На эту работу можно ссылаться, ее адрес в интернете: www.biophys.ru/archive/pushino2011/abstr-p19.htm
Двухжидкостная вода: орто-пара Н2О(D2O) и
скачок деформируемости эритроцитов при 36.6 в Н2О и 37.4 0С в D2O
С.М.Першин
Научный центр волновых исследований ИОФ им. А.М.Прохорова РАН,
Вавилова 38, 119991, Москва, Россия, pershin@kapella.gpi.ru
Из существующих моделей воды наиболее известными являются смешанная (вода как смесь двух жидкостей) и с непрерывным распределением водородных связей (Ю. Наберухин, Г. Маленков). При этом модель двухжидкостной воды, одна из которых содержит льдоподобные каркасы, первым, по-видимому, предложил Рентген в 1891. Затем она была поддержана (Бернал и Фауллер) и расширена включением в рассмотрение клатратов (О.Я. Самойлов, Дж. Попл, Л. Поуллинг) и других комплексов. Новые данные по рассеянию Х-пучков (A. Nilsson et al.) и рамановской спектроскопии (Першин С. и др.) о наблюдении устойчивых спектральных компонент гексамерного льда 1h и тетрамерных комплексов в воде и их температурной эволюции до 99 0С также поддерживают модель воды, как смеси двух жидкостей. На основе экспериментальных данных эта же модель была дополнена понятием смеси плотной и рыхлой воды (Roy R. et al. (1969) J Polymer Sci A 17:1557; H. Stanely; Kawamoto T, et al. (2004) J Chem Phys 120:5867), упорядоченной и разупорядоченной (R. Shen). Отсюда интуитивно ясно, что существуют какие-то базовые различия двух молекул Н2О, которые проявляются в воде и обеспечивают применимость двухструктурной модели. Есть ли такие отличия? Есть и весьма существенные.
Недавно обнаруженные нами (А.Бункин и др.) методом четырехфотонной спектроскопии вращательные спектры орто и пара спин-изомеров Н2О в воде формируют принципиально новое представление о двухжидкостной воде. Так наличие двух мономеров Н2О, отличающихся физическими свойствами: орто-Н2О всегда вращается в отличие от пара-Н2О, которые имеют основной уровень с нулевой вращательной энергией, должно проявляться в образовании двух жидкостей при их конденсации. При этом пара изомерам Н2О, поскольку они могут не вращаться, энергетически более выгодно образовывать льдоподобные структуры, чем орто-Н2О. Действительно, Vilesov A. et al. теоретически показал и экспериментально обосновал, что пара-пара Н2О димеры имеют квантовые состояния с энергией, меньшие, чем орто-орто Н2О димеры.
Известно (Limbach H-H. et al., and X. Michout et al.), что орто-пара взаимная конверсия происходит при возбуждении в неоднородном магнитном поле, например, молекулы триплетного О2 и образовании смешанных квантовых состояний (П.Чаповский), когда энергетические уровни орто-пара Н2О практически совпадают. На этом основании мы предположили, что наблюдаемый скачок проницаемости эритроцитов через микрокапилляры (рис.1а) в окрестности 36.6 и 37.2 0С в растворе на базе Н2О и D2O, соответственно (G. Artmann et al.), обусловлен пара-орто конверсией этих молекул в поле триплетного кислорода при столкновительном возбуждении в условиях, тепловая энергия kT совпадает с энергией кванта вращательного перехода hΩ молекул Н2О или D2O (рис.2). Отсюда ясно, что замена Н2О в растворе на D2O приводит к смещению температуры скачка (рис.1а) на 37.4 0С, что совпадает с частотой вращательного перехода в D2O, поскольку обогащение раствора орто-изомерами Н2О(D2O) приводит к разрыхлению гель-подобного гидратного слоя гемоглобина и более плотной его упаковки. Этот механизм орто-пара конверсии при kTb = hΩ применим для объяснения корреляции температуры структурного перехода в растворе гемоглобина 14 организмов и температуры их тел (рис.1b и 1с).
А
|
Рис.1. (A) - cкачок деформируемости эритроцитов в физрастворе на базе Н2О (квадраты) и D2O (круги) и линии вращательных переходов в воде (линия) и D2O (точки); (B)- корреляция температуры структурного перехода (слипания) в растворе гемоглобина и температуры тела 14 организмов; (C)- частоты вращательных резонансов орто и пара-Н2О в единицах температуры (kT) |
B |
|
C |
|
Рис.2. Совпадение энергии вращательного кванта (hΩ) пара-Н2О и тепловой энергии kT при 36.6 0С. Смешанное квантовое состояние уровней 285.419 и 285.219 см-1 (орто/пара-Н2О). |
Работа выполнялась при частичной поддержке грантов РФФИ 09-02-01173, 08-02-00008, 10-02-90301-Вьет_а.
Литература
1. Röntgen W.C. // Ann. Phys.
Chem. N.F. – 1891. – XLV. – S. 91 – 97.
2. Vezzoli
GC, Dachille F, Roy R (1969) J Polymer Sci A 17:1557; also see Inorg Chem 8: 2658 (1969).
© Труды научного симпозиума
«Молекулярная структура воды и ее роль в механизмах биоэлектромагнитных
явлений» (5-8 июля
При цитировании или перепечатывании ссылка обязательна.