УДК: 615.31:547.262:577.356] – 073.584

Изучение влияния сверхмалых количеств этанола на водные системы методом ИК-спектроскопии

Г.Е. Бордина, Г.М. Зубарева, И.А. Рощина, Г.П. Шматов

Кафедра общей и биоорганической химии

В работе изучалось влияние сверхмалых концентраций этанола на состояние водного компонента в модельных системах с помощью аппаратно-программного комплекса “ИКАР”. Эффект воздействия оценивали используя критерии многомерного анализа Бартлетта и Махаланобиса.

Несмотря на большое количество данных о влиянии этанола на биологические процессы, некоторые детали механизма его действия окончательно не изучены.

Согласно современным представлениям многие метаболические и функциональные изменения клеток, сопровождающие различные патологические процессы определяются структурными нарушениями внутри- и внеклеточной воды [1]. Известно, что этанол значительно изменяет физико-химические свойства воды [2]. Следовательно, можно предположить, что в действии данного соединения на многочисленные звенья биохимических процессов, существенную роль может играть его влияние на структуру водного компонента биологических систем. Поэтому представляло интерес изучить особенности влияния низких концентраций этанола на состояние водных систем.

В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что сверхмалые количества веществ по сравнению с их более высокими концентрациями оказывают существенное влияние на разнообразные биологические эффекты [3,4].

Объяснение тонких деталей механизмов этих феноменов представляет существенные трудности, так как большинство измерительных процедур, связанных с изучением структуры воды влияют на её состояние.

Наиболее перспективным для решения данной задачи является использование инфракрасной спектроскопии (ИКС) в диапазонах, характеризующих водородные связи, а также вращательные, колебательные и либрационные взаимодействия молекул воды. При этом, по сравнению с другими методами нативность структуры исследуемой жидкости в процессе измерения существенно не нарушается.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Одним из новых подходов при использовании инфракрасного излучения для исследования водных систем являются способы многократного регистрирования измеряемых показателей в короткие временные интервалы, что дает возможность охарактеризовать величину их колебания с помощью дисперсии. Для этих целей используется аппаратно-программный комплекс “ИКАР”, позволяющий количественно измерять дисперсию в 9-ти диапазонах.

В данной работе использовался аппаратно-программный комплекс “ИКАР”, который не имеет зарубежных и отечественных аналогов, что подтверждено соответствующими патентами [5]. Аппаратную основу составляет ИК-анализатор низкого разрешения, быстро фиксирующий не только значения коэффициентов пропускания по каждому каналу в диапазоне 3500-930 см^-1, но и определяющий величину их дисперсии по результатам 30 измерений, осуществляемых за 30 сек. Таким образом, получается принципиально новая информация. Серийные отечественные и зарубежные ИК-спектрометры усредняя значение коэффициентов пропускания, не фиксируют их дисперсность, теряя тем самым, ценную информацию, получаемую комплексом “ИКАР”.

Высокая чувствительность системы и быстрота анализа (2-3 мин) в процессе измерения позволяет регистрировать изменения межмолекулярных взаимодействий в анализируемой пробе путем фиксации спектральных отличий в различных областях её инфракрасного спектра.

Цель настоящей работы заключалась в том, чтобы с помощью дисперсии коэффициентов пропускания водно-спиртовых растворов идентифицировать степень влияния сверх малых концентраций этанола на изменение состояния водного компонента.

Значения коэффициентов пропускания регистрировали в следующих диапазонах длин волн: 3500-3200см^-1, 3085-2832см^-1, 2120-1880см^-1, 1710-1610см^-1, 1600-1535см^-1, 1543-1425см^-1, 1430,1210см^-1, 1127-1057см^-1, 1067-963см^-1. Ширина диапазона определялась оптическими параметрами соответствующего интерференционного фильтра. Измерение осуществляли в кюветах из КRS толщиной 20мк. Это дает возможность контролировать колебания коэффициентов пропускания тонкого слоя воды, которые связаны согласно литературным данным со специфическими преобразованиями кластеров, характеризующих жидкокристаллическую структуру водных компонентов исследуемых растворов, находящихся в тонких слоях [6].

При проведении эксперимента использовали растворы этилового спирта, которые получали быстрым, последовательным десятикратным разбавлением 1М исходного раствора.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В процессе исследований с помощью спектрометра регистрировались значения дисперсий для чистой воды (эталона), затем для исследуемого образца. Все расчеты проведены в вычислительной среде системы компьютерной математики MATLAB.

Полученные результаты обрабатывали с помощью многомерного анализа, в котором использовали критерии Бартлетта и Махаланобиса.

Сравнение ковариационных матриц двух массивов осуществляется с целью идентификации взаимосвязей показателей пропускания эталона и анализируемой пробы. Такой алгоритм часто используется при классификации наблюдаемых объектов, распознавании образов и т.п. На практике проверка равенства двух ковариационных матриц значительно снижает возможность появления ошибки в выводах. Это происходит из-за весьма малой вероятности случайного совпадения одновременно большого числа сложных характеристик признаковых связей между каналами анализатора.

Для этих целей в работе использовался многомерный критерий Бартлетта.

Рис.1 Изменения критерия Бартлетта от степени разведения этанола

На рис.1 представлена аппроксимация критерия Бартлетта от разведения этанола. Из рисунка видно, что эта зависимость имеет волнообразный характер, причем максимальные значения данного показателя регистрируются при низких разведениях в 10¹⁸, 10¹⁹, 10²⁰ и в 10²⁷раз. Таким образом, сверхмалые количества этанола оказывают сходное воздействие на водную составляющую. Аппроксимация динамических показателей критерия Бартлетта линейным полиномом представляет прямую линию, которая не пересекает ось разведения. Это позволяет предположить, что процессы распада и образования водных ассоциатов продолжаются постоянно.

Рис.2 Изменения критерия Махаланобиса от степени разведения этанола.

На рис.2 представлена аппроксимация полученных экспериментальных данных полиномом десятой степени в координатах критерий Махаланобиса – разведения этанола. Полученная зависимость имеет также циклический волнообразный характер. Оценивая эффект воздействия сверх малых количеств этанола на ИК-спектр воды с помощью критерия Махаланобиса обнаружено, что максимальные значения этой величины наблюдаются при разведении исходного 1М раствора в 10¹⁵ и 10²⁵ раз. При этом высокий показатель критерия Махаланобиса зарегистрирован и при разведении в 10⁶ раз. Таким образом, различное содержание сверхмалых количеств этилового спирта вызывает сходные изменения целостного состояния системы, что, по-видимому, определяется особенностью процессов переструктуризации водных ассоциатов в тонких слоях воды.

Анализ данной зависимости, однако, не позволяет сделать вывод о том, что будет происходить с водными системами при больших разведениях (>30 раз). Аппроксимация же показателей критерия Маханалобиса линейным полиномом представляет собой прямую линию, экстраполяция которой на ось разведений позволяет предположить, что при разведении исходного раствора в 10⁴⁸ информации о спирте в водной системе не будет.

Из полученных результатов можно заключить, что в условиях опыта различные сверхмалые концентрации этанола изменяют целостное состояние системы.

ВЫВОДЫ

Таким образом, установлено, что в сильно разбавленных растворах этилового спирта, наблюдаются существенные изменения величины дисперсии показателей ИК-спектра в отдельных спектральных зонах, характеризующих структурные перестройки молекул воды. Доказано, что значение показателя дисперсии зависит от длины волны инфракрасного спектра, а также характера взаимодействия молекул воды и спирта, что может являться одним из механизмов в обеспечении биологического эффекта этанола.

Следовательно, этиловый спирт в низких концентрациях, влияет на процессы трансформации структуры воды. Эти структурные изменения заключаются, на наш взгляд, в одновременном образовании и распаде кластерных и клатратных структур. По-видимому, посредством образования водородных связей спирт способен присоединиться к кластеру из молекул воды (рис.3а), а затем и войти в состав кластера (рис.3б), так как последние постоянно разрушаются и создаются новые. При этом меняется вид химической связи. Перераспределение водородных и ковалентных связей можно представить следующим образом:

Как показано на схеме, атомы водорода могут менять один вид связи на другой (---- водородная связь, ¾ ковалентная связь).

Предлагаемая схема не противоречит литературным данным и, по-видимому, находит свое отражение в колебательном спектре воды.

Рис. 3. Механизм возможного присоединения молекул С₂Н₅ОН к водному кластеру (а) и вхождение в его состав (б).

В соответствии с полученными данными, согласно клатратной теории модели структуры воды, вполне вероятно, что механизм действия этанола заключается в связывании додекаэдром молекулы спирта, что не противоречит данным литературы (рис. 4).

Рис. 4. Связывание водным додекаэдром молекулы спирта.

При этом нарушается структура водного каркаса, из-за возникающей деформации Н-связей и проявляется эффект ближнего действия этанола. Регуляторный эффект этанола может быть связан с тем, что водная структура, благодаря миграции протона сквозь туннели Н-связей, обладает способностью к дальнодействию. В этом случае образование водородной связи может представлять первую стадию переноса протона, затем протон осуществляет движение по цепочке молекул воды в виде ионных дефектов Н₃О⁺ (гидроксония) и ОН^- (гидроксила).

Благодаря высокой подвижности протона, можно считать, что он мигрирует по структуре с жесткими Н-связями и эффективно увеличивает энергию взаимодействия молекул воды, что приводит к стабилизации кластера в присутствии этанола.

Таким образом, биологические эффекты этанола могут быть в значительной степени связаны со способностью этого вещества, в низких концентрациях, влиять на процессы переструктуризации водного компонента биологических жидкостей, изменяя тем самым характер эффектов ближнего и дальнего действия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксенов С.И. // Тезисы докладов ХI конференции “ Космическая биология и авиакосмическая медицина”. –М.,-1998. – С.21-22.

2. Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. – Киев, 1991. -667с.

3. Зубарева Г.М., Каргаполов А.В., Ягужинский Л.С. // Биофизика. – 2003.- №4.- Т.48.- вып.4.- 581-584с.

4. ЗубареваГ.М., КаргаполовА.В., ЯгужинскийС.Л. // Биофизика. – 2003.- №2.- Т.48.- вып.2.- 197-200 с.

5. Каргаполов А.В., Плигин А.М., Зубарева Г.М., Шматов Г.П. // Патент на изобр. N2137126 от 10.09.1999

6. О.А.Пономарев, Е.Е.Фесенко //Биофизика.- 2000.- Т.45.- вып.3.- с389-398