CC BY
4ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ДИСПЕРСНЫЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕСТЕСТВЕННЫХ МИКРОГЕТЕРОГЕННОСТЕЙ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ САХАРОВ
Пеньков Н.В.
ФИЦ Пущинский научный центр биологических исследований РАН, г. Пущино, ул. Институтская, д. 3
nvpenkov@rambler. ru
В 1972 г. впервые были обнаружены оптические неоднородности в смеси трет-бутанол/вода, что авторы связали с формированием клатратоподобных структур [1]. В дальнейшем многократно подтверждалось наличие неких микрогетерогенностей (МГ) в данном растворе, но интерпретации и названия им давались разные. К данному моменту МГ обнаружены в сотнях других (преимущественно водных) растворов [2]. Это говорит об универсальности явления образования естественных МГ в растворах, считающихся истинными. Указанные МГ отличаются от обычных коллоидных частиц очень малым контрастом. Они практически не регистрируются классическими методами рентгеновского и нейтронного рассеяния, а только высокочувствительными методами рассеяния света. Сегодня нет сомнений в наличии МГ у многих «истинных» растворов, однако остаётся вопрос об их природе. Наиболее общепринятой считается версия, что МГ представляют собой области раствора с повышенным содержанием одного из компонент, ведущие себя как стабильные частицы. Механизмы поддержания их стабильности предлагались разные, и в этом вопросе нет консенсуса. Обзор работ по изучению МГ в водных растворах различной органики обнаруживает недостаток внимания к сахарам. Сахара относятся к одному из важнейших типов молекул, участвующих в биологических процессах, связанных с энергетикой, биозащитой, адгезией клеток, клеточным распознаванием и др. Все эти процессы изучены далеко не полностью, при этом наличие МГ и их возможная роль в биологических процессах до сих пор вообще не рассматривались.
В настоящей работе исследовались водные растворы трёх сахаров: глюкозы, фруктозы и сахарозы. Метод динамического светорассеяния (ДСР) надёжно регистрирует в них МГ с гидродинамическими диаметрами ~100 нм, наряду с мономолекулярной фракцией сахаров ~1 нм. Показано, что с ростом концентрации сахаров размеры МГ меняются слабо, а интенсивность рассеяния, возрастая, выходит на плато или проявляет максимум около 3-4 моль%. Это однозначно свидетельствует, что наблюдаемые МГ не являются примесью. При этом характеристики МГ зависят от концентрации и типа сахара. Более подробно исследованы растворы сахаров с концентрацией 0.5 моль%. По отсутствию деполяризации рассеянного света сделан вывод о том, что форма МГ близка к сферической. По угловой зависимости интенсивности рассеяния были рассчитаны диаметры инерции МГ, которые соответствуют частицам в 1.5-2 раза большим, чем их гидродинамические диаметры. Это говорит о том, что МГ не являются сплошными частицами, а представляют собой рыхлые субмикронные образования. Кроме ДСР использовался метод лазерной дифракции, основанный на других принципах измерения размеров. С помощью этого метода решалась обратная задача: подбирались коэффициенты преломления МГ, при которых из измеренной индикатрисы рассеяния по теории Ми рассчитывались размеры МГ, определяемые ДСР. Оказалось, что МГ отличаются от среды по коэффициенту преломления менее чем на 0.01-0.005 (зависит от сахара). Это соответствует до 1.8 раз большей концентрации сахара в МГ, чем в растворе в среднем. Вариант пониженной концентрации сахара в МГ теоретически возможен, но кажется нереалистичным. Из характеристик рассеяния оценена концентрация МГ: более ~1011 мл-1. МГ занимают более 0.1% (возможно, много более) от общего объёма раствора. Таким образом, МГ являются существенной частью водных растворов, а дисперсные и оптические характеристики МГ отличаются даже между структурно близкими молекулами, их образующими. Особый интерес представляет значение МГ сахаров (и не только) для процессов биологического и химического характера, которое ещё предстоит установить.
[1] M.F. Vuks, L.V Shurupova. The scattering of light and phase transition in solutions of tertiary butyl alcohol in water. Opt. Commun. 1972, 5, 277-278.
[2] Sedlák, M. Large-Scale Supramolecular Structure in Solutions of Low Molar Mass Compounds and Mixtures of Liquids. III. Correlation with Molecular Properties and Interactions. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 13976-13984.
26
