линг за експерименти с различни молекули и клетъчния/екстравертния лабораторен модел.