Введение к работе
Актуальность проблемы.
Водные растворы неэлектролитов представляют собой особый
класс систем, обладающих весьма специфическими свойствами,
отличающими их от других растворов. Многие характерные свойства
водных растворов неэлектролитов в значительной степени
обусловлены особенностями водной сетки водородных связей. В
последние десятилетия при исследованиях водных растворов
неэлектролитов было обнаружено и исследовано
шектроскопичеасими, термодинамическими, рентгеновскими и
другими методами явление микрорасслаивания ряда растворов в
области средних концентраций. Микрорасслаивающиеся растворы,
оставаясь макроскопически гомогенными, на микроскопическом
уровне обнаруживают ярко вьіражеішую гетерогенность и состоят из
микрообдастей, содержащих только молекулы воды или только
молекулы неэлектролита. Явление микрорасслаивания заслуживает
весьма пристального внимания по следующим причинам. Во-первьгх,
способность образовывать микрорасслаивающиеся растворы можно
отнести к числу необычных свойств воды, отличающих воду от других
жидкостей, и, следовательно, исследование явления
микрорасслаивания водных растворов неэлектролитов необходимо для понимания механизмов молекулярных процессов в широком классе водтлх систем. Во-вторых, явление микрорасслаивания водных растворов представляег интерес в некоторых разделах молекулярной биофизики. В частности, водные растворы неэлектролитов широко используются в качестве растворителей биологически активных соединений, и свойства микрорасслаивающихся растворов, несомненно, должны проявляться в характере микроокружения молекул растворённых веществ, в их сольватации, способности к агрегации, а, следовательно, и в биологических свойствах молекул. Наконец, микрообласти воды представляют собой уникальный пример особого состояния воды, находящейся в замкнутом ограниченном окружении, приобретающей в последние годы всё больший интерес в молекулярной физике, биофизике и энзимологии.
Цель работы.
Цель предпринятого в настоящей работе исследования предусматривала изучение особенностей водной сетки водородных связей в чистой воде и в микрорасслаивающихся водных растворах неэлектролитов, определение структуры и свойств некоторых микрорасслаивающихся растворов, а также установление состояния пептидов и белков в этих растворах.
Научная новизна работы.
Автором работы предложен и использован новый метод анализа температурной деформации спектральных контуров полос поглощения воды. Применение этого метода к анализу температурной деформации обертонной полосы поглощения молекул HDO позволило автору получить новые убедительные аргументы в пользу континуальной концепции структуры воды.
Впервые методом инфракрасной спектроскопии исследованы структура и свойства воды в микрорасслаивающемся растворе вода-диоксан во всём интервале концентраций с использованием метода инфракрасной спектроскопии. Обнаружено особое состояние воды в водных микрообластях, характеризующееся повышенной прочностью водородных связей. Впервые исследована последовательность молекулярных процессов в микрорасслаивающемся растворе при изменении состава раствора. Показано принципиальіюе различие свойств двух микрорасслаивающихся систем, - вода-диоксан и вода-диметилсульфоксид (ДМСО).
Впервые исследовано состояние молекул аминокислоты триптофана в микрорасслаивающемся растворе вода-ДМСО с использованием метода флуоресценции. Предложен и использован новый метод обработки спектров флуоресценции, основанный на представлениях о вынужденной подвижности молекул растворителя вблизи возбуждённых молекул триптофана в наносекундном диапазоне. Применение этого метода позволило определить характер микроокружения молекул триптофана и дать количественную оценку времени вынужденной релаксации молекул воды.
Впервые методом флуоресценции исследовано состояние в микрорасслаивающемся растворе вода-ДМСО двух белков, трипсиногена и лизоцима. Сделаны выводы о характере изменений конформации белков в растворе.
Впервые исследовано состояние синтетического пептида Фёльша и амилоидного пептида Ар(1-40) в микрорасслаивающемся растворе гексафторпропанола. Также впервые обнаружено двойное излучение включённого в молекулу полипептида в растворе триптофана, обязанное осцилляторам 'L* и 'Lb.
Научная и практическая ценность работы.
Предложенный автором новый метод анализа температурных деформаций спектральных контуров может быть использован при исследованиях широкого класса систем с водородными связями. Результаты исследований состояния пептидов и белков в микрорасслаивающихся растворах могут быть использованы в биотехнологии и в мицеллярной энзимологии. Результаты исследований амилоидного пептида АР(1-40) могут найти применение
в медицине для понимания происхождения и лечения болезни Альцгеймера.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных совещаниях: на X Менделеевской дискуссии "Периодический закон и свойства растворов", Санкт-Петербург, 1993; на 1 Международной конференщга "Проблемы ноосферы и устойчивого развития", Санкт-Петербург, 1996; на научном семинаре Департамента биофизики Стокгольмского университета, 1995.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ в научных журналах и сборниках.
Объём и структура.
Диссертационная работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включает 32 рисунка и список цитируемой литературы, содержащий 111 наименований.