| 1. Die Struktur des Wassermoleküls. | ||
| Wasser hat ein polares Molekül. Sauerstoff zieht als elektronegativeres Atom die mit dem Wasserstoffatom geteilte Elektronendichte an sich und trägt daher eine teilweise negative Ladung; Wasserstoffatome, deren Elektronendichte verschoben ist, tragen eine teilweise positive Ladung. So ist das WassermolekülDipol, d.h. hat positiv und negativ geladene Regionen. (Das Modell rechts ist 3D und kann mit gedrückter linker Maustaste gedreht werden.) |
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2. Wasserstoffbrückenbindungen.
3. Wasser als Lösungsmittel. |
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Bezogen auf Wasser lassen sich praktisch alle Stoffe in zwei Gruppen einteilen:
1. Hydrophil(vom griechischen „phileo“ – lieben, eine positive Affinität zu Wasser haben
). Diese Stoffe haben ein polares Molekül, einschließlich elektronegativer Atome (Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor usw.). Dadurch erhalten auch einzelne Atome solcher Moleküle Teilladungen und bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen. Beispiele: Zucker, Aminosäuren, organische Säuren.
2. Hydrophob(vom griechischen „phobos“ – Angst, eine negative Affinität zu Wasser haben
). Die Moleküle solcher Stoffe sind unpolar und vermischen sich nicht mit einem polaren Lösungsmittel, also Wasser, sind aber in organischen Lösungsmitteln wie Ether und in Fetten gut löslich. Ein Beispiel wäre lineare und zyklische Kohlenwasserstoffe. einschließlich Benzol.
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Frage 2. Schauen Sie sich die beiden Moleküle rechts genau an. Welches dieser Moleküle ist Ihrer Meinung nach hydrophil und welches hydrophob? Warum denkst du das? Haben Sie herausgefunden, was das für Substanzen sind? Unter den organischen Stoffen gibt es auch Verbindungen, bei denen ein Molekülteil unpolar ist und hydrophobe Eigenschaften aufweist, der andere polar und damit hydrophil. |
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| Solche Stoffe nennt man amphipathisch
. Molekül Phosphatidylserin(eines der Plasmamembran-Phospholipide der Zelle, rechts) ist ein Beispiel für eine amphipathische Verbindung. Frage 3.
Schauen Sie sich dieses Molekül genauer an. Welcher seiner Teile ist Ihrer Meinung nach hydrophil und welcher hydrophob? Ordnen Sie das Molekül so an, dass es möglichst übersichtlich ist, erstellen Sie eine Grafikdatei und markieren Sie darin die hydrophilen und hydrophoben Bereiche des Moleküls. 4. Wasser als Lösungsmittel in lebenden Organismen.
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Darüber hinaus steht die Transportfunktion innerer Flüssigkeiten sowohl bei vielzelligen Tieren (Blut, Lymphe, Hämolymphe, Zölomflüssigkeit) als auch bei mehrzelligen Pflanzen in direktem Zusammenhang mit der Eigenschaft von Wasser als Lösungsmittel.
5. Wasser als Reagenz.
Die Bedeutung von Wasser hängt auch mit seinen chemischen Eigenschaften zusammen – als gewöhnlicher Stoff, der mit anderen Stoffen chemische Reaktionen eingeht. Die wichtigsten sind die Spaltung von Wasser durch Licht ( Photolyse) in der Lichtphase Photosynthese, die Beteiligung von Wasser als notwendiges Reagens an den Reaktionen zur Spaltung komplexer Biopolymere (solche Reaktionen werden nicht zufällig genannt). Hydrolysereaktionen
). Und umgekehrt wird bei den Reaktionen der Bildung von Biopolymeren, der Polymerisation, Wasser freigesetzt.
Frage 4.
Welche Ungenauigkeit im letzten Satz würde ein Chemiker korrigieren?
hydrophile Substanzen
Hydrophile Stoffe (Substanzen)
Feststoffe, die die Eigenschaft haben, von Wasser benetzt zu werden. Nicht durch ölige Flüssigkeiten benetzt.
Kurzes elektronisches Nachschlagewerk zu den wichtigsten Öl- und Gasbegriffen mit einem System von Querverweisen. - M.: Russische Staatliche Universität für Öl und Gas. I. M. Gubkina. M.A. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Novik. 2004 .
Sehen Sie, was „hydrophile Substanzen“ in anderen Wörterbüchern sind:
Hydrophile Salbengrundlagen- Der Stil dieses Artikels ist nicht enzyklopädisch oder verstößt gegen die Normen der russischen Sprache. Der Artikel sollte nach den Stilregeln von Wikipedia korrigiert werden. Hauptartikel: Salbengrundlagen Hydrophile Salbengrundlagen Salbengrundlagen für ... ... Wikipedia
hydrophil- (von Hydro und Phyla) „wasserliebende“ Substanzen, deren Moleküle elektropolar sind und sich leicht mit Wassermolekülen verbinden. Das Gegenteil von hydrophoben („wasserunliebenden“) Substanzen... Anfänge der modernen Naturwissenschaft
Dichtungsmittel- hochpolymere hydrophile Substanzen, die zur Verdichtung flüssiger Nährmedien verwendet werden. In Umgebungen für Chemoorganotrophe wie U.v. Verwenden Sie Agar (siehe) und Gelatine (siehe), für autotrophe Organismen Kieselgel (siehe). Geringer… … Wörterbuch der Mikrobiologie
Stoffe, die sich an der Kontaktfläche zweier Körper, der sogenannten Phasentrennfläche oder Grenzfläche, ansammeln (kondensieren) können. Auf der Grenzfläche P. a. V. bilden eine Adsorptionsschicht mit hoher Konzentration ... ... Große sowjetische Enzyklopädie
Tenside (Tenside)- Substanzen, die an der Phasengrenzfläche adsorbiert werden können und eine Verringerung der Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung) verursachen. Typische Tenside sind organische Verbindungen, deren Moleküle lyophile und lyophobe (normalerweise hydrophile und ... ...) enthalten. Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie
Tenside- (a. Tenside; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; f. tensioaktive Stoffe; und. Tenside), Stoffe mit asymmetrischer Molzahl. Struktur, deren Moleküle eine amphiphile Struktur haben, d.h. enthalten lyophile und ... ... Geologische Enzyklopädie
Tenside- Tenside, die an der Grenzfläche adsorbiert werden können und zu einer Verkleinerung der Oberfläche führen. (Grenzflächen-)Spannung. Typische Tenside – organisch. Verbindungen, deren Moleküle lyophile und lyophobe (normalerweise hydrophile und hydrophobe) Bestandteile enthalten ... Handbuch für technische Übersetzer
Tensidspezies Stoffe mit asymmetrischer Molekülstruktur, deren Moleküle eine amphiphile Struktur haben, also lyophile und lyophobe (meist hydrophile polare Gruppen und hydrophobe Reste) Atomgruppen enthalten. Diphil… … Mikroenzyklopädie Öl und Gas
Zellmembranen- Dieser Begriff hat andere Bedeutungen, siehe Membran Ein Bild einer Zellmembran. Kleine blaue und weiße Kugeln entsprechen den hydrophilen „Köpfen“ der Lipide, und die daran befestigten Linien entsprechen den hydrophoben „Schwänzen“. In der Abbildung ... ... Wikipedia
Gezielte Durchlässigkeit- Dieser Begriff hat andere Bedeutungen, siehe Membran Ein Bild einer Zellmembran. Kleine blaue und weiße Kugeln entsprechen den hydrophilen „Köpfen“ der Lipide, und die daran befestigten Linien entsprechen den hydrophoben „Schwänzen“. Die Abbildung zeigt ... ... Wikipedia
Der Begriff Hydrophilie (abgeleitet von den altgriechischen Wörtern „Wasser“ und „Liebe“) ist ein Merkmal für die Intensität der Wechselwirkung eines Stoffes mit Wasser auf molekularer Ebene, also die Fähigkeit des Materials, Feuchtigkeit intensiv aufzunehmen, sowie die hohe Benetzbarkeit der Stoffoberfläche mit Wasser. Dieses Konzept lässt sich sowohl auf Festkörper als Eigenschaft der Oberfläche als auch auf einzelne Ionen, Atome, Moleküle und deren Gruppen zurückführen.
Hydrophilie charakterisiert den Wert der Bindung von Adsorptionswassermolekülen an die Moleküle eines Stoffes; dabei entstehen Verbindungen, in denen die Wassermenge entsprechend den Werten der Bindungsenergie verteilt ist.
Hydrophilie ist Substanzen mit ionischen Kristallgittern (Hydroxide, Oxide, Sulfate, Silikate, Tone, Phosphate, Gläser usw.) und polaren Gruppen -OH, -NO 2, -COOH usw. inhärent. Hydrophilie und Hydrophobie- Sonderfälle der Wechselwirkung von Stoffen mit Lösungsmitteln (Lyophilie, Lyophobie).
Hydrophobie kann als ein kleiner Grad an Hydrophilie betrachtet werden, da die Wirkung intermolekularer Anziehungskräfte immer mehr oder weniger zwischen den Molekülen eines Körpers und Wasser vorhanden ist. Hydrophilie und Hydrophobie lassen sich dadurch unterscheiden, wie sich ein Wassertropfen auf einem Körper mit glatter Oberfläche ausbreitet. Der Tropfen breitet sich vollständig auf der hydrophilen Oberfläche und teilweise auf der hydrophoben Oberfläche aus, während der Wert des zwischen der Oberfläche des benetzten Materials und dem Tropfen gebildeten Winkels vom Grad der Hydrophobie des jeweiligen Körpers beeinflusst wird. Hydrophile Stoffe sind Stoffe, bei denen die Stärke der molekularen (ionischen, atomaren) Wechselwirkungen recht groß ist. Hydrophob sind Metalle ohne Oxidfilme, organische Verbindungen mit Kohlenwasserstoffgruppen im Molekül (Wachse, Fette, Paraffine, einige Kunststoffe), Graphit, Schwefel und andere Substanzen mit schwacher Wechselwirkung auf intermolekularer Ebene.
Die Konzepte der Hydrophilie und Hydrophobie werden sowohl auf Körper und deren Oberflächen als auch auf einzelne Moleküle oder einzelne Molekülteile angewendet. Beispielsweise enthalten die Moleküle oberflächenaktiver Substanzen polare (hydrophile) und Kohlenwasserstoffverbindungen (hydrophobe). Durch die Adsorption solcher Stoffe kann sich die Hydrophilie der Körperoberfläche dramatisch verändern.
Unter Hydrophilierung versteht man den Prozess der Erhöhung der Hydrophilie, unter Hydrophobierung den Prozess der Reduzierung. Diese Phänomene sind in der Kosmetikindustrie, in der Textiltechnik zur Hydrophilisierung von Stoffen (Fasern) zur Verbesserung der Qualität beim Waschen, Bleichen, Färben usw. von großer Bedeutung.
Hydrophilie in Kosmetika
Die Parfüm- und Kosmetikindustrie stellt hydrophile Cremes und Gele her, die die Haut vor wasserunlöslichen Verunreinigungen schützen. Diese Produkte enthalten hydrophile Komponenten, die einen Film bilden, der das Eindringen wasserunlöslicher Schadstoffe in die Oberflächenschicht der Haut verhindert.
Hydrophile Cremes werden aus einer mit geeigneten Emulgatoren stabilisierten Emulsion oder auf einer Wasser-Öl-Wasser-, Öl-Wasser-Basis hergestellt. Darüber hinaus zählen dazu dispergierte kolloidale Systeme, in denen hydrophile oberflächenaktive Komponenten stabilisiert sind und die aus wasserdispergierten oder Wasser-Glykol-gemischten Lösungsmitteln höherer Fettsäuren oder Alkoholen bestehen.
Hydrogele (hydrophile Gele) werden auf Basis von Wasser, einem gemischten nichtwässrigen oder hydrophilen Lösungsmittel (Ethylalkohol, Propylenglykol, Glycerin) und einem hydrophilen Gelbildner (Cellulosederivate, Carbomere) hergestellt.
Hydrophile Eigenschaften von Cremes und Gels:
zieht schnell und gut ein;
nähren die Haut
hinterlässt nach der Anwendung kein fettiges Gefühl;
· die Haut reinigen;
straffende Wirkung auf die Haut;
die Auswirkungen negativer Umweltfaktoren reduzieren;
helfen der Haut, ihre natürliche Regenerationsfähigkeit zu bewahren.
Hydrophile Cremes und Gele sollen die Haut bei der Arbeit mit nicht wassermischbaren Ölen, Heizöl, Erdöl, Farben, Harzen, Graphit, Ruß, organischen Lösungsmitteln, Kühlschmierstoffen, Bauschaum und zahlreichen anderen leicht aggressiven Stoffen schützen. Sie sind auch bei der Reparatur eines Autos, der Reparatur einer Wohnung, beim Bau, in einem Landhaus bei der Arbeit mit Düngemitteln und Erde unverzichtbar.
Das Unternehmen „KorolevPharm“ stellt verschiedene Arten von Parfümerie- und Kosmetikprodukten her, darunter hydrophile und hydrophobe Cremes. Das Unternehmen ist Auftragsfertiger und führt alle Produktionsschritte durch: Rezepturentwicklung, Zertifizierung, Produktionsanlauf, Serienproduktion. Die Produktionsstätte ist mit modernen Geräten ausgestattet.
Das Unternehmen ist für die Einhaltung der Anforderungen zertifiziert
Ein Lotusblatt, auf dem Wasser in Kugeln herumläuft, wasserabweisende Oberflächen und Schuhschoner, in Brühe schwimmende Butterbecher sind Beispiele für eine Eigenschaft sogenannter Moleküle Hydrophobie. Außerdem, hydrophobe Wirkung spielt eine wichtige biologische Rolle: Auch die Faltung und ordnungsgemäße Funktion von Proteinmolekülen, die Bildung von Biomembranen und die gegenseitige Erkennung durch Moleküle werden mithilfe hydrophober Eigenschaften „programmiert“. Interessanterweise ist der hydrophobe Effekt nicht auf „gewöhnliche“ physikalische Wechselwirkungen beschränkt: Dahinter verbirgt sich der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik und eine Größe namens Entropie.
Tollwut
Hydrophobie oder Hydrophobie(aus dem anderen Griechischen. νδωρ - "Wasser und φοβος - „Angst“) ist die Angst vor dem Auftreten schmerzhafter Schluckkrämpfe beim Versuch, einen Schluck Wasser zu trinken, beim Anblick von Wasser oder bei jeder Erwähnung davon. Es wird bei Tetanus, Hysterie und Tollwut beobachtet (und Tollwut selbst wurde früher genau dieses Wort genannt).
Also, Hydrophobie, das diskutiert wird, geht es um die Eigenschaften von Molekülen und nicht um Symptome beim Menschen.
Der Ausdruck „wie Wasser vom Rücken einer Ente“, den jeder seit seiner Kindheit kennt, zeigt das Hydrophobie- kein so beispielloses Phänomen, wie der Name vermuten lässt. Tatsächlich ist der Effekt der „Abstoßung“ von Wasser häufig um uns herum zu beobachten: Schauen Sie sich einfach eine Gänsefeder oder ein Lotusblatt an (Abb. 1). A), entlang derer ein Wassertropfen wie eine Quecksilberkugel auf der Glasoberfläche entweicht und keine Spuren hinterlässt. Klassische Vorstellungen über hydrophobe Oberflächen besagen, dass der Indikator hier der Benetzungswinkel θ ist, der für benetzte Oberflächen kleiner als der rechte Winkel (90°) und für nicht benetzte Oberflächen größer ist (Abb. 1). B). Insbesondere gilt für einen Wassertropfen auf der Oberfläche von Paraffin θ = 109° und auf der Oberfläche des hydrophobsten bekannten Materials – Fluoroplast – beträgt er 112°. Gleichzeitig würde eine „absolut“ hydrophobe Oberfläche durch einen Winkel von 180° beschrieben, wenn Wasser von der Oberfläche abperlt, ohne eine Sekunde anzuhalten.
Ist die Gans also wirklich hydrophober als PTFE? Tatsächlich ist es das, aber dies wird durch einen kleinen Trick erreicht: Die Oberfläche der Gänsefeder (wie auch des Lotusblatts) ist nicht glatt, sondern mit mikroskopisch kleinen Pyramiden oder Härchen bedeckt, was die Kontaktfläche mit dem Tropfen verringert und effektive Haftung (Abb. 1 V). Basierend auf dem gleichen Prinzip superhydrophob Oberflächen, die Wasser nahezu perfekt abweisen (Video 1).
Abbildung 1. Lotusblatt: ein Beispiel für eine hydrophobe Oberfläche. A - Hydrophobie bedeutet eigentlich Benetzbarkeit wenn das Wasser vollständig von der Oberfläche abperlt und keine nassen Spuren hinterlässt. B - Bestimmung der hydrophoben Oberfläche anhand des Kontaktwinkels θ: bei θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° – nicht benetzbar (hydrophob). Der Effekt der absoluten Hydrophobie (bzw Superhydrophobie) wird durch mikroskopische Rauheit erreicht, die die Kontaktfläche des Tropfens mit der Oberfläche verringert. V - Wie die Oberfläche der Lotusblume angeordnet ist: Die mikroskopisch kleinen Stacheln verhindern, dass Wassertropfen die Oberfläche benetzen und perlen vom Blatt ab. Ein Wassertropfen kann auch nicht zwischen den Stacheln „durchsickern“, da die Oberflächenspannung es in diesem Maßstab nicht mehr zulässt, dass der Tropfen in kleinere Tropfen zerfällt.
Video 1. Superhydrophobe Oberfläche. Mikroskalige Oberflächenrauheit ( cm. Reis. 1 B) verringert die effektive Kontaktfläche mit einem Wassertropfen, der sich in diesem Maßstab aufgrund der Oberflächenspannung wie ein elastischer Körper verhält.
Verstehen Warum Manche Stoffe lassen sich gerne mit Wasser benetzen, und wie das Sprichwort sagt, es rollt von einer Gans herunter, man muss auf die Ebene der einzelnen Moleküle vordringen und überlegen, wie die Moleküle miteinander interagieren.
hydrophobe Moleküle
In Bezug auf die chemische Struktur hydrophob(oder, was dasselbe ist, unpolar) sind Moleküle, die keine chemischen Gruppen enthalten, die mit Wasser Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Dies sind beispielsweise Benzol und andere flüssige Kohlenwasserstoffe (Bestandteile von Benzin). Die interessantesten Eigenschaften sind jedoch amphiphil Moleküle, die sowohl polare als auch unpolare Teile enthalten: Dies führt dazu, dass sie in Mischungen mit Wasser recht komplexe Strukturen bilden: Mizellen, Vesikel, Schichten und komplexere Formen. Die Bildung all dieser komplexen Formen wird kontrolliert hydrophobe Wirkung.
Interessanterweise geht die Frage nach der molekularen Natur der Hydrophobie auf Benjamin Franklin zurück, der in seiner Freizeit von Regierungsangelegenheiten die Ausbreitung von Olivenöl über die Oberfläche eines Teiches untersuchte. Es stellte sich heraus, dass die Fläche des Flecks von einem Löffel Öl immer gleich war – ein halber Hektar – und die Dicke tatsächlich einem Molekül entsprach. Das war im Jahr 1774, und obwohl die Vorstellungen über die molekulare Natur von Stoffen damals noch äußerst vage waren, war die allgemeine Neugier der Staatsmänner, wie wir sehen, anders als heute. Auf die eine oder andere Weise markierte das Experiment mit Öl den Beginn der Erforschung monomolekularer Lipidfilme, aus denen zweifellos klar wurde: Manche Moleküle „magen“ Wasser nicht so sehr, dass sie sich nicht nur nicht damit vermischen, sondern auch fertig sind auf alle möglichen Arten aus dem Wasser entfernt werden – zum Beispiel durch Ansammlung in Form einer ein Molekül dicken Schicht (Monoschicht) an der Grenze von Wasser und Luft. (Weitere Informationen zu Untersuchungen von Lipidfilmen finden Sie im Artikel „ Meerjungfrauenmoleküle » .)
Eine weitere wichtige Art amphiphiler Moleküle sind Seifen, die im Alltag und in der Volkswirtschaft weit verbreitet sind. Das Prinzip ihrer Wirkung lässt sich sogar aus Werbespots ableiten: Der unpolare Teil der Waschmittelmoleküle „klebt“ mit Schadstoffmolekülen (normalerweise hydrophob) zusammen, und der polare Teil interagiert aktiv mit Wassermolekülen. Als Ergebnis dort Solubilisierung: Der Schmutz löst sich von der Oberfläche und wird in den aggregierten Seifenmolekülen eingeschlossen, wodurch die polaren Fragmente „nach außen“ freigelegt und die hydrophoben Teile „nach innen“ verborgen werden.
Die noch wichtigere Eigenschaft amphiphiler Moleküle (nämlich Lipide) ermöglicht es uns jedoch, die kommerziellen Eigenschaften der besten Reinigungsmittel zu genießen: Sie dienen als Hülle für alle bekannten Lebensformen und bilden eine Zellmembran, unter der alle Lebensprozesse ablaufen ( cm. « Die Lipidgrundlage des Lebens » ). Diese wichtige Tatsache zeigt uns, dass die molekulare Natur des hydrophoben Effekts keineswegs eine leere Sache ist, sondern von grundlegender Bedeutung für die gesamte Biologie, ganz zu schweigen von der angewandten Industrie.
Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass keine grundlegende physikalische Wechselwirkung wie Schwerkraft oder elektrostatische Kräfte für die „Anziehung“ hydrophober Partikel zueinander und ihre „Abstoßung“ vom Wasser verantwortlich ist. Seine Natur liegt in dem physikalischen Prinzip, das die Richtung der meisten spontanen Prozesse einschränkt, nämlich in Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Ein bisschen Thermodynamik
Die Thermodynamik war eine der ersten Wissenschaften, die Brücken zwischen der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle und „unserer“, der makroskopischen Welt schlug. Seine Entstehung ist mit der Erforschung des Betriebs von Dampfmaschinen und dem Namen Nicolá Carnot (1796–1832) verbunden, nach dem die thermodynamischen Kreisläufe benannt sind, die die Menge an Arbeit bestimmen, die eine Maschine leisten kann. Seine Arbeit wurde von Joule, Kelvin und Clausius fortgeführt, die eine starke theoretische Basis in diesen ursprünglich rein praktischen Bereich einbrachten.
Durch die Bemühungen dieser Wissenschaftler formulierten sie die Grundgesetze bzw Start, Thermodynamik, die die jahrhundertealte empirische Erfahrung bei der Beobachtung thermischer Prozesse zusammenfasst. Der erste Hauptsatz spricht von der Energieerhaltung in einem isolierten System („Energieerhaltungssatz“) und der zweite Hauptsatz spricht von der Flussrichtung spontaner Prozesse. (Es gibt immer noch das Null- und das Dritte Prinzip, aber wir werden hier nicht darüber sprechen.) Das Konzept ist untrennbar mit dem Zweiten Hauptsatz verbunden. Entropie(S), die als geheimnisvollste thermodynamische Größe bekannt geworden ist. Ursprünglich von Clausius formal als Verhältnis der dem System zugeführten Wärme zur Temperatur definiert (ΔS = ΔQ/T), erlangte die Entropie später die Bedeutung eines globalen „Maßes für Chaos“. Seitdem ist die Entropie zur Grundlage der modernen Formulierung des Zweiten Hauptsatzes geworden:
Spontane Prozesse in einem isolierten System gehen mit einer Entropiezunahme einher.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) verband all diese thermische „Küche“ mit der Ebene der Atome, aus denen die Materie besteht, und das noch bevor die atomare Struktur der Materie allgemein anerkannt wurde. Als wichtigste Errungenschaft seines Lebens betrachtete er die Entdeckung (im Jahr 1877) der statistischen Formel zur Berechnung der Entropie: S = k × logW, wobei S ist Entropie, k ist eine Konstante, die Planck später nach Boltzmann selbst benannte, und W ist das statistische Gewicht des Staates (Zahl). Mikrostaaten, das dies umsetzt Makrozustand). Trotz seines schlechten Sehvermögens sah er viel tiefer als die anderen in die Materie hinein: Er war der Erste, der die Kraft einer statistischen Herangehensweise an die Beschreibung spürte thermodynamische Ensembles und wandte es auf die Molekularphysik an. Es gibt eine Version, dass Boltzmann aufgrund eines Missverständnisses seiner Zeitgenossen, die er radikal überflügelte, Selbstmord begangen habe. Die oben erwähnte Formel ist auf seinem Grabstein auf dem Wiener Friedhof eingemeißelt.
Trotz des Mysteriums des Konzepts der Entropie ist die Bedeutung des zweiten Hauptsatzes ganz einfach: Wenn das System isoliert ist (das heißt, es tauscht weder Materie noch Energie mit der Außenwelt aus), tendiert es zum Zustand thermodynamisches Gleichgewicht, - ein solcher Makrozustand, der durch die maximal mögliche Anzahl von Mikrozuständen realisiert wird (mit anderen Worten, der die maximale Entropie aufweist). Beispielsweise wird sich ein zerbrochener Becher niemals wieder zusammenkleben: Der Anfangszustand (ein ganzer Becher) wird nur auf eine Art und Weise (S=0) erreicht, der Endzustand (ein zerbrochener Becher) jedoch auf eine astronomisch große Anzahl Wege (S>>0). Aus globaler Sicht sind daher leider alle Pokale zum Scheitern verurteilt. Ein ausgezeichnetes Sachbuch von Peter Atkins, Order and Disorder in Nature, widmet sich der Erklärung des Zweiten Gesetzes „für Hausfrauen“.
Hydrophober Effekt im Sinne der statistischen Physik
Wenn wir also das zweite Gesetz kennen, verstehen wir, warum eine Tasse Tee auf dem Tisch zwangsläufig auf Raumtemperatur abkühlt, sich aber von selbst nie wieder erwärmt und der Luft in der Küche Wärme entzieht. (Wenn nicht, dann sollten Sie unbedingt das Buch von Atkins lesen.) Aber sind dieselben Argumente anwendbar, um beispielsweise die Unmischbarkeit von Wasser und Öl zu erklären? Schließlich zielt das Zweite Gesetz darauf ab, „alles auszugleichen“, und Wasser und Öl hingegen weigern sich, sich ineinander aufzulösen (Abb. 2). A).
Abbildung 2. Darstellung des hydrophoben Effekts. A - Der hydrophobe Effekt (und eigentlich der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik) bewirkt, dass Wasser unpolare Moleküle (wie Öl) „abstößt“ und die Kontaktfläche mit ihnen verringert. Aus diesem Grund verschmelzen viele kleine Öltröpfchen im Wasser schließlich miteinander und bilden eine Schicht. B - Die Bildung einer geordneten („eisartigen“) Schicht aus Wassermolekülen in der Nähe einer hydrophoben Oberfläche ist notwendig, damit Wassermoleküle untereinander Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Dies führt jedoch zu einem Entropieabfall, der im Zusammenhang mit dem Zweiten Hauptsatz nachteilig ist. V - Eine natürliche Möglichkeit zur Erhöhung der Entropie besteht darin, die Kontaktfläche hydrophober Moleküle mit Wasser zu verringern, was geschieht, wenn mehrere unpolare Moleküle miteinander aggregieren. Bei amphiphilen Molekülen kommt es zur Selbstorganisation und zur Bildung recht komplexer supramolekularer Strukturen wie Mizellen, Doppelschichten und Vesikel ( cm. Reis. 3).
Wenn wir nur Öl betrachten, scheint es, dass die Thermodynamik nicht funktioniert: Die Auflösung des Ölfilms in der Dicke der Flüssigkeit würde die Entropie im Vergleich zur Monoschicht deutlich erhöhen. Aber jeder weiß, dass das Gegenteil der Fall ist: Selbst wenn man Wasser und Öl schüttelt, löst sich die Emulsion nach einiger Zeit auf und das Öl bildet wieder einen Film und hinterlässt die wässrige Phase.
Tatsache ist, dass Wasser in diesem Beispiel ein gleichberechtigter Teilnehmer des betrachteten Systems ist und auf keinen Fall übersehen werden sollte. Wie Sie wissen, beruhen die Eigenschaften von Wasser (sogar in seinem flüssigen Zustand unter normalen Bedingungen) auf der Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Jedes Wassermolekül kann bis zu vier Bindungen mit „Nachbarn“ eingehen, dafür muss sich Wasser jedoch „im Wasser“ befinden. In Gegenwart einer unpolaren Oberfläche im Wasser fühlen sich die angrenzenden Moleküle nicht mehr „frei“ an: Um die gewünschten Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, müssen sich diese Moleküle auf eine genau definierte Weise ausrichten und bilden eine „eisige“ Oberfläche. Schale (Abb. 2 B) um ein hydrophobes Objekt. Diese erzwungene Ordnung ist durch einen erheblichen Abfall der Entropie des Öl-Wasser-Systems gekennzeichnet, der hydrophobe Moleküle dazu zwingt, miteinander zu aggregieren, wodurch die Kontaktfläche mit dem polaren Medium verringert wird und somit der Entropiefaktor ungünstig abnimmt. Tatsächlich ist es Wasser, das das Öl zu einem großen Tropfen oder Fleck verschmelzen lässt und so das dialektische Prinzip „Gleiches zu Gleichem“ verwirklicht.
Dieses Zusammenspiel polarer und unpolarer Phasen nennt man hydrophobe Wirkung. Dieses Phänomen führt dazu, dass Waschmittelmoleküle in Lösung Mizellen bilden und Lipide Mono- und Doppelschichten bilden. Letztere können sich unter Bildung von Vesikeln (Liposomen) oder biologischen Membranen, die die Zelle umgeben, verschließen (Abb. 3). Beispielsweise wurden auch komplexere Formen des Lipidpolymorphismus gefunden kubische Lipidphase, weit verbreitet in Strukturstudien von Membranproteinen.
Abbildung 3. Lipidpolymorphismus. Abhängig von der Form und anderen Eigenschaften des Moleküls, die die asymmetrische Struktur von Kopf und Schwanz charakterisieren, bilden Lipide verschiedene supramolekulare Strukturen. Von oben nach unten: 1 - Bei der umgekehrten konischen Form des Moleküls entstehen Strukturen mit positiver Krümmung (Mizellen und die hexagonale Phase H I); 2 - die zylindrische Form ergibt flache (lamellare) Strukturen wie Doppelschichten; 3 - Bei konischer Form werden sowohl umgekehrt hexagonale (H II) als auch mizellare Phasen gebildet.
„Tieferer“ hydrophober Effekt
Bei biologischen Molekülen spielt der hydrophobe Effekt eine besondere Rolle, da er Biomembranen bildet, ohne die kein Leben möglich ist, und nebenbei auch einen entscheidenden (bis zu 90 % aller Arbeiten) Beitrag zur Faltung von Proteinmolekülen leistet Ketten von Aminosäureresten, die unterschiedlicher Natur sein können: hydrophob oder hydrophil. Das Vorhandensein solch unterschiedlicher Einheiten innerhalb eines linearen Moleküls ergibt die gesamte Vielfalt an Formen und Funktionen, die in Proteinen beobachtet wird.
Auf submolekularer Ebene zeigt sich der hydrophobe Effekt jedoch anders als bei einer ausgedehnten unpolaren Oberfläche oder einem ganzen Löffel Öl: Offenbar ist ein Cluster hydrophober Partikel nur dann stabil, wenn seine Größe den Schwellenwert (≈1) überschreitet nm); andernfalls wird es durch die thermische Bewegung der Moleküle zerstört. Die Modellierung der Molekulardynamik (MD) zeigt den Unterschied in der Struktur von „reinem“ Wasser und Wasser in der Nähe kleiner (<1 нм) и большой (>>1 nm) hydrophobe Partikel. Wenn in den ersten beiden Fällen jede Wenn ein Wassermolekül bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann, ist dies bei einem großen hydrophoben Partikel nicht möglich und die Wassermoleküle müssen sich in einer „eisigen“ Hülle um dieses Partikel anordnen (Abbildung 2). B und 4).
Abbildung 4. Unterschiedliche Konfiguration von Wassermolekülen in der Nähe des kleinen ( A) und groß ( B) hydrophobe Partikel(in beiden Fällen abgebildet rote Kugeln). Laut MD-Daten können Partikel mit einer Größe von weniger als 1 nm problemlos von Wasser umgeben werden, ohne deren „Freiheit“ und die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen einzuschränken. Bei größeren Partikeln muss sich das Grenzwassermolekül zur Bildung einer Wasserstoffbrücke in einer besonderen Weise relativ zur hydrophoben Oberfläche orientieren, was zu einer Ordnung der gesamten Wasserschicht (oder mehreren) und einer Abnahme führt die Entropie des Lösungsmittels. In diesem Fall sinkt die durchschnittliche Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen pro Wassermolekül auf drei. Interessant ist, dass sich hier auch die Art der Abhängigkeit der Solvatationsenergie eines Partikels von seiner Größe ändert: Bis zu 1 nm hängt die Energie vom Volumen des Partikels ab, oberhalb dieser Schwelle von seiner Oberfläche.
Die gleiche „Schwellengröße“ wurde auch in einem Experiment bestätigt, um den Beitrag des hydrophoben Effekts zur Faltung der Polymerkette in Abhängigkeit von der Größe der Monomerseitengruppe und der Temperatur zu bestimmen. Die Registrierung der freien Solvatationsenergie erfolgte mit einem Rasterkraftmikroskop, das das Polymermolekül jeweils um ein Glied „aufdrehte“. Interessanterweise stimmt der Grenzwert von 1 nm ungefähr mit der Größe großer Seitenketten von Aminosäureresten überein, die die Faltung des Proteinmoleküls bestimmen.
Da der hydrophobe Effekt entropischer Natur ist, hängt seine Rolle in verschiedenen Prozessen (d. h. sein Beitrag zur freien Energie) von der Temperatur ab. Es ist merkwürdig, dass dieser Beitrag genau unter normalen Bedingungen maximal ist – bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck, bei denen Leben hauptsächlich existiert. (Unter den gleichen Bedingungen liegt auch das wichtigste biologische Lösungsmittel – Wasser – nahe am Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf.) Dies deutet darauf hin, dass das Leben bewusst die Existenzbedingungen „wählt“, die in der Nähe von Phasenübergängen und Gleichgewichtspunkten liegen: anscheinend dies bietet die Möglichkeit einer besonders zuverlässigen und feinen Kontrolle scheinbar „träger“ Dinge wie der Struktur von Membranen und Proteinmolekülen.
Neuere Studien haben die Rolle von Wasser sowohl bei der hydrophoben Wirkung als auch bei der intermolekularen Erkennung (z. B. wenn ein Enzym sein Substrat bindet oder ein Rezeptor einen Liganden erkennt) noch stärker hervorgehoben. Im aktiven Zentrum eines Proteins befinden sich in der Regel „gebundene“ (und damit geordnete) Wassermoleküle. Wenn der Ligand in die Bindungsstelle auf der Proteinoberfläche eindringt, wird Wasser „freigesetzt“, was einen positiven Beitrag zur Entropie leistet (Abb. 5); Die Enthalpiekomponente der Änderung der freien Energie kann jedoch entweder negativ oder positiv sein. Mithilfe kalorimetrischer Titration und molekularer Modellierung wurde das thermodynamische Muster der Bindung vieler Liganden durch das Enzym Carboanhydrase ermittelt, die eine ähnliche Struktur aufweisen, sich jedoch in der Größe der hydrophoben Gruppen unterscheiden. Die Analyse zeigte, dass der Beitrag von Enthalpie und Entropie zur freien Gibbs-Energie jeweils individuell sein kann und es unmöglich ist, im Voraus zu sagen, welcher Prozess eine entscheidende Rolle spielen wird. Es ist nur absolut klar, dass die Struktur und Dynamik der dem aktiven Zentrum am nächsten gelegenen Schichten von Wassermolekülen bei der intermolekularen Erkennung die gleiche wichtige Rolle spielen wie die Korrespondenz des Liganden mit dem Rezeptor, was dem „Klassischen“ eine neue Ebene der Komplexität verleiht ” Modelle der Wechselwirkung zweier Moleküle vom Typ „Schlüssel-Schloss“ oder „Handschuhhand“.
Die Faltung von Homo- und Heteropolymeren lässt sich in mehrere Stufen einteilen (Abb. 6):
- Wenn Sie mit einer gespannten Kette beginnen, ist die erste Stufe Entropiefaltung, was eine direkte Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist: Eine vollständig ausgerichtete Polypeptidkette hat eine Entropie von Null, die durch statistische Kräfte, die den Faden drehen, sofort „korrigiert“ wird „Statistisches Gewirr“.
- In der Random-Coil-Konformation werden die hydrophoben Seitenreste im Raum zusammengebracht und aggregieren unter dem Einfluss des hydrophoben Effekts. Dies wird durch die Beobachtung der Prinzipien der dreidimensionalen Packung von Proteinkügelchen bestätigt: Im Inneren befindet sich ein „Kern“ aus hydrophoben Resten, und auf der Oberfläche des Moleküls befinden sich polare und geladene Aminosäurereste. Das in dieser Phase resultierende Formular wird aufgerufen geschmolzene Kügelchen.
- Bei Biopolymeren ist das aber noch nicht alles: Spezifische Wechselwirkungen zwischen räumlich nah beieinander liegenden Resten machen die Packung noch dichter (das stimmt). Kügelchen). In diesem Fall erfährt die freie Energie einen deutlichen Abfall, was oft als Kriterium für eine „gut gepackte“ Struktur angesehen wird.
Abbildung 6. Die Rolle des hydrophoben Kollapses bei der Faltung von drei Polymerketten mit unterschiedlicher Hydrophobie der Monomerbestandteile: einem hydrophoben Polymer, einem hydrophob-hydrophilen Copolymer und einem globulären Protein (von oben nach unten) – die freie Energie ist in Abhängigkeit davon aufgetragen Trägheitsradius, der die Kompaktheit der Kettenpackung anzeigt. 1) Jede lineare Kette verdreht sich aus einem vollständig gedehnten Zustand schnell statistisches Gewirr. 2) Die räumliche Nähe unpolarer Seitenketten führt zum Zusammenbruch und zur Bildung hydrophober Knäuel geschmolzene Kügelchen. 3) Im Fall von Proteinen reduzieren evolutionär ausgewählte spezifische Kontakte zwischen den Seitenketten eng beieinander liegender Aminosäurereste (wie Wasserstoffbrückenbindungen oder elektrostatische Wechselwirkungen) die freie Energie weiter und packen das Protein dichter Kügelchen. Bei hydrophoben Polymeren gibt es solche Wechselwirkungen nicht, weshalb ihre Faltung im Random-Coil-Stadium stoppt.
Früher glaubte man, dass die dritte Stufe ein unverzichtbares Merkmal eines funktionellen Proteins sei, doch in letzter Zeit wird der sogenannten dritten Stufe mehr Aufmerksamkeit geschenkt ungeordnete Proteine (intrinsisch ungeordnete Proteine), die keine klar definierte räumliche Form haben und es tatsächlich keine Phase der Bildung spezifischer Kontakte gibt. (Übrigens ist der Anteil an hydrophoben Resten in ihnen im Vergleich zu globulären Proteinen deutlich geringer.) Möglicherweise können sie dadurch in einer lebenden Zelle nicht mit einem Protein oder Liganden, sondern mit Dutzenden oder sogar Hunderten strukturell unterschiedlichen Partnermolekülen interagieren. Beteiligung an einer sehr feinen Regulierung zellulärer Prozesse.
Der hydrophobe Effekt spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Faltung von Membranproteinen (MPs), die viele lebenswichtige Funktionen erfüllen, vom Transport von Molekülen und Ionen durch die Membran bis hin zur gegenseitigen Aufnahme und Erkennung durch Zellen. Aufgrund der Tatsache, dass die meisten von ihnen in die hydrophobe Doppelschicht der Membran eingetaucht sind, unterscheidet sich die Struktur der Transmembrandomäne (TM) deutlich von der Packung löslicher globulärer Proteine: Ihre TM-Segmente sind deutlich hydrophober, ebenso die hydrophoben Seitenketten befinden sich nicht nur im Inneren des Proteins (wie im Fall globulärer Proteine), sondern auch an der Oberfläche, wo das Protein mit den Kohlenwasserstoffketten von Lipidmolekülen in Kontakt kommt.
Es ist wichtig, dass Hydrophobie ins Spiel kommt bis dahin wie sich das Protein an seinem Arbeitsplatz (also in der Membran) befindet. MBs gelangen im Prozess der ribosomalen Synthese nicht wie globuläre Proteine in das Zytoplasma, sondern hinein Translokon- eine ziemlich komplexe molekulare Maschine, die in Form eines Kanals aufgebaut ist und sowohl für die Sekretion von Proteinen als auch für die Abgabe von MB in die Membranen verantwortlich ist. Es stellte sich heraus, dass das Translokon die Hydrophobie eines durch es hindurchgeleiteten Proteinfragments „spüren“ kann und bei Erreichen einer bestimmten Hydrophobieschwelle dieses Fragment nicht „nach vorne“ (durch den Kanal in den extrazellulären Raum), sondern „ausspuckt“. „seitlich“ (durch die Kanalwand) - direkt in die Membran. So werden Fragment für Fragment Membranproteine in die Membran eingefügt, und zwar N-Das Ende des MB liegt immer in der extrazellulären Region und wo wird es sein? C-end – hängt von der Anzahl der TM-Segmente ab.
In einem eleganten Experiment am Sec61-Translokon des endoplasmatischen Retikulums wurde eine „biologische Skala der Hydrophobie“ erstellt, die jedem Aminosäurerest einen spezifischen Hydrophobiewert zuordnet. Interessanterweise stimmt diese Skala im Allgemeinen mit den zuvor etablierten physikalisch-chemischen Skalen überein, was es ermöglicht, dem Translokon die Rolle eines hydrophoben Interaktionssensors zuzuordnen.
So kann die Zelle mit Hilfe eines Translokons die Hydrophobie „messen“ und im Labor lässt sich diese Eigenschaft anhand der Art der Wechselwirkung mit Wasser grob abschätzen. Aber ist es möglich, die Hydrophobie theoretisch zu berechnen und diese Berechnung in praktisch wichtige Probleme einzubeziehen?
Wie berechnet man die Hydrophobie theoretisch?
Oben wurde bereits gesagt, dass der hydrophobe Effekt tatsächlich eine der Facetten des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist, daher ist es wahrscheinlich nicht einfacher, ihn genau zu berechnen, als das gesamte System als Ganzes und auf einem physikalisch korrekten Niveau zu modellieren. Mit anderen Worten: „hydrophobe Wechselwirkungen“ beschränken sich keineswegs auf paarweise Kontakte, wie etwa die Anziehung oder Abstoßung zweier Ladungen oder die Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffbrückendonor und -akzeptor. Der einzig theoretisch korrekte Weg besteht darin, eine große Anzahl von Mikrozuständen in thermodynamischen Ensembles zu analysieren, was in der Praxis ziemlich schwierig ist.
Allerdings ist in der molekularen Modellierung und ihren Anwendungen (z. B. biotechnologisch oder industriell) nach wie vor eine zumindest näherungsweise Beurteilung der hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften von Molekülen gefragt. Normalerweise orientieren sie sich an einer Eigenschaft, die die Hydrophobie des Moleküls als Ganzes beschreibt – dem Verteilungskoeffizienten ( P, aus Partitionierung) dieses Stoffes zwischen Wasser (polare Phase) und unpolarer Phase (z. B. Benzol oder N-Octanol). Tatsache ist, dass dieser Parameter im Gegensatz zu allen anderen thermodynamischen Eigenschaften ganz einfach experimentell zu messen ist, indem man die Konzentration des untersuchten Stoffes in Wasser und einem unpolaren Medium (die sich, wie wir uns erinnern, fast nicht vermischen) bestimmt und dividiert eines nach dem anderen. Der Logarithmus dieses Koeffizienten wird als Hydrophobizitätskoeffizient verwendet – log P.
Auf die Vorhersage dieses Koeffizienten zielen mehrere empirische Methoden ab, die darauf hinauslaufen, dies auf der Grundlage eines „Trainingssatzes“ von Substanzen mit genau gemessenem Logarithmus sicherzustellen P Bestimmen Sie die Beiträge einzelner Fragmente eines Moleküls oder sogar seiner einzelnen Atome (unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung), um dann anhand der berechneten fragmentarischen oder atomaren Hydrophobizitätskonstanten die Hydrophobie für unbekannte Moleküle zu berechnen. Tatsächlich handelt es sich dabei um den Versuch, jedem Atom im Molekül eine „hydrophobe Ladung“ zuzuordnen, wobei zu bedenken ist, dass dies keine physikalische Bedeutung hat. Die Summierung dieser Konstanten für alle Atome im Molekül ergibt den gewünschten logarithmischen Wert P und die Anwendung eines Ansatzes ähnlich der Berechnung des elektrostatischen Potentials an Punkten im Raum (φ ~ q / r) führten zur Methode des Molekularen Hydrophoben Potentials (MHP; Abb. 7), die sich in der molekularen Modellierung bewährt hat. Das PLATINUM-Programm widmet sich den Berechnungen des IHL.
Abbildung 7. Molekulares hydrophobes Potenzial (MHP). Der Sinn des MHL-Ansatzes, der die Berechnung der räumlichen Verteilung hydrophober/hydrophiler Eigenschaften ermöglicht, besteht darin, ein empirisches System zu etablieren atomare Hydrophobizitätskonstanten (fi), technisch analog zu Teilladungen. Die Summe dieser Konstanten über alle Atome ergibt eine Schätzung des Hydrophobizitätskoeffizienten log P(Wo P ist der Verteilungskoeffizient eines Stoffes zwischen Wasser und Oktanol) und die Berechnung des „Potentials“ aus einem Punktsystem „hydrophober Ladungen“ unter Berücksichtigung der Dämpfung im Raum (nach dem Gesetz d(r), gleich, B. zu 1/r), ermöglicht es uns, uns die Verteilung der Hydrophobie auf molekularen Oberflächen vorzustellen. Die Abbildung zeigt die hydrophoben Eigenschaften des Hauptphospholipids der eukaryotischen Plasmamembran – Palmitoyloleylphosphatidylcholin.
Die Berechnung des MHP ermöglicht es, den effektiven Wert der Hydrophobie eines bestimmten Fragments eines Moleküls abzuschätzen und die hydrophoben Eigenschaften seiner Oberfläche zu visualisieren, was wiederum Aufschluss über die Mechanismen der intermolekularen Wechselwirkung geben und den Weg weisen kann zu einer gezielten Veränderung der Eigenschaften von Molekülen oder der Art und Weise, wie sie miteinander interagieren. Also mit Hilfe der räumlichen Kartierung der hydrophoben Eigenschaften kurzer α-Helix antimikrobielle Peptide(AMP) konnte zeigen, dass diese Moleküle amphiphiler Natur sind – wenn eine Seite der Helix hydrophob und die andere polar und positiv geladen ist. Dieses Motiv ist auf den MHP-„Sweep“-Karten deutlich sichtbar und unterstreicht den Mechanismus der Peptid-Membran-Wechselwirkung und der antimikrobiellen Wirkung (Abb. 8). Mit Hilfe solcher Karten war es möglich, das natürliche AMP zu verändern Latarcin, wodurch Analoga entstehen, die eine hohe antibakterielle Aktivität haben, aber keine Erythrozyten zerstören und daher einen potenziellen Prototyp des Arzneimittels darstellen (Abb. 8).
Abbildung 8. Gestaltung der vorteilhaften Eigenschaften des antimikrobiellen Peptids Latarcin 2a (Ltc2a). Obere Reihe links Dargestellt sind die räumliche Struktur von Ltc2a und die Verteilung der hydrophoben Eigenschaften (siehe Abb. 7) auf seiner Oberfläche. Im Zentrum Dargestellt ist ein Karten-„Sweep“ des IHL in Zylinderkoordinaten (α; Z). Es zeigt ein klares amphiphiles Muster, das die Wechselwirkung des Peptids mit der Zellmembran bestimmt. Obere Reihe rechts Die zytolytische Aktivität des Peptids wird gezeigt: Es tötet effektiv sowohl Bakterien („Gramm+“, „Gramm-“) als auch tierische Zellen („Erythrozyten“) ab [Spalte „wt“].
Die Aufgabe war folgende: Beibehaltung der antimikrobiellen Aktivität, Beseitigung der hämolytischen Aktivität(d. h. um einen Prototyp eines bakteriziden Arzneimittels zu erstellen). Es wurde angenommen, dass eine Änderung der Natur des hydrophoben „Flecks“ auf der MHL-Karte die Wechselwirkung mit den Membranen von Bakterien und Erythrozyten auf unterschiedliche Weise verändern würde, und die Aufgabe wäre erledigt. Wir haben drei Peptide getestet, die Punktmutationen einführten: Ile7→Gln, Phe10→Lys und Gly11→Leu. Entsprechende Veränderungen im hydrophoben Muster sind in drei Kartenfragmenten dargestellt ganz unten. Eine Mutante, Ile7→Gln, hatte die erforderlichen Aktivitäten: hohe bakterizide und geringe hämolytische Wirkung.
Die Berücksichtigung der hydrophoben Eigenschaften von Biomolekülen wird auch in anderen Bereichen der molekularen Modellierung genutzt, insbesondere bei der Vorhersage der Position von Transmembranregionen in der Aminosäuresequenz oder bei der Verfeinerung der räumlichen Struktur von Rezeptor-Ligand-Komplexen auf der Grundlage des Prinzips der hydrophoben Korrespondenz.
Trotz der komplexen physikalischen Natur des Hydrophobizitätsphänomens kann selbst seine sehr oberflächliche Betrachtung bei der molekularen Modellierung nützlich sein. Aus dem obigen Beispiel ist ersichtlich, dass die räumliche Kartierung der Eigenschaften von Molekülen, berechnet mit der MHP-Technik, es ermöglicht, einen Zusammenhang zwischen der Struktur des Peptidmoleküls und seiner Aktivität herzustellen, und dies ist ein alter Traum der Chemiker , Biologen und Pharmakologen. Die Fähigkeit, einen solchen Zusammenhang zu finden, bedeutet die Fähigkeit, die erforderlichen Eigenschaften in Molekülen rational zu gestalten, was natürlich in der Grundlagenforschung, Biotechnologie und Medizin gefragt ist.
Und noch einmal ein Wort zum Thema Wasser
Ein genauerer Blick auf den hydrophoben Effekt lässt erkennen, dass es sich tatsächlich um das statistische Verhalten einer Vielzahl von Molekülen handelt, das durch die Gesetze der Thermodynamik und der statistischen Physik beschrieben wird. Interessanter ist hier aber etwas anderes: Wir sind wieder einmal von der Einzigartigkeit einer scheinbar einfachen Substanz wie Wasser überzeugt. Wasser selbst hat viele erstaunliche Eigenschaften, aber als biologisches Lösungsmittel sucht es seinesgleichen. Durch die Wechselwirkung mit anderen Molekülen verändert Wasser seine Dynamik und Struktur und zwingt so eine Veränderung des gesamten Systems. Genau das beobachten wir, wenn wir die Selbstorganisation amphiphiler Moleküle zu Doppelschichten und Vesikeln untersuchen – schließlich ist es Wasser, das sie zu solch komplexen Formen „anordnen“ kann.
Die Rolle von Wasser im Leben der wichtigsten biologischen „Maschinen“ – Proteine – kann kaum überschätzt werden. Auch die Faltung von einer linearen Kette zu einer dichten Kugel, in der jedes Atom seinen Platz kennt, ist ein Verdienst des Wassers. Damit verdient Wasser auch den Titel eines der biologischsten Moleküle, obwohl es sich nach der chemischen Klassifizierung um einen anorganischen Stoff handelt.
Meerjungfrauenmoleküle Signatur der hydrophoben Hydratation in einem einzelnen Polymer;
