Диссертация (1144795), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Достоверность результатов диссертационнойработыобеспечиваетсясравнениемтеоретическихрасчетовсэкспериментальными данными, с известными теориями в области ихприменимости и прямыми численными расчетами, а также обоснованностьюфизических представлений, положенных в основу предлагаемых моделей, ииспользованием апробированных методов исследований.15Глава 1. Характер взаимодействия органических иминеральных компонентов в биологических жидкостяхи механизмы дегидратационной самоорганизации(обзор литературы)Биологические жидкости (БЖ) организма человека имеют характернуюмолекулярно-упорядоченную структуру. К биологическим жидкостям относят сложные полидисперсные неклеточные структуры организма: плазму(сыворотку) крови, лимфу, ликвор, мочу, секреты эндокринных и экзокринных желез (желудочный и панкреатический сок, желчь, слюна, пот, молоко,слеза и др.), внутриклеточную и межклеточную жидкости, выпотные жидкости и др.
[35].Одним из видов самоорганизации БЖ являются неравновесные фазовые переходы, в частности, переход БЖ из жидкой фазы в твердую фазу впроцессе высыхания. Перевод жидкости в твердую фазу позволяет осуществить визуализацию и фиксацию на подложке структур БЖ. Исследованиеэтих структур даёт возможность получить в интегрированной форме обширную информацию о состоянии организма. Сформированная структура позволяет отличать физиологическую картину от патологической, а в патологической картине - выявить наиболее важные составляющие диагностическойинформации.
В то время как в жидкой фазе БЖ с помощью биохимических,иммунологических, биофизических и других сложных аналитических методов можно выявить лишь разрозненные элементы информации.Самоорганизация БЖ в процессе дегидратации имеет четкие закономерности. Прежде всего, - разделение различных солевых и органическихкомпонентов БЖ по принципу формирования концентрационных волн. Ониобразуются за счет разной степени гидрофильности растворённых в БЖ веществ в результате координированных информационных взаимодействий16идентичных молекул и молекулярных комплексов. Структурно и функционально идентичные молекулы собираются в единые концентрационные зоны(стяжения).До недавнего времени исследование структуры БЖ оставалось для медицины и биологии малоизвестным и недоступным для использования впрактике в связи с отсутствием специальных методов диагностики.
Понятиеструктуры считалось неприемлемым по отношению к БЖ, ввиду исключительно высокой динамичности ее молекулярного состава и характера взаимодействия компонентов. В связи с этим изучение БЖ ограничивалось определением качественного и количественного состава их отдельных компонентов,а информацию о взаимоотношениях этих компонентов получить было невозможно.1.1.
Физико-химическая основа процессов самоорганизациибиологических жидкостей1.1.1. Вода как основной компонент биологических жидкостейВода – уникальное вещество, её уникальные свойства (высокая теплоёмкость (4,184 Дж/(кг·К) при 20°С и 4,212 Дж/(кг·К) при 0°С) и температуракипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малаятеплопроводность, высокая теплота испарения и др.) обусловлены строениеми пространственной структурой её молекул [42].Часть воды в организме более или менее прочно связывается с растворёнными в ней веществами и с поверхностью биополимерных макромолекулс помощью, как водородных связей, так и сил ион-дипольного взаимодействия. Это приводит к заметному изменению конфигурации, эффективныхразмеров и массы частиц, участвующих в реакции, иногда к существенноймодификации их свойств [29].17Согласно теории многослойной организации поляризованной воды, Г.Линга [73], в полипептидной цепи последовательность диполей (групп NH иCO) комплементарна структуре молекул воды.
Это создает благоприятныестерические условия для адсорбции воды белком, при которой молекула воды поляризуется (возрастает ее дипольный момент) и, соответственно возрастает прочность образуемых ею водородных связей. Увеличение стабильности водородных связей приводит к формированию устойчивых многослойных ассоциатов из молекул воды вокруг белка с развернутой конформацией.Результаты исследований строения растворов электролитов свидетельствуют, что при гидратации ионов в водных растворах основную роль играетближняя гидратация - взаимодействие ионов с ближайшими к ним молекулами воды [159]. По данным С.В. Зенина [49], молекулы воды в таких образованиях могут взаимодействовать между собой по принципу зарядовой комплементарности, т.е. посредством дальнего кулоновского взаимодействия безобразования водородных связей между гранями элементов, что позволяетрассматривать структурированное состояние воды в виде исходной информационной матрицы.Испарение воды требует довольно больших энергетических затрат дляпреодоления сил молекулярного сцепления - 2260 кДж/кг [42].
При этомважным фактором фазового перехода жидкости является поверхностноенатяжение – результат действующих между молекулами сил когезии,направленных внутрь. Из всех жидкостей самое большое поверхностноенатяжение у воды – 75,6·10 мН/м при 0°С и 72,7·10 мН/м при 20°С [42]. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале – форму шара).181.1.2. Биологические жидкости как высокодисперсные системыПринципиальная особенность высокодисперсных систем - наличие развитой поверхности раздела фаз. Влияние поверхностей раздела фаз и связанных с ними поверхностных явлений на свойства дисперсных систем обусловлено существованием избыточной поверхностной энергии на этих поверхностях и проявлением особых поверхностных сил [61].Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения свободной энергии.
Согласно уравнению Гельмгольца, свободная энергия дисперсной системы является функцией ее объема, температуры и количества частиц дисперсной фазы:F = f(T,V,N),(1.1)где F − свободная энергия, T − температура, V − объем, N − количествочастиц.Положению устойчивого равновесия соответствует точка минимумасвободной энергии, поэтому при постоянстве температуры и давления система будет стремиться к уменьшению количества частиц [69]. В приложении кэнергии поверхности этот закон можно записать в следующем виде (1.2) [32]:(1.2)σS→minгде σ − удельное значение свободной энергии поверхности (поверхностное натяжение), S − суммарная площадь поверхности дисперсной фазы.Если σS постоянно, то самопроизвольно происходят процессы внаправлении уменьшения суммарной поверхности, приводящие к уменьшению дисперсности, т.е.
к укрупнению частиц. Термодинамика поверхностираздела фаз развита в классических работах Гиббса [31].Основы фазовой и седиментационной устойчивости дисперсных системразработаны П.А. Ребиндером и Е.Д. Щукиным [61; 120]. В.Н. Измайлова иП.А. Ребиндер [51] ввели понятие «белковые системы», включающие в себя:1) белки как поверхностно-активные вещества (ПАВ), 2) растворы белков каклиофильные коллоиды, 3) тонкие слои и пленки белков, формирующиеся в19результате поверхностных явлений (монослои, адсорбционные слои, несимметричные смачивающие пленки и симметричные двусторонние тонкиепленки, 4) дисперсные системы, стабилизированные белками.Молекулярные коллоиды - это природные или синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от десяти тысяч до нескольких миллионов Да [32].
Все белки плазмы крови относятся к молекулярнымколлоидам. В любом гидрозоле все коллоидные частицы имеют одинаковыйзнак заряда поверхности. Коллоидная частица в целом электронейтральна врезультате образования двойного электрического слоя противоионов. В ролипротивоионов могут выступать также и диполи воды. Ионы адсорбционногои диффузионного слоев находятся в динамическом равновесии.
Двойнойэлектрический слой выступает в качестве стабилизатора коллоидной системы. С увеличением концентрации любого электролита происходит перестройка двойного электрического слоя: все большая часть противоионов вытесняется из диффузионной в адсорбционную часть. Когда двойной электрический слой сжимается до толщины адсорбционного слоя, наступает быстраякоагуляция [32], т.е. стабильность коллоидной системы нарушается при повышении ионной силы раствора.При низкой ионной силе существует слабое притяжение между частицами, действующее на больших расстояниях. При большой ионной силе частицы могут взаимодействовать лишь на близких расстояниях, но сила ихвзаимного притяжения значительно возрастает [258].Реальные белки в растворе имеют гетерогенное распределение поверхностных зарядов, обусловленное местоположением тех или иных аминокислот.
Можно говорить лишь об относительном суммарном преобладании отрицательных или положительных зарядов на поверхности молекул [335]. Характер распределения зарядов на поверхности белка, наряду с ионной силойи рН раствора, определяет особенности его агрегации.20Небольшие молекулы с высокой плотностью поверхностных зарядов(космотропы) связывают воду сильнее, чем молекулы воды взаимодействуютмежду собой, тогда как крупные моновалентные ионы с небольшим поверхностным зарядом (хаотропы) связывают воду слабее, чем молекулы водывзаимодействуют друг с другом [215].Меру взаимодействия ионов с водой характеризует коэффициент Bуравнения Джонса-Дола [36] 1 A c B c , где ηr и с – относительнаявязкость электролитного раствора и молярная концентрация растворенноговещества, соответственно, А и В – параметры уравнения.
На основании изучения зависимости вязкости от концентрации, а также сравнения ее с концентрационными зависимостями других свойств растворов электролитов былопоказано [36], что ионный коэффициент B зависит от формы и размеров растворенного иона, ориентационного взаимодействия иона с окружающими егодипольными молекулами и изменения структуры растворителя. Другимисловами, коэффициент В является интегральной характеристикой, отражающей всю сумму изменений, вызванных в растворителе при появлении в немрастворенной частицы.Хаотропы имеют отрицательный коэффициент В, а космотропы – положительный. Хаотропы стабилизируют протеины и гидрофобные агрегаты врастворе, а также снижают растворимость гидрофобных молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
