Зимой и летом одним цветом

При расчете учтите, что содержание глюкозы приведено на всю массу хвои. Определяя моляльную концентрацию глюкозы, необходимо относить её к воде.

Вспомните, что такое изомеры и как это может помочь в определении молекулярной массы изомеров глюкозы.

Вспомните, что у высокомолекулярных соединений, к которым относятся белки, есть третий тип взаимоотношения с растворителем кроме характерных для низкомолекулярных веществ «растворяется» и «не растворяется».

Как следует из данных, приведенных в условии задачи, в 100 граммах хвои содержится 6 грамм глюкозы и ее изомеров и 55 грамм воды. То есть мы определяем понижение температуры замерзания воды раствора, состоящего из 6 граммов глюкозы и ее изомеров и 55 граммов воды. Изомеры — это вещества с одинаковым атомным составом и молекулярной массой, но разным химическим строением. Значит, для расчета моляльной концентрации можно использовать молекулярную массу глюкозы (180 г/моль) для всех этих 6 граммов веществ, которые фактически являются другими сахарами-гексозами (С₆Н₁₂О₆). Итак:

(С₆Н₁₂О₆) = 6/180 = 0,033 моль,

C_m(С₆Н₁₂О₆) = 0,033 моль/0,055 кг = 0,6 моль/кг.

Подставляя это значение моляльной концентрации в уравнение для определения депрессии температуры замерзания, получаем:

Δt_кр. = 1,86 × 0,6 = 1,12 К,

Можно, конечно посчитать, насколько градусов понизит температуру замерзания воды растворенный в ней белок (но только для того, чтобы понять, что он работает не так как глюкоза):

Такое изменение температуры замерзания практически невозможно детектировать существующими приборами. Кстати, именно из-за того, что растворы белков и других макромолекул в воде замерзают практически при той же температуре, что и сама вода, до 1960-х годов белки не рассматривались на роль антифризов. Их концентрация в крови полярных животных и в биологических жидкостях других форм жизни, выдерживающих морозы, слишком мала, чтобы они могли понижать температуру замерзания за счет эффектов, являющихся следствием закона Рауля.

На самом деле белки-антифризы и другие биологически активные вещества, играющие роль природных антифризов, не понижают температуру замерзания воды — их роль состоит несколько в другом. Для живых организмов, в том числе и хвойных, не так опасен сам факт замерзания воды. Если вода переходит в твердое состояние, то обменные процессы у многих организмов останавливаются; есть холоднокровные позвоночные, которые могут просто вмерзнуть в лед, а по весне оттаять и поплыть по своим делам (см. картинку дня Замороженная лягушка). Самое опасное — это начальные этапы замерзания воды, которая, переходя в твердое состояние, расширяется (в отличие от других соединений), формируя при этом кристаллы с шестилучевой симметрией (см. картинку дня Снежинка) и острыми краями, которые могут повредить клеточную мембрану, что приводит к разрушению клетки. Разрушение определенного количество клеток просто несовместимо с жизнью организма.

Белок хвойных дегидрин, как и другие белки-антифризы, препятствует образованию кристалликов льда с острыми краями за счет набухания. Этот тип взаимодействия вещества с растворителем, характерный только для высокомолекулярных соединений (полимеров), заключается в том, что молекулы растворителя связываются с макромолекулами, в результате чего образец полимера остается твердофазным, но изменяет свою форму, увеличиваясь в объеме. Из-за макромолекул вода при замерзании вместо идеально ровных кристаллов с острыми краями образует большое количество мелких кристалликов со сглаженными краями, которые не так опасны для клеточных стенок.

Так, обычно кристаллы льда формируются в виде призм с шестью прямоугольными гранями и двумя шестиугольными основаниями, причем площадь оснований меньше площади боковых граней. Изучение формы кристаллов, образующихся в присутствии белков-антифризов рыб, показало, что эти белки связываются с прямоугольными гранями ледяной призмы, не позволяя новым молекулам воды присоединяться к ним. Доступными для молекул воды остаются только шестиугольные грани-основания, что значительно замедляет рост кристаллов.

Конечно же, способность наших хвойных переносить низкие температуры связана не только с тем, что их внутриклеточные жидкости замерзают при температурах ниже температуры замерзания воды, а белки-антифризы снижают риск образования кристаллов, могущих прорвать клеточные стенки. Еще один фактор защиты хвои от холодов — восковое покрытие иголок. Расположенные на поверхности хвои сложные эфиры высших карбоновых кислот и высших спиртов — кутины — не дают воде покинуть хвоинки, тормозя процесс испарения (который протекает с охлаждением), а также, обладая низкой теплопроводностью, дополнительно защищают хвоинки от резкого охлаждения.

Долгое время все известные биологические макромолекулы-антифризы были сложными белками-гликопротеинами — соединениями, содержащими химически связанные белковую и полисахаридную цепи. Однако недавно из организма арктического жука U. Ceramboides, способного переносить температуры до –60°C, был выделен антифриз, представляющий собой просто полисахарид, не содержащий белковой компоненты (K. R. Walters et al., 2009. A nonprotein thermal hysteresis-producing xylomannan antifreeze in the freeze-tolerant Alaskan beetle Upis ceramboides).

О применении белков-антифризов см:
Об антифризах — белках и не только, «Химия и жизнь» №12, 2016.