| 1. Η δομή του μορίου του νερού. | ||
| Το νερό έχει ένα πολικό μόριο. Το οξυγόνο, ως πιο ηλεκτραρνητικό άτομο, αντλεί πάνω του την πυκνότητα ηλεκτρονίων που μοιράζεται με το άτομο υδρογόνου και επομένως φέρει ένα μερικό αρνητικό φορτίο. τα άτομα υδρογόνου από τα οποία εκτοπίζεται η πυκνότητα των ηλεκτρονίων φέρουν μερικό θετικό φορτίο. Έτσι, ένα μόριο νερού είναιδίπολο, δηλ. έχει θετικά και αρνητικά φορτισμένες περιοχές. (Το μοντέλο στα δεξιά είναι τρισδιάστατο, μπορεί να περιστραφεί πατώντας το αριστερό κουμπί του ποντικιού.) |
|
2. Δεσμοί υδρογόνου.
3. Το νερό ως διαλύτης. |
alt="Το πρόγραμμα περιήγησής σας κατανοεί το |
Σε σχέση με το νερό, σχεδόν όλες οι ουσίες μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες:
1. Υδρόφιλο(από το ελληνικό "phileo" - στην αγάπη, έχουν θετική συγγένεια με το νερό
). Αυτές οι ουσίες έχουν ένα πολικό μόριο που περιέχει ηλεκτραρνητικά άτομα (οξυγόνο, άζωτο, φώσφορο κ.λπ.). Ως αποτέλεσμα, μεμονωμένα άτομα τέτοιων μορίων αποκτούν επίσης μερικά φορτία και σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού. Παραδείγματα: σάκχαρα, αμινοξέα, οργανικά οξέα.
2. Υδροφοβικό(από το ελληνικό "phobos" - φόβος, έχοντας αρνητική συγγένεια με το νερό
). Τα μόρια τέτοιων ουσιών είναι μη πολικά και δεν αναμιγνύονται με έναν πολικό διαλύτη, όπως το νερό, αλλά είναι εξαιρετικά διαλυτά σε οργανικούς διαλύτες, για παράδειγμα, αιθέρα και σε λίπη. Ένα παράδειγμα θα ήταν γραμμικούς και κυκλικούς υδρογονάνθρακες. συμπεριλαμβανομένου βενζόλιο.
|
Ερώτηση 2. Κοιτάξτε προσεκτικά τα δύο μόρια στα δεξιά. Ποιο από αυτά τα μόρια πιστεύετε ότι είναι υδρόφιλο και ποιο υδρόφοβο; Γιατί το νομίζεις αυτό? Έχετε ανακαλύψει ποιες είναι αυτές οι ουσίες; Μεταξύ των οργανικών ουσιών υπάρχουν και ενώσεις, το ένα μέρος του μορίου των οποίων είναι μη πολικό και εμφανίζει υδρόφοβες ιδιότητες και το άλλο είναι πολικό και, επομένως, υδρόφιλο. |
alt="Το πρόγραμμα περιήγησής σας κατανοεί το | alt="Το πρόγραμμα περιήγησής σας κατανοεί το | ||
| Τέτοιες ουσίες ονομάζονται αμφιπαθητικός
. Μόριο φωσφατιδυλοσερίνη(ένα από τα φωσφολιπίδια της πλασματικής μεμβράνης των κυττάρων, δεξιά) μπορεί να χρησιμεύσει ως παράδειγμα αμφιπαθητικών ενώσεων. Ερώτηση 3.
Κοιτάξτε προσεκτικά αυτό το μόριο. Ποιο μέρος πιστεύετε ότι είναι υδρόφιλο και ποιο υδρόφοβο; Τοποθετήστε το μόριο έτσι ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο καθαρό, δημιουργήστε ένα αρχείο γραφικών και σε αυτό υποδείξτε τα υδρόφιλα και υδρόφοβα τμήματα του μορίου. 4. Το νερό ως διαλύτης σε ζωντανούς οργανισμούς.
|
alt="Το πρόγραμμα περιήγησής σας κατανοεί το |
Επιπλέον, η λειτουργία μεταφοράς των εσωτερικών υγρών τόσο στα πολυκύτταρα ζώα (αίμα, λέμφος, αιμολέμφος, κολομικό υγρό) όσο και σε πολυκύτταρα φυτά σχετίζεται άμεσα με την ιδιότητα του νερού ως διαλύτη.
5. Νερό ως αντιδραστήριο.
Η σημασία του νερού συνδέεται επίσης με τις χημικές του ιδιότητες - ως μια συνηθισμένη ουσία που εισέρχεται σε χημικές αντιδράσεις με άλλες ουσίες. Τα πιο σημαντικά είναι η διάσπαση του νερού υπό την επίδραση του φωτός ( φωτόλυση) στην ελαφριά φάση φωτοσύνθεση, η συμμετοχή του νερού ως απαραίτητου αντιδραστηρίου στις αντιδράσεις της διάσπασης σύνθετων βιοπολυμερών (δεν είναι τυχαίο ότι τέτοιες αντιδράσεις ονομάζονται αντιδράσεις υδρόλυσης
). Και, αντίστροφα, κατά τις αντιδράσεις σχηματισμού βιοπολυμερών, ο πολυμερισμός, απελευθερώνεται νερό.
Ερώτηση 4.
Ποια ανακρίβεια στην τελευταία πρόταση θα διόρθωνε ένας χημικός;
Υδρόφιλες ουσίες
Υδρόφιλες ουσίες (ουσίες)
Στερεά που έχουν την ιδιότητα να διαβρέχονται από το νερό. Δεν βρέχεται από λιπαρά υγρά.
Ένα σύντομο ηλεκτρονικό βιβλίο αναφοράς για τους βασικούς όρους πετρελαίου και φυσικού αερίου με σύστημα παραπομπών. - Μ.: Ρωσικό Κρατικό Πανεπιστήμιο Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου που πήρε το όνομά του. Ι. Μ. Γκούμπκινα. Μ.Α. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Νόβικ. 2004 .
Δείτε τι είναι οι "Υδρόφιλες ουσίες" σε άλλα λεξικά:
Βάσεις υδρόφιλης αλοιφής- Το ύφος αυτού του άρθρου είναι μη εγκυκλοπαιδικό ή παραβιάζει τους κανόνες της ρωσικής γλώσσας. Το άρθρο θα πρέπει να διορθωθεί σύμφωνα με τους στιλιστικούς κανόνες της Wikipedia. Κύριο άρθρο: Βάσεις αλοιφής Υδρόφιλες βάσεις αλοιφής Βάσεις αλοιφής που χρησιμοποιούνται για ... ... Wikipedia
Υδρόφιλος- (από το hydro και το phil) «υδατολάτρες» ουσίες των οποίων τα μόρια είναι ηλεκτροπολικά και συνδυάζονται εύκολα με μόρια νερού. Το αντίθετο είναι οι υδρόφοβες (“μισητές”) ουσίες... Οι απαρχές της σύγχρονης φυσικής επιστήμης
Σφραγιστικά μέσα- υδρόφιλες ουσίες υψηλής περιεκτικότητας σε πολυμερή που χρησιμοποιούνται για τη συμπίεση υγρών θρεπτικών μέσων. Σε μέσα για χημειοοργανότροφα ως U.V. χρησιμοποιήστε άγαρ (βλ.) και ζελατίνη (βλ.), για αυτοτροφικούς οργανισμούς πυριτική γέλη (βλ.). Πιο λιγο... ... Λεξικό μικροβιολογίας
Ουσίες που μπορούν να συσσωρευτούν (πυκνώσουν) στην επιφάνεια επαφής δύο σωμάτων, που ονομάζεται διεπαφή φάσης ή επιφάνεια διεπιφάνειας. Στη διεπιφανειακή επιφάνεια του P. a. V. σχηματίζουν ένα στρώμα προσρόφησης αυξημένης συγκέντρωσης... ... Μεγάλη Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια
τασιενεργά (επιφανειοδραστικά)- ουσίες που μπορούν να προσροφηθούν στη διεπιφάνεια και προκαλούν μείωση της επιφανειακής (διεπιφανειακής) τάσης. Τυπικά τασιενεργά είναι οργανικές ενώσεις των οποίων τα μόρια περιέχουν λυόφιλα και λυόφοβα (συνήθως υδρόφιλα και... ... Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό Μεταλλουργίας
Τασιενεργά- (α. επιφανειοδραστικά; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; στ. ουσίες tensio actives; i. επιφανειοδραστικά), ουσίες με ασύμμετρο mol. δομή, τα μόρια της οποίας έχουν δίφιλη δομή, δηλ. περιέχουν λυόφιλα και... Γεωλογική εγκυκλοπαίδεια
επιφανειοδραστικές ουσίες- Επιφανειοδραστικά Ουσίες που μπορούν να προσροφηθούν στη διεπιφάνεια και προκαλούν μείωση της επιφάνειας. (διεπιφανειακή) ένταση. Τα τυπικά τασιενεργά είναι οργανικά. ενώσεις των οποίων τα μόρια περιέχουν λυόφιλα και λυόφοβα (συνήθως υδρόφιλα και υδρόφοβα) σε... Οδηγός Τεχνικού Μεταφραστή
Είδη τασιενεργών Ουσίες με ασύμμετρη μοριακή δομή, τα μόρια των οποίων έχουν δίφιλη δομή, δηλαδή περιέχουν λυόφιλες και λυόφοβες (συνήθως υδρόφιλες πολικές ομάδες και υδρόφοβες ρίζες) ατομικές ομάδες. Δίφιλο...... Μικροεγκυκλοπαίδεια Πετρελαίου και Αερίου
Κυτταρικές μεμβράνες- Αυτός ο όρος έχει άλλες έννοιες, βλέπε Μεμβράνη Μια εικόνα μιας κυτταρικής μεμβράνης. Οι μικρές μπλε και άσπρες μπάλες αντιστοιχούν στις υδρόφιλες «κεφαλές» των λιπιδίων και οι γραμμές που συνδέονται σε αυτές αντιστοιχούν στις υδρόφοβες «ουρές». Στην εικόνα... ... Wikipedia
Επιλεκτική διαπερατότητα- Αυτός ο όρος έχει άλλες έννοιες, βλέπε Μεμβράνη Μια εικόνα μιας κυτταρικής μεμβράνης. Οι μικρές μπλε και άσπρες μπάλες αντιστοιχούν στις υδρόφιλες «κεφαλές» των λιπιδίων και οι γραμμές που συνδέονται σε αυτές αντιστοιχούν στις υδρόφοβες «ουρές». Το σχήμα δείχνει... ... Wikipedia
Ο όρος υδροφιλία (που προέρχεται από τις αρχαίες ελληνικές λέξεις «νερό» και «αγάπη») είναι χαρακτηριστικό της έντασης της αλληλεπίδρασης μιας ουσίας με το νερό σε μοριακό επίπεδο, δηλαδή η ικανότητα ενός υλικού να απορροφά εντατικά την υγρασία, όπως καθώς και η υψηλή διαβρεξιμότητα του νερού από την επιφάνεια της ουσίας. Αυτή η έννοια μπορεί να εφαρμοστεί στα στερεά, ως ιδιότητα της επιφάνειας, και σε μεμονωμένα ιόντα, άτομα, μόρια και τις ομάδες τους.
Η υδροφιλία χαρακτηρίζεται από το μέγεθος του δεσμού μεταξύ των μορίων του νερού προσρόφησης και των μορίων μιας ουσίας· στην περίπτωση αυτή, σχηματίζονται ενώσεις στις οποίες η ποσότητα του νερού κατανέμεται σύμφωνα με τις τιμές ενέργειας του δεσμού.
Η υδροφιλία είναι εγγενής σε ουσίες που έχουν ιοντικά κρυσταλλικά πλέγματα (υδροξείδια, οξείδια, θειικά, πυριτικά, άργιλοι, φωσφορικά, γυαλιά κ.λπ.) που έχουν πολικές ομάδες -OH, -NO 2, -COOH κ.λπ. Υδροφιλικότητα και υδροφοβικότητα- ειδικές περιπτώσεις αλληλεπίδρασης ουσιών με διαλύτες (λυοφιλικότητα, λυοφοβία).
Η υδροφοβία μπορεί να θεωρηθεί ως ένας μικρός βαθμός υδροφιλίας, επειδή η δράση των διαμοριακών δυνάμεων έλξης θα είναι πάντα περισσότερο ή λιγότερο παρούσα μεταξύ των μορίων οποιουδήποτε σώματος και του νερού. Η υδροφιλία και η υδροφοβία διακρίνονται από τον τρόπο που μια σταγόνα νερού απλώνεται σε ένα σώμα με λεία επιφάνεια. Η σταγόνα θα εξαπλωθεί πλήρως στην υδρόφιλη επιφάνεια και εν μέρει στην υδρόφοβη, ενώ η τιμή της γωνίας που σχηματίζεται μεταξύ της επιφάνειας του βρεγμένου υλικού και της σταγόνας επηρεάζεται από τον βαθμό υδροφοβικότητας του δεδομένου σώματος. Οι υδρόφιλες ουσίες είναι ουσίες στις οποίες η ισχύς των μοριακών (ιοντικών, ατομικών) αλληλεπιδράσεων είναι αρκετά ισχυρή. Υδρόφοβα είναι μέταλλα που στερούνται μεμβράνες οξειδίων, οργανικές ενώσεις που έχουν ομάδες υδρογονανθράκων στο μόριο (κεριά, λίπη, παραφίνες, ορισμένα πλαστικά), γραφίτης, θείο και άλλες ουσίες που έχουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις σε διαμοριακό επίπεδο.
Οι έννοιες της υδροφιλικότητας και της υδροφοβικότητας εφαρμόζονται τόσο σε σχέση με τα σώματα και τις επιφάνειές τους όσο και σε σχέση με μεμονωμένα μόρια ή μεμονωμένα μέρη μορίων. Για παράδειγμα, τα μόρια των επιφανειοδραστικών ουσιών περιέχουν πολικές (υδρόφιλες) και υδρογονάνθρακες (υδρόφοβες) ενώσεις. Η υδροφιλία του επιφανειακού μέρους του σώματος μπορεί να αλλάξει δραματικά λόγω της προσρόφησης τέτοιων ουσιών.
Η υδροφιλοποίηση είναι η διαδικασία αύξησης της υδροφιλικότητας και η υδροφοβία είναι η διαδικασία μείωσης της. Αυτά τα φαινόμενα έχουν μεγάλη σημασία στη βιομηχανία καλλυντικών, στην τεχνολογία κλωστοϋφαντουργίας για υδροφίληση υφασμάτων (ινών) για βελτίωση της ποιότητας πλυσίματος, λεύκανσης, βαφής κ.λπ.
Υδροφιλικότητα στα καλλυντικά
Η βιομηχανία αρωματοποιίας και καλλυντικών παράγει υδρόφιλες κρέμες και τζελ που προστατεύουν το δέρμα από ακαθαρσίες που δεν είναι διαλυτές στο νερό. Τέτοια προϊόντα περιέχουν υδρόφιλα συστατικά που σχηματίζουν ένα φιλμ που εμποδίζει τη διείσδυση αδιάλυτων στο νερό ρύπων στο επιφανειακό στρώμα του δέρματος.
Οι υδρόφιλες κρέμες παρασκευάζονται από γαλάκτωμα που σταθεροποιείται με κατάλληλους γαλακτωματοποιητές ή με βάση νερό-έλαιο-νερό ή λάδι-νερό. Επιπροσθέτως, αυτά περιλαμβάνουν διεσπαρμένα κολλοειδή συστήματα στα οποία σταθεροποιούνται υδρόφιλα τασιενεργά συστατικά και αποτελούνται από διασκορπισμένους σε νερό ή μικτούς διαλύτες ύδατος-γλυκόλης ανώτερων λιπαρών οξέων ή αλκοολών.
Οι υδρογέλες (υδρόφιλες γέλες) παρασκευάζονται από βάσεις που αποτελούνται από νερό, έναν μικτό μη υδατικό ή υδρόφιλο διαλύτη (αιθυλική αλκοόλη, προπυλενογλυκόλη, γλυκερίνη) και έναν υδρόφιλο παράγοντα πηκτωματοποίησης (παράγωγα κυτταρίνης, καρβομερή).
Υδροφιλικές ιδιότητες κρέμες και τζελ:
· απορροφάται γρήγορα και καλά.
· θρέφει το δέρμα.
· μετά τη χρήση τους δεν υπάρχει αίσθηση λιπαρότητας.
· Καθαρίστε το δέρμα.
· έχουν ενισχυτική επίδραση στο δέρμα.
· μείωση της επίδρασης των αρνητικών περιβαλλοντικών παραγόντων.
Βοηθήστε το δέρμα να διατηρήσει τη φυσική του ικανότητα να αναγεννάται.
Οι υδρόφιλες κρέμες και τζελ έχουν σχεδιαστεί για να προστατεύουν το δέρμα όταν εργάζεστε με μη αναμίξιμα με το νερό έλαια, μαζούτ, πετρέλαιο, χρώματα, ρητίνες, γραφίτη, αιθάλη, οργανικούς διαλύτες, διαλύματα ψύξης και λίπανσης, αφρό κατασκευής και πολλές άλλες ήπια επιθετικές ουσίες. Είναι επίσης απαραίτητα κατά την επισκευή ενός αυτοκινήτου, την ανακαίνιση ενός διαμερίσματος, κατά την κατασκευή, στη χώρα όταν εργάζεστε με λιπάσματα και χώμα.
Η εταιρεία KorolevPharm παράγει διάφορους τύπους προϊόντων αρωματοποιίας και καλλυντικών, συμπεριλαμβανομένων υδρόφιλων και υδρόφοβων κρέμων. Η εταιρεία είναι κατασκευαστής με σύμβαση και πραγματοποιεί όλα τα στάδια παραγωγής: ανάπτυξη συνταγών, πιστοποίηση, έναρξη παραγωγής, σειριακή παραγωγή προϊόντων. Ο χώρος παραγωγής είναι εξοπλισμένος με σύγχρονο εξοπλισμό.
Η επιχείρηση είναι πιστοποιημένη για συμμόρφωση με τις απαιτήσεις
Ένα φύλλο λωτού πάνω στο οποίο τρέχει νερό, συλλέγεται σε μπάλες, υδατοαπωθητικές επιφάνειες και προστατευτικές ενώσεις για παπούτσια, κούπες με λάδι που επιπλέουν σε ένα ζωμό - όλα αυτά είναι παραδείγματα μιας ιδιότητας των μορίων που ονομάζονται υδροφοβία. Εκτός, υδρόφοβο αποτέλεσμαπαίζει σημαντικό βιολογικό ρόλο: η αναδίπλωση και η σωστή λειτουργία των πρωτεϊνικών μορίων, ο σχηματισμός βιομεμβρανών και η αναγνώριση των μορίων μεταξύ τους «προγραμματίζονται» επίσης χρησιμοποιώντας υδρόφοβες ιδιότητες. Είναι ενδιαφέρον ότι το υδροφοβικό φαινόμενο δεν περιορίζεται σε «συνηθισμένες» φυσικές αλληλεπιδράσεις: πίσω από αυτό βρίσκεται ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής και μια ποσότητα που ονομάζεται εντροπία.
Λύσσα
Υδροφοβία, ή υδροφοβία(από τα αρχαία ελληνικά. νδωρ - «νερό» και φοβος - «φόβος») είναι ο φόβος των επώδυνων σπασμών κατάποσης όταν προσπαθείτε να πιείτε μια γουλιά νερό, στη θέα του νερού ή σε οποιαδήποτε αναφορά του. Παρατηρείται σε περιπτώσεις τετάνου, υστερίας, λύσσας (και η ίδια η λύσσα ονομαζόταν παλαιότερα με αυτήν ακριβώς τη λέξη).
Ετσι, υδροφοβία, το οποίο θα συζητηθεί, αφορά τις ιδιότητες των μορίων και όχι τα συμπτώματα στους ανθρώπους.
Η έκφραση «νερό από την πλάτη μιας πάπιας», γνωστή σε όλους από την παιδική ηλικία, το δείχνει αυτό υδροφοβία- όχι τόσο πρωτόγνωρο φαινόμενο όπως υποδηλώνει το όνομά του. Πράγματι, η επίδραση της «απώθησης» του νερού βρίσκεται συχνά γύρω μας: απλά κοιτάξτε ένα φτερό χήνας ή ένα φύλλο λωτού (Εικ. 1 ΕΝΑ), κατά μήκος της οποίας τρέχει μια σταγόνα νερού, σαν μια μπάλα υδραργύρου στην επιφάνεια του γυαλιού, χωρίς να αφήνει κανένα ίχνος πίσω της. Οι κλασικές ιδέες για τις υδρόφοβες επιφάνειες λένε ότι ο δείκτης εδώ είναι η γωνία επαφής θ, η οποία για βρεγμένες επιφάνειες είναι μικρότερη από ορθή γωνία (90°) και για μη βρέξιμες επιφάνειες είναι μεγαλύτερη από αυτήν (Εικ. 1 σι) . Συγκεκριμένα, για μια σταγόνα νερού στην επιφάνεια της παραφίνης θ = 109°, και στην επιφάνεια του πιο υδρόφοβου γνωστού υλικού - φθοριοπλαστικού - θα είναι 112°. Ταυτόχρονα, μια «απολύτως» υδρόφοβη επιφάνεια θα περιγραφόταν με γωνία 180°, όταν το νερό κυλά από την επιφάνεια χωρίς να σταματήσει για ένα δευτερόλεπτο.
Είναι λοιπόν η χήνα πιο υδρόφοβη από φθοροπλαστική; Στην πραγματικότητα, αυτό είναι αλήθεια, αλλά αυτό επιτυγχάνεται με ένα μικρό κόλπο: η επιφάνεια ενός φτερού χήνας (καθώς και ενός φύλλου λωτού) δεν είναι λεία, αλλά καλύπτεται με μικροσκοπικές πυραμίδες ή τρίχες, γεγονός που μειώνει την περιοχή επαφής με την πτώση και αποτελεσματική πρόσφυση (Εικ. 1 V) . Με βάση την ίδια αρχή υπερυδρόφοβοςεπιφάνειες που απωθούν σχεδόν τέλεια το νερό (βίντεο 1).
Εικόνα 1. Φύλλο λωτού: παράδειγμα υδρόφοβης επιφάνειας. ΕΝΑ - Υδροφοβικό στην πραγματικότητα σημαίνει μη διαβρεξιμότηταόταν το νερό κυλήσει εντελώς από την επιφάνεια, χωρίς να αφήνει υγρά σημάδια. σι - Προσδιορισμός υδρόφοβης επιφάνειας με βάση τη γωνία επαφής θ: στο θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - μη διαβρέξιμο (υδρόφοβο). Η επίδραση της απόλυτης υδροφοβίας (ή υπερυδροφοβία) επιτυγχάνεται λόγω μικροσκοπικών τραχιών που μειώνουν την περιοχή επαφής της πτώσης με την επιφάνεια. V - Πώς είναι δομημένη η επιφάνεια ενός λωτού: τα μικροσκοπικά αγκάθια εμποδίζουν τις σταγόνες νερού να υγράνουν την επιφάνεια και ξετυλίγονται από το φύλλο. Μια σταγόνα νερού δεν μπορεί να «ρέει» μεταξύ των αγκάθων, γιατί σε αυτή την κλίμακα, η επιφανειακή τάση δεν επιτρέπει πλέον στη σταγόνα να χωριστεί σε μικρότερες.
Βίντεο 1. Υπερυδρόφοβη επιφάνεια.Τραχύτητα επιφάνειας μικροκλίμακα ( εκ.ρύζι. 1 σι) μειώνει την αποτελεσματική περιοχή επαφής με μια σταγόνα νερού, η οποία σε αυτή την κλίμακα συμπεριφέρεται σαν ελαστικό σώμα λόγω επιφανειακής τάσης.
Να καταλαβεις ΓιατίΟρισμένες ουσίες διαβρέχονται ευχάριστα από το νερό, αλλά το νερό κυλά από την πάπια, όπως λέει η παροιμία. Πρέπει να κατεβείτε στο επίπεδο των μεμονωμένων μορίων και να σκεφτείτε πώς αλληλεπιδρούν τα μόρια μεταξύ τους.
Υδρόφοβα μόρια
Από την άποψη της χημικής δομής υδροφόβος(ή, τι είναι το ίδιο, μη πολικό) είναι μόρια που δεν περιέχουν χημικές ομάδες ικανές να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με το νερό. Για παράδειγμα, πρόκειται για βενζόλιο και άλλους υγρούς υδρογονάνθρακες (συστατικά βενζίνης). Ωστόσο, οι πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες έχουν αμφίφιλοςμόρια που περιέχουν τόσο πολικά όσο και μη πολικά μέρη: αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι σχηματίζουν αρκετά σύνθετες δομές σε μείγματα με νερό: μικκύλια, κυστίδια, στιβάδες και πιο πολύπλοκες μορφές. Ο σχηματισμός όλων αυτών των πολύπλοκων μορφών ελέγχεται υδρόφοβο αποτέλεσμα.
Είναι ενδιαφέρον ότι το ζήτημα της μοριακής φύσης της υδροφοβικότητας ανάγεται στον Benjamin Franklin, ο οποίος, στον ελεύθερο χρόνο του από τις κυβερνητικές υποθέσεις, μελέτησε την εξάπλωση του ελαιολάδου στην επιφάνεια μιας λίμνης. Η περιοχή του λεκέ από μια κουταλιά λάδι ήταν η ίδια όλη την ώρα -μισό στρέμμα- και το πάχος ήταν στην πραγματικότητα ίσο με ένα μόριο. Αυτό συνέβη το 1774, και παρόλο που εκείνη την εποχή οι ιδέες για τη μοριακή φύση των ουσιών ήταν ακόμη εξαιρετικά ασαφείς, η γενική περιέργεια των πολιτικών δεν ήταν, όπως βλέπουμε, σήμερα. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, το πείραμα με το λάδι σηματοδότησε την αρχή των μελετών μονομοριακών μεμβρανών λιπιδίων, από τις οποίες αναμφίβολα έγινε σαφές: ορισμένα μόρια «αντιπαθούν» το νερό τόσο πολύ που όχι μόνο δεν αναμειγνύονται με αυτό, αλλά είναι και έτοιμα να πάρουν απαλλαγείτε από το νερό με όλους τους δυνατούς τρόπους - για παράδειγμα, με τη συσσώρευση υπό μορφή στρώματος πάχους ενός μορίου (μονοστοιβάδα) στη διεπιφάνεια μεταξύ νερού και αέρα. (Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τις μελέτες λιπιδικών μεμβρανών μπορείτε να βρείτε στο άρθρο " Μόρια γοργόνας » .)
Ένας άλλος σημαντικός τύπος αμφίφιλων μορίων είναι τα σαπούνια, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στην καθημερινή ζωή και στην εθνική οικονομία. Η αρχή της λειτουργίας τους μπορεί να εξαχθεί ακόμη και από διαφημίσεις: το μη πολικό μέρος των μορίων του απορρυπαντικού «κολλάει» με μόρια ρύπων (συνήθως υδρόφοβα) και το πολικό μέρος αλληλεπιδρά ενεργά με τα μόρια του νερού. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει διαλυτοποίηση: Η βρωμιά βγαίνει από την επιφάνεια και περικλείεται μέσα σε μόρια σαπουνιού που συσσωματώνονται, εκθέτοντας τα πολικά θραύσματα «έξω» και κρύβοντας τα υδρόφοβα μέρη «μέσα».
Ωστόσο, αυτό που μας επιτρέπει να απολαμβάνουμε τις εμπορικές ιδιότητες των καλύτερων απορρυπαντικών είναι μια ακόμη πιο σημαντική ποιότητα των αμφίφιλων μορίων (δηλαδή, των λιπιδίων): χρησιμεύουν ως το κέλυφος για όλες τις γνωστές μορφές ζωής, σχηματίζοντας μια κυτταρική μεμβράνη κάτω από την οποία όλες οι διαδικασίες της ζωής λαμβάνει χώρα ( εκ. « Το λιπιδικό θεμέλιο της ζωής » ). Αυτό το σημαντικό γεγονός μας λέει ότι η μοριακή φύση του υδροφοβικού φαινομένου δεν είναι κάτι αδρανές, αλλά είναι θεμελιώδους σημασίας για όλη τη βιολογία, για να μην αναφέρουμε τις εφαρμοσμένες βιομηχανίες.
Αλλά μετά από πιο προσεκτική εξέταση, αποδεικνύεται ότι καμία θεμελιώδης φυσική αλληλεπίδραση, όπως η βαρύτητα ή οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις, δεν είναι υπεύθυνη για την «έλξη» των υδρόφοβων σωματιδίων μεταξύ τους και την «απώθησή» τους από το νερό. Η φύση του έγκειται σε μια φυσική αρχή που επιβάλλει περιορισμούς στην κατεύθυνση των περισσότερων αυθόρμητων διεργασιών, δηλαδή σε Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Λίγη θερμοδυναμική
Η θερμοδυναμική είναι μια από τις πρώτες επιστήμες που έχτισαν μια γέφυρα μεταξύ του μικροσκοπικού κόσμου των ατόμων και των μορίων και του «μας» μακροσκοπικού κόσμου. Η γέννησή του συνδέεται με τη μελέτη της λειτουργίας των ατμομηχανών και το όνομα του Nicolas Carnot (1796–1832), από τον οποίο ονομάζονται οι θερμοδυναμικοί κύκλοι που καθορίζουν την ποσότητα εργασίας που μπορεί να παράγει μια μηχανή. Το έργο του συνεχίστηκε από τους Joule, Kelvin και Clausius, οι οποίοι έφεραν μια ισχυρή θεωρητική βάση σε αυτόν τον αρχικά καθαρά πρακτικό τομέα.
Μέσα από τις προσπάθειες αυτών των επιστημόνων, οι βασικοί νόμοι, ή ξεκίνησε, θερμοδυναμική, συνοψίζοντας αιώνες εμπειρικής εμπειρίας στην παρατήρηση θερμικών διεργασιών. Η πρώτη αρχή μιλά για τη διατήρηση της ενέργειας ενός απομονωμένου συστήματος ("νόμος διατήρησης της ενέργειας"), και η δεύτερη αρχή μιλά για την κατεύθυνση των αυθόρμητων διεργασιών. (Υπάρχουν επίσης μηδενικές και τρίτες αρχές, αλλά δεν θα μιλήσουμε για αυτές εδώ.) Η έννοια του εντροπία(S), που έχει αποκτήσει φήμη ως το πιο μυστηριώδες θερμοδυναμικό μέγεθος. Αρχικά ορίστηκε επίσημα από τον Clausius ως ο λόγος της θερμότητας που μεταδίδεται σε ένα σύστημα προς τη θερμοκρασία (ΔS = ΔQ/T), η εντροπία απέκτησε αργότερα την έννοια ενός παγκόσμιου «μέτρου χάους». Από τότε, η εντροπία έγινε η βάση της σύγχρονης διατύπωσης του Δεύτερου Νόμου:
Οι αυθόρμητες διεργασίες σε ένα απομονωμένο σύστημα συνοδεύονται από αύξηση της εντροπίας.
Ο Ludwig Boltzmann (1844–1906) συνέδεσε ολόκληρη αυτή τη θερμική «κουζίνα» με το επίπεδο των ατόμων που συνθέτουν την ύλη, ακόμη και πριν η ατομική δομή της ύλης γίνει γενικά αποδεκτή. Θεώρησε ότι το κύριο επίτευγμα της ζωής του ήταν η ανακάλυψη (το 1877) ενός στατιστικού τύπου για τον υπολογισμό της εντροπίας: S = k × logW, όπου S είναι εντροπία, k είναι μια σταθερά, που αργότερα ονομάστηκε από τον Planck από τον ίδιο τον Boltzmann, και W είναι το στατιστικό βάρος της κατάστασης (ο αριθμός μικροκαταστάσεις, που το υλοποιεί μακροκράτος). Παρά την κακή όραση, έβλεπε πολύ πιο βαθιά από τους άλλους «στα βάθη» της ύλης: ήταν ο πρώτος που ένιωσε τη δύναμη της στατιστικής προσέγγισης για την περιγραφή θερμοδυναμικά σύνολακαι το εφάρμοσε στη μοριακή φυσική. Υπάρχει μια εκδοχή ότι ο Boltzmann αυτοκτόνησε λόγω παρεξήγησης των συγχρόνων του, από τους οποίους ήταν ριζικά μπροστά. Η προαναφερθείσα φόρμουλα είναι σκαλισμένη στην ταφόπλακά του στο νεκροταφείο της Βιέννης.
Παρά όλο το μυστήριο της έννοιας της εντροπίας, η έννοια του δεύτερου νόμου είναι αρκετά απλή: εάν ένα σύστημα είναι απομονωμένο (δηλαδή, δεν ανταλλάσσει ούτε ύλη ούτε ενέργεια με τον έξω κόσμο), τότε θα τείνει προς την κατάσταση θερμοδυναμική ισορροπία, - μια τέτοια μακροκατάσταση που πραγματοποιείται από τον μέγιστο δυνατό αριθμό μικροκαταστάσεων (με άλλα λόγια, η οποία έχει μέγιστη εντροπία). Για παράδειγμα, ένα σπασμένο κύπελλο δεν θα ξανακολλήσει ποτέ ξανά: η αρχική κατάσταση (όλο το κύπελλο) επιτυγχάνεται μόνο με έναν τρόπο (S=0), αλλά η τελική κατάσταση (το σπασμένο κύπελλο) πραγματοποιείται σε έναν αστρονομικά μεγάλο αριθμό των τρόπων (S>>0). Επομένως, δυστυχώς, από παγκόσμια προοπτική, όλα τα κύπελλα είναι καταδικασμένα. Το υπέροχο βιβλίο δημοφιλούς επιστήμης του Peter Atkins, Order and Disorder in Nature, είναι αφιερωμένο σε μια εξήγηση του Δεύτερου Νόμου «για τις νοικοκυρές».
Υδροφοβικό φαινόμενο από την άποψη της στατιστικής φυσικής
Έτσι, γνωρίζοντας τον Δεύτερο Νόμο, καταλαβαίνουμε γιατί ένα φλιτζάνι τσάι στο τραπέζι σίγουρα θα κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά δεν θα ζεσταθεί ποτέ ξανά μόνο του, αφαιρώντας τη θερμότητα από τον αέρα της κουζίνας. (Εάν όχι, τότε θα πρέπει οπωσδήποτε να διαβάσετε το βιβλίο του Άτκινς.) Ισχύει όμως ο ίδιος συλλογισμός για να εξηγήσει, για παράδειγμα, το μη αναμίξιμο του νερού και του λαδιού; Εξάλλου, ο Δεύτερος Νόμος προσπαθεί να «ισοπεδώσει τα πάντα» και το νερό και το λάδι, αντίθετα, αρνούνται να διαλυθούν το ένα στο άλλο (Εικ. 2 ΕΝΑ).
Εικόνα 2. Απεικόνιση του υδροφοβικού φαινομένου. ΕΝΑ - Το υδρόφοβο φαινόμενο (ουσιαστικά ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής) προκαλεί το νερό να «απωθεί» μη πολικά μόρια (όπως το λάδι) και να μειώσει την περιοχή επαφής μαζί τους. Εξαιτίας αυτού, πολλές μικρές σταγόνες λαδιού στο νερό θα συγχωνευθούν τελικά μεταξύ τους και θα σχηματίσουν ένα στρώμα. σι - Ο σχηματισμός ενός διατεταγμένου («παγωμένου») στρώματος μορίων νερού κοντά σε μια υδρόφοβη επιφάνεια είναι απαραίτητος ώστε τα μόρια του νερού να μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ τους. Αλλά αυτό οδηγεί σε πτώση της εντροπίας, η οποία είναι μειονεκτική σε σχέση με τον Δεύτερο Νόμο. V - Μια φυσική ευκαιρία για την αύξηση της εντροπίας είναι η μείωση της περιοχής επαφής των υδρόφοβων μορίων με το νερό, η οποία συμβαίνει όταν πολλά μη πολικά μόρια συγκεντρώνονται μαζί. Στην περίπτωση των αμφίφιλων μορίων, εμφανίζεται η αυτοοργάνωση και ο σχηματισμός μάλλον πολύπλοκων υπερμοριακών δομών όπως μικκύλια, διπλές στοιβάδες και κυστίδια ( εκ.ρύζι. 3).
Πράγματι, αν λάβουμε υπόψη μόνο το λάδι, θα φανεί ότι η θερμοδυναμική δεν λειτουργεί: η διάλυση μιας μεμβράνης λαδιού στο πάχος ενός υγρού θα αύξανε σαφώς την εντροπία σε σύγκριση με μια μονοστιβάδα. Αλλά όλοι γνωρίζουν ότι στην πραγματικότητα συμβαίνει το αντίθετο: ακόμα κι αν ανακινήσετε νερό και λάδι, το γαλάκτωμα θα αποσυντεθεί μετά από κάποιο χρονικό διάστημα και το λάδι θα σχηματίσει ξανά μια μεμβράνη, αφήνοντας την υδατική φάση.
Το γεγονός είναι ότι το νερό σε αυτό το παράδειγμα είναι ισότιμος συμμετέχων στο υπό εξέταση σύστημα και σε καμία περίπτωση δεν πρέπει να αγνοηθεί. Όπως είναι γνωστό, οι ιδιότητες του νερού (ακόμα και η υγρή του κατάσταση υπό κανονικές συνθήκες) καθορίζονται από την ικανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου. Κάθε μόριο νερού μπορεί να σχηματίσει έως και τέσσερις δεσμούς με τους «γείτονές» του, αλλά για να συμβεί αυτό, το νερό πρέπει να είναι «μέσα στο νερό». Εάν υπάρχει μια μη πολική επιφάνεια στο νερό, τα μόρια δίπλα σε αυτό δεν αισθάνονται πλέον «ελεύθερα»: για να σχηματιστούν οι επιθυμητοί δεσμοί υδρογόνου, αυτά τα μόρια πρέπει να προσανατολιστούν με αυστηρά καθορισμένο τρόπο, σχηματίζοντας ένα «παγωμένο» κέλυφος (Εικ. 2 σι) γύρω από ένα υδρόφοβο αντικείμενο. Αυτή η αναγκαστική διάταξη χαρακτηρίζεται από σημαντική πτώση της εντροπίας του συστήματος λαδιού-νερού, η οποία αναγκάζει τα υδρόφοβα μόρια να συσσωρεύονται μεταξύ τους, μειώνοντας την περιοχή επαφής με το πολικό περιβάλλον και επομένως δυσμενή μείωση του συντελεστή εντροπίας. Στην πραγματικότητα, είναι το νερό που κάνει το λάδι να συνενωθεί σε μια μεγάλη σταγόνα ή κηλίδα, εφαρμόζοντας τη διαλεκτική αρχή του «μου αρέσει να αρέσει».
Αυτή η αλληλεπίδραση πολικών και μη πολικών φάσεων ονομάζεται υδρόφοβο αποτέλεσμα. Αυτό το φαινόμενο προκαλεί τα μόρια του απορρυπαντικού να σχηματίζουν μικκύλια σε διάλυμα και τα λιπίδια να σχηματίζουν μονο- και διπλές στοιβάδες. Οι τελευταίοι μπορούν να κλείσουν στον εαυτό τους με το σχηματισμό κυστιδίων (λιποσωμάτων) ή βιολογικών μεμβρανών που περιβάλλουν το κύτταρο (Εικ. 3). Πιο πολύπλοκες μορφές πολυμορφισμού λιπιδίων έχουν επίσης βρεθεί, για παράδειγμα κυβική λιπιδική φάση, χρησιμοποιείται ευρέως σε δομικές μελέτες πρωτεϊνών μεμβράνης.
Εικόνα 3. Λιπιδικός πολυμορφισμός.Ανάλογα με το σχήμα και τις άλλες ιδιότητες του μορίου, που χαρακτηρίζουν την ασύμμετρη δομή της κεφαλής και της ουράς, τα λιπίδια σχηματίζουν διάφορες υπερμοριακές δομές. Από πάνω προς τα κάτω: 1 - με το αντίστροφο κωνικό σχήμα του μορίου, σχηματίζονται δομές με θετική καμπυλότητα (μικκύλια και η εξαγωνική φάση H I). 2 - το κυλινδρικό σχήμα δίνει επίπεδες (στρωματικές) δομές όπως διπλά στρώματα. 3 - με κωνικό σχήμα, σχηματίζονται τόσο ανεστραμμένες εξαγωνικές (Η II) όσο και μικκυλιακές φάσεις.
«Βαθιά» στο υδροφοβικό αποτέλεσμα
Στην περίπτωση των βιολογικών μορίων, το υδρόφοβο φαινόμενο παίζει ιδιαίτερο ρόλο, καθώς σχηματίζει βιομεμβράνες, χωρίς τις οποίες η ζωή είναι αδύνατη, και επίσης συμβάλλει καθοριστικά (έως και το 90% του συνόλου της εργασίας) στην αναδίπλωση των μορίων πρωτεΐνης, την πλευρά αλυσίδες υπολειμμάτων αμινοξέων των οποίων μπορεί να έχουν διαφορετική φύση: υδρόφοβη ή υδρόφιλη. Η παρουσία τέτοιων διαφορετικών οντοτήτων μέσα σε ένα γραμμικό μόριο δίνει όλη την ποικιλομορφία των μορφών και των λειτουργιών που παρατηρείται στις πρωτεΐνες.
Ωστόσο, σε υπομοριακή κλίμακα, το υδρόφοβο φαινόμενο εκδηλώνεται διαφορετικά από ό,τι στην περίπτωση μιας εκτεταμένης μη πολικής επιφάνειας ή μιας ολόκληρης κουταλιάς λαδιού: προφανώς, ένα σύμπλεγμα υδρόφοβων σωματιδίων θα είναι σταθερό μόνο εάν το μέγεθός του υπερβαίνει μια τιμή κατωφλίου ( ≈1 nm); διαφορετικά θα καταστραφεί από τη θερμική κίνηση των μορίων. Οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) δείχνουν διαφορές στη δομή του «καθαρού» νερού και του νερού κοντά σε μικρές (<1 нм) и большой (>>1 nm) υδρόφοβα σωματίδια. Αν στις δύο πρώτες περιπτώσεις καθεένα μόριο νερού μπορεί να σχηματίσει έως και τέσσερις δεσμούς υδρογόνου, αλλά στην περίπτωση ενός μεγάλου υδρόφοβου σωματιδίου δεν υπάρχει τέτοια πιθανότητα και τα μόρια του νερού πρέπει να ευθυγραμμιστούν σε ένα «παγωμένο» κέλυφος γύρω από αυτό το σωματίδιο (Εικόνα 2 σικαι 4).
Εικόνα 4. Διαφορετικές διαμορφώσεις μορίων νερού κοντά σε ένα μικρό ( ΕΝΑ) και μεγάλο ( σι) υδρόφοβα σωματίδια(και στις δύο περιπτώσεις φαίνεται κόκκινες σφαίρες). Σύμφωνα με τα δεδομένα της MD, σωματίδια μικρότερα από 1 nm μπορούν εύκολα να περιβάλλονται από νερό χωρίς να περιορίζουν την «ελευθερία» του και την ικανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου. Στην περίπτωση μεγαλύτερων σωματιδίων, για να σχηματιστεί δεσμός υδρογόνου, το οριακό μόριο του νερού πρέπει να προσανατολιστεί με ειδικό τρόπο σε σχέση με την υδρόφοβη επιφάνεια, γεγονός που οδηγεί στη διάταξη ενός ολόκληρου στρώματος νερού (ή πολλών) και στη μείωση στην εντροπία του διαλύτη. Σε αυτή την περίπτωση, ο μέσος αριθμός δεσμών υδρογόνου ανά μόριο νερού μειώνεται σε τρεις. Είναι ενδιαφέρον ότι η φύση της εξάρτησης της ενέργειας διαλυτοποίησης ενός σωματιδίου από το μέγεθός του αλλάζει επίσης εδώ: μέχρι 1 nm, η ενέργεια εξαρτάται από τον όγκο του σωματιδίου και πάνω από αυτό το όριο, από την επιφάνειά του.
Αυτό το ίδιο «μέγεθος κατωφλίου» επιβεβαιώθηκε επίσης σε ένα πείραμα για τον προσδιορισμό της συμβολής του υδροφοβικού φαινομένου στην αναδίπλωση της αλυσίδας του πολυμερούς ανάλογα με το μέγεθος της πλευρικής ομάδας του μονομερούς και τη θερμοκρασία. Η καταγραφή της ελεύθερης ενέργειας της επιδιαλυτοποίησης πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, το οποίο «ξεπλέξτε» το μόριο του πολυμερούς έναν σύνδεσμο τη φορά. Είναι ενδιαφέρον ότι η τιμή αποκοπής του 1 nm περίπου συμπίπτει με το μέγεθος των μεγάλων πλευρικών αλυσίδων υπολειμμάτων αμινοξέων που καθορίζουν την αναδίπλωση του μορίου της πρωτεΐνης.
Δεδομένου ότι το υδρόφοβο φαινόμενο είναι εντροπικής φύσης, ο ρόλος του σε διάφορες διεργασίες (δηλαδή η συμβολή στην ελεύθερη ενέργεια) εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Είναι περίεργο ότι αυτή η συνεισφορά είναι μέγιστη ακριβώς υπό κανονικές συνθήκες - στην ίδια θερμοκρασία και πίεση στην οποία υπάρχει κυρίως ζωή. (Υπό τις ίδιες συνθήκες, ο κύριος βιολογικός διαλύτης - το νερό - είναι κοντά στην ισορροπία μεταξύ υγρού και ατμού.) Αυτό οδηγεί στην ιδέα ότι η ζωή σκόπιμα «επιλέγει» συνθήκες ύπαρξης κοντά σε μεταβάσεις φάσης και σημεία ισορροπίας: προφανώς, αυτό παρέχει τη δυνατότητα ιδιαίτερα αξιόπιστου ελέγχου και λεπτού ελέγχου τέτοιων φαινομενικά «αδρανών» πραγμάτων όπως η δομή των μεμβρανών και τα μόρια πρωτεΐνης.
Η έρευνα των τελευταίων ετών έχει υπογραμμίσει περαιτέρω τον ρόλο του νερού τόσο στην υδρόφοβη δράση όσο και στη διαμοριακή αναγνώριση (για παράδειγμα, όταν ένα ένζυμο δεσμεύει το υπόστρωμά του ή ένας υποδοχέας δεσμεύει το πρόσδεμα που αναγνωρίζει). Στο ενεργό κέντρο μιας πρωτεΐνης, κατά κανόνα, υπάρχουν «δεσμευμένα» (και επομένως διατεταγμένα) μόρια νερού. Όταν ο συνδέτης διεισδύει στη θέση δέσμευσης στην επιφάνεια της πρωτεΐνης, το νερό «απελευθερώνεται», το οποίο συμβάλλει θετικά στην εντροπία (Εικ. 5). Ωστόσο, η συνιστώσα της ενθαλπίας της αλλαγής της ελεύθερης ενέργειας μπορεί να είναι είτε αρνητική είτε θετική. Χρησιμοποιώντας θερμιδομετρική τιτλοδότηση και μοριακή μοντελοποίηση, καθιερώθηκε το θερμοδυναμικό μοτίβο δέσμευσης από το ένζυμο καρβονική ανυδράση πολλών προσδεμάτων, παρόμοιων στη δομή, αλλά που διαφέρουν στο μέγεθος των υδρόφοβων ομάδων. Η ανάλυση έδειξε ότι η συμβολή της ενθαλπίας και της εντροπίας στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs σε κάθε περίπτωση μπορεί να είναι ατομική και είναι αδύνατο να πούμε εκ των προτέρων ποια διαδικασία θα παίξει καθοριστικό ρόλο. Είναι απολύτως σαφές ότι η δομή και η δυναμική των στρωμάτων των μορίων του νερού που βρίσκονται πιο κοντά στην ενεργό θέση παίζουν στη διαμοριακή αναγνώριση τον ίδιο σημαντικό ρόλο με την αντιστοιχία του συνδέτη με τον υποδοχέα, που εισάγει ένα νέο επίπεδο πολυπλοκότητας στην «κλασική ” μοντέλα αλληλεπίδρασης δύο μορίων τύπου “key-lock” ή “glove hand”.
Η αναδίπλωση ομο- και ετεροπολυμερών μπορεί να χωριστεί σε διάφορα στάδια (Εικ. 6):
- Εάν ξεκινήσετε με μια επιμήκη αλυσίδα, το πρώτο στάδιο θα είναι αναδίπλωση εντροπίας, που είναι άμεση συνέπεια του Δεύτερου Θερμοδυναμικού Νόμου: μια πλήρως ευθυγραμμισμένη πολυπεπτιδική αλυσίδα έχει μηδενική εντροπία, η οποία «διορθώνεται» αμέσως από στατιστικές δυνάμεις που μετατρέπουν το νήμα σε "στατιστική μπάλα".
- Στη διαμόρφωση του τυχαίου πηνίου, τα υδρόφοβα πλευρικά υπολείμματα φέρονται πιο κοντά στο διάστημα και συσσωματώνονται υπό την επίδραση του υδροφοβικού φαινομένου. Αυτό επιβεβαιώνεται με την παρατήρηση των αρχών της τρισδιάστατης συσκευασίας πρωτεϊνικών σφαιριδίων: μέσα υπάρχει ένας «πυρήνας» υδρόφοβων υπολειμμάτων και στην επιφάνεια του μορίου υπάρχουν πολικά και φορτισμένα υπολείμματα αμινοξέων. Η μορφή που προκύπτει σε αυτό το στάδιο ονομάζεται λιωμένο σφαιρίδιο.
- Στην περίπτωση των βιοπολυμερών, το θέμα δεν τελειώνει εδώ: συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ υπολειμμάτων κοντά στο διάστημα κάνουν τη συσκευασία ακόμη πιο πυκνή (αλήθεια αιμοσφαίριο). Στη συνέχεια, η ελεύθερη ενέργεια υφίσταται σημαντική πτώση και αυτό θεωρείται συχνά κριτήριο για μια «καλά συσκευασμένη» δομή.
Σχήμα 6. Ο ρόλος της υδρόφοβης κατάρρευσης στην αναδίπλωση τριών πολυμερών αλυσίδων με διαφορετικές υδροφοβίες των συστατικών μονομερών: ένα υδρόφοβο πολυμερές, ένα υδρόφοβο-υδρόφιλο συμπολυμερές και μια σφαιρική πρωτεΐνη (από πάνω προς τα κάτω) - η ελεύθερη ενέργεια απεικονίζεται ως συνάρτηση της ακτίνας περιστροφής, υποδεικνύοντας τη συμπαγή συσκευασία της αλυσίδας. 1) Οποιαδήποτε γραμμική αλυσίδα από μια πλήρως τεντωμένη κατάσταση στρίβει γρήγορα στατιστικό κουβάρι. 2) Η χωρική εγγύτητα των μη πολικών πλευρικών αλυσίδων οδηγεί σε υδρόφοβη κατάρρευση του πηνίου και το σχηματισμό λιωμένο σφαιρίδιο. 3) Στην περίπτωση των πρωτεϊνών, εξελικτικά επιλεγμένες συγκεκριμένες επαφές μεταξύ των πλευρικών αλυσίδων παρακείμενων υπολειμμάτων αμινοξέων (όπως δεσμοί υδρογόνου ή ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις) μειώνουν περαιτέρω την ελεύθερη ενέργεια και συσσωρεύουν την πρωτεΐνη σε μια πυκνή σφαιρίδια. Τα υδρόφοβα πολυμερή δεν έχουν τέτοιες αλληλεπιδράσεις και επομένως η αναδίπλωση τους σταματά στο στάδιο της τυχαίας σπείρας.
Παλαιότερα, πιστευόταν ότι το τρίτο στάδιο είναι ένα απαραίτητο χαρακτηριστικό μιας λειτουργικής πρωτεΐνης, αλλά πρόσφατα δόθηκε όλο και μεγαλύτερη προσοχή στο λεγόμενο υποδιαταγμένες πρωτεΐνες (εγγενώς διαταραγμένες πρωτεΐνες), που δεν έχουν σαφώς καθορισμένη χωρική μορφή, και μάλιστα δεν υπάρχει στάδιο σχηματισμού συγκεκριμένων επαφών. (Παρεμπιπτόντως, η αναλογία των υδρόφοβων υπολειμμάτων σε αυτά είναι σημαντικά μικρότερη σε σύγκριση με τις σφαιρικές πρωτεΐνες.) Ίσως αυτό τους επιτρέπει να αλληλεπιδρούν σε ένα ζωντανό κύτταρο όχι με μία πρωτεΐνη ή ρίζα, αλλά με δεκάδες ή και εκατοντάδες δομικά διαφορετικά μόρια συνεργατών. συμμετέχοντας σε μια πολύ λεπτή ρύθμιση των κυτταρικών διεργασιών.
Το υδρόφοβο αποτέλεσμα παίζει επίσης καθοριστικό ρόλο στην αναδίπλωση των μεμβρανικών πρωτεϊνών (MPs), οι οποίες εκτελούν πολλές ζωτικές λειτουργίες από τη μεταφορά μορίων και ιόντων μέσω της μεμβράνης έως την υποδοχή και αναγνώριση του άλλου από τα κύτταρα. Λόγω του γεγονότος ότι τα περισσότερα από αυτά είναι βυθισμένα στην υδρόφοβη διπλή στιβάδα της μεμβράνης, η δομή της διαμεμβρανικής περιοχής (TM) διαφέρει σημαντικά από τη συσκευασία των διαλυτών σφαιρικών πρωτεϊνών: τα τμήματα ΤΜ είναι σημαντικά πιο υδρόφοβα και οι υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες είναι που βρίσκεται όχι μόνο μέσα στην πρωτεΐνη (όπως στην περίπτωση των σφαιρικών πρωτεϊνών), αλλά και στην επιφάνεια όπου η πρωτεΐνη έρχεται σε επαφή με τις αλυσίδες υδρογονάνθρακα των μορίων λιπιδίων.
Είναι σημαντικό να παίζει ρόλο και η υδροφοβία πριν από αυτόπώς η πρωτεΐνη καταλήγει στον τόπο εργασίας της (δηλαδή στη μεμβράνη). Κατά τη διάρκεια της ριβοσωμικής σύνθεσης, τα MB δεν εισέρχονται στο κυτταρόπλασμα, όπως οι σφαιρικές πρωτεΐνες, αλλά translocon- μια μάλλον πολύπλοκη μοριακή μηχανή, κατασκευασμένη με τη μορφή καναλιού και υπεύθυνη τόσο για την έκκριση πρωτεϊνών όσο και για την παροχή MB στις μεμβράνες. Αποδείχθηκε ότι το translocon μπορεί να «αισθανθεί» την υδροφοβικότητα ενός θραύσματος πρωτεΐνης που περνά μέσα από αυτό και, όταν φτάσει σε ένα ορισμένο όριο υδροφοβίας, «φτύνει» αυτό το θραύσμα όχι «εμπρός» (μέσω του καναλιού στον εξωκυτταρικό χώρο), αλλά "Πλάγια" (μέσω του τοιχώματος του καναλιού) - απευθείας στη μεμβράνη. Έτσι, θραύσμα προς θραύσμα, πρωτεΐνες μεμβράνης εισάγονται στη μεμβράνη και επομένως Ν-το τέλος του ΜΒ είναι πάντα στην εξωκυτταρική περιοχή, και πού θα είναι ντο-τέλος - εξαρτάται από τον αριθμό των τμημάτων TM.
Σε ένα κομψό πείραμα στο translocon Sec61 του ενδοπλασματικού δικτύου, καθιερώθηκε μια «βιολογική κλίμακα υδροφοβικότητας», η οποία αποδίδει μια συγκεκριμένη τιμή υδροφοβικότητας σε κάθε υπόλειμμα αμινοξέος. Είναι ενδιαφέρον ότι σε γενικές γραμμές αυτή η κλίμακα συμπίπτει με προηγουμένως καθιερωμένες φυσικοχημικές κλίμακες, οι οποίες επιτρέπουν στο translocon να ανατεθεί ο ρόλος ενός αισθητήρα υδρόφοβης αλληλεπίδρασης.
Έτσι, ένα κύτταρο μπορεί να «μετρήσει» την υδροφοβικότητα χρησιμοποιώντας ένα translocon και στο εργαστήριο αυτή η ιδιότητα μπορεί να εκτιμηθεί χονδρικά από τη φύση της αλληλεπίδρασής του με το νερό. Είναι όμως δυνατόν να υπολογιστεί θεωρητικά η υδροφοβία και να συμπεριληφθεί αυτός ο υπολογισμός σε πρακτικά σημαντικά προβλήματα;
Πώς να υπολογίσετε θεωρητικά την υδροφοβικότητα;
Ειπώθηκε ήδη παραπάνω ότι το υδρόφοβο φαινόμενο είναι στην πραγματικότητα ένα από τα πρόσωπα του Δεύτερου Νόμου της Θερμοδυναμικής, επομένως ο ακριβής υπολογισμός του δεν είναι, ίσως, ευκολότερος από τη μοντελοποίηση ολόκληρου του συστήματος και σε ένα φυσικά σωστό επίπεδο. Με άλλα λόγια, οι «υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις» δεν μπορούν σε καμία περίπτωση να αναχθούν σε ζευγαρωμένες επαφές, όπως η έλξη ή η απώθηση δύο φορτίων ή η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός δότη δεσμού υδρογόνου και του δέκτη. Ο μόνος θεωρητικά σωστός τρόπος είναι η ανάλυση ενός τεράστιου αριθμού μικροκαταστάσεων σε θερμοδυναμικά σύνολα, κάτι που είναι αρκετά δύσκολο να γίνει στην πράξη.
Ωστόσο, τουλάχιστον μια κατά προσέγγιση εκτίμηση των υδρόφοβων και υδρόφιλων ιδιοτήτων των μορίων εξακολουθεί να ζητείται στη μοριακή μοντελοποίηση και στις εφαρμογές της (για παράδειγμα, βιοτεχνολογικές ή βιομηχανικές). Συνήθως, εστιάζουν στο χαρακτηριστικό που περιγράφει την υδροφοβικότητα ολόκληρου του μορίου - τον συντελεστή κατανομής ( Π, από διαμέριση) αυτής της ουσίας μεταξύ νερού (πολική φάση) και μη πολικής φάσης (για παράδειγμα, βενζόλιο ή n-οκτανόλη). Το γεγονός είναι ότι αυτή η παράμετρος, σε αντίθεση με όλα τα άλλα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά, είναι πολύ απλό να μετρηθεί πειραματικά, προσδιορίζοντας τη συγκέντρωση της υπό μελέτη ουσίας στο νερό και σε ένα μη πολικό μέσο (το οποίο, όπως θυμόμαστε, σχεδόν δεν αναμειγνύεται) και διαιρώντας το ένα μετά το άλλο. Ο συντελεστής υδροφοβικότητας λαμβάνεται ως ο λογάριθμος αυτού του συντελεστή - log Π.
Αρκετές εμπειρικές μέθοδοι στοχεύουν στην πρόβλεψη αυτού του συντελεστή, ο οποίος συνοψίζεται στη χρήση ενός "συνόλου εκπαίδευσης" ουσιών με ένα ακριβή μετρημένο ημερολόγιο Ππροσδιορίστε τη συνεισφορά μεμονωμένων θραυσμάτων ενός μορίου ή ακόμη και των μεμονωμένων ατόμων του (λαμβάνοντας υπόψη το χημικό περιβάλλον), προκειμένου στη συνέχεια να υπολογίσετε την υδροφοβικότητα για άγνωστα μόρια με βάση τις υπολογιζόμενες σταθερές αποσπασματικής ή ατομικής υδροφοβίας. Στην πραγματικότητα, αυτή είναι μια προσπάθεια να αποδοθεί ένα «υδρόφοβο φορτίο» σε κάθε άτομο ενός μορίου, αν και πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι αυτό δεν έχει φυσικό νόημα. Το άθροισμα αυτών των σταθερών για όλα τα άτομα στο μόριο θα δώσει την επιθυμητή τιμή του log Π, και η χρήση μιας προσέγγισης παρόμοιας με τον υπολογισμό του ηλεκτροστατικού δυναμικού σε σημεία του χώρου (φ ~ q/r) οδήγησε στη μέθοδο Μοριακού Υδροφοβικού Δυναμικού (MHP), η οποία έχει αποδειχθεί στη μοριακή μοντελοποίηση (Εικ. 7). . Το πρόγραμμα PLATINUM είναι αφιερωμένο στους υπολογισμούς IHL.
Εικόνα 7. Μοριακό Υδροφοβικό Δυναμικό (MHP).Το σημείο της προσέγγισης IHL, που επιτρέπει σε κάποιον να υπολογίσει τη χωρική κατανομή των υδρόφοβων/υδρόφιλων ιδιοτήτων, είναι να δημιουργήσει ένα εμπειρικό σύστημα σταθερές ατομικής υδροφοβικότητας (f i), τεχνικά παρόμοια με τις επιμέρους χρεώσεις. Το άθροισμα αυτών των σταθερών σε όλα τα άτομα θα δώσει μια εκτίμηση του log του συντελεστή υδροφοβίας Π(Οπου Π- συντελεστής κατανομής μιας ουσίας μεταξύ νερού και οκτανόλης), και ο υπολογισμός του «δυναμικού» από ένα σύστημα σημειακών «υδρόφοβων φορτίων» λαμβάνοντας υπόψη την εξασθένηση στο χώρο (σύμφωνα με το νόμο d(r), ίση με, για παράδειγμα, 1/r) μας επιτρέπει να φανταστούμε την κατανομή της υδροφοβίας στις μοριακές επιφάνειες. Το σχήμα δείχνει τις υδρόφοβες ιδιότητες του κύριου φωσφολιπιδίου της πλασματικής μεμβράνης των ευκαρυωτών - παλμιτοϋλολεϋλφωσφατιδυλοχολίνης.
Ο υπολογισμός του MHP επιτρέπει σε κάποιον να εκτιμήσει την αποτελεσματική τιμή της υδροφοβικότητας ενός συγκεκριμένου θραύσματος ενός μορίου και να απεικονίσει με σαφήνεια τις υδρόφοβες ιδιότητες της επιφάνειάς του, και αυτό, με τη σειρά του, μπορεί να πει για τους μηχανισμούς της διαμοριακής αλληλεπίδρασης και να δείξει τον δρόμο προς μια στοχευμένη αλλαγή στις ιδιότητες των μορίων ή στον τρόπο που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Έτσι, χρησιμοποιώντας χωρική χαρτογράφηση των υδρόφοβων ιδιοτήτων του βραχύ α-έλικα αντιμικροβιακά πεπτίδια(AMP) μπόρεσαν να αποκαλύψουν ότι αυτά τα μόρια χαρακτηρίζονται από αμφίφιλη φύση - όταν η μία πλευρά της έλικας είναι υδρόφοβη και η άλλη είναι πολική και θετικά φορτισμένη. Αυτό το μοτίβο είναι καθαρά ορατό στους χάρτες «sweep» του MGP, δίνοντας έμφαση στον μηχανισμό αλληλεπίδρασης του πεπτιδίου με τη μεμβράνη και την αντιμικροβιακή δράση (Εικ. 8). Με τη βοήθεια τέτοιων καρτών ήταν δυνατή η τροποποίηση του φυσικού AMP λαταρκίνη, δημιουργώντας ανάλογα που έχουν υψηλή αντιβακτηριακή δράση, αλλά δεν καταστρέφουν τα ερυθρά αιμοσφαίρια και, ως εκ τούτου, αποτελούν πιθανό πρωτότυπο του φαρμάκου (Εικ. 8).
Εικόνα 8. Σχεδιασμός ευεργετικών ιδιοτήτων στο αντιμικροβιακό πεπτίδιο latarcin 2a (Ltc2a). Επάνω σειρά αριστεράΔείχνεται η χωρική δομή του Ltc2a και η κατανομή των υδρόφοβων ιδιοτήτων (βλ. Εικ. 7) στην επιφάνειά του. Στο κέντροένας χάρτης «σάρωσης» του IHL εμφανίζεται σε κυλινδρικές συντεταγμένες (α; Z). Δείχνει ένα σαφές αμφίφιλο μοτίβο που καθορίζει την αλληλεπίδραση του πεπτιδίου με την κυτταρική μεμβράνη. Επάνω σειρά δεξιάφαίνεται η κυτταρολυτική δράση του πεπτιδίου: σκοτώνει αρκετά αποτελεσματικά τόσο τα βακτήρια («gram+», «gram−») όσο και τα ζωικά κύτταρα («ερυθροκύτταρα») [στήλη «wt»].
Η εργασία είχε ως εξής: διατηρώντας την αντιμικροβιακή δράση, εξαλείφετε την αιμολυτική δράση(δηλαδή, δημιουργήστε ένα πρωτότυπο ενός βακτηριοκτόνου φαρμάκου). Θεωρήθηκε ότι η αλλαγή της φύσης του υδρόφοβου «σημείου» στον χάρτη MGP θα άλλαζε διαφορετικά την αλληλεπίδραση με τις μεμβράνες των βακτηρίων και των ερυθροκυττάρων και η εργασία θα μπορούσε να ολοκληρωθεί. Δοκιμάσαμε τρία πεπτίδια στα οποία εισήχθησαν σημειακές μεταλλάξεις: Ile7→Gln, Phe10→Lys και Gly11→Leu. Οι αντίστοιχες αλλαγές στο υδρόφοβο μοτίβο φαίνονται σε τρία τμήματα χάρτη στον πάτο. Ένα μετάλλαγμα, το Ile7→Gln, είχε τις επιθυμητές δραστηριότητες: υψηλή βακτηριοκτόνο και χαμηλή αιμολυτική δράση.
Λαμβάνοντας υπόψη τις υδρόφοβες ιδιότητες των βιομορίων χρησιμοποιείται επίσης και σε άλλους τομείς μοριακής μοντελοποίησης - ειδικότερα, κατά την πρόβλεψη της θέσης των διαμεμβρανικών περιοχών στην αλληλουχία αμινοξέων ή την αποσαφήνιση της χωρικής δομής των συμπλεγμάτων υποδοχέα-συνδέτη με βάση την αρχή της υδρόφοβης αντιστοιχίας .
Παρά την περίπλοκη φυσική φύση του φαινομένου της υδροφοβίας, ακόμη και μια πολύ επιφανειακή εξέταση του στη μοριακή μοντελοποίηση μπορεί να είναι ευεργετική. Από το παραπάνω παράδειγμα είναι σαφές ότι η χωρική χαρτογράφηση των ιδιοτήτων των μορίων, που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την τεχνική MHP, καθιστά δυνατή τη σύναψη μιας σύνδεσης μεταξύ της δομής του μορίου του πεπτιδίου και της δραστηριότητάς του, και αυτό είναι ένα μακροχρόνιο όνειρο των χημικών , βιολόγους και φαρμακολόγους. Η ικανότητα εύρεσης μιας τέτοιας σύνδεσης σημαίνει την ικανότητα ορθολογικού σχεδιασμού των απαιτούμενων ιδιοτήτων στα μόρια, η οποία, φυσικά, είναι περιζήτητη στη θεμελιώδη έρευνα, τη βιοτεχνολογία και την ιατρική.
Και πάλι λίγα λόγια για το νερό
Μια πιο προσεκτική ματιά στο υδρόφοβο φαινόμενο μας επιτρέπει να καταλάβουμε ότι στην πραγματικότητα μιλάμε για τη στατιστική συμπεριφορά ενός μεγάλου αριθμού μορίων, η οποία περιγράφεται από τους νόμους της θερμοδυναμικής και της στατιστικής φυσικής. Αλλά κάτι άλλο είναι πιο ενδιαφέρον εδώ - είμαστε και πάλι πεπεισμένοι για τη μοναδικότητα μιας τόσο φαινομενικά απλής ουσίας όπως το νερό. Το ίδιο το νερό έχει πολλές εκπληκτικές ιδιότητες, αλλά ως βιολογικός διαλύτης δεν έχει ίσο. Αλληλεπιδρώντας με άλλα μόρια, το νερό αλλάζει τη δυναμική και τη δομή του, προκαλώντας αλλαγή ολόκληρου του συστήματος. Αυτό ακριβώς παρατηρούμε όταν μελετάμε την αυτο-οργάνωση των αμφιφιλικών μορίων σε διπλές στοιβάδες και κυστίδια - σε τελική ανάλυση, το νερό είναι που τα «αναγκάζει» να συγκεντρωθούν σε τέτοιες πολύπλοκες μορφές.
Ο ρόλος του νερού είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί στη ζωή των κύριων βιολογικών «μηχανών» - των πρωτεϊνών. Η αναδίπλωση τους από μια γραμμική αλυσίδα σε ένα πυκνό σφαιρίδιο, στο οποίο κάθε άτομο γνωρίζει τη θέση του, είναι επίσης το πλεονέκτημα του νερού. Αυτό σημαίνει ότι το νερό αξίζει επίσης τον τίτλο ενός από τα πιο βιολογικά μόρια, αν και σύμφωνα με τη χημική ταξινόμηση είναι ανόργανη ουσία.
Μόρια γοργόνας Υπογραφή υδρόφοβης ενυδάτωσης σε ένα μόνο πολυμερές.
