молекулярные водородные связи играют ключевую роль при гидратации растворенных веществ, в частности пептидов и белков. Вокруг полярных и неполярных групп в воде возникают различные типы гидратационных оболочек. Около неполярных (гидрофобных) групп, не способных к участию в водородных связях, выстраивается ажурная ячейка из молекул воды, связанных только друг с другом, как это проиллюстрировано на рис. 1, Г и Д. Шестичленные изогнутые циклы и нена-

22

пряженные плоские пентагоны с углами 108° формируют пространственные многогранники, состоящие из триплет-ных и более объемных структур с кубической симметрией, — ячейки, внутри которых размещается гидрофобная молекула (Адамсон, 1984). Структуры с таким типом координации молекул воды получили название «клатраты», т. е. клеточные гидраты (Габуда, 1982), и были относены к классу соединений включения. Эти ажурные рыхлые гидратные структуры имеют среднюю плотность 0.79 г/см3, тогда как плотность обычного льда составляет 0.92 г/см3. Клатраты устойчивы только при наличии в полостях каких-либо молекул или атомов, не способных участвовать в водородных связях, так что количество клатратной воды оказывается максимальным для гидратов гидрофобных веществ (Замят-нин, 1973). Не все клатратные структуры воды являются электронейтральными: в пятизвенных циклах дипольные моменты молекул воды направлены наружу по отношению к заключенной в ячейке молекуле (рис. 1, Д).

Для каждого типа таких клатратных соединений имеется критическая температура, выше которой они разрушаются, как бы плавятся, и этот «фазовый» переход наблюдается как эндогенный термический эффект при дифференциальном термическом анализе.

В конце 50-х годов Полинг показал, что вода может формировать комплексные соединения с углеводородами (например, СН4 ¦ 6Н20) и с углеводородными частями биологически активных молекул, в частности с анальгетиками. Ему принадлежит гипотеза о том, что сочетание полярной (или электрически заряженной) группы с гидрофобными частями молекулы лежит в основе взаимодействия анальгетиков и нейротоксинов с клеточными мембранами (Pauling, 1961).

Если аминокислотный остаток несет электростатический заряд или взаимодействует с молекулами воды как донор или акцептор водородной связи, то вокруг него образуется более плотный слой гидратационной воды, имеющий льдо-подобную структуру. Дипольные моменты молекул воды в этом слое ориентированы под действием локального электростатического поля гидратируемой группы (рис. 1, Д). Ионизация карбоксильной или аминогруппы аминокислоты приводит к изменению типа гидратации от клатратного до гид-ратного, что отображается в системе водородных связей ближайшего окружения. Расчет энергии ассоциации молекул воды с заряженными центрами показал, что знак заряда

23

частицы влияет на вектор поляризации водного окружения (Русанов, 1978). Радиус сольватации г также зависит от знака и плотности электрического заряда гидратируемой группы в ряду: г+ < г~ < г2~ < /*2+. Например, при конденсации паров воды конденсирующая активность отрицательных ионов на порядок выше активности положительных ионов. По этой причине капли дождя имеют отрицательный избыточный вектор поляризации поверхности, а потенциал атмосферы сохраняет положительное значение.

Изучение динамики гидратационной воды около участков молекулы с разной полярностью позволяет определить границы областей гидратной оболочки, различающихся ориентацией и плотностью упаковки молекул воды (Okouchi et al., 2002).

Ионизация простой органической кислоты (например, уксусной) имеет только один этап депротонирования, который приводит к возникновению отрицательного заряда на карбоксильной группе:

RCOOH *± RCOO- + Н+.

Равновесие такой реакции определяется единственной константой кислотной диссоциации:

Ка = [КСОСГ] [Н+] /'[RCOOH].

Кислотная диссоциация (депротонирование) цвиттерио-нов осуществляется как более сложный, многоступенчатый процесс, при этом константы равновесия на каждом этапе зависят от пути диссоциации всей молекулы. Диссоциация простейшей аминокислоты — глицина — может быть представлена следующей схемой (Чанг, 1980):

СОО"+ Н+

V

H2N—СН2—СОО

А

соон + н+

где кх, к2, къ и к4 — микроскопические константы диссоциации, связанные термодинамическим соотношением:

H3N—СН —

H3N— СН— СООН

H2N— СН2—

24

Однако экспериментально можно определить только две константы ионизации: Кх = кх + к2 — для карбоксильных групп; К2 = k3k4 /?3 + к4 — для аминогрупп.

Расчеты, выполненные на основе данных потенциомет-рического титрования глицина, показывают, что в зависимости от пути ионизации молекулы (изменение рН от кислых значений к щелочным или наоборот) микроскопические константы диссоциации аминогруппы (к2 и к3) различаются на два порядка. Изменение ионизации той или иной группы влияет на взаимодействие этой группы с ближайшим окружением, меняя соотношение клатратной и гидратной структур в связанной воде.

Физико-химические свойства аминокислот и их полифункциональность важны для осуществления многочисленных регуляторных функций этих веществ в живых организмах. Индивидуальные аминокислоты, их производные (пептиды) и продукты метаболизма (аммиак, мочевина, ароматические амины) служат, в частности, медиаторами нервных окончаний, сигналами связи с внешней средой, ингибиторами отдельных биохимических реакций, являются адаптогенами и основой для синтеза нейропептидов и гормонов (Кричев-ская и др., 1983). Плазма крови представляет собой их депо и обеспечивает транспорт аминокислот к определенным органам.

Фонд свободных аминокислот в клетках живых организмов имеет эволюционную, органную и тканевую специфичность. Например, аминокислотный состав мозга существенно отличается от состава других органов и тканей присутствием избыточного количества дикарбоиовых кислот и их амидов: они составляют две трети от общего количества аминокислот в мозге всех видов животных. Глутамин, аспарагин и их остатки в составе пептидов в организме неферментативно гидролизуются до соответствующих дикарбоиовых кислот. В связи с этим важно отметить, что белки молодых клеток характеризуются более высокой степенью амидированности, чем белки стареющих клеток (Пушкина, 1977).

Четыре ароматические аминокислоты — гистидин, тирозин, фенилаланин и триптофан обладают повышенной химической активностью боковых групп. Она определяется системой сопряженных связей и делокализованных электронов и способностью этих групп участвовать в реакциях нуклеофильных и электрофильных замещений. Ароматические аминокислоты составляют основу многих биологически активных производных: гормонов, медиаторов, коферментов.

25

нхо ___

сн—сн2—соон

NH,

Н L-триптофан

СН —CH2—NH2

I Серотонин H

N I

H

17

NH, I 2

-сн2—сн—СООН

Гйстидин

-СН —СН—NH2

N I

Н

Гистамин

Н О

-СН,—СН,—N—С—СН,

I Мелатонин Н

H,CW

-СН—СН—NH2

I Мексамин Н

Рис. 2. Пути трансформации аминокислот в молекулярные регуляторы биологических функций.

а — преобразование триптофана: серотонин — нейромедиатор, возбуждающий пост