Лекция: Взаимодействие вода — растворенное вещество

При добавлении различных веществ к воде изменяются свойства как са­мого вещества, так и воды. Гидрофильные вещества взаимодействуют с во­дой путем ион-дипольного или диполь-дипольного механизма, вызывая изменения в структуре воды, ее подвижности, а также в структуре и реакци­онной способности гидрофильных веществ. Гидрофобные группы добавлен­ных веществ взаимодействуют с близлежащей водой слабо, предпочитая неводное окружение. Молекулы около гидрофобных групп становятся бо­лее упорядоченными, что приводит к уменьшению энтропии. Чтобы умень­шить контакт с водой, гидрофобные группы агрегируются. Как уже говори­лось, этот процесс известен как гидрофобное взаимодействие.

Взаимодействие воды с ионами и ионными группами.Вода, взаимодей­ствующая с ионами и ионными группами, является наиболее прочно свя­занной в пищевых продуктах. Нормальная структура чистой воды (осно­ванная на водородных связях тетраэдрическая конфигурация) нарушает­ся при добавлении диссоциирующих веществ. Для простых неорганичес­ких ионов, которые не обладают донорными или акцепторными местами для образования водородных связей, связь просто полярна. Простейший пример — гидратированные ионы хлорида натрия. Вода в мультислое су­ществует в структурно разрушенном состоянии из-за конкурирующего вли­яния, с одной стороны, монослоя, с другой — внешней массы воды.

Способность ионов изменять структуру воды тесно связана с силой электрического поля иона. Малые и (или) многовалентные (главным об­разом, положительные) ионы, такие как Li+, Na+, H3O+, Ca2+, Ba2+, Mg2+, Al3+, F-, ОН-, имеют сильное электрическое поле и являются образователями сетчатой структуры. Около каждого из этих ионов расположено от 4 до 6 молекул воды. Связанная вода менее лабильна и обладает более

плотной структурой по сравнению с чистой водой (см. рис. 10.4).

Большие и моновалентные ионы (главным образом, отрица­тельно заряженные ионы и большие положительные ионы), такие как К+, Cs+, NH4+, C1-, Вг-, I-, NO3-, BrO3-, IO3- и С1О4-, имеют относи­тельно слабое электрическое поле и

являются разрушителями сетчатой структуры, хотя для К+ этот эффект очень слаб.

Благодаря различной способности ионов гидратироваться, изменять водную структуру, влиять на диэлектрическую постоянную водной сре­ды и толщину двойного электрического слоя около коллоидов, они сильно воздействуют на суспендированные и другие растворенные вещества в среде. Поэтому, например, конформация белков и стабильность коллои­дов сильно зависят от вида и количества присутствующих ионов.

Взаимодействие воды с нейтральными группами, обладающими способ­ностью образовывать водородные связи.Водородные связи вода — раство­ренное вещество являются более слабыми, чем при вода — ион взаимо­действиях. Тем не менее, вода, связанная посредством водородных свя­зей с растворенным веществом, может быть классифицирована как «орга­нически связанная» или «близлежащая» и должна проявлять понижен­ную подвижность по сравнению с водой в массе раствора (водной фазы).

Можно ожидать, что вещества, способные к образованию водород­ных связей, не повышают или, по крайней мере, не разрушают нормаль­ную структуру чистой воды. Однако в ряде случаев отмечается ориента­ция водородных связей, отличная от нормальной воды.

Водородные связи воды образуются с различными группами (гидро-ксил-, амино-, карбонил-, амид- или имино-). Например, вода образует водородные связи с двумя видами функциональных групп белков. Эти связи могут быть как в одной макромолекуле между различными группа­ми, так и между разными макромолекулами:

Взаимодействие вода — неполярное вещество. Всистеме вода — непо­лярное вещество важны два аспекта структурных образований: образо­вание клатратных гидратов и гидрофобные взаимодействия в белках.

Клатратные гидраты являются соединениями включения, то есть это соединения, имеющие молекулу-«хозяина», образующуюся за счет во­дородных связей, и молекулу-«гостя». Образования такого типа имеют место в биологических материалах.

«Гости» в клатратных гидратах являются низкомолекулярными соеди­нениями, а «хозяин» представляет собой «сетку» из 20—74 водных молекул.

Типичные «гости» — это низкомолекулярные углеводороды, галоге-нуглеводороды, диоксид углерода, этиленоксид, этиловый спирт, корот-коцепочные первичные, вторичные и третичные амины, алкил-аммоний. Взаимодействие между водой и «гостем» часто обусловлено слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, но может иметь место и электростатическое взаимодействие.

Клатратные гидраты имеют важное значение, т. к. влияют на конфор-мацию, реакционноспособность и стабильность таких молекул, как белки.

Гидрофобные взаимодействия в водном окружении также важны, т. к. примерно 40% общих аминокислот в большинстве белков имеют непо­лярные группы. Неполярные группы других компонентов, таких как спирты, жирные кислоты, свободные аминокислоты, также могут уча­ствовать в гидрофобных взаимодействиях. Эти взаимодействия являют­ся слабыми, по силе они примерно такие же, как силы Ван-дер-Ваальса. Гидрофобные взаимодействия важны для четвертичной структуры мно­гих белков, поэтому вода (и водная структура) играет важную роль в кон-формации белка.