| 1. Vee molekuli ehitus. | ||
| Vees on polaarne molekul. Hapnik kui elektronegatiivsem aatom tõmbab endale elektrontiheduse, mida ta jagab vesinikuaatomiga ja kannab seetõttu osalist negatiivset laengut; vesinikuaatomid, millest elektrontihedus on välja tõrjutud, kannavad osalist positiivset laengut. Seega on vee molekuldipool, st. on positiivse ja negatiivse laenguga alad. (Parempoolne mudel on kolmemõõtmeline, seda saab pöörata, vajutades hiire vasakut nuppu.) |
|
2. Vesiniksidemed.
3. Vesi lahustina. |
alt="Teie brauser mõistab |
Seoses veega võib praktiliselt kõik ained jagada kahte rühma:
1. Hüdrofiilne(kreeka keelest "phileo" - armastada, millel on positiivne afiinsus vee suhtes
). Nendel ainetel on polaarne molekul, mis sisaldab elektronegatiivseid aatomeid (hapnik, lämmastik, fosfor jne). Selle tulemusena omandavad selliste molekulide üksikud aatomid ka osalaenguid ja moodustavad veemolekulidega vesiniksidemeid. Näited: suhkrud, aminohapped, orgaanilised happed.
2. Hüdrofoobne(kreeka keelest "phobos" - hirm, millel on negatiivne afiinsus vee suhtes
). Selliste ainete molekulid on mittepolaarsed ega segune polaarse lahustiga, näiteks veega, kuid lahustuvad hästi orgaanilistes lahustites, näiteks eetris, ja rasvades. Näide oleks lineaarsed ja tsüklilised süsivesinikud. sh. benseen.
|
2. küsimus. Vaadake tähelepanelikult kahte paremal asuvat molekuli. Milline neist molekulidest on teie arvates hüdrofiilne ja milline hüdrofoobne? Miks sa nii arvad? Kas olete teada saanud, mis need ained on? Orgaaniliste ainete hulgas on ka ühendeid, mille molekuli üks osa on mittepolaarne ja omab hüdrofoobseid omadusi ning teine on polaarne ja seetõttu hüdrofiilne. |
alt="Teie brauser mõistab | alt="Teie brauser mõistab | ||
| Selliseid aineid nimetatakse amfipaatne
. Molekul fosfatidüülseriin(üks rakkude plasmamembraani fosfolipiididest, paremal) võib olla amfipaatsete ühendite näide. 3. küsimus.
Vaadake seda molekuli tähelepanelikult. Milline osa on teie arvates hüdrofiilne ja milline hüdrofoobne? Asetage molekul nii, et see oleks võimalikult selge, looge graafiline fail ja märkige selles molekuli hüdrofiilsed ja hüdrofoobsed lõigud. 4. Vesi kui lahusti elusorganismides.
|
alt="Teie brauser mõistab |
Lisaks on sisemiste vedelike transpordifunktsioon nii paljurakulistel loomadel (veri, lümf, hemolümf, tsöloomvedelik) kui ka hulkraksetes taimedes otseselt seotud vee kui lahusti omadustega.
5. Vesi reaktiivina.
Vee tähtsust seostatakse ka selle keemiliste omadustega – tavalise ainena, mis astub keemilistesse reaktsioonidesse teiste ainetega. Kõige olulisemad on vee lõhenemine valguse mõjul ( fotolüüs) valgusfaasis fotosüntees, vee osalemine vajaliku reagendina komplekssete biopolümeeride lagunemisreaktsioonides (pole juhus, et selliseid reaktsioone nimetatakse nn. hüdrolüüsi reaktsioonid
). Ja vastupidi, biopolümeeride moodustumise reaktsioonide, polümerisatsiooni käigus vabaneb vesi.
4. küsimus.
Millise ebatäpsuse viimases lauses parandaks keemik?
Hüdrofiilsed ained
Hüdrofiilsed ained (ained)
Tahked ained, millel on omadus olla vee poolt märjaks. Ei niisuta õline vedelik.
Lühike elektrooniline teatmik põhiliste nafta- ja gaasiterminite kohta koos ristviidete süsteemiga. - M.: Venemaa Riiklik Nafta- ja Gaasiülikool on oma nime saanud. I. M. Gubkina. M.A. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Novik. 2004 .
Vaadake, mis on "hüdrofiilsed ained" teistes sõnaraamatutes:
Hüdrofiilsed salvi alused- Selle artikli stiil on mitteentsüklopeediline või rikub vene keele norme. Artiklit tuleks parandada vastavalt Vikipeedia stiilireeglitele. Põhiartikkel: Salvialused Hüdrofiilsed salvialused salvialused, mida kasutatakse ... ... Wikipedia
Hüdrofiilne- (hüdro- ja filiaalidest) "vett armastavad" ained, mille molekulid on elektropolaarsed ja kergesti ühinevad veemolekulidega. Vastupidine on hüdrofoobsed ("vett vihkavad") ained... Kaasaegse loodusteaduse algus
Tihendusained- kõrgpolümeersed hüdrofiilsed ained, mida kasutatakse vedela toitainekeskkonna tihendamiseks. Söötmes kemoorganotroofide jaoks nagu UV. kasutada agarit (vt) ja želatiini (vt), autotroofsete organismide puhul silikageeli (vt). Vähem...... Mikrobioloogia sõnaraamat
Ained, mis võivad koguneda (pakseneda) kahe keha kokkupuutepinnal, mida nimetatakse faasiliideseks või liidesepinnaks. P. a. liidese pinnal. V. moodustavad suurenenud kontsentratsiooniga adsorptsioonikihi ... ... Suur Nõukogude entsüklopeedia
pindaktiivsed ained (pindaktiivsed ained)- ained, mis võivad liidesel adsorbeeruda ja põhjustada pindpinevuste (liidese) vähenemist. Tüüpilised pindaktiivsed ained on orgaanilised ühendid, mille molekulid sisaldavad lüofiilseid ja lüofoobseid (tavaliselt hüdrofiilseid ja... ... Metallurgia entsüklopeediline sõnaraamat
Pindaktiivsed ained- (a. pindaktiivsed ained; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; f. ained tensio actives; i. surfact tantes), asümmeetrilise mol. struktuur, mille molekulidel on difiilne struktuur, s.o. sisaldavad lüofiilset ja... Geoloogiline entsüklopeedia
pindaktiivsed ained- Pindaktiivsed ained Ained, mis võivad liidesel adsorbeeruda ja põhjustada pindala vähenemist. (liidese) pinge. Tüüpilised pindaktiivsed ained on orgaanilised. ühendid, mille molekulid sisaldavad lüofiilseid ja lüofoobseid (tavaliselt hüdrofiilseid ja hüdrofoobseid)... Tehniline tõlkija juhend
Pindaktiivsete ainete liigid Asümmeetrilise molekulaarstruktuuriga ained, mille molekulid on difiilse struktuuriga, st sisaldavad lüofiilseid ja lüofoobseid (tavaliselt hüdrofiilseid polaarseid rühmi ja hüdrofoobseid radikaale) aatomrühmi. Difiilne...... Nafta ja gaasi mikroentsüklopeedia
Rakumembraanid- Sellel terminil on ka teisi tähendusi, vt Membraan Rakumembraani pilt. Väikesed sinised ja valged pallid vastavad lipiidide hüdrofiilsetele "peadele" ja nende külge kinnitatud jooned vastavad hüdrofoobsetele "sabadele". Pildil... ... Wikipedia
Valikuline läbilaskvus- Sellel terminil on ka teisi tähendusi, vt Membraan Rakumembraani pilt. Väikesed sinised ja valged pallid vastavad lipiidide hüdrofiilsetele "peadele" ja nende külge kinnitatud jooned vastavad hüdrofoobsetele "sabadele". Joonisel on näha... ... Wikipedia
Mõiste hüdrofiilsus (tuleneb vanakreeka sõnadest "vesi" ja "armastus") on omadus, mis iseloomustab aine ja veega interaktsiooni intensiivsust molekulaarsel tasemel, see tähendab materjali võimet intensiivselt niiskust imada. samuti vee kõrge märgatavus aine pinna poolt. Seda kontseptsiooni saab rakendada tahketele ainetele kui pinna omadusele ning üksikutele ioonidele, aatomitele, molekulidele ja nende rühmadele.
Hüdrofiilsust iseloomustab adsorptsiooniveemolekulide ja aine molekulide vahelise sideme suurus, sel juhul tekivad ühendid, milles vee hulk jaotub sideme energiaväärtuste järgi.
Hüdrofiilsus on omane ainetele, millel on ioonsed kristallvõred (hüdroksiidid, oksiidid, sulfaadid, silikaadid, savid, fosfaadid, klaasid jne), millel on polaarsed rühmad -OH, -NO 2, -COOH jne. Hüdrofiilsus ja hüdrofoobsus- ainete koostoime erijuhud lahustitega (lüofiilsus, lüofoobsus).
Hüdrofoobsust võib pidada väheseks hüdrofiilsuseks, kuna molekulidevaheliste tõmbejõudude toime on alati suuremal või vähemal määral olemas mis tahes keha ja vee molekulide vahel. Hüdrofiilsust ja hüdrofoobsust saab eristada selle järgi, kuidas sileda pinnaga kehal levib veetilk. Tilk levib täielikult hüdrofiilsel pinnal ja osaliselt hüdrofoobsel pinnal, kusjuures niisutatud materjali pinna ja tilga vahel tekkiva nurga väärtust mõjutab antud keha hüdrofoobsuse aste. Hüdrofiilsed ained on ained, milles molekulaarsete (ioonsete, aatomite) vastastikmõjude tugevus on üsna tugev. Hüdrofoobsed on metallid, millel puuduvad oksiidkiled, orgaanilised ühendid, mille molekulis on süsivesinikrühmi (vahad, rasvad, parafiinid, mõned plastid), grafiit, väävel ja muud ained, millel on molekulidevahelisel tasandil nõrk interaktsioon.
Hüdrofiilsuse ja hüdrofoobsuse mõisteid rakendatakse nii kehade ja nende pindade kui ka üksikute molekulide või molekuli üksikute osade suhtes. Näiteks pindaktiivsete ainete molekulid sisaldavad polaarseid (hüdrofiilseid) ja süsivesinikke (hüdrofoobseid) ühendeid. Keha pinnaosa hüdrofiilsus võib selliste ainete adsorptsiooni tõttu dramaatiliselt muutuda.
Hüdrofiliseerimine on hüdrofiilsuse suurendamise protsess ja hüdrofobiseerimine selle vähendamise protsess. Need nähtused omavad suurt tähtsust kosmeetikatööstuses, tekstiilitehnoloogias kangaste (kiudude) hüdrofiliseerimiseks, et parandada pesemise, pleegitamise, värvimise jms kvaliteeti.
Hüdrofiilsus kosmeetikas
Parfümeeria- ja kosmeetikatööstus toodab hüdrofiilseid kreeme ja geele, mis kaitsevad nahka vees mittelahustuvate lisandite eest. Sellised tooted sisaldavad hüdrofiilseid komponente, mis moodustavad kile, mis takistab vees lahustumatute saasteainete tungimist naha pinnakihti.
Hüdrofiilsed kreemid on valmistatud emulsioonist, mis on stabiliseeritud sobivate emulgaatoritega või vesi-õli-vesi või õli-vesi alusega. Lisaks hõlmavad need dispergeeritud kolloidsüsteeme, milles hüdrofiilsed pindaktiivsed komponendid on stabiliseeritud ja koosnevad kõrgemate rasvhapete või alkoholide vees dispergeeritud või vee-glükooli segulahustest.
Hüdrogeelid (hüdrofiilsed geelid) valmistatakse alustest, mis koosnevad veest, mittevesi- või hüdrofiilse lahustist (etüülalkohol, propüleenglükool, glütseriin) ja hüdrofiilsest geelistavast ainest (tselluloosi derivaadid, karbomeerid).
Kreemide ja geelide hüdrofiilsed omadused:
· imendub kiiresti ja hästi;
· toita nahka;
· pärast nende kasutamist ei teki rasvasuse tunnet;
· puhastada nahka;
· mõjuvad nahka tugevdavalt;
· vähendada negatiivsete keskkonnategurite mõju;
Aidake nahal säilitada loomulikku taastumisvõimet.
Hüdrofiilsed kreemid ja geelid on loodud kaitsma nahka veega mittesegunevate õlide, kütteõli, nafta, värvide, vaikude, grafiidi, tahma, orgaaniliste lahustite, jahutus- ja määrdelahuste, ehitusvahu ja paljude teiste kergelt agressiivsete ainetega töötamisel. Samuti on need asendamatud auto remondil, korteri renoveerimisel, ehituse ajal, maal väetiste ja mullaga töötamisel.
Ettevõte KorolevPharm toodab erinevat tüüpi parfümeeria- ja kosmeetikatooteid, sealhulgas hüdrofiilseid ja hüdrofoobseid kreeme. Ettevõte on lepinguline tootja ja teostab kõiki tootmisetappe: retseptide väljatöötamine, sertifitseerimine, tootmise käivitamine, toodete seeriatootmine. Tootmiskoht on varustatud kaasaegsete seadmetega.
Ettevõte on sertifitseeritud nõuetele vastavuse osas
Lootoseleht, millel jookseb vesi, kogutud pallidesse, vetthülgavad pinnad ja jalanõude kaitsvad ühendid, puljongis ujuvad õlikruusid – kõik need on näited molekulide omadusest, mida nimetatakse nn. hüdrofoobsus. Pealegi, hüdrofoobne toime mängib olulist bioloogilist rolli: hüdrofoobseid omadusi kasutades on “programmeeritud” ka valgumolekulide voltimine ja nõuetekohane funktsioneerimine, biomembraanide moodustumine ning molekulide üksteise äratundmine. Huvitav on see, et hüdrofoobne efekt ei taandu "tavalisteks" füüsikalisteks interaktsioonideks: selle taga seisab termodünaamika teine seadus ja suurus nn. entroopia.
Marutaud
Hüdrofoobia või hüdrofoobia(Vana-Kreeka keelest. νδωρ - "vesi" ja φοβος - "hirm" on hirm valulike neelamiskrampide ees, kui proovite juua lonksu vett, vett nähes või selle mainimisel. Seda täheldatakse teetanuse, hüsteeria, marutaudi korral (ja marutaudi ennast nimetati varem just selle sõnaga).
Niisiis, hüdrofoobsus, mida arutatakse, käsitleb molekulide omadusi, mitte sümptomeid inimestel.
Seda näitab kõigile lapsepõlvest tuttav väljend “vesi pardi seljast maha”. hüdrofoobsus- mitte nii enneolematu nähtus, nagu selle nimi võiks arvata. Tõepoolest, vee "tõrjumise" mõju esineb meie ümber sageli: vaadake vaid hanesulge või lootoselehte (joon. 1 A), mida mööda voolab alla veetilk, nagu elavhõbedakera klaasi pinnal, jätmata endast jälgegi. Klassikalised ideed hüdrofoobsete pindade kohta ütlevad, et siin on indikaatoriks kontaktnurk θ, mis niisutatud pindade puhul on väiksem kui täisnurk (90°) ja mittemärgutavate pindade puhul on sellest suurem (joonis 1). b) . Eelkõige veetilga puhul parafiini pinnal θ = 109° ja kõige hüdrofoobsema teadaoleva materjali - fluoroplasti - pinnal on see 112°. Samal ajal kirjeldaks "absoluutselt" hüdrofoobset pinda 180° nurga all, kui vesi veereb pinnalt hetkekski peatumata maha.
Kas hani on tõesti hüdrofoobsem kui fluoroplast? Tegelikult on see tõsi, kuid see saavutatakse väikese nipiga: hanesule (nagu ka lootoselehe) pind ei ole sile, vaid kaetud mikroskoopiliste püramiidide või karvadega, mis vähendab kokkupuutepinda tilgaga. ja tõhus adhesioon (joonis 1 V) . Samal põhimõttel superhüdrofoobne pinnad, mis tõrjuvad vett peaaegu ideaalselt (video 1).
Joonis 1. Lootoseleht: näide hüdrofoobsest pinnast. A - Hüdrofoobne tähendab tegelikult mittemärgutavus kui vesi veereb pinnalt täielikult maha, jätmata märgasid jälgi. b - Hüdrofoobse pinna määramine kontaktnurga θ alusel: θ juures< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - mittemärgutav (hüdrofoobne). Absoluutse hüdrofoobsuse mõju (või superhüdrofoobsus) saavutatakse mikroskoopiliste kareduste tõttu, mis vähendavad tilga kokkupuuteala pinnaga. V - Kuidas on lootose pind üles ehitatud: mikroskoopilised ogad takistavad veepiiskadel pinda niisutamast ja veerevad lehtedelt maha. Ka veetilk ei saa okkade vahel “voolata”, sest sellisel skaalal ei lase pindpinevus tilgal enam väiksemateks lõheneda.
Video 1. Superhüdrofoobne pind. Mikroskaala pinna karedus ( cm. riis. 1 b) vähendab efektiivset kokkupuuteala veetilgaga, mis sellel skaalal käitub pindpinevusest tulenevalt elastse kehana.
Aru saama Miks Mõned ained saavad veest rõõmsalt märjaks, aga vesi veereb pardi küljest lahti, nagu vanasõna ütleb.Tuleb laskuda üksikute molekulide tasemele ja mõelda, kuidas molekulid omavahel suhtlevad.
Hüdrofoobsed molekulid
Keemilise struktuuri seisukohalt hüdrofoobne(või mis on sama, mittepolaarne) on molekulid, mis ei sisalda keemilisi rühmi, mis on võimelised moodustama veega vesiniksidemeid. Näiteks on need benseen ja muud vedelad süsivesinikud (bensiini komponendid). Siiski on kõige huvitavamad omadused amfifiilsed molekulid, mis sisaldavad nii polaarseid kui ka mittepolaarseid osi: see toob kaasa asjaolu, et nad moodustavad veega segudes üsna keerukaid struktuure: mitsellid, vesiikulid, kihid ja keerulisemad vormid. Kõigi nende keeruliste vormide teket kontrollitakse hüdrofoobne toime.
Huvitaval kombel ulatub küsimus hüdrofoobsuse molekulaarsest olemusest Benjamin Franklinile, kes valitsusasjadest vabal ajal uuris oliiviõli levikut tiigi pinnal. Ühe lusika õli pleki pindala oli kogu aeg sama - pool aakrit - ja paksus oli tegelikult võrdne ühe molekuliga. See oli 1774. aastal ja kuigi tol ajal olid arusaamad ainete molekulaarsest olemusest veel äärmiselt ähmased, ei olnud riigimeeste üldine uudishimu, nagu näeme, tänapäevane. Nii või teisiti tähistas katse naftaga monomolekulaarsete lipiidkilede uurimise algust, millest kahtlemata selgus: mõnedele molekulidele "ei meeldi" vesi nii palju, et nad mitte ainult ei segune sellega, vaid on valmis ka saama. vabaneda veest kõikvõimalikel viisidel – näiteks akumuleerudes ühe molekuli paksuse (monokihi) kihina vee ja õhu piirpinnale. (Lisateavet lipiidkilede uuringute kohta leiate artiklist " Merineitsi molekulid » .)
Teine oluline amfifiilmolekulide liik on seebid, mida kasutatakse laialdaselt igapäevaelus ja rahvamajanduses. Nende tööpõhimõtet saab välja lugeda isegi reklaamidest: pesuainemolekulide mittepolaarne osa "kleepub" saasteainete molekulidega (tavaliselt hüdrofoobsete) ja polaarne osa suhtleb aktiivselt veemolekulidega. Selle tulemusena see juhtub lahustumine: mustus tuleb pinnalt maha ja suletakse agregeeruvatesse seebimolekulidesse, paljastades polaarsed killud "väljas" ja varjates hüdrofoobsed osad "sees".
Kuid see, mis võimaldab meil nautida parimate detergentide kaubanduslikke omadusi, on amfifiilsete molekulide (nimelt lipiidide) veelgi olulisem kvaliteet: need toimivad kõigi teadaolevate eluvormide kestana, moodustades rakumembraani, mille all toimuvad kõik eluprotsessid. aset leidma ( cm. « Elu lipiidide alus » ). See oluline fakt ütleb meile, et hüdrofoobse efekti molekulaarne olemus ei ole tühine asi, vaid see on kogu bioloogia jaoks fundamentaalse tähtsusega, rääkimata rakenduslikest tööstusharudest.
Kuid lähemal uurimisel selgub, et ükski fundamentaalne füüsiline vastastikmõju, nagu gravitatsioon või elektrostaatilised jõud, ei vastuta hüdrofoobsete osakeste üksteise külge tõmbamise ja nende veest eemaletõukamise eest. Selle olemus seisneb füüsikalises põhimõttes, mis seab piirangud enamiku spontaansete protsesside suunale, nimelt Termodünaamika teine seadus.
Natuke termodünaamikat
Termodünaamika on üks esimesi teadusi, mis ehitas silla aatomite ja molekulide mikroskoopilise maailma ning "meie" makroskoopilise maailma vahel. Selle sünd on seotud aurumasinate töö uurimisega ja Nicolas Carnot’ (1796–1832) nimega, kelle järgi on nimetatud termodünaamilised tsüklid, mis määravad masina toota töömahu. Tema tööd jätkasid Joule, Kelvin ja Clausius, kes tõid sellele esialgu puhtpraktilisele valdkonnale võimsa teoreetilise aluse.
Nende teadlaste jõupingutuste läbi põhiseadused või alanud, termodünaamika, mis võtab kokku sajanditepikkuse empiirilise kogemuse termiliste protsesside vaatlemisel. Esimene põhimõte räägib isoleeritud süsteemi energia jäävusest (“energia jäävuse seadus”) ja teine põhimõte spontaansete protsesside suunast. (On olemas ka null- ja kolmas printsiip, kuid neist me siinkohal ei räägi.) Mõiste entroopia(S), mis on kogunud kuulsust kõige salapärasema termodünaamilise suurusena. Algselt määratles Clausius ametlikult süsteemi soojuse ja temperatuuri suhtena (ΔS = ΔQ/T), sai entroopia hiljem globaalse "kaose mõõtmise" tähenduse. Sellest ajast alates on entroopia saanud teise seaduse kaasaegse sõnastuse aluseks:
Isoleeritud süsteemis toimuvate spontaansete protsessidega kaasneb entroopia suurenemine.
Ludwig Boltzmann (1844–1906) ühendas kogu selle termilise "köögi" ainet moodustavate aatomite tasemega juba enne, kui aine aatomistruktuur sai üldtunnustatud. Oma elu peamiseks saavutuseks pidas ta entroopia arvutamise statistilise valemi avastamist (1877. aastal): S = k × logW, kus S on entroopia, k on konstant, mille Planck nimetas hiljem Boltzmanni enda järgi ja W on oleku statistiline kaal (arv mikroolekud, mis seda rakendab makroriik). Vaatamata kehvale nägemisele nägi ta teistest oluliselt sügavamale mateeria "sügavustesse": ta oli esimene, kes tundis kirjeldamise statistilise lähenemisviisi jõudu. termodünaamilised ansamblid ja rakendas seda molekulaarfüüsikas. On olemas versioon, et Boltzmann sooritas enesetapu oma kaasaegsete arusaamatuse tõttu, kellest ta radikaalselt ees oli. Eespool nimetatud valem on raiutud tema hauakivile Viini kalmistul.
Vaatamata kogu entroopia mõiste salapärale on teise seaduse tähendus üsna lihtne: kui süsteem on isoleeritud (see tähendab, et see ei vaheta välismaailmaga ei ainet ega energiat), kaldub see olekusse. termodünaamiline tasakaal, - selline makrostaatus, mis realiseerub maksimaalse võimaliku mikroolekute arvuga (teisisõnu, millel on maksimaalne entroopia). Näiteks katkine tass ei kleepu end enam kunagi kokku: algseisund (terve tass) realiseerub ainult ühel viisil (S=0), kuid lõppseisund (katkine tass) realiseerub astronoomiliselt suurel hulgal viisidest (S>>0). Seetõttu on globaalsest perspektiivist vaadatuna kõik tassid hukule määratud. Peter Atkinsi imeline populaarteaduslik raamat „Looduse kord ja häired” on pühendatud teise seaduse selgitamisele „koduperenaiste jaoks”.
Hüdrofoobne efekt statistilise füüsika seisukohalt
Seega, teades Teist seadust, saame aru, miks laual olev teetass jahtub kindlasti toatemperatuurini, kuid ei soojene enam kunagi iseenesest, võttes köögis õhust soojuse ära. (Kui ei, siis tuleks kindlasti lugeda Atkinsi raamatut.) Aga kas sama arutluskäik kehtib ka näiteks vee ja õli segunematuse selgitamisel? Lõppude lõpuks püüab teine seadus "kõike tasandada" ning vesi ja õli, vastupidi, keelduvad üksteises lahustumast (joonis 2). A).
Joonis 2. Hüdrofoobse efekti illustratsioon. A - Hüdrofoobne efekt (sisuliselt termodünaamika teine seadus) paneb vee "tõrjuma" mittepolaarseid molekule (nt õli) ja vähendab nendega kokkupuuteala. Seetõttu ühinevad paljud väikesed õlitilgad vees lõpuks kokku ja moodustavad kihi. b - Veemolekulide korrastatud (“jäise”) kihi moodustamine hüdrofoobse pinna lähedal on vajalik selleks, et veemolekulid saaksid moodustada üksteisega vesiniksidemeid. Kuid see toob kaasa entroopia languse, mis on teise seadusega seoses ebasoodne. V - Loomulik võimalus entroopia suurendamiseks on vähendada hüdrofoobsete molekulide kokkupuuteala veega, mis tekib mitme mittepolaarse molekuli agregeerumisel. Amfifiilsete molekulide puhul ilmneb iseorganiseerumine ja üsna keerukate supramolekulaarsete struktuuride moodustumine, nagu mitsellid, kaksikkihid ja vesiikulid ( cm. riis. 3).
Tõepoolest, kui arvestada ainult õliga, siis tundub, et termodünaamika ei tööta: õlikile lahustamine vedeliku paksuses suurendaks selgelt entroopiat võrreldes monokihiga. Kuid kõik teavad, et tegelikult juhtub vastupidine: isegi kui raputate vett ja õli, laguneb emulsioon mõne aja pärast ja õli moodustab uuesti kile, jättes vesifaasi.
Fakt on see, et vesi on selles näites vaadeldavas süsteemis võrdne osaleja ja seda ei tohiks mingil juhul tähelepanuta jätta. Teatavasti määrab vee omadused (isegi selle vedelas olekus normaalsetes tingimustes) vesiniksidemete moodustamise võime. Iga veemolekul võib moodustada kuni neli sidet oma "naabritega", kuid selleks peab vesi olema "vees". Kui vees on mittepolaarne pind, ei tunne sellega külgnevad molekulid end enam "vabana": soovitud vesiniksidemete moodustamiseks peavad need molekulid olema orienteeritud rangelt määratletud viisil, moodustades "jäise" kesta. (Joonis 2 b) hüdrofoobse objekti ümber. Seda sunnitud järjestamist iseloomustab õli-vee süsteemi entroopia märkimisväärne langus, mis sunnib hüdrofoobseid molekule omavahel agregeerima, vähendades kokkupuuteala polaarkeskkonnaga ja seega ka entroopiateguri ebasoodsat vähenemist. Tegelikult on vesi see, mis paneb õli üheks suureks tilgaks või laiguks kokku sulama, rakendades dialektilist põhimõtet „meeldib, meeldib”.
Seda polaarsete ja mittepolaarsete faaside vastastikmõju nimetatakse hüdrofoobne toime. See nähtus põhjustab detergentide molekulide lahuses mitselle ja lipiidide ühe- ja kahekihilisi moodustumist. Viimased võivad enda külge sulgeda vesiikulite (liposoomide) või rakku ümbritsevate bioloogiliste membraanide moodustumisega (joonis 3). Samuti on leitud näiteks keerulisemaid lipiidide polümorfismi vorme kuupmeetriline lipiidifaas, mida kasutatakse laialdaselt membraanivalkude struktuuriuuringutes.
Joonis 3. Lipiidide polümorfism. Sõltuvalt molekuli kujust ja muudest omadustest, mis iseloomustavad pea ja saba asümmeetrilist struktuuri, moodustavad lipiidid erinevaid supramolekulaarseid struktuure. Ülevalt alla: 1 - molekuli vastupidise koonilise kujuga moodustuvad positiivse kumerusega struktuurid (mitsellid ja kuusnurkne faas H I); 2 - silindriline kuju annab lamedad (lamellsed) struktuurid, näiteks kahekihilised; 3 - koonilise kujuga moodustuvad nii ümberpööratud kuusnurkne (H II) kui mitsellaarfaas.
"Sügavalt" hüdrofoobsesse efekti
Bioloogiliste molekulide puhul mängib erilist rolli hüdrofoobne efekt, kuna see moodustab biomembraane, ilma milleta pole elu võimatu, ning annab ka otsustava (kuni 90% kogu tööst) panuse valgumolekulide voltimisel, külgmisel. aminohappejääkide ahelad, mille olemus võib olla erinev: hüdrofoobsed või hüdrofiilsed . Selliste erinevate üksuste olemasolu ühes lineaarses molekulis annab kogu vormide ja funktsioonide mitmekesisuse, mida valkudes täheldatakse.
Submolekulaarsel skaalal avaldub hüdrofoobne efekt aga teisiti kui laiendatud mittepolaarse pinna või terve lusikatäie õli korral: ilmselt on hüdrofoobsete osakeste kobar stabiilne ainult siis, kui selle suurus ületab läviväärtuse ( ≈1 nm); vastasel juhul hävib see molekulide termilise liikumise tõttu. Molekulaardünaamika (MD) simulatsioonid näitavad erinevusi "puhta" vee ja vee lähedal väikeses (<1 нм) и большой (>>1 nm) hüdrofoobsed osakesed. Kui kahel esimesel juhul iga veemolekul võib moodustada kuni neli vesiniksidet, kuid suure hüdrofoobse osakese puhul see võimalus puudub ja veemolekulid peavad reastuma selle osakese ümber “jäisesse” kesta (joonis 2 b ja 4).
Joonis 4. Veemolekulide erinevad konfiguratsioonid väikese ( A) ja suur ( b) hüdrofoobsed osakesed(mõlemal juhul näidatud punased kerad). MD andmetel saab osakesi, mis on väiksemad kui 1 nm, kergesti ümbritseda veega, piiramata selle "vabadust" ja vesiniksidemete moodustamise võimet. Suuremate osakeste puhul tuleb vesiniksideme moodustamiseks piirveemolekul hüdrofoobse pinna suhtes eriliselt orienteerida, mis toob kaasa terve veekihi (või mitme) järjestamise ja vähenemise. lahusti entroopias. Sel juhul väheneb keskmine vesiniksidemete arv veemolekuli kohta kolmeni. Huvitav on see, et siin muutub ka osakese solvatatsioonienergia sõltuvuse olemus selle suurusest: kuni 1 nm-ni sõltub energia osakese mahust, üle selle läve aga selle pindalast.
Seda sama "läve suurust" kinnitati ka katses, et määrata hüdrofoobse efekti panus polümeeri ahela voltimisse sõltuvalt monomeeri külgrühma suurusest ja temperatuurist. Solvatatsiooni vaba energia registreerimine viidi läbi aatomjõumikroskoobi abil, mis "lahtis" polümeeri molekuli ühe lüli haaval. Huvitaval kombel langeb piirväärtus 1 nm ligikaudu kokku aminohappejääkide suurte külgahelate suurusega, mis määravad valgu molekuli voltimise.
Kuna hüdrofoobne efekt on oma olemuselt entroopiline, sõltub selle roll erinevates protsessides (st panus vabasse energiasse) temperatuurist. On uudishimulik, et see panus on maksimaalne just tavatingimustes – samal temperatuuril ja rõhul, mille juures elu põhiliselt eksisteerib. (Samadel tingimustel on peamine bioloogiline lahusti - vesi - vedeliku ja auru vahelise tasakaalu lähedal.) See viib mõttele, et elu "valib" teadlikult faasisiiretele ja tasakaalupunktidele lähedased eksistentsitingimused: ilmselt annab see selliste näiliselt “inertsete” asjade nagu membraanide ja valgumolekulide struktuur eriti usaldusväärse kontrolli ja peenkontrolli võimalus.
Viimaste aastate uuringud on veelgi rõhutanud vee rolli nii hüdrofoobses efektis kui ka molekulidevahelises äratundmises (näiteks kui ensüüm seob oma substraadi või retseptor seob ligandi, mille ta ära tunneb). Valgu aktiivses keskuses on reeglina "seotud" (ja seega järjestatud) veemolekulid. Kui ligand tungib valgu pinnal asuvasse seondumiskohta, "eraldub" vesi, mis annab positiivse panuse entroopiasse (joonis 5); vaba energia muutuse entalpiakomponent võib aga olla kas negatiivne või positiivne. Kalorimeetrilise tiitrimise ja molekulaarse modelleerimise abil tehti kindlaks paljude ligandide, mis on struktuurilt sarnased, kuid erinevad hüdrofoobsete rühmade suuruse poolest, termodünaamiline seostumismuster ensüümi karboanhüdraasi poolt. Analüüs näitas, et entalpia ja entroopia panus Gibbsi vabasse energiasse võib igal juhul olla individuaalne ning pole võimalik ette öelda, milline protsess mängib otsustavat rolli. On ainult täiesti selge, et aktiivsele saidile lähimate veemolekulide kihtide struktuur ja dünaamika mängivad molekulidevahelises äratundmises sama olulist rolli kui ligandi vastavus retseptorile, mis toob "klassikalises vees uue keerukuse taseme. ” kahe „võtmeluku” või „kindakäe” tüüpi molekuli interaktsiooni mudelid.
Homo- ja heteropolümeeride voltimise võib jagada mitmeks etapiks (joonis 6):
- Kui alustate pikliku ketiga, on esimene etapp entroopia voltimine, mis on termodünaamika teise seaduse otsene tagajärg: täielikult sirgendatud polüpeptiidahelal on null entroopia, mida koheselt "parandavad" statistilised jõud, mis muudavad niidi "statistiline pall".
- Juhusliku mähise konformatsioonis viiakse hüdrofoobsed külgjäägid ruumis üksteisele lähemale ja agregeeruvad hüdrofoobse efekti mõjul. Seda kinnitab valgugloobulite kolmemõõtmelise pakendamise põhimõtete jälgimine: sees on hüdrofoobsete jääkide “tuum” ning molekuli pinnal polaarsed ja laetud aminohappejäägid. Selles etapis saadud vormi nimetatakse sulanud gloobul.
- Biopolümeeride puhul asi sellega ei lõpe: spetsiifilised interaktsioonid ruumis lähedal asuvate jääkide vahel muudavad pakkimise veelgi tihedamaks (tõsi kerake). Seejärel langeb vaba energia märkimisväärselt ja seda peetakse sageli "hästi pakitud" struktuuri kriteeriumiks.
Joonis 6. Hüdrofoobse kollapsi roll kolme polümeeri ahela voltimisel, millel on koostismonomeeride erinev hüdrofoobsus: hüdrofoobne polümeer, hüdrofoobne-hüdrofiilne kopolümeer ja globulaarne valk (ülevalt alla) - vaba energia graafikul funktsioonina pöörlemisraadius, mis näitab keti tihendi kompaktsust. 1) Iga lineaarne kett täielikult venitatud olekust väändub kiiresti sisse statistiline sasipundar. 2) Mittepolaarsete külgahelate ruumiline lähedus põhjustab mähise hüdrofoobse kokkuvarisemise ja moodustumise sulanud gloobul. 3) Valkude puhul vähendavad evolutsiooniliselt valitud spetsiifilised kontaktid külgnevate aminohappejääkide külgahelate vahel (näiteks vesiniksidemed või elektrostaatilised interaktsioonid) vaba energiat veelgi ja pakivad valgu tihedaks. gloobulid. Hüdrofoobsetel polümeeridel pole selliseid vastastikmõjusid ja seetõttu peatub nende voltimine juhusliku mähise staadiumis.
Kui varem arvati, et kolmas staadium on funktsionaalse valgu asendamatu omadus, siis viimasel ajal on hakatud üha enam tähelepanu pöörama nn. alajärjestatud valgud (olemuselt korrastamata valgud), millel puudub selgelt määratletud ruumiline vorm ja tegelikult puudub konkreetsete kontaktide kujunemise etapp. (Muide, hüdrofoobsete jääkide osakaal on neis võrreldes globulaarsete valkudega oluliselt väiksem.) Võib-olla võimaldab see neil elusrakus suhelda mitte ühe valgu või ligandiga, vaid kümnete või isegi sadade struktuurilt erinevate partnermolekulidega osaledes rakuliste protsesside väga peenes reguleerimises.
Hüdrofoobne efekt mängib otsustavat rolli ka membraanivalkude (MP-de) voltimisel, mis täidavad paljusid elutähtsaid funktsioone alates molekulide ja ioonide transpordist läbi membraani kuni üksteise vastuvõtmise ja äratundmiseni rakkude poolt. Tänu sellele, et enamik neist on sukeldatud membraani hüdrofoobsesse kaksikkihti, erineb transmembraanse (TM) domeeni struktuur oluliselt lahustuvate globulaarsete valkude pakendist: nende TM segmendid on oluliselt hüdrofoobsemad ja hüdrofoobsed kõrvalahelad paiknevad mitte ainult valgu sees (nagu globulaarsete valkude puhul), vaid ka pinnal, kus valk puutub kokku lipiidimolekulide süsivesinike ahelatega.
Oluline on, et mängu tuleks ka hüdrofoobsus enne seda kuidas valk oma töökohta (st membraani) jõuab. Ribosomaalse sünteesi käigus ei sisene MB-d tsütoplasmasse, nagu globulaarsed valgud, vaid translokon- üsna keeruline molekulaarmasin, mis on ehitatud kanali kujul ja vastutab nii valkude sekretsiooni kui ka MB membraanidesse viimise eest. Selgus, et translokon suudab "tunnetada" seda läbinud valgufragmendi hüdrofoobsust ja teatud hüdrofoobsuse läve saavutamisel "sülitab" selle fragmendi välja mitte "edasi" (kanali kaudu rakuvälisesse ruumi), vaid "külgsuunas" (läbi kanali seina) - otse membraani. Niisiis sisestatakse membraani valgud fragmentide kaupa membraani ja seetõttu N-MB ots on alati ekstratsellulaarses piirkonnas ja kuhu see jääb C-end - sõltub TM-i segmentide arvust.
Elegantses katses endoplasmaatilise retikulumi Sec61 translokoniga loodi "hüdrofoobsuse bioloogiline skaala", mis määrab igale aminohappejäägile spetsiifilise hüdrofoobsuse väärtuse. Huvitav on see, et üldiselt langeb see skaala kokku varem kehtestatud füüsikalis-keemiliste skaaladega, mis võimaldab translokonile määrata hüdrofoobse interaktsiooni anduri rolli.
Seega saab rakk hüdrofoobsust translokoni abil "mõõta" ja laboris saab seda omadust ligikaudselt hinnata selle veega suhtlemise olemuse järgi. Kuid kas hüdrofoobsust on võimalik teoreetiliselt arvutada ja seda arvutust praktiliselt oluliste ülesannete hulka arvata?
Kuidas hüdrofoobsust teoreetiliselt arvutada?
Eespool oli juba öeldud, et hüdrofoobne efekt on tegelikult termodünaamika teise seaduse üks tahke, nii et selle täpne arvutamine pole võib-olla lihtsam kui kogu süsteemi modelleerimine ja seda füüsiliselt õigel tasemel. Teisisõnu, "hüdrofoobseid interaktsioone" ei saa kuidagi taandada paariskontaktidele, näiteks kahe laengu ligitõmbamine või tõrjumine või vesiniksideme doonori ja aktseptori vaheline interaktsioon. Ainus teoreetiliselt õige viis on analüüsida tohutul hulgal mikroolekuid termodünaamilistes ansamblites, mida on praktikas üsna raske teha.
Molekulide modelleerimises ja selle rakendustes (näiteks biotehnoloogilistes või tööstuslikes) on aga molekulide hüdrofoobsete ja hüdrofiilsete omaduste vähemalt ligikaudne hinnang endiselt nõutav. Tavaliselt keskenduvad nad omadusele, mis kirjeldab kogu molekuli hüdrofoobsust – jaotuskoefitsiendile ( P, alates eraldamine) selle aine vee (polaarne faas) ja mittepolaarse faasi (näiteks benseen või) vahel n-oktanool). Fakt on see, et seda parameetrit on erinevalt kõigist teistest termodünaamilistest omadustest eksperimentaalselt üsna lihtne mõõta, määrates uuritava aine kontsentratsiooni vees ja mittepolaarses keskkonnas (mis mäletame, peaaegu ei segune) ja jagades. üksteise järel. Hüdrofoobsuse koefitsient on selle koefitsiendi logaritm - log P.
Selle koefitsiendi ennustamiseks on ette nähtud mitmed empiirilised meetodid, mis taanduvad täpselt mõõdetud logaritmiga ainete "koolituskomplekti" kasutamisele. P määrake molekuli üksikute fragmentide või isegi selle üksikute aatomite panused (võttes arvesse keemilist keskkonda), et seejärel arvutada hüdrofoobsus tundmatute molekulide jaoks arvutatud fragmentaarse või aatomi hüdrofoobsuse konstantide põhjal. Tegelikult on see katse omistada molekuli igale aatomile "hüdrofoobne laeng", kuigi tuleb meeles pidada, et sellel pole füüsiliselt mõtet. Nende konstantide liitmine kõigi molekuli aatomite jaoks annab soovitud logaritmi väärtuse P, ja kosmosepunktides elektrostaatilise potentsiaali (φ ~ q/r) arvutamisega sarnase lähenemisviisi kasutamine andis aluse molekulaarse hüdrofoobse potentsiaali (MHP) meetodi loomisele, mis on end molekulaarmodelleerimisel tõestanud (joonis 7). . Programm PLATINUM on pühendatud IHL-i arvutustele.
Joonis 7. Molekulaarhüdrofoobne potentsiaal (MHP). IHL lähenemisviisi eesmärk, mis võimaldab arvutada hüdrofoobsete/hüdrofiilsete omaduste ruumilist jaotust, on luua empiiriline süsteem. aatomi hüdrofoobsuse konstandid (f i), tehniliselt sarnane osaliste tasudega. Nende konstantide summa kõigi aatomite kohta annab hinnangu hüdrofoobsuse koefitsiendi logaritmile P(Kus P- aine jaotuskoefitsient vee ja oktanooli vahel) ja "potentsiaali" arvutamine punkt "hüdrofoobsete laengute" süsteemist, võttes arvesse sumbumist ruumis (vastavalt seadusele d(r), võrdne näide 1/r) võimaldab meil ette kujutada hüdrofoobsuse jaotust molekulipindadel. Joonisel on kujutatud eukarüootide plasmamembraani peamise fosfolipiidi – palmitoüüloleüülfosfatidüülkoliini – hüdrofoobseid omadusi.
MHP arvutamine võimaldab hinnata molekuli konkreetse fragmendi hüdrofoobsuse efektiivset väärtust ja selgelt visualiseerida selle pinna hüdrofoobseid omadusi ning see omakorda võib rääkida molekulidevahelise interaktsiooni mehhanismidest ja näidata teed sihipärane muutus molekulide omadustes või viisis, kuidas nad omavahel suhtlevad. Seega, kasutades lühikese α-spiraali hüdrofoobsete omaduste ruumilist kaardistamist antimikroobsed peptiidid(AMP) suutsid paljastada, et neid molekule iseloomustab amfifiilsus - kui heeliksi üks pool on hüdrofoobne ja teine polaarne ja positiivselt laetud. See motiiv on selgelt nähtav MGP "pühkimise" kaartidel, rõhutades peptiidi interaktsiooni mehhanismi membraaniga ja antimikroobset toimet (joonis 8). Selliste kaartide abil oli võimalik muuta loomulikku AMP-d latartsiin, luues analooge, millel on kõrge antibakteriaalne toime, kuid mis ei hävita punaseid vereliblesid ja on seetõttu ravimi potentsiaalne prototüüp (joonis 8).
Joonis 8. Antimikroobse peptiidi latartsiin 2a (Ltc2a) kasulike omaduste disain. Ülemine rida vasakul Näidatud on Ltc2a ruumiline struktuur ja hüdrofoobsete omaduste jaotus (vt joonis 7) selle pinnal. Keskel IHL-i pühkimiskaart on näidatud silindrilistes koordinaatides (α; Z). See näitab selget amfifiilset mustrit, mis määrab peptiidi interaktsiooni rakumembraaniga. Ülemine rida paremal on näidatud peptiidi tsütolüütiline aktiivsus: see tapab üsna tõhusalt nii baktereid (“gram+”, “gram−”) kui ka loomarakke (“erütrotsüüdid”) [veerg “wt”].
Ülesanne oli järgmine: säilitades samal ajal antimikroobse toime, kõrvaldada hemolüütiline aktiivsus(st luua bakteritsiidse ravimi prototüüp). Eeldati, et hüdrofoobse “täpi” olemuse muutmine MGP kaardil muudab interaktsiooni bakterite ja erütrotsüütide membraanidega erinevalt ning ülesandega saab hakkama. Testisime kolme peptiidi, millesse viidi sisse punktmutatsioonid: Ile7 → Gln, Phe10 → Lys ja Gly11 → Leu. Vastavad muutused hüdrofoobses mustris on näidatud kolmes kaardifragmendis põhjas. Ühel mutandil, Ile7 → Gln, oli soovitud aktiivsus: kõrge bakteritsiidne ja madal hemolüütiline toime.
Biomolekulide hüdrofoobsete omaduste arvestamist kasutatakse ka teistes molekulaarmodelleerimise valdkondades – eelkõige transmembraansete piirkondade positsiooni ennustamisel aminohappejärjestuses või retseptori-ligandi komplekside ruumilise struktuuri selgitamisel hüdrofoobse vastavuse põhimõttel. .
Hoolimata hüdrofoobsuse nähtuse keerulisest füüsikalisest olemusest võib isegi selle väga pealiskaudne arvestamine molekulaarses modelleerimises olla kasulik. Ülaltoodud näitest on selge, et molekulide omaduste ruumiline kaardistamine, mis on arvutatud MHP tehnikaga, võimaldab tõmmata seose peptiidi molekuli struktuuri ja selle aktiivsuse vahel ning see on keemikute ammune unistus. , bioloogid ja farmakoloogid. Sellise seose leidmise oskus tähendab võimet ratsionaalselt kujundada molekulides vajalikke omadusi, mis on loomulikult nõutud alusuuringutes, biotehnoloogias ja meditsiinis.
Ja jälle mõni sõna veest
Hüdrofoobse efekti lähem uurimine võimaldab mõista, et tegelikult räägime suure hulga molekulide statistilisest käitumisest, mida kirjeldavad termodünaamika ja statistilise füüsika seadused. Kuid siin on huvitavam midagi muud - me oleme taas veendunud sellise pealtnäha lihtsa aine nagu vesi ainulaadsuses. Veel endal on palju hämmastavaid omadusi, kuid bioloogilise lahustina pole tal võrdset. Teiste molekulidega suheldes muudab vesi oma dünaamikat ja struktuuri, põhjustades kogu süsteemi muutumise. See on täpselt see, mida me täheldame, kui uurime amfifiilsete molekulide iseorganiseerumist kahekihilisteks ja vesiikuliteks - lõppude lõpuks on vesi see, mis "sunnib" neid sellisteks keerukateks vormideks koonduma.
Vee rolli peamiste bioloogiliste "masinate" - valkude - elus on raske üle hinnata. Nende voltimine lineaarsest ahelast tihedaks gloobliks, milles iga aatom teab oma kohta, on samuti vee teene. See tähendab, et vesi väärib ka ühe bioloogilisema molekuli tiitlit, kuigi keemilise klassifikatsiooni järgi on tegemist anorgaanilise ainega.
Merineitsi molekulid Hüdrofoobse hüdratatsiooni allkiri ühes polümeeris;
