| 1. Struktura molekula vode. | ||
| Voda ima polarni molekul. Kisik, kao elektronegativniji atom, privlači na sebe elektronsku gustinu koju dijeli sa atomom vodika i stoga nosi djelomično negativan naboj; atomi vodika iz kojih je pomjerena elektronska gustina nose djelomično pozitivan naboj. Dakle, molekul vode jedipol, tj. ima pozitivno i negativno nabijene površine. (Model sa desne strane je trodimenzionalan; može se rotirati pritiskom na lijevu tipku miša.) |
|
2. Vodikove veze.
3. Voda kao rastvarač. |
alt=" Vaš pretraživač razumije |
U odnosu na vodu, praktično sve supstance se mogu podeliti u dve grupe:
1. Hidrofilna(od grčkog "phileo" - voleti, imaju pozitivan afinitet prema vodi
). Ove tvari imaju polarne molekule koje sadrže elektronegativne atome (kiseonik, dušik, fosfor, itd.). Kao rezultat toga, pojedinačni atomi takvih molekula također dobivaju djelomične naboje i formiraju vodikove veze s molekulima vode. primjeri: šećeri, aminokiseline, organske kiseline.
2. Hidrofobna(od grčkog "phobos" - strah, imaju negativan afinitet prema vodi
). Molekuli takvih supstanci su nepolarni i ne miješaju se s polarnim rastvaračem, kao što je voda, ali su vrlo topljivi u organskim otapalima, na primjer, etru, i u mastima. Primjer bi bio linearni i ciklični ugljovodonici. uklj. benzen.
|
Pitanje 2. Pogledajte pažljivo dva molekula sa desne strane. Šta mislite, koji od ovih molekula je hidrofilan, a koji hidrofoban? Zašto tako misliš? Jeste li saznali koje su to supstance? Među organskim supstancama postoje i jedinjenja čiji je jedan dio molekula nepolaran i pokazuje hidrofobna svojstva, a drugi je polaran i samim tim hidrofilan. |
alt=" Vaš pretraživač razumije | alt=" Vaš pretraživač razumije | ||
| Takve supstance se nazivaju amfipatski
. Molekula fosfatidilserin(jedan od fosfolipida plazma membrane ćelija, desno) može poslužiti kao primer amfipatskih jedinjenja. Pitanje 3.
Pogledajte pažljivo ovaj molekul. Šta mislite koji dio je hidrofilan, a koji hidrofoban? Postavite molekul tako da bude što jasniji, kreirajte grafičku datoteku i u njoj označite hidrofilni i hidrofobni dio molekule. 4. Voda kao rastvarač u živim organizmima.
|
alt=" Vaš pretraživač razumije |
Pored toga, transportna funkcija unutrašnjih tečnosti kako kod višećelijskih životinja (krv, limfa, hemolimfa, celimska tečnost) tako i kod višećelijskih biljaka direktno je povezana sa svojstvom vode kao rastvarača.
5. Voda kao reagens.
Značaj vode povezan je i sa njenim hemijskim svojstvima – kao obične supstance koja ulazi u hemijske reakcije sa drugim supstancama. Najvažnije su cijepanje vode pod utjecajem svjetlosti ( fotoliza) u svetlosnoj fazi fotosinteza, učešće vode kao neophodnog reagensa u reakcijama razgradnje kompleksnih biopolimera (nije slučajno da se takve reakcije nazivaju reakcije hidrolize
). I obrnuto, tokom reakcija formiranja biopolimera, polimerizacije, oslobađa se voda.
Pitanje 4.
Koju netačnost u poslednjoj rečenici bi hemičar ispravio?
Hidrofilne supstance
Hidrofilne materije (supstance)
Čvrste tvari koje imaju svojstvo vlaženja vodom. Ne vlaži se uljnim tečnostima.
Kratak elektronski priručnik o osnovnim pojmovima nafte i gasa sa sistemom unakrsnih referenci. - M.: Ruski državni univerzitet za naftu i gas nazvan po. I. M. Gubkina. M.A. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Novik. 2004 .
Pogledajte šta su "Hidrofilne supstance" u drugim rječnicima:
Hidrofilne baze za masti- Stil ovog članka je neenciklopedijski ili krši norme ruskog jezika. Članak treba ispraviti prema stilskim pravilima Wikipedije. Glavni članak: Baze za mast Hidrofilne baze za mast Baze za masti koje se koriste za ... ... Wikipedia
Hidrofilna- (od hidro i fil) "vodoljubive" supstance čiji su molekuli elektropolarni i lako se kombinuju sa molekulima vode. Suprotno tome su hidrofobne („mrze vode“) supstance... Počeci moderne prirodne nauke
Sredstva za zaptivanje- visokopolimerne hidrofilne supstance koje se koriste za sabijanje tečnih hranljivih medija. U medijima za hemoorganotrofe kao U.V. koristite agar (vidi) i želatinu (vidi), za autotrofne organizme silika gel (vidi). Manje...... Mikrobiološki rječnik
Supstance koje se mogu akumulirati (zgušnjavati) na površini dodira dvaju tijela, koje se nazivaju međufazna površina ili međufazna površina. Na međufaznoj površini P. a. V. formiraju adsorpcijski sloj povećane koncentracije ... ... Velika sovjetska enciklopedija
surfaktanti (tenzidi)- tvari koje se mogu adsorbirati na međufaznoj površini i uzrokovati smanjenje površinske (međufazne) napetosti. Tipični surfaktanti su organska jedinjenja čije molekule sadrže liofilne i liofobne (obično hidrofilne i ... ... Enciklopedijski rečnik metalurgije
Surfaktanti- (a. surfaktanti; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; f. supstance tensio aktivne; i. surfaktante), supstance sa asimetričnim mol. strukture, čiji molekuli imaju difilnu strukturu, tj. sadrže liofilne i... Geološka enciklopedija
surfaktanti- Surfaktant Supstance koje se mogu adsorbovati na međuprostoru i uzrokovati smanjenje površine. (međufazna) napetost. Tipični surfaktanti su organski. jedinjenja čije molekule sadrže liofilne i liofobne (obično hidrofilne i hidrofobne) na... Vodič za tehnički prevodilac
Vrste površinski aktivnih tvari Supstance asimetrične molekularne strukture, čije molekule imaju difilnu strukturu, odnosno sadrže liofilne i liofobne (obično hidrofilne polarne grupe i hidrofobni radikali) atomske grupe. difilski...... Mikroenciklopedija nafte i plina
Ćelijske membrane- Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Membrana Slika ćelijske membrane. Male plave i bijele kuglice odgovaraju hidrofilnim "glavama" lipida, a linije vezane za njih odgovaraju hidrofobnim "repovima". Na slici... ... Wikipedia
Selektivna propusnost- Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Membrana Slika ćelijske membrane. Male plave i bijele kuglice odgovaraju hidrofilnim "glavama" lipida, a linije vezane za njih odgovaraju hidrofobnim "repovima". Slika pokazuje... ... Wikipedia
Termin hidrofilnost (izveden od starogrčkih reči „voda” i „ljubav”) je karakteristika intenziteta interakcije supstance sa vodom na molekularnom nivou, odnosno sposobnosti materijala da intenzivno apsorbuje vlagu, tj. kao i visoka kvašenje vode na površini tvari. Ovaj koncept se može primijeniti na čvrsta tijela, kao svojstvo površine, i na pojedinačne ione, atome, molekule i njihove grupe.
Hidrofilnost je karakterizirana veličinom veze između adsorpcijskih molekula vode i molekula tvari; u ovom slučaju nastaju spojevi u kojima se količina vode raspoređuje prema vrijednostima energije veze.
Hidrofilnost je svojstvena tvarima koje imaju ionske kristalne rešetke (hidroksidi, oksidi, sulfati, silikati, gline, fosfati, stakla, itd.) koje imaju polarne grupe -OH, -NO 2, -COOH itd. Hidrofilnost i hidrofobnost- posebni slučajevi interakcije supstanci sa rastvaračima (liofilnost, liofobnost).
Hidrofobnost se može smatrati malim stepenom hidrofilnosti, jer će djelovanje međumolekularnih sila privlačenja uvijek biti manje ili više prisutno između molekula bilo kojeg tijela i vode. Hidrofilnost i hidrofobnost se mogu razlikovati po načinu na koji se kap vode širi po tijelu sa glatkom površinom. Kap će se u potpunosti širiti po hidrofilnoj površini, a djelimično po hidrofobnoj, dok na vrijednost ugla koji nastaje između površine navlaženog materijala i kapi utiče stepen hidrofobnosti datog tijela. Hidrofilne tvari su tvari u kojima je jakost molekularnih (jonskih, atomskih) interakcija prilično jaka. Hidrofobni su metali koji su lišeni oksidnih filmova, organska jedinjenja koja imaju ugljikovodične grupe u molekuli (voskovi, masti, parafini, neke plastike), grafit, sumpor i druge supstance koje imaju slabe interakcije na intermolekularnom nivou.
Koncepti hidrofilnosti i hidrofobnosti primjenjuju se kako u odnosu na tijela i njihove površine, tako i u odnosu na pojedinačne molekule ili pojedine dijelove molekula. Na primjer, molekule površinski aktivnih tvari sadrže polarne (hidrofilne) i ugljikovodične (hidrofobne) spojeve. Hidrofilnost površinskog dijela tijela može se dramatično promijeniti zbog adsorpcije takvih tvari.
Hidrofilizacija je proces povećanja hidrofilnosti, a hidrofobizacija je proces njenog smanjenja. Ove pojave su od velikog značaja u kozmetičkoj industriji, u tekstilnoj tehnologiji za hidrofilizaciju tkanina (vlakana) radi poboljšanja kvaliteta pranja, beljenja, bojenja itd.
Hidrofilnost u kozmetici
Parfimerijsko-kozmetička industrija proizvodi hidrofilne kreme i gelove koji štite kožu od nečistoća koje nisu topive u vodi. Takvi proizvodi sadrže hidrofilne komponente koje stvaraju film koji sprječava prodiranje zagađivača netopivih u vodi u površinski sloj kože.
Hidrofilne kreme se prave od emulzije koja je stabilizovana odgovarajućim emulgatorima ili na bazi voda-ulje-voda ili ulje-voda. Osim toga, oni uključuju dispergirane koloidne sisteme u kojima su hidrofilne surfaktantne komponente stabilizirane i sastoje se od rastvarača viših masnih kiselina ili alkohola dispergiranih u vodi ili mješavine vode i glikola.
Hidrogelovi (hidrofilni gelovi) se pripremaju od baza koje se sastoje od vode, miješanog nevodenog ili hidrofilnog otapala (etil alkohol, propilen glikol, glicerin) i hidrofilnog sredstva za želiranje (derivati celuloze, karbomeri).
Hidrofilna svojstva krema i gelova:
· brzo i dobro se upija;
· njeguju kožu;
· nakon njihove upotrebe nema osjećaja masnoće;
· očistiti kožu;
· jačaju kožu;
· smanjiti uticaj negativnih faktora okoline;
Pomozite koži da zadrži svoju prirodnu sposobnost regeneracije.
Hidrofilne kreme i gelovi su dizajnirani da zaštite kožu pri radu sa uljima koja se ne miješaju s vodom, loživim uljem, naftom, bojama, smolama, grafitom, čađom, organskim otapalima, otopinama za hlađenje i podmazivanje, građevinskom pjenom i brojnim drugim blago agresivnim supstancama. Neophodni su i prilikom popravke automobila, renoviranja stana, tokom izgradnje, na selu pri radu sa đubrivima i zemljom.
Kompanija KorolevPharm proizvodi različite vrste parfimerijskih i kozmetičkih proizvoda, uključujući hidrofilne i hidrofobne kreme. Kompanija je ugovorni proizvođač i obavlja sve faze proizvodnje: razvoj receptura, certificiranje, pokretanje proizvodnje, serijska proizvodnja proizvoda. Proizvodni pogon je opremljen savremenom opremom.
Preduzeće je certificirano za usklađenost sa zahtjevima
Lotosov list po kojem teče voda, skupljena u kuglice, vodoodbojne površine i zaštitna jedinjenja za cipele, šalice ulja koje plutaju u bujonu - sve su to primjeri svojstva molekula tzv. hidrofobnost. osim toga, hidrofobni efekat igra važnu biološku ulogu: savijanje i pravilno funkcioniranje proteinskih molekula, formiranje biomembrana i međusobno prepoznavanje molekula također su "programirani" korištenjem hidrofobnih svojstava. Zanimljivo je da se hidrofobni efekat ne svodi na „obične“ fizičke interakcije: iza njega stoji Drugi zakon termodinamike i veličina tzv. entropija.
Bjesnilo
Hidrofobija, ili hidrofobija(od starogrčkog. νδωρ - “voda” i φοβος - „strah“) je strah od bolnih grčeva pri gutanju kada pokušavate da popijete gutljaj vode, pri pogledu na vodu ili bilo kakvom njenom spominjanju. Zapaža se u slučajevima tetanusa, histerije, bjesnila (a samo bjesnilo se ranije nazivalo upravo ovom riječju).
dakle, hidrofobnost, o kojem će biti riječi, radi se o svojstvima molekula, a ne o simptomima kod ljudi.
To pokazuje i izraz „voda s pačjih leđa“, svima poznat iz djetinjstva hidrofobnost- nije tako neviđen fenomen kao što bi njegovo ime moglo sugerirati. Zaista, efekat „odbijanja“ vode često se nalazi oko nas: samo pogledajte guščje pero ili lotosov list (slika 1. A), duž koje kap vode teče, poput kugle žive na površini stakla, ne ostavljajući za sobom nikakav trag. Klasične ideje o hidrofobnim površinama kažu da je ovdje indikator kontaktni ugao θ, koji je za vlažne površine manji od pravog ugla (90°), a za nekvašljive površine veći od njega (slika 1. b) . Konkretno, za kap vode na površini parafina θ = 109°, a na površini najhidrofobnijeg poznatog materijala - fluoroplastike - to će biti 112°. Istovremeno, "apsolutno" hidrofobna površina bi se opisala uglom od 180°, kada se voda otkotrlja s površine bez zaustavljanja ni na sekundu.
Dakle, da li je guska zaista hidrofobnija od fluoroplastike? Zapravo, to je istina, ali to se postiže malim trikom: površina guščjeg pera (kao i lotosovog lista) nije glatka, već prekrivena mikroskopskim piramidama ili dlačicama, što smanjuje površinu kontakta s kapljicom. i efikasno prianjanje (slika 1 V) . Na osnovu istog principa superhidrofobna površine koje gotovo savršeno odbijaju vodu (video 1).
Slika 1. Lotusov list: primjer hidrofobne površine. A - Hidrofobno zapravo znači nekvačivost kada se voda potpuno otkotrlja s površine, ne ostavljajući mokre tragove. b - Određivanje hidrofobne površine na osnovu kontaktnog ugla θ: na θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - nemoči (hidrofobno). Efekat apsolutne hidrofobnosti (ili superhidrofobnost) se postiže zahvaljujući mikroskopskim hrapavostima koje smanjuju površinu kontakta kapi s površinom. V - Kako je površina lotosa strukturirana: mikroskopske bodlje sprečavaju kapljice vode da navlaže površinu i one se otkotrljaju s lista. Ni kap vode ne može da „teče“ između bodlji, jer na ovoj skali površinski napon više ne dozvoljava da se kap podeli na manje.
Video 1. Superhidrofobna površina. mikro hrapavost površine ( cm. pirinač. 1 b) smanjuje efektivnu površinu kontakta sa kapljicom vode, koja se na ovoj skali ponaša kao elastično tijelo zbog površinske napetosti.
Razumjeti Zašto Neke tvari se rado navlaže vodom, ali voda se otkotrlja sa patke, kako poslovica kaže.Treba se spustiti na nivo pojedinačnih molekula i razmisliti kako molekuli međusobno djeluju.
Hidrofobni molekuli
Sa stanovišta hemijske strukture hidrofobna(ili, šta je isto, nepolarni) su molekuli koji ne sadrže hemijske grupe sposobne da formiraju vodonične veze sa vodom. Na primjer, to su benzen i drugi tekući ugljikovodici (benzinske komponente). Međutim, najzanimljivija svojstva imaju amfifilni molekule koje sadrže i polarne i nepolarne dijelove: to dovodi do činjenice da u mješavinama s vodom formiraju prilično složene strukture: micele, vezikule, slojeve i složenije oblike. Formiranje svih ovih složenih oblika je kontrolisano hidrofobni efekat.
Zanimljivo, pitanje molekularne prirode hidrofobnosti seže do Benjamina Franklina, koji je, u slobodno vrijeme od državnih poslova, proučavao širenje maslinovog ulja po površini jezera. Površina mrlje od jedne kašike ulja bila je sve vreme ista - pola hektara - a debljina je zapravo bila jednaka jednom molekulu. Bilo je to 1774. godine, i iako su u to vrijeme ideje o molekularnoj prirodi supstanci bile još krajnje nejasne, opšta radoznalost državnika nije bila, kao što vidimo, ne kao danas. Na ovaj ili onaj način, eksperiment s uljem označio je početak proučavanja monomolekularnih lipidnih filmova, iz čega je nesumnjivo postalo jasno: neki molekuli toliko „ne vole“ vodu da ne samo da se ne miješaju s njom, već su spremni i dobiti osloboditi vode na sve moguće načine – na primjer, akumuliranjem u obliku sloja debljine jedan molekul (monosloj) na granici između vode i zraka. (Više detalja o studijama lipidnih filmova možete pronaći u članku “ Molekuli sirene » .)
Druga važna vrsta amfifilnih molekula su sapuni, koji se široko koriste u svakodnevnom životu iu nacionalnoj ekonomiji. Princip njihovog rada može se izvući čak i iz reklama: nepolarni dio molekula deterdženta "zalijepi se" za molekule zagađivača (obično hidrofobne), a polarni dio aktivno stupa u interakciju s molekulama vode. Kao rezultat toga, to se dešava solubilizacija: prljavština silazi sa površine i zatvara se u agregirajuće molekule sapuna, otkrivajući polarne fragmente „spolja“ i skrivajući hidrofobne delove „iznutra“.
Međutim, ono što nam omogućava da uživamo u komercijalnim kvalitetama najboljih deterdženata je još važnija kvaliteta amfifilnih molekula (naime, lipida): one služe kao ljuska za sve poznate oblike života, tvoreći ćelijsku membranu ispod koje se odvijaju svi životni procesi. zauzmi mjesto ( cm. « Lipidni temelj života » ). Ova važna činjenica nam govori da molekularna priroda hidrofobnog efekta nije prazna stvar, već je od fundamentalnog značaja za svu biologiju, a da ne spominjemo primijenjene industrije.
Ali nakon detaljnijeg proučavanja, ispostavlja se da nijedna fundamentalna fizička interakcija, kao što su gravitacija ili elektrostatičke sile, nije odgovorna za "privlačenje" hidrofobnih čestica jedna prema drugoj i njihovo "odbijanje" od vode. Njegova priroda leži u fizičkom principu koji nameće ograničenja u pravcu većine spontanih procesa, tj. Drugi zakon termodinamike.
Malo termodinamike
Termodinamika je jedna od prvih nauka koja je izgradila most između mikroskopskog svijeta atoma i molekula i "našeg" makroskopskog svijeta. Njegovo rođenje vezuje se za proučavanje rada parnih mašina i ime Nicolasa Carnota (1796–1832), po kome su nazvani termodinamički ciklusi koji određuju količinu rada koju mašina može da proizvede. Njegov rad nastavili su Joule, Kelvin i Clausius, koji su donijeli snažnu teorijsku osnovu u ovo u početku čisto praktično područje.
Zalaganjem ovih naučnika, osnovni zakoni, odn počeo, termodinamika, sumirajući stoljetna empirijska iskustva u promatranju toplinskih procesa. Prvi princip govori o održanju energije izolovanog sistema (“zakon održanja energije”), a drugi princip govori o pravcu spontanih procesa. (Postoje i nulti i treći principi, ali ovdje nećemo govoriti o njima.) Koncept entropija(S), koja je stekla slavu kao najmisterioznija termodinamička veličina. Prvobitno formalno definiranu od strane Klauzija kao omjer topline prenesene sistemu prema temperaturi (ΔS = ΔQ/T), entropija je kasnije dobila značenje globalne "mjere haosa". Od tada je entropija postala osnova moderne formulacije Drugog zakona:
Spontani procesi u izolovanom sistemu su praćeni povećanjem entropije.
Ludwig Boltzmann (1844–1906) povezao je čitavu ovu termalnu „kuhinju“ sa nivoom atoma koji čine materiju, čak i pre nego što je atomska struktura materije postala opšteprihvaćena. Glavnim dostignućem svog života smatrao je otkriće (1877.) statističke formule za izračunavanje entropije: S = k × logW, gdje je S entropija, k je konstanta, kasnije nazvana od strane Plancka po samom Boltzmannu, a W je statistička težina stanja (broj mikrostanja, koji ovo implementira makrostanje). Unatoč slabom vidu, vidio je znatno dublje od drugih "u dubinu" materije: bio je prvi koji je osjetio moć statističkog pristupa opisivanju termodinamički ansambli i primenio ga na molekularnu fiziku. Postoji verzija da je Boltzmann izvršio samoubistvo zbog nerazumijevanja svojih savremenika, pred kojima je bio radikalno ispred. Navedena formula uklesana je na njegovom nadgrobnom spomeniku na groblju u Beču.
Uprkos svoj misteriji koncepta entropije, značenje Drugog zakona je prilično jednostavno: ako je sistem izolovan (tj. ne razmjenjuje ni materiju ni energiju sa vanjskim svijetom), tada će težiti stanju termodinamička ravnoteža, - takvo makrostanje koje se ostvaruje maksimalnim mogućim brojem mikrostanja (drugim riječima, koje ima maksimalnu entropiju). Na primjer, slomljena čaša se nikada više neće zalijepiti: početno stanje (cijela čaša) se ostvaruje na samo jedan način (S=0), ali se konačno stanje (razbijena čaša) ostvaruje u astronomski velikom broju načina (S>>0). Stoga, nažalost, iz globalne perspektive, sve čaše su osuđene na propast. Divna naučnopopularna knjiga Petera Atkinsa, Red i nered u prirodi, posvećena je objašnjenju Drugog zakona „za domaćice“.
Hidrofobni efekat sa stanovišta statističke fizike
Dakle, poznavajući Drugi zakon, razumijemo zašto će se šoljica čaja na stolu definitivno ohladiti na sobnu temperaturu, ali se više nikada neće sama zagrijati, oduzimajući toplinu iz zraka u kuhinji. (Ako ne, onda biste svakako trebali pročitati Atkinsovu knjigu.) Ali da li se isto razmišljanje može objasniti, na primjer, nepomješljivosti vode i ulja? Na kraju krajeva, Drugi zakon nastoji da „sve izjednači“, a voda i ulje, naprotiv, odbijaju da se rastvore jedno u drugom (Sl. 2 A).
Slika 2. Ilustracija hidrofobnog efekta. A - Hidrofobni efekat (u suštini Drugi zakon termodinamike) uzrokuje da voda "odbije" nepolarne molekule (kao što je ulje) i smanji površinu kontakta s njima. Zbog toga će se mnoge male kapljice ulja u vodi na kraju spojiti i formirati sloj. b - Formiranje uređenog (“ledenog”) sloja molekula vode u blizini hidrofobne površine je neophodno kako bi molekuli vode mogli međusobno da formiraju vodonične veze. Ali to dovodi do pada entropije, što je nepovoljno u vezi sa Drugim zakonom. V - Prirodna prilika za povećanje entropije je smanjenje površine kontakta hidrofobnih molekula sa vodom, što nastaje kada se više nepolarnih molekula agregira zajedno. U slučaju amfifilnih molekula dolazi do samoorganizacije i stvaranja prilično složenih supramolekularnih struktura poput micela, dvoslojeva i vezikula ( cm. pirinač. 3).
Zaista, ako uzmemo u obzir samo naftu, činit će se da termodinamika ne funkcionira: otapanje uljnog filma u debljini tekućine jasno bi povećalo entropiju u usporedbi s monoslojem. Ali svi znaju da se u stvari događa suprotno: čak i ako protresete vodu i ulje, emulzija će se nakon nekog vremena raspasti, a ulje će ponovo stvoriti film, ostavljajući vodenu fazu.
Činjenica je da je voda u ovom primjeru ravnopravan učesnik u sistemu koji se razmatra i ni u kom slučaju to ne treba zanemariti. Kao što je poznato, svojstva vode (čak i njeno tečno stanje u normalnim uslovima) određena su sposobnošću stvaranja vodoničnih veza. Svaki molekul vode može formirati do četiri veze sa svojim "susjedima", ali da bi se to dogodilo, voda mora biti "u vodi". Ako u vodi postoji nepolarna površina, molekuli uz nju se više ne osjećaju "slobodno": da bi se formirale željene vodikove veze, ovi molekuli moraju biti orijentirani na strogo definiran način, formirajući "ledenu" ljusku (Sl. 2 b) oko hidrofobnog objekta. Ovo prisilno uređenje karakterizira značajan pad entropije sistema ulje-voda, što prisiljava hidrofobne molekule da se međusobno agregiraju, smanjujući područje kontakta sa polarnim okruženjem, a samim tim i nepovoljno smanjenje faktora entropije. U stvari, voda je ta koja uzrokuje da se ulje sjedini u jednu veliku kap ili tačku, implementirajući dijalektički princip „volim da voliš“.
Ova interakcija polarnih i nepolarnih faza naziva se hidrofobni efekat. Ovaj fenomen uzrokuje da molekule deterdženta formiraju micele u otopini, a lipidi da formiraju mono- i dvoslojeve. Potonji se mogu zatvoriti na sebe stvaranjem vezikula (liposoma) ili bioloških membrana koje okružuju ćeliju (slika 3). Na primjer, pronađeni su i složeniji oblici polimorfizma lipida kubična lipidna faza, koji se široko koristi u strukturnim studijama membranskih proteina.
Slika 3. Polimorfizam lipida. U zavisnosti od oblika i drugih svojstava molekula, koji karakterišu asimetričnu strukturu glave i repa, lipidi formiraju različite supramolekularne strukture. Odozgo prema dolje: 1 - sa obrnutim konusnim oblikom molekula formiraju se strukture pozitivne zakrivljenosti (micele i heksagonalna faza H I); 2 - cilindrični oblik daje ravne (lamelarne) strukture kao što su dvoslojne; 3 - konusnog oblika formiraju se i obrnute heksagonalne (H II) i micelarne faze.
“Duboko u” hidrofobni efekat
U slučaju bioloških molekula, hidrofobni efekat igra posebnu ulogu, jer formira biomembrane, bez kojih je život nemoguć, a takođe daje odlučujući (do 90% ukupnog rada) doprinos savijanju proteinskih molekula, bočno lanci aminokiselinskih ostataka koji mogu imati različitu prirodu: hidrofobni ili hidrofilni. Prisustvo tako različitih entiteta unutar jedne linearne molekule daje svu raznolikost oblika i funkcija koja se uočava u proteinima.
Međutim, na submolekularnoj skali, hidrofobni efekat se manifestuje drugačije nego u slučaju proširene nepolarne površine ili cele kašike ulja: očigledno će grupa hidrofobnih čestica biti stabilna samo ako njegova veličina prelazi graničnu vrednost ( ≈1 nm); u suprotnom će biti uništen termičkim kretanjem molekula. Simulacije molekularne dinamike (MD) pokazuju razlike u strukturi "čiste" vode i vode blizu malih (<1 нм) и большой (>>1 nm) hidrofobne čestice. Ako u prva dva slučaja svaki molekul vode može formirati do četiri vodikove veze, ali u slučaju velike hidrofobne čestice takva mogućnost ne postoji i molekule vode se moraju poredati u „ledenu“ ljusku oko ove čestice (slika 2. b i 4).
Slika 4. Različite konfiguracije molekula vode u blizini male ( A) i veliki ( b) hidrofobne čestice(u oba slučaja prikazano crvene sfere). Prema MD podacima, čestice manje od 1 nm mogu se lako okružiti vodom bez ograničavanja njene “slobode” i sposobnosti formiranja vodoničnih veza. U slučaju većih čestica, da bi se formirala vodikova veza, granična molekula vode mora biti orijentirana na poseban način u odnosu na hidrofobnu površinu, što dovodi do uređenja cijelog sloja vode (ili nekoliko) i smanjenja u entropiji rastvarača. U ovom slučaju, prosječan broj vodikovih veza po molekulu vode smanjuje se na tri. Zanimljivo je da se ovdje mijenja i priroda ovisnosti energije solvatacije čestice o njenoj veličini: do 1 nm energija ovisi o zapremini čestice, a iznad ovog praga o njenoj površini.
Ova ista „veličina praga“ je takođe potvrđena u eksperimentu za određivanje doprinosa hidrofobnog efekta savijanju polimernog lanca u zavisnosti od veličine bočne grupe monomera i temperature. Registracija slobodne energije solvatacije je izvršena pomoću mikroskopa sa atomskom silom, koji je molekulu polimera "raspletao" jednu po jednu kariku. Zanimljivo je da se granična vrijednost od 1 nm približno poklapa s veličinom velikih bočnih lanaca aminokiselinskih ostataka koji određuju savijanje proteinske molekule.
Budući da je hidrofobni efekat entropske prirode, njegova uloga u različitim procesima (odnosno doprinos slobodnoj energiji) ovisi o temperaturi. Zanimljivo je da je ovaj doprinos maksimalan upravo u normalnim uslovima - na istoj temperaturi i pritisku na kojima uglavnom postoji život. (Pod istim uslovima, glavni biološki rastvarač - voda - je blizu ravnoteže između tečnosti i pare.) To dovodi do ideje da život namerno "bira" uslove postojanja blizu faznih prelaza i tačaka ravnoteže: očigledno, to obezbeđuje mogućnost posebno pouzdane kontrole i fine kontrole tako naizgled „inertnih“ stvari kao što su struktura membrana i proteinski molekuli.
Istraživanja posljednjih godina dodatno su naglasila ulogu vode kako u hidrofobnom efektu tako iu intermolekularnom prepoznavanju (na primjer, kada enzim veže svoj supstrat ili receptor veže ligand koji prepoznaje). U aktivnom centru proteina po pravilu se nalaze „vezane“ (i stoga uređene) molekule vode. Kada ligand prodre u mesto vezivanja na površini proteina, voda se „oslobađa“, što daje pozitivan doprinos entropiji (slika 5); međutim, entalpijska komponenta promjene slobodne energije može biti negativna ili pozitivna. Koristeći kalorimetrijsku titraciju i molekularno modeliranje, utvrđen je termodinamički obrazac vezivanja enzima karboanhidraze mnogih liganada, sličnih po strukturi, ali se razlikuju po veličini hidrofobnih grupa. Analiza je pokazala da doprinos entalpije i entropije Gibsovoj slobodnoj energiji u svakom slučaju može biti individualan, te je nemoguće unaprijed reći koji će proces imati odlučujuću ulogu. Potpuno je jasno da struktura i dinamika slojeva molekula vode najbližih aktivnom mjestu igra u intermolekularnom prepoznavanju istu važnu ulogu kao korespondencija liganda s receptorom, što unosi novi nivo složenosti u „klasični ” modeli interakcije dvaju molekula tipa “ključ-brava” ili “ruka rukavica”.
Savijanje homo- i heteropolimera može se podijeliti u nekoliko faza (slika 6):
- Ako počnete s izduženim lancem, prva faza će biti entropijsko preklapanje, što je direktna posledica Drugog zakona termodinamike: potpuno ispravljen polipeptidni lanac ima nultu entropiju, što se trenutno "ispravlja" statističkim silama koje pretvaraju nit u "statistička lopta".
- U nasumičnoj konformaciji zavojnice, hidrofobni bočni ostaci se približavaju u prostoru i agregiraju pod uticajem hidrofobnog efekta. To je potvrđeno promatranjem principa trodimenzionalnog pakiranja proteinskih globula: unutar se nalazi "jezgro" hidrofobnih ostataka, a na površini molekula polarni i nabijeni ostaci aminokiselina. Rezultirajući oblik u ovoj fazi se zove rastopljena globula.
- U slučaju biopolimera, stvar se tu ne završava: specifične interakcije između ostataka bliskih u prostoru čine pakiranje još gušće (istina globule). Slobodna energija tada doživljava značajan pad, a to se često smatra kriterijem za „dobro upakovanu“ strukturu.
Slika 6. Uloga hidrofobnog kolapsa u savijanju tri polimerna lanca s različitim hidrofobnostima sastavnih monomera: hidrofobnog polimera, hidrofobno-hidrofilnog kopolimera i globularnog proteina (od vrha do dna) - slobodna energija prikazana kao funkcija radijusa rotacije, što ukazuje na kompaktnost pakovanja lanca. 1) Svaki linearni lanac iz potpuno rastegnutog stanja brzo se uvija statistička zavrzlama. 2) Prostorna blizina nepolarnih bočnih lanaca dovodi do hidrofobnog kolapsa zavojnice i formiranja rastopljena globula. 3) U slučaju proteina, evolucijski odabrani specifični kontakti između bočnih lanaca susjednih aminokiselinskih ostataka (kao što su vodikove veze ili elektrostatičke interakcije) dodatno smanjuju slobodnu energiju i pakuju protein u gustu globule. Hidrofobni polimeri nemaju takve interakcije i stoga se njihovo savijanje zaustavlja u nasumičnoj fazi zavojnice.
Ranije se vjerovalo da je treća faza neizostavna karakteristika funkcionalnog proteina, ali se u posljednje vrijeme sve više pažnje poklanja tzv. nedovoljno uređeni proteini (intrinzično poremećenih proteina), koji nemaju jasno definisanu prostornu formu, a zapravo ne postoji ni faza formiranja konkretnih kontakata. (Usput, udio hidrofobnih ostataka u njima je znatno manji u odnosu na globularne proteine.) Možda im to omogućava interakciju u živoj ćeliji ne s jednim proteinom ili ligandom, već s desetinama ili čak stotinama strukturno različitih partnerskih molekula, učestvuje u vrlo suptilnoj regulaciji ćelijskih procesa.
Hidrofobni efekat također igra odlučujuću ulogu u savijanju membranskih proteina (MP), koji obavljaju mnoge vitalne funkcije od transporta molekula i iona kroz membranu do primanja i međusobnog prepoznavanja od strane stanica. Zbog činjenice da je većina njih uronjena u hidrofobni dvosloj membrane, struktura transmembranske (TM) domene značajno se razlikuje od pakovanja topljivih globularnih proteina: njihovi TM segmenti su znatno hidrofobniji, a hidrofobni bočni lanci su lociran ne samo unutar proteina (kao u slučaju globularnih proteina), već i na površini gdje protein dolazi u kontakt sa ugljovodoničnim lancima lipidnih molekula.
Važno je da i hidrofobnost dođe u obzir pre toga kako protein završava na svom radnom mjestu (tj. u membrani). Tokom ribosomske sinteze, MB ne ulaze u citoplazmu, kao globularni proteini, već u translocon- prilično složena molekularna mašina, izgrađena u obliku kanala i odgovorna i za izlučivanje proteina i za isporuku MB u membrane. Pokazalo se da translokon može "osjetiti" hidrofobnost proteinskog fragmenta koji je prošao kroz njega i, kada dostigne određeni prag hidrofobnosti, "ispljune" ovaj fragment ne "naprijed" (kroz kanal u ekstracelularni prostor), već "bočno" (kroz zid kanala) - direktno u membranu. Dakle, fragment po fragment, membranski proteini se ubacuju u membranu, i stoga N-kraj MB je uvek u ekstracelularnom regionu, a gde će biti C-end - zavisi od broja TM segmenata.
U elegantnom eksperimentu na Sec61 translokonu endoplazmatskog retikuluma, ustanovljena je "biološka skala hidrofobnosti", koja svakom aminokiselinom ostatku dodeljuje specifičnu vrijednost hidrofobnosti. Zanimljivo je da se ova skala generalno poklapa sa prethodno utvrđenim fizičko-hemijskim skalama, što omogućava da se translokonu dodeli uloga senzora hidrofobne interakcije.
Dakle, ćelija može "izmjeriti" hidrofobnost pomoću translokona, a u laboratoriji se ovo svojstvo može grubo procijeniti po prirodi njegove interakcije s vodom. Ali da li je moguće teoretski izračunati hidrofobnost i uključiti ovaj proračun u praktično važne probleme?
Kako teoretski izračunati hidrofobnost?
Već je gore rečeno da je hidrofobni efekat zapravo jedno od lica Drugog zakona termodinamike, pa njegovo precizno izračunavanje nije, možda, ništa lakše od modeliranja cijelog sistema, i to na fizički ispravnom nivou. Drugim riječima, "hidrofobne interakcije" se ni na koji način ne mogu svesti na kontakte u paru, kao što je privlačenje ili odbijanje dva naboja ili interakcija između donora i akceptora vodonične veze. Jedini teoretski ispravan način je analiza ogromnog broja mikrostanja u termodinamičkim ansamblima, što je u praksi prilično teško izvesti.
Međutim, još uvijek je potrebna barem približna procjena hidrofobnih i hidrofilnih svojstava molekula u molekularnom modeliranju i njegovoj primjeni (na primjer, biotehnološkoj ili industrijskoj). Obično se fokusiraju na karakteristiku koja opisuje hidrofobnost cijele molekule - koeficijent raspodjele ( P, od particioniranje) ove supstance između vode (polarna faza) i nepolarne faze (na primjer, benzen ili n-oktanol). Činjenica je da je ovaj parametar, za razliku od svih ostalih termodinamičkih karakteristika, prilično jednostavno eksperimentalno izmjeriti određivanjem koncentracije ispitivane tvari u vodi i nepolarnom mediju (koji se, kao što se sjećamo, gotovo ne miješaju) i dijeljenjem jedan po drugi. Za koeficijent hidrofobnosti se uzima logaritam ovog koeficijenta – log P.
Nekoliko empirijskih metoda usmjereno je na predviđanje ovog koeficijenta, koji se svode na korištenje „skupa za obuku“ supstanci s precizno izmjerenim log P odrediti doprinose pojedinačnih fragmenata molekula ili čak njegovih pojedinačnih atoma (uzimajući u obzir hemijsko okruženje), da bi se zatim izračunala hidrofobnost za nepoznate molekule na osnovu izračunatih konstanti fragmentarne ili atomske hidrofobnosti. Zapravo, ovo je pokušaj da se svakom atomu u molekulu dodijeli “hidrofobni naboj”, iako se mora imati na umu da to nema fizičkog smisla. Zbrajanje ovih konstanti za sve atome u molekulu će dati željenu vrijednost log P, a korištenje pristupa sličnog proračunu elektrostatičkog potencijala u tačkama u prostoru (φ ~ q/r) dovelo je do nastanka metode Molecular Hydrophobic Potential (MHP), koja se dokazala u molekularnom modeliranju (slika 7) . PLATINUM program je posvećen IHL proračunima.
Slika 7. Molekularni hidrofobni potencijal (MHP). Smisao IHL pristupa, koji omogućava izračunavanje prostorne distribucije hidrofobnih/hidrofilnih svojstava, je uspostavljanje empirijskog sistema konstante atomske hidrofobnosti (f i), tehnički slično djelomičnim nabojima. Zbir ovih konstanti za sve atome će dati procjenu koeficijenta hidrofobnosti log P(Gdje P- koeficijent raspodjele tvari između vode i oktanola), i izračunavanje “potencijala” iz sistema tačaka “hidrofobnih naboja” uzimajući u obzir slabljenje u prostoru (prema zakonu d(r), jednako, za na primjer, 1/r) nam omogućava da zamislimo raspodjelu hidrofobnosti na molekularnim površinama. Na slici su prikazana hidrofobna svojstva glavnog fosfolipida plazma membrane eukariota - palmitoiloleilfosfatidilholina.
Proračun MHP omogućava da se procijeni efektivna vrijednost hidrofobnosti određenog fragmenta molekule i jasno se vizualiziraju hidrofobna svojstva njegove površine, a to, zauzvrat, može reći o mehanizmima međumolekularne interakcije i ukazati na put do ciljanu promjenu svojstava molekula ili načina na koji oni međusobno djeluju. Dakle, korištenjem prostornog mapiranja hidrofobnih svojstava kratkog α-helika antimikrobni peptidi(AMP) su uspjeli otkriti da ove molekule karakterizira amfifilna priroda - kada je jedna strana spirale hidrofobna, a druga polarna i pozitivno nabijena. Ovaj motiv je jasno vidljiv na MGP “sweep” kartama, naglašavajući mehanizam interakcije peptida sa membranom i antimikrobno djelovanje (slika 8). Uz pomoć takvih kartica bilo je moguće modificirati prirodni AMP latarcin, stvarajući analoge koji imaju visoku antibakterijsku aktivnost, ali ne uništavaju crvena krvna zrnca, te su stoga potencijalni prototip lijeka (slika 8).
Slika 8. Dizajn korisnih svojstava antimikrobnog peptida latarcina 2a (Ltc2a). Gornji red lijevo Prikazana je prostorna struktura Ltc2a i raspodjela hidrofobnih svojstava (vidi sliku 7) na njegovoj površini. U centru“sweep” mapa IHL-a je prikazana u cilindričnim koordinatama (α; Z). Pokazuje jasan amfifilni obrazac koji određuje interakciju peptida sa ćelijskom membranom. Gornji red desno prikazana je citolitička aktivnost peptida: on prilično efikasno ubija i bakterije („gram+“, „gram–“) i životinjske ćelije („eritrociti“) [kolona „wt“].
Zadatak je bio sljedeći: uz održavanje antimikrobne aktivnosti, eliminirati hemolitičku aktivnost(tj. stvoriti prototip baktericidnog lijeka). Pretpostavljalo se da će promjena prirode hidrofobne „mrlje“ na MGP mapi drugačije promijeniti interakciju s membranama bakterija i eritrocita i zadatak bi mogao biti završen. Testirali smo tri peptida u koje su uvedene tačkaste mutacije: Ile7→Gln, Phe10→Lys i Gly11→Leu. Odgovarajuće promjene u hidrofobnom uzorku prikazane su u tri fragmenta karte na dnu. Jedan mutant, Ile7→Gln, imao je željene aktivnosti: visoko baktericidno i nisko hemolitičko.
Uzimanje u obzir hidrofobnih svojstava biomolekula koristi se iu drugim područjima molekularnog modeliranja - posebno kada se predviđa položaj transmembranskih regija u sekvenci aminokiselina ili razjašnjavanje prostorne strukture kompleksa receptor-ligand na osnovu principa hidrofobne korespondencije. .
Uprkos složenoj fizičkoj prirodi fenomena hidrofobnosti, čak i vrlo površno razmatranje toga u molekularnom modeliranju može biti od koristi. Iz gornjeg primjera jasno je da prostorno mapiranje svojstava molekula, izračunato pomoću MHP tehnike, omogućava povlačenje veze između strukture peptidnog molekula i njegove aktivnosti, a to je dugogodišnji san kemičara. , biolozi i farmakolozi. Sposobnost pronalaženja takve veze znači sposobnost racionalnog dizajniranja potrebnih svojstava u molekulima, što je, naravno, traženo u fundamentalnim istraživanjima, biotehnologiji i medicini.
I opet nekoliko riječi o vodi
Pažljiviji pogled na hidrofobni efekat omogućava nam da shvatimo da je zapravo riječ o statističkom ponašanju velikog broja molekula, koje je opisano zakonima termodinamike i statističke fizike. Ali ovdje je nešto drugo zanimljivije - još jednom smo se uvjerili u jedinstvenost tako naizgled jednostavne tvari kao što je voda. Voda sama po sebi ima mnogo nevjerovatnih kvaliteta, ali joj kao biološkom rastvaraču nema premca. Interakcijom s drugim molekulima, voda mijenja svoju dinamiku i strukturu, uzrokujući promjenu cijelog sistema. Upravo to uočavamo kada proučavamo samoorganizaciju amfifilnih molekula u dvoslojeve i vezikule - na kraju krajeva, voda je ta koja ih "tjera" da se sastavljaju u tako složene oblike.
Uloga vode je teško precijeniti u životu glavnih bioloških "mašina" - proteina. Njihovo savijanje iz linearnog lanca u gustu globulu, u kojoj svaki atom zna svoje mjesto, također je zasluga vode. To znači da i voda zaslužuje titulu jednog od najbiološkijih molekula, iako je po hemijskoj klasifikaciji neorganska supstanca.
Molekule sirene Potpis hidrofobne hidratacije u jednom polimeru;
