ГИДРАТАЦИЯГИДРАТАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХБИОЛОГИЧЕСКИХ

МОЛЕКУЛМОЛЕКУЛ ИИ ОРТООРТО-- ПАРАПАРА-- МОЛЕКУЛЫМОЛЕКУЛЫ HH22OO

ДроздовДроздов АА..ВВ..

ИнститутИнститут АналитическогоАналитического приборостроенияприборостроения РАНРАНСанктСанкт--ПетербургПетербург, , РоссияРоссия

av@biophys.ru

ЧастьЧасть 1. 1. ФизическаяФизическая

ОртоОрто-- ии парапара-- изомерыизомеры НН22ОО

Орто-изомер Пара-изомер

НесколькоНесколько словслов пропро спинспин изомерыизомерыИсходяИсходя изиз квантовоквантово--механическогомеханического принципапринципа неразличимостинеразличимостиволноваяволновая функцияфункция описывающаяописывающая системусистему вв составсостав которойкоторой входитвходитдведве одинаковыеодинаковые частицычастицы имеетимеет всеговсего дведве возможностивозможности–– волноваяволноваяфункцияфункция либолибо симметричнасимметрична ((тт..ее. . совершенносовершенно нене меняетсяменяется приприперестановкеперестановке частицчастиц), ), либолибо антисимметричнаантисимметрична ((тт..ее. . припри перестановкеперестановкеменяетменяет знакзнак).).НапримерНапример длядля НН22 этотэтот принциппринцип реализуетсяреализуется вв томтом, , чточто егоегомолекулярныемолекулярные состояниясостояния должныдолжны бытьбыть разделеныразделены нана двадва видавида, , практическипрактически нене комбинирующиекомбинирующие другдруг сс другомдругом. . ОртоОрто--НН2 2 ((ооНН22) ) ии парапара--НН22((ррНН22).).ИзИз квантовойквантовой механикимеханики такжетакже вытекаетвытекает: : взаимнаявзаимная связьсвязь междумеждуориентировкойориентировкой ядерныхядерных спиновспинов ии ротационнымиротационными квантовымиквантовымичисламичислами, , аа такжетакже запрещениезапрещение переходаперехода междумежду ооНН22↔↔ррНН22..ВзаимныеВзаимные переходыпереходы ооНН22↔↔ррНН22::

-- излучениеизлучение ((времявремя половинногополовинного превращенияпревращения ∼∼300 300 летлет););-- термическийтермический переходпереход НН + + ррНН22 ↔↔ ооНН22 + + НН ((↑↑ ++ ↑↓↑↓ ↔↔ ↑↑↑↑ ++ ↓↓), ), ∼∼ минмин;;-- подпод действиемдействием неоднородногонеоднородного магнитногомагнитного поляполя..

ПриПри превращениипревращении ооНН22→→ррНН22 выделяетсявыделяется теплотепло -- 1418 1418 ДжДж//мольмоль..ПриПри низкихнизких температурахтемпературах физикофизико--химическиехимические свойствасвойства ооНН22 ии ррНН22различаютсяразличаются..

ЭнергитическиеЭнергитические уровниуровни ии соотношениесоотношениеортоорто-- ии парапара-- изомеровизомеров НН22ОО

П.Л.Чаповский и др. ЖЭТФ, т.129, 86 (2006)

0 10 20 30 40 50 60 70 800,0

0,5

1,0

1,5

2,0 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Temperature, 0C

Temperature, 0C

лед

вода

kT

40 190 500360 600 760

-60-230-450-740-1330-1370

-1230

ЗначенияЗначения особыхособых температурныхтемпературных точекточекльдальда ии водыводы

ОбластьОбласть +4 +4 –– +40 +40 00СС

190 195 200 205 210 215 220

0,00E+000

5,00E-020

1,00E-019

1,50E-019

2,00E-019

2,50E-01936 C019 C04 C0

intO rtho intPara K

Inte

nsity

, cm

/mol

[20]

Wavenumber, cm -1

S.M.Pershin, Phys. of Wave Phenomena, 2008, 16(1), 15-25

Совпадение энергии kT и энергии hω вращенияорто/пара изомеров в области особых точек Н2О

СовпадениеСовпадение энергииэнергии kTkT ии энергииэнергии hhωω вращениявращенияортоорто//парапара изомеровизомеров вв областиобласти особыхособых точекточек

НН22ОО

100 120 140 160 180 200 220 240

0,00E+000

1,00E-019

2,00E-019

3,00E-019

4,00E-019

5,00E-019In

tens

ity, c

m/m

ol [2

0]

Wavenumber, cm -1

-24 C0

76 C0

50 C0

36 C0

19 C0

4.2 C0

- 137 C0

- 121 C0

- 74 C0

- 47 C0

S.M.Pershin, Phys. of Wave Phenomena, 2008, 16(1), 15-25

ЧастьЧасть 2. 2. БиологическаяБиологическая

ЧастьЧасть 3. 3. ФизикоФизико--биологическаябиологическая

ЕщеЕще разраз оо связаннойсвязанной водеводе

СтруктураСтруктура льдальда IIhh

ОртоОрто-- ии парапара-- изомерыизомеры НН22ОО должныдолжны попо разномуразномуадсорбироватьсяадсорбироваться нана поверхностиповерхности вв томтом числечисле нана

поверхностиповерхности биомолекулбиомолекул

ИзменениеИзменение соотношениясоотношения ортоорто--НН22ОО//парапара--НН22ОО должнодолжноприводитьприводить кк изменениюизменению степенистепени гидратациигидратации

биомолекулбиомолекул

КК изменениюизменению ихих биологическойбиологической активностиактивности..

ОртоОрто-- ии парапара-- изомерыизомеры НН22ОО ии ихихвозможнаявозможная рольроль вв биологиибиологии

Похоже маленький спин играет

БОЛЬШУЮРоль :-)

СпасибоСпасибо заза вниманиевнимание

ЭволюцияЭволюция ССРР льдальда; ; ХайдаХайда ии дрдр. 1972. 1972гг..

Быстрое охлаждение

хранение 71 часапри -179 0С

хранение 624 часапри -184 0С

-10 0C/min

80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135-0,0005

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0,0040

Haida O., Matsuo T., Suga H., Seki S. Relaxation proton ordering and glassy crystalline state in hexagonal ice, Proc.Japan Acad. 48, #7, 489, 1972

106,5cm-1

75,53 Kortho

104.5 cm-1 74,1 K

ortho

para

para

para

72.18 cm-1

101.77 K

73.2 cm-1103 K

79.77 cm-1112 K

88.08 cm-1124 K

Hea

t cap

acity

/tem

pera

ture

, J K

-2 M

ol-2

Temperature, 0K

Эволюция Ср льда