Замораживание клеток. Как животные, так и растительные клетки можно заморозить и в живом, и в мертвом состоянии. Замораживаются отдельные клетки в суспензии и клетки, образующие структуру тканей.
Однако для всех этих случаев можно установить и одинаково справедливые общие закономерности. Как известно, химический состав клеток сложен. С точки зрения замораживания главную роль играет поведение клеточных белковых соединений. Благодаря своим физическим свойствам белки относятся к коллоидам. Растворяясь в воде, они образуют гидрогели и гидрозоли. Та часть воды, активность которой в гидрозолях и гидрогелях ниже нормальной, называется связанной водой, а остальное водосодержание-свободной водой.
Под действием таких внешних воздействий, как изменение температуры, золи переходят в гели и наоборот. Изменения в клетках при их охлаждении начинают происходить уже вблизи точки замерзания. Вязкость клеточной протоплазмы возрастает, образуется гель, а содержащиеся в клетках липиды вымерзают. Существенные изменения, однако, начинаются после замерзания некоторого количества воды клеточной влаги. Замерзание клеточного коллоида обычно начинается так же, как и замерзание истинного раствора.
Здесь тоже возникает явление понижения температуры замерзания, а из коллоидного раствора вымерзает только чистая вода. Вследствие вымерзания воды остаточная концентрация раствора возрастает, и температура его замерзания подобно истинному раствору уменьшается. Чем ниже температура клеток, тем больше из них вымерзает воды, но благодаря коллоидному характеру системы связанная вода обычно не замерзает. Так, по данным Морана, в 2 -ном растворе желатина примерно 35 воды не вымораживается даже при температуре жидкого воздуха -196 С . На рис. температура t соответствует точке замерзания. Ее значение зависит от концентрации растворенных в клеточной влаге веществ.
При понижении температуры и дальнейшем отборе тепла некоторая часть воды клеточной влаги вымерзает, но жизнеспособность организма пока не изменяется и не исчезает. Это явление справедливо даже для самых общих случаев. Такое состояние продолжается до температуры t. Говоря о вымерзании воды на участке t1-t2, мы имели в виду биохимически и даже биологически свободную воду. На этом участке скорость замерзания не играет особой роли. Случается даже так, что при медленном замерзании биологическая обратимость оказывается лучшей и большее количество клеток остается в живом состоянии.
После оттаивания клеточный обмен веществ снова возобновляется. Тут, однако, становится важным фактор времени, в течение которого клетки находились при температуре t1 до tг, и то, каким образом происходило оттаивание.
Значение температуры t2, или границы биологической обратимости, неоди- наково для разных клеток и клеточных структур. Биологическая обратимость при замораживании или полное восстановление жизненных функций после замораживания характерно только для некоторых пород рыб карасей, некоторых растений и обычно структур более низкого порядка и организации. При охлаждении ниже температуры t2 процесс вымерзания воды продолжается и, хотя клетки и клеточные структуры отмира- ют, вола вымерзает из коллоидного раствора обратимым образом Вымерзшее количество воды до температуры t3 полностью представлено коллоидно свободной водой.
У фруктов температуры t2 и t3 находятся обычно очень близко друг от друга, т. е. прекращений жизнедеятельности практически сопровождается наступлением коллоидной необратимости процесса. Ниже температуры tз начинает замерзать связанная коллоидная вода. Коллоидные частички которые до этого были надежно отделены друг от друга оболочкой гидратов, теперь могут сближаться настолько, что различны силы притяжения склеивают мицеллы.
Высвобожденные связи, на которых раньше находились молекулы воды, теперь действуют друг на друга так, что при взаимодействии некоторых главных соединений коллоидных частичек могут произойти химические изменения и коллоид может денатурироваться. Если позже к местам этих связей подойдут молекулы воды, то они не смогут взаимодействовать с ними. Исследования Риделя показали, что даже если температура клеток понизится ниже температуры t3, то и тогда вся вода не вымерзнет из растворов, т. е. содержащуюся в клетках воду невозможно выморозить полностью.
Линг 1968 объясняет состояние связанной воды наличием на молекулярной поверхности вещества, образующего коллоидный раствор, многослойного поляризованного покрытия из водяных молекул рис Свойства поляризованных водных молекул их точка замерзания, способность растворять различные вещества и т.д. отличаются от свойств нормальных неполяризованных молекул.
Можно предположить, что полное влагосодержание живых клеток состоит именно из таких поляризованных молекул. Уменьшение обратимости коллоидов по мере вымерзания воды ведет к уплотнению остаточного раствора. Водные растворы, образующие клеточную влагу, в зависимости от вида продуктов со- Рис. 91. Расположение слоев поляризованных молекул воды между молекулами белка. Черточки внутри кружков, обозначающих молекулы воды, показывают направления дипольных моментов.
Рис. 92. Влияние температуры на обратимость замерзания. Кривая показывает, что уменьшение температуры и увеличение скорости замерзания благоприятно действуют на обратимость, а кривая показывает, что снижение температуры вследствие концентрации клеточной влаги действует на обратимость неблагоприятным образом. Характеризующая суммарное воздействие этих процессов кривая получается суперпозицией кривых и . держат соли, кислоты, сахара, коллоидные белки и т. д. Концентрация образующих электролиты или находящихся в диссоциированном состоянии солей и кислот вызывает коагуляцию или денатурирование белков.
Во время замораживания недостаточно амортизированных систем может изменяться величина рН. Так, например, рН овощей при замораживании может уменьшаться, а рН мяса увеличиваться. Эти данные указывают на то, что во время замораживания величина рН может достичь изоэлектрической точки выпадения белков или приблизиться к ней. Изоэлектрическая точка глютенина и яичного белка при рН 4,8, оксигемоглобина-при рН 6,8. С другой стороны, отсюда следует, что путем должной фиксации величины рН можно избежать выделения белков.
Последнее удалось подтвердить экспериментально замораживанием мяса с фиксированным значением рН 6,3, после оттаивания которого потеря сока, характеризующая степень денатурирования белков, оказалась очень малой. 10