Истинные размеры и форма молекулы воды и их влияние на ее

УДК 577.3(06) Биофизика
М.В.ФОК
Физический институт академии наук им. П.Н. Лебедева
ИСТИННЫЕ РАЗМЕРЫ И ФОРМА МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЕЕ СВОЙСТВА
Во многих статьях и книгах, в которых обсуждаются свойства воды, ее
молекулу изображают как шарик с отростками. Шарик изображает атом
кислорода, а отростки–атомы водорода. Но, если учесть, что известное из
опыта расстояние между ядрами водорода и кислорода чуть меньше
одного ангстрема, то получится, что объем такой фигуры заведомо
меньше 30 кубических Ангстрем, т.е. в 100 или даже 200 раз меньше ее
действительного объема.
Очевидно, что ошибочны и все выводы, полученные на основе этой
ошибочной модели. В частности, ошибочен вывод о существовании
водородных связей между молекулами воды. Он был сделан на основании
того, что при такой (ошибочной) форме молекулы воды атом водорода от
принадлежащей другой молекуле воды может подойти к атому кислорода
на расстояние, меньшее, чем то, на котором находится ее собственный
атом водорода. Тут допускают вторую ошибку. Такого сближения еще
недостаточно для возникновения водородной связи, существованием
которой объясняют структурирование воды. Такая связь возникает при
обмене нейтральным атомом водорода, например, при соприкосновении
молекул, имеющих углеводородные цепочки с ненасыщенными связями.
А в молекуле воды кислород оттянул на себя около трети электронного
облака от каждого атома водорода, в результате чего и появился ее
дипольный момент. Нейтральных атомов водорода там нет.
Настоящая молекула воды не имеет глубоких впадин. Она напоминает
пухлый треугольный пирожок. Ее толщина 3,1 Ангстрема, а вершины
треугольника сглажены участками сфер такого же диаметра и с центрами
в ядрах соответствующих атомов. Такая форма не допускает подобного
сближения «чужого» атома водорода с атомом кислорода данной
молекулы. Заметим, что указанная форма получается как из элементарной
оценки, так и из квантовомеханического расчета распределения
электронной плотности, хотя размеры молекулы из такого расчета
получить невозможно, ибо электронная плотность у одиночной молекулы
отлична от нуля на любом расстоянии от ядер ее атомов.
Ясно, что причина структурирования воды другая. Она связана с
электростатическим взаимодействием ее диполей. Оценка показала, что в
жидкой фазе существуют комплексы из многих молекул воды, имеющие
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 5
163
УДК 577.3(06) Биофизика
большой дипольный момент. Они, конечно, взаимодействуют друг с
другом, образуя некую пространственную структуру.
Геометрическая форма и размеры молекул воды играют большую роль
в биофизических процессах. Например, эти параметры определяют
ориентацию молекул воды, присоединившихся электростатическими
силами к дипольным головкам биологических мембран. Нарушение этой
ориентации адсорбированными на мембране атомами инертного газа
затрудняет передачу нервных импульсов вдоль нервных волокон и в
синапсах. Это приводит к наркозу. А.А. Чарахчьян, заметил, что
вызванная электрическим полем в мембране ориентация молекул воды
атомом кислорода в сторону внешней среды приводит к тому, что
неровности на стенке сквозной поры в мембране в меньшей степени
мешают им продвигаться по ней, удаляясь из клетки, чем двигаться в
противоположном
направлении.
В результате
возникает
противоосмотический поток воды, такой как, например, при образовании
вакуолей. Как видно, учет реальных размеров и формы молекулы воды
сильно меняет наши представления. Теоретикам предстоит много работы,
чтобы исправить допущенную ими ошибку.
164
ISBN 5-7262-0633-9. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2006. Том 5