| 1. ساختار مولکول آب. | ||
| آب یک مولکول قطبی دارد. اکسیژن به عنوان یک اتم الکترونگاتیو تر، چگالی الکترون مشترک با اتم هیدروژن را به سمت خود می کشد و بنابراین بار منفی جزئی را حمل می کند. اتم های هیدروژن که چگالی الکترون از آن جابه جا می شود، بار مثبت جزئی دارند. بنابراین مولکول آب استدوقطبی، یعنی دارای مناطق باردار مثبت و منفی است. (مدل سمت راست سه بعدی است و با فشار دادن دکمه سمت چپ ماوس قابل چرخش است.) |
|
2. پیوندهای هیدروژنی.
3. آب به عنوان یک حلال. |
alt=" مرورگر شما این را می‌فهمد |
در رابطه با آب، عملاً همه مواد را می توان به دو گروه تقسیم کرد:
1. آب دوست(از یونانی "phileo" - به عشق، داشتن تمایل مثبت به آب
). این مواد دارای یک مولکول قطبی از جمله اتم های الکترونگاتیو (اکسیژن، نیتروژن، فسفر و غیره) هستند. در نتیجه، اتم های منفرد چنین مولکول هایی نیز بارهای جزئی پیدا می کنند و با مولکول های آب پیوند هیدروژنی تشکیل می دهند. مثال ها: قندها، اسیدهای آمینه، اسیدهای آلی.
2. آبگریز(از یونانی "phobos" - ترس، داشتن تمایل منفی به آب
). مولکول های این گونه مواد غیرقطبی هستند و با یک حلال قطبی که آب است مخلوط نمی شوند، اما به راحتی در حلال های آلی مانند اتر و در چربی ها حل می شوند. یک مثال می تواند باشد هیدروکربن های خطی و حلقوی. شامل بنزن.
|
سوال 2. به دو مولکول سمت راست دقت کنید. به نظر شما کدام یک از این مولکول ها آبدوست و کدام آبگریز است؟ چرا شما فکر می کنید؟ آیا متوجه شدید این مواد چیست؟ در میان مواد آلی، ترکیباتی نیز وجود دارد که یک قسمت از مولکول آنها غیر قطبی است و خاصیت آبگریز دارد و قسمت دیگر قطبی و در نتیجه آبدوست است. |
alt=" مرورگر شما این را می‌فهمد | alt=" مرورگر شما این را می‌فهمد | ||
| چنین موادی نامیده می شوند آمفی پاتیک
. مولکول فسفاتیدیل سرین(یکی از فسفولیپیدهای غشای پلاسمایی سلول، سمت راست) نمونه ای از یک ترکیب آمفی پاتیک است. سوال 3.
نگاهی دقیق تر به این مولکول بیندازید. به نظر شما کدام یک از قسمت های آن آبدوست و کدام آبگریز است؟ مولکول را طوری بچینید که تا حد امکان واضح باشد، یک فایل گرافیکی ایجاد کنید و مناطق آبدوست و آبگریز مولکول را در آن مشخص کنید. 4. آب به عنوان یک حلال در موجودات زنده.
|
alt=" مرورگر شما این را می‌فهمد |
علاوه بر این، عملکرد انتقال مایعات داخلی به طور مستقیم با خاصیت آب به عنوان یک حلال در حیوانات چند سلولی (خون، لنف، همولنف، مایع سلومیک) و در گیاهان چند سلولی مرتبط است.
5. آب به عنوان یک معرف.
اهمیت آب با خواص شیمیایی آن نیز مرتبط است - به عنوان یک ماده معمولی که وارد واکنش های شیمیایی با سایر مواد می شود. مهمترین آنها شکافتن آب توسط نور است ( فتولیز) در فاز نور فتوسنتزمشارکت آب به عنوان یک معرف ضروری در واکنش های شکافتن پلیمرهای زیستی پیچیده (این گونه واکنش ها به طور تصادفی نامیده نمی شوند. واکنش های هیدرولیز
). و برعکس، در طی واکنش های تشکیل پلیمرهای زیستی، پلیمریزاسیون، آب آزاد می شود.
سوال 4.
یک شیمیدان کدام نادرستی جمله آخر را تصحیح می کند؟
مواد آبدوست
مواد (مواد) هیدروفیلیک
جامداتی که خاصیت خیس شدن توسط آب را دارند. توسط مایعات روغنی خیس نمی شود.
کتاب مرجع الکترونیکی مختصر اصطلاحات اصلی نفت و گاز با سیستم ارجاعات متقابل. - M.: دانشگاه دولتی نفت و گاز روسیه. I. M. Gubkina. M.A. موخوف، L.V. ایگروسکی، E.S. نوویک. 2004 .
ببینید "مواد هیدروفیل" در فرهنگ های دیگر چیست:
پایه های پماد هیدروفیل- سبک این مقاله دایره المعارفی نیست و یا ناقض هنجارهای زبان روسی است. مقاله باید بر اساس قوانین سبک ویکی پدیا تصحیح شود. مقاله اصلی: پایه های پماد پایه های پماد هیدروفیل پایه های پماد مورد استفاده برای ... ... ویکی پدیا
آب دوست- (از hydro و phyla) مواد «آب دوست» که مولکولهای آنها الکتروقطبی است و به راحتی با مولکولهای آب ترکیب می شود. برعکس مواد آبگریز ("دوست داشتن آب")... آغاز علوم طبیعی مدرن
عوامل آب بندی- مواد آبدوست با پلیمر بالا که برای فشرده سازی محیط های غذایی مایع استفاده می شود. در محیط هایی برای شیمیوارگانوتروف ها به عنوان U.v. از آگار (نگاه کنید به) و ژلاتین (نگاه کنید به) برای موجودات اتوتروف سیلیکاژل استفاده کنید (نگاه کنید به). کمتر… … فرهنگ لغت میکروبیولوژی
موادی که قادر به تجمع (تراکم) در سطح تماس دو جسم هستند که سطح جداسازی فاز یا سطح سطحی نامیده می شود. در سطح سطحی P. a. V. تشکیل لایه ای از جذب با غلظت بالا ... ... دایره المعارف بزرگ شوروی
سورفکتانت ها (سورفکتانت ها)- موادی که می توانند در سطح مشترک فاز جذب شوند و باعث کاهش کشش سطحی (بین سطحی) شوند. سورفکتانت های معمولی ترکیبات آلی هستند که مولکول های آنها حاوی لیوفیل و لیوفوبیک (معمولا آب دوست و ... فرهنگ لغت دایره المعارف متالورژی
سورفکتانت ها- (الف. سورفکتانت؛ n. grenzflachenaktive Stoffe، oberflachenaktive Stoffe؛ f. مواد فعال تنسیو؛ و. سورفاک تانتس)، مواد با مول نامتقارن. ساختاری که مولکول های آن ساختار آمفی دوست دارند، یعنی. حاوی لیوفیل و .... دایره المعارف زمین شناسی
سورفکتانت ها- سورفکتانت ها چیزهایی هستند که می توانند در سطح مشترک جذب شوند و باعث کاهش سطح شوند. (کشش سطحی. سورفکتانت های معمولی - آلی. ترکیباتی که مولکول های آنها حاوی لیوفیل و لیوفوبیک (معمولا آب دوست و آبگریز) در ... کتابچه راهنمای مترجم فنی
گونه‌های سورفکتانت موادی با ساختار مولکولی نامتقارن که مولکولهای آنها ساختار آمفیفیلیک دارند، یعنی حاوی گروه‌های اتمی لیوفیل و لیوفوبیک (معمولاً گروه‌های قطبی آبدوست و رادیکال‌های آبگریز). دیفیلیک…… خرد دایره المعارف نفت و گاز
غشاهای سلولی- این اصطلاح معانی دیگری دارد، به غشاء تصویری از غشای سلولی مراجعه کنید. توپ های کوچک آبی و سفید مربوط به "سر" آب دوست لیپیدها و خطوط متصل به آنها مربوط به "دم" آبگریز است. در شکل ... ... ویکی پدیا
تراوایی انتخابی- این اصطلاح معانی دیگری دارد، به غشاء تصویری از غشای سلولی مراجعه کنید. توپ های کوچک آبی و سفید مربوط به "سر" آب دوست لیپیدها و خطوط متصل به آنها مربوط به "دم" آبگریز است. شکل نشان می دهد ... ... ویکی پدیا
اصطلاح آب دوستی (برگرفته از کلمات یونانی باستان "آب" و "عشق") مشخصه شدت برهمکنش یک ماده با آب در سطح مولکولی است، یعنی توانایی ماده برای جذب رطوبت شدید، و همچنین ترشوندگی بالای آب توسط سطح ماده. این مفهوم را می توان هم به جامدات، به عنوان ویژگی سطح، و هم به یون ها، اتم ها، مولکول ها و گروه های آنها منفرد نسبت داد.
آب دوستی ارزش پیوند مولکول های آب جذب با مولکول های یک ماده را مشخص می کند؛ در این حالت ترکیباتی تشکیل می شود که در آن مقدار آب با توجه به مقادیر انرژی اتصال توزیع می شود.
آب دوستی ذاتی در موادی است که دارای شبکه‌های کریستالی یونی (هیدروکسیدها، اکسیدها، سولفات‌ها، سیلیکات‌ها، رس‌ها، فسفات‌ها، شیشه‌ها و غیره) هستند و دارای گروه‌های قطبی -OH، -NO 2، -COOH و غیره هستند. آب دوستی و آبگریزی- موارد خاص برهمکنش مواد با حلال ها (لیوفیلیسیتی، لیوفوبی).
آبگریزی را می توان به عنوان درجه کمی از آب دوستی در نظر گرفت، زیرا عمل نیروهای جاذبه بین مولکولی همیشه بین مولکول های هر جسم و آب کم و بیش وجود خواهد داشت. آب دوستی و آبگریزی را می توان با نحوه پخش یک قطره آب روی جسمی با سطح صاف تشخیص داد. قطره به طور کامل روی سطح آب دوست و تا حدی روی سطح آبگریز پخش می شود، در حالی که مقدار زاویه تشکیل شده بین سطح ماده خیس شده و قطره تحت تأثیر درجه آب گریزی جسم داده شده است. مواد آبدوست موادی هستند که در آنها قدرت برهمکنش های مولکولی (یونی، اتمی) بسیار زیاد است. آبگریز فلزاتی هستند که فاقد لایه‌های اکسیدی هستند، ترکیبات آلی که دارای گروه‌های هیدروکربنی در مولکول هستند (موم، چربی، پارافین، برخی پلاستیک‌ها)، گرافیت، گوگرد و سایر موادی که برهمکنش ضعیفی در سطح بین مولکولی دارند.
مفاهیم آب دوستی و آبگریزی هم برای اجسام و سطوح آنها و هم برای مولکول های منفرد یا بخش های جداگانه مولکول ها به کار می رود. به عنوان مثال، مولکول های مواد فعال سطحی حاوی ترکیبات قطبی (آب دوست) و هیدروکربنی (آب گریز) هستند. آب دوستی قسمت سطحی بدن به دلیل جذب چنین موادی می تواند به طور چشمگیری تغییر کند.
هیدروفیلیزاسیون فرآیند افزایش آب دوستی است و آبگریزی فرآیند کاهش آن است. این پدیده ها در صنعت آرایشی و بهداشتی، در فناوری نساجی برای هیدروفیلیزاسیون پارچه ها (الیاف) برای بهبود کیفیت شستشو، سفید کردن، رنگرزی و غیره از اهمیت بالایی برخوردار هستند.
آب دوستی در لوازم آرایشی
صنعت عطر و لوازم آرایشی کرم ها و ژل های هیدروفیل تولید می کند که از پوست در برابر ناخالصی های نامحلول در آب محافظت می کند. این محصولات حاوی اجزای آبدوست هستند که لایه ای تشکیل می دهند که از نفوذ آلاینده های نامحلول در آب به لایه سطحی پوست جلوگیری می کند.
کرم های هیدروفیل از امولسیونی ساخته می شوند که با امولسیفایرهای مناسب یا با پایه آب-روغن-آب، روغن-آب تثبیت می شود. علاوه بر این، اینها شامل سیستم‌های کلوئیدی پراکنده می‌شوند که در آن اجزای فعال سطحی آبدوست تثبیت می‌شوند و از حلال‌های مخلوط آب-گلیکول یا اسیدهای چرب بالاتر یا الکل‌ها تشکیل شده‌اند.
هیدروژل ها (ژل های آب دوست) از پایه های متشکل از آب، یک حلال مخلوط غیر آبی یا آبدوست (اتیل الکل، پروپیلن گلیکول، گلیسیرین) و یک عامل ژل کننده آبدوست (مشتقات سلولز، کربومرها) تهیه می شوند.
خواص آب دوستی کرم ها و ژل ها:
به سرعت و به خوبی جذب می شود؛
پوست را تغذیه کنید
پس از استفاده از آنها احساس چربی باقی نمی گذارد.
· پاکسازی پوست؛
اثر سفت کننده بر روی پوست؛
کاهش اثر عوامل محیطی منفی؛
به پوست کمک می کند تا توانایی طبیعی خود را برای بازسازی حفظ کند.
کرم‌ها و ژل‌های هیدروفیل برای محافظت از پوست هنگام کار با روغن‌های غیر قابل اختلاط با آب، روغن کوره، نفت، رنگ‌ها، رزین‌ها، گرافیت، دوده، حلال‌های آلی، روان‌کننده‌های خنک‌کننده، فوم ساختمانی و بسیاری دیگر از مواد تهاجمی خفیف طراحی شده‌اند. آنها همچنین هنگام تعمیر ماشین، تعمیر آپارتمان، در حین ساخت و ساز، در یک خانه روستایی هنگام کار با کود و خاک ضروری هستند.
شرکت "KorolevPharm" تولید کننده انواع محصولات عطری و آرایشی از جمله کرم های آبدوست و آبگریز است. این شرکت سازنده قراردادی است و تمام مراحل تولید را انجام می دهد: توسعه فرمولاسیون، صدور گواهینامه، راه اندازی تولید، تولید سریال. محل تولید مجهز به تجهیزات مدرن می باشد.
شرکت برای انطباق با الزامات گواهی شده است
برگ نیلوفر آبی که آب روی آن به شکل توپ می‌چرخد، سطوح ضد آب و محافظ‌های کفش، لیوان‌های کره شناور در آبگوشت همگی نمونه‌هایی از خاصیت مولکول‌هایی هستند که به آن می‌گویند. آب گریزی. بعلاوه، اثر آبگریزنقش بیولوژیکی مهمی ایفا می کند: تا شدن و عملکرد صحیح مولکول های پروتئین، تشکیل غشاهای زیستی، شناسایی یکدیگر توسط مولکول ها نیز با استفاده از خواص آبگریز "برنامه ریزی" می شوند. جالب توجه است که اثر آبگریز به فعل و انفعالات فیزیکی "معمولی" محدود نمی شود: پشت آن قانون دوم ترمودینامیک و کمیتی به نام آنتروپی.
هاری
آب هراسی یا آب هراسی(از یونانی دیگر. νδωρ - "آب" و φοβος - ترس) ترس از بروز گرفتگی دردناک در هنگام بلعیدن در هنگام نوشیدن یک جرعه آب، با مشاهده آب یا ذکر آن است. با کزاز، هیستری، هاری مشاهده می شود (و خود هاری قبلاً به این کلمه گفته می شد).
پس اینجاست آب گریزیکه مورد بحث قرار خواهد گرفت، در مورد خواص مولکول ها است و نه علائم در افراد.
تعبیر "مثل آب از پشت اردک" که از دوران کودکی برای همه آشنا بود، این را نشان می دهد آب گریزی- چنین پدیده ای بی سابقه نیست، همانطور که ممکن است با نام آن فکر کنید. در واقع، اثر "دفع" آب اغلب در اطراف ما دیده می شود: فقط به یک پر غاز یا یک برگ نیلوفر آبی نگاه کنید (شکل 1). آ) که از امتداد آن قطره ای آب مانند گلوله ای از جیوه بر روی سطح شیشه خارج می شود و هیچ اثری از خود باقی نمی گذارد. ایده‌های کلاسیک در مورد سطوح آبگریز می‌گویند که شاخص در اینجا زاویه خیس شدن θ است که برای سطوح خیس شده کمتر از زاویه راست (90 درجه) و برای سطوح غیر مرطوب بیشتر از آن است (شکل 1). ب) . به طور خاص، برای یک قطره آب روی سطح پارافین θ = 109 درجه، و روی سطح آبگریزترین ماده شناخته شده - فلوروپلاست - 112 درجه خواهد بود. در همان زمان، یک سطح "کاملاً" آبگریز با زاویه 180 درجه توصیف می شود، زمانی که آب بدون توقف برای یک ثانیه از سطح می غلتد.
بنابراین آیا غاز واقعا آبگریزتر از PTFE است؟ در واقع اینطور است، اما این از طریق یک ترفند کوچک به دست می آید: سطح پر غاز (و همچنین برگ نیلوفر آبی) صاف نیست، بلکه پوشیده از اهرام یا کرک های میکروسکوپی است که باعث کاهش سطح تماس با ریزش و کاهش می شود. چسبندگی موثر (شکل 1 V) . بر اساس همین اصل فوق آبگریزسطوحی که آب را تقریباً کاملاً دفع می کنند (فیلم 1).
شکل 1. برگ نیلوفر آبی: نمونه ای از سطح آبگریز. آ - آب گریزی در واقع یعنی ترشوندگیهنگامی که آب به طور کامل از سطح غلت می زند و هیچ اثر خیس باقی نمی گذارد. ب - تعیین سطح آبگریز بر اساس زاویه تماس θ: در θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90 درجه - غیر مرطوب (آب گریز). اثر آبگریزی مطلق (یا فوق آب گریزی) به دلیل زبری میکروسکوپی حاصل می شود که باعث کاهش سطح تماس قطره با سطح می شود. V - نحوه چیدمان سطح نیلوفر آبی: خارهای میکروسکوپی اجازه نمی دهند قطرات آب سطح را خیس کند و از روی برگ می غلتد. یک قطره آب نیز نمی تواند بین خارها نشت کند، زیرا در این مقیاس کشش سطحی دیگر اجازه نمی دهد قطره به قطره های کوچکتر تقسیم شود.
ویدئو 1. سطح فوق آبگریز.زبری سطح در مقیاس میکرو ( سانتی متر.برنج. 1 ب) ناحیه موثر تماس با قطره آب را کاهش می دهد که در این مقیاس به دلیل کشش سطحی مانند یک جسم الاستیک رفتار می کند.
فهمیدن چرابرخی از مواد از خیس شدن با آب خوشحال می شوند و همانطور که ضرب المثل می گوید از غاز به پایین می غلتد ، باید به سطح مولکول های فردی پایین بروید و نحوه تعامل مولکول ها با یکدیگر را در نظر بگیرید.
مولکول های آبگریز
از نظر ساختار شیمیایی آبگریز(یا، که همان است، غیر قطبی) مولکول هایی هستند که دارای گروه های شیمیایی قادر به تشکیل پیوند هیدروژنی با آب نیستند. به عنوان مثال، اینها بنزن و سایر هیدروکربن های مایع (اجزای بنزین) هستند. با این حال، جالب ترین خواص هستند آمفیفیلیکمولکول های حاوی هر دو بخش قطبی و غیر قطبی: این منجر به این واقعیت می شود که آنها ساختارهای کاملاً پیچیده ای را در مخلوط با آب تشکیل می دهند: میسل ها، وزیکول ها، لایه ها و اشکال پیچیده تر. شکل گیری همه این اشکال پیچیده کنترل می شود اثر آبگریز.
جالب اینجاست که مسئله ماهیت مولکولی آبگریزی به بنجامین فرانکلین بازمی‌گردد، که در اوقات فراغت خود از امور دولتی، پخش روغن زیتون را بر روی سطح یک حوضچه بررسی می‌کرد. مساحت لکه یک قاشق روغن همیشه یکسان بود - نیم جریب - و ضخامت آن در واقع برابر با یک مولکول بود. این در سال 1774 بود، و اگرچه در آن زمان ایده‌های مربوط به ماهیت مولکولی مواد هنوز بسیار مبهم بود، کنجکاوی عمومی دولتمردان، همانطور که می‌بینیم، برخلاف امروز بود. به هر حال، آزمایش با روغن آغاز مطالعات فیلم های لیپیدی تک مولکولی بود، که بدون شک از آن مشخص شد: برخی از مولکول ها آنقدر آب را "دوست ندارند" که نه تنها با آن مخلوط نمی شوند، بلکه آماده هستند. به هر طریق ممکن از آب حذف شود - به عنوان مثال، انباشته شدن به شکل یک لایه به ضخامت یک مولکول (تک لایه) در مرز آب با هوا. (برای اطلاعات بیشتر در مورد مطالعات فیلم های لیپیدی، مقاله " مولکول های پری دریایی » .)
یکی دیگر از انواع مهم مولکولهای آمفی‌فیل صابون‌ها هستند که در زندگی روزمره و اقتصاد ملی کاربرد فراوانی دارند. اصل عمل آنها را می توان حتی از آگهی های بازرگانی استخراج کرد: بخش غیر قطبی مولکول های شوینده با مولکول های آلاینده (معمولاً آبگریز) "به هم می چسبد" و بخش قطبی به طور فعال با مولکول های آب در تعامل است. در نتیجه وجود دارد حل شدن: کثیفی از سطح جدا می شود و در داخل مولکول های صابون جمع آوری می شود و قطعات قطبی را "بیرون" آشکار می کند و قسمت های آبگریز را "در داخل" پنهان می کند.
با این حال، کیفیت مهم‌تر مولکولهای آمفیفیلیک (یعنی لیپیدها) به ما امکان می‌دهد از کیفیت‌های تجاری بهترین شوینده‌ها لذت ببریم: آنها به عنوان پوسته‌ای برای تمام اشکال زندگی شناخته‌شده عمل می‌کنند، و یک غشای سلولی را تشکیل می‌دهند که تحت آن همه فرآیندهای زندگی انجام می‌شود. سانتی متر. « پایه لیپیدی زندگی » ). این واقعیت مهم به ما می گوید که ماهیت مولکولی اثر آبگریز به هیچ وجه یک چیز بیهوده نیست، اما برای همه زیست شناسی، به جز صنایع کاربردی، اهمیت اساسی دارد.
اما با بررسی دقیق تر، معلوم می شود که هیچ فعل و انفعال فیزیکی اساسی، مانند گرانش یا نیروهای الکترواستاتیک، مسئول "جذب" ذرات آبگریز به یکدیگر و "دفع" آنها از آب نیست. ماهیت آن در اصل فیزیکی نهفته است که محدودیتی را در جهت اکثر فرآیندهای خود به خود اعمال می کند، یعنی در قانون دوم ترمودینامیک.
کمی ترمودینامیک
ترمودینامیک یکی از اولین علومی است که بین دنیای میکروسکوپی اتم‌ها و مولکول‌ها و دنیای ماکروسکوپیک پل‌هایی ایجاد کرد. تولد آن با مطالعه عملکرد موتورهای بخار و نام نیکولا کارنو (1796-1832) مرتبط است، که سیکل های ترمودینامیکی که میزان کاری را که یک ماشین می تواند تولید کند را تعیین می کند، نامگذاری می شود. کار او توسط ژول، کلوین و کلازیوس ادامه یافت، که پایه نظری قدرتمندی را تحت این حوزه کاملاً عملی به ارمغان آوردند.
با تلاش این دانشمندان قوانین اساسی یا شروع کنید، ترمودینامیک، خلاصه ای از تجربه تجربی قرن ها مشاهده فرآیندهای حرارتی. قانون اول از بقای انرژی در سیستم ایزوله صحبت می کند ("قانون بقای انرژی") و قانون دوم از جهت جریان فرآیندهای خود به خود صحبت می کند. (هنوز اصول صفر و سوم وجود دارد، اما ما در اینجا در مورد آنها صحبت نمی کنیم.) این مفهوم با قانون دوم پیوند ناگسستنی دارد. آنتروپی(S) که به عنوان مرموزترین کمیت ترمودینامیکی شهرت یافته است. در ابتدا به طور رسمی توسط کلازیوس به عنوان نسبت گرمای ارائه شده به سیستم به دما (ΔS = ΔQ/T) تعریف شد، سپس آنتروپی بعداً معنای یک "اندازه گیری هرج و مرج" جهانی را به دست آورد. از آن زمان، آنتروپی اساس فرمول مدرن قانون دوم شده است:
فرآیندهای خود به خودی در یک سیستم ایزوله با افزایش آنتروپی همراه است.
لودویگ بولتزمن (1844-1906) تمام این «آشپزخانه» حرارتی را با سطح اتم‌هایی که ماده را تشکیل می‌دهند و حتی قبل از اینکه ساختار اتمی ماده به طور کلی شناخته شود، مرتبط کرد. او دستاورد اصلی زندگی خود را کشف (در سال 1877) فرمول آماری برای محاسبه آنتروپی دانست: S = k × logW، که در آن S است. آنتروپی، k ثابتی است که بعدها توسط پلانک به نام خود بولتزمن نامگذاری شد و W وزن آماری حالت (عدد) است. ریز حالت ها، که این را اجرا می کند کلان دولت). علیرغم بینایی ضعیف، او بسیار عمیق تر از بقیه مسائل را «در» می دید: او اولین کسی بود که قدرت یک رویکرد آماری را برای توصیف احساس کرد. مجموعه های ترمودینامیکیو آن را در فیزیک مولکولی اعمال کرد. نسخه ای وجود دارد مبنی بر اینکه بولتزمن به دلیل سوء تفاهم از معاصران خود که به شدت از آنها پیشی گرفته بود خودکشی کرد. فرمول ذکر شده در بالا بر روی سنگ قبر او در قبرستان وین حک شده است.
با وجود رمز و راز مفهوم آنتروپی، معنای قانون دوم کاملاً ساده است: اگر سیستم منزوی باشد (یعنی ماده یا انرژی را با جهان خارج مبادله نکند)، آنگاه به حالت تمایل پیدا می کند. تعادل ترمودینامیکی، - چنین ماکرو حالتی که با حداکثر تعداد ریز حالتهای ممکن (به عبارت دیگر که دارای حداکثر آنتروپی است) تحقق می یابد. به عنوان مثال، یک فنجان شکسته هرگز خودش را به هم نمی‌چسباند: حالت اولیه (یک فنجان کامل) تنها به یک روش تحقق می‌یابد (S=0)، اما حالت نهایی (یک فنجان شکسته) در تعداد زیادی از نجومی تحقق می‌یابد. راه ها (S>>0). بنابراین، افسوس که در یک چشم انداز جهانی، همه جام ها محکوم به فنا هستند. یک کتاب غیرداستانی عالی توسط پیتر اتکینز، نظم و بی نظمی در طبیعت، به توضیح قانون دوم «برای زنان خانه دار» اختصاص دارد.
اثر آبگریز از نظر فیزیک آماری
بنابراین، با دانستن قانون دوم، متوجه می‌شویم که چرا یک فنجان چای روی میز لزوماً تا دمای اتاق خنک می‌شود، اما دیگر هرگز به خودی خود گرم نمی‌شود و گرما را از هوای آشپزخانه می‌گیرد. (اگر نه، پس حتماً باید کتاب اتکینز را بخوانید.) اما آیا همین استدلال ها برای توضیح مثلاً اختلاط ناپذیری آب و روغن قابل اعمال هستند؟ از این گذشته، قانون دوم به دنبال "برابر کردن همه چیز" است و آب و روغن، برعکس، از حل شدن در یکدیگر خودداری می کنند (شکل 2). آ).
شکل 2. تصویری از اثر آبگریز. آ - اثر آبگریز (و در واقع قانون دوم ترمودینامیک) باعث می شود که آب، مولکول های غیر قطبی (مانند روغن) را "دفع" کند و سطح تماس با آنها را کاهش دهد. به همین دلیل، بسیاری از قطرات کوچک روغن در آب در نهایت با هم ترکیب می شوند و یک لایه را تشکیل می دهند. ب - تشکیل یک لایه منظم ("یخ مانند") از مولکول های آب در نزدیکی یک سطح آبگریز ضروری است تا مولکول های آب بتوانند با یکدیگر پیوند هیدروژنی ایجاد کنند. اما این منجر به افت آنتروپی می شود که در رابطه با قانون دوم مضر است. V - یک فرصت طبیعی برای افزایش آنتروپی، کاهش سطح تماس مولکولهای آبگریز با آب است که زمانی اتفاق می‌افتد که چندین مولکول غیرقطبی با یکدیگر جمع شوند. در مورد مولکول های آمفیفیلیک، خود سازماندهی ظاهر می شود و ساختارهای فوق مولکولی نسبتاً پیچیده مانند میسل ها، دو لایه ها و وزیکول ها تشکیل می شود. سانتی متر.برنج. 3).
در واقع، اگر فقط روغن را در نظر بگیریم، به نظر می رسد که ترمودینامیک کار نمی کند: انحلال لایه روغن در ضخامت مایع به وضوح آنتروپی را در مقایسه با تک لایه افزایش می دهد. اما همه می دانند که در واقع برعکس است: حتی اگر آب و روغن را تکان دهید، امولسیون پس از مدتی شکسته می شود و روغن دوباره یک فیلم تشکیل می دهد و فاز آبی را ترک می کند.
واقعیت این است که آب در این مثال مشارکتی برابر در سیستم مورد بررسی دارد و در هیچ موردی نباید از آن غافل شد. همانطور که می دانید خواص آب (حتی حالت مایع آن در شرایط عادی) به دلیل توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی است. هر مولکول آب می تواند تا چهار پیوند با "همسایگان" ایجاد کند، اما برای این کار، آب باید "در آب" باشد. در حضور یک سطح غیر قطبی در آب، مولکول های مجاور آن دیگر احساس "آزادی" نمی کنند: برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی مورد نظر، این مولکول ها باید خود را به روشی کاملاً تعریف شده جهت دهی کنند و یک "یخبندان" را تشکیل دهند. پوسته (شکل 2 ب) در اطراف یک جسم آبگریز. این نظم اجباری با افت قابل توجهی در آنتروپی سیستم نفت-آب مشخص می شود که مولکول های آبگریز را مجبور به تجمع با یکدیگر می کند و سطح تماس با محیط قطبی را کاهش می دهد و در نتیجه کاهش نامطلوب ضریب آنتروپی را کاهش می دهد. در واقع، این آب است که باعث می شود روغن در یک قطره یا نقطه بزرگ ادغام شود و اصل دیالکتیکی "دوست داشتن دوست داشتن" را محقق کند.
این برهمکنش فازهای قطبی و غیرقطبی نامیده می شود اثر آبگریز. این پدیده باعث می‌شود که مولکولهای شوینده، میسل‌ها را در محلول، لیپیدها را تک لایه و دولایه تشکیل دهند. دومی می تواند با تشکیل وزیکول (لیپوزوم) یا غشاهای بیولوژیکی اطراف سلول روی خود بسته شود (شکل 3). برای مثال، اشکال پیچیده تری از پلی مورفیسم لیپیدی نیز یافت شده است فاز لیپیدی مکعبی، به طور گسترده در مطالعات ساختاری پروتئین های غشایی استفاده می شود.
شکل 3. پلی مورفیسم لیپیدی.بسته به شکل و سایر خواص مولکول که ساختار نامتقارن سر و دم را مشخص می کند، لیپیدها ساختارهای فوق مولکولی مختلفی را تشکیل می دهند. بالا پایین: 1 - با شکل مخروطی معکوس مولکول، ساختارهایی با انحنای مثبت تشکیل می شود (میسل ها و فاز شش ضلعی H I). 2 - شکل استوانه ای ساختارهای مسطح (لایه ای) مانند دو لایه می دهد. 3 - با شکل مخروطی، هر دو فاز شش ضلعی معکوس (H II) و میسلی تشکیل می شود.
اثر آبگریز "عمیق تر".
در مورد مولکول های بیولوژیکی، اثر آبگریز نقش ویژه ای ایفا می کند، زیرا غشاهای زیستی را تشکیل می دهد، بدون آن زندگی غیرممکن است، و همچنین سهم تعیین کننده ای (تا 90٪ از کل کار) در تا شدن مولکول های پروتئین، سمت، دارد. زنجیرهای از بقایای اسید آمینه که می توانند ماهیت متفاوتی داشته باشند: آبگریز یا آبدوست. وجود چنین موجودات مختلف در یک مولکول خطی، همه تنوع اشکال و عملکردهایی را که در پروتئین ها مشاهده می شود، می دهد.
با این حال، در مقیاس زیر مولکولی، اثر آبگریز خود را متفاوت از یک سطح غیرقطبی گسترده یا یک قاشق کامل روغن نشان می‌دهد: ظاهراً، خوشه‌ای از ذرات آبگریز تنها در صورتی پایدار خواهند بود که اندازه آن از مقدار آستانه (≈1) فراتر رود. نانومتر)؛ در غیر این صورت با حرکت حرارتی مولکول ها از بین می رود. مدلسازی دینامیک مولکولی (MD) تفاوت در ساختار آب "خالص" و آب نزدیک به کوچک را نشان می دهد.<1 нм) и большой (>> 1 نانومتر) ذرات آبگریز. اگر در دو مورد اول هر یکاگر یک مولکول آب بتواند تا چهار پیوند هیدروژنی تشکیل دهد، در مورد یک ذره آبگریز بزرگ، این امکان پذیر نیست و مولکول های آب باید در یک پوسته "یخی" در اطراف این ذره قرار گیرند (شکل 2). بو 4).
شکل 4. پیکربندی مختلف مولکول های آب در نزدیکی ( آ) و بزرگ ( ب) ذرات آبگریز(در هر دو مورد به تصویر کشیده شده است کره های قرمز). طبق داده‌های MD، ذرات با اندازه کمتر از 1 نانومتر می‌توانند به راحتی توسط آب احاطه شوند، بدون اینکه «آزادی» و توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی را محدود کنند. در مورد ذرات بزرگتر، برای تشکیل پیوند هیدروژنی، مولکول آب مرزی باید به روشی خاص نسبت به سطح آبگریز جهت گیری کند، که منجر به نظم دهی کل لایه آب (یا چندین) و کاهش در آنتروپی حلال در این حالت میانگین تعداد پیوندهای هیدروژنی در هر مولکول آب به سه کاهش می یابد. جالب است که ماهیت وابستگی انرژی حلالیت یک ذره به اندازه آن نیز در اینجا تغییر می کند: تا 1 نانومتر، انرژی به حجم ذره و بالاتر از این آستانه به مساحت سطح آن بستگی دارد.
همان "اندازه آستانه" نیز در آزمایشی برای تعیین سهم اثر آبگریز در تا شدن زنجیره پلیمری بسته به اندازه گروه جانبی مونومر و دما تأیید شد. ثبت انرژی آزاد حلالیت با استفاده از یک میکروسکوپ نیروی اتمی انجام شد، که مولکول پلیمر را یک بار در یک زمان "پیچش" می کرد. جالب توجه است که مقدار مرزی 1 نانومتر تقریباً با اندازه زنجیره‌های جانبی بزرگ باقی مانده‌های اسید آمینه که تاخوردگی مولکول پروتئین را تعیین می‌کنند، منطبق است.
از آنجایی که اثر آبگریز طبیعت آنتروپیک است، نقش آن در فرآیندهای مختلف (یعنی سهم آن در انرژی آزاد) به دما بستگی دارد. جالب است که این سهم دقیقاً در شرایط عادی حداکثر است - در همان دما و فشاری که زندگی عمدتاً وجود دارد. (در شرایط یکسان، حلال اصلی بیولوژیکی - آب - نیز نزدیک به تعادل بین مایع و بخار است.) این نشان می دهد که زندگی عمداً شرایط وجود را که نزدیک به انتقال فاز و نقاط تعادل هستند، "انتخاب" می کند: ظاهراً این امکان کنترل قابل اعتماد و کنترل دقیق چیزهای به ظاهر "بی اثر" مانند ساختار غشاها و مولکول های پروتئین را فراهم می کند.
مطالعات اخیر حتی به شدت بر نقش آب هم در اثر آبگریز و هم در شناسایی بین مولکولی تأکید کرده اند (به عنوان مثال، زمانی که یک آنزیم به بستر خود متصل می شود یا یک گیرنده لیگاند را تشخیص می دهد). در مرکز فعال یک پروتئین، به عنوان یک قاعده، مولکول های آب "محدود" (و بنابراین مرتب شده) وجود دارد. هنگامی که لیگاند به محل اتصال روی سطح پروتئین نفوذ می کند، آب "آزاد می شود" که سهم مثبتی در آنتروپی دارد (شکل 5). با این حال، جزء آنتالپی تغییر در انرژی آزاد می تواند منفی یا مثبت باشد. با استفاده از تیتراسیون کالریمتری و مدلسازی مولکولی، الگوی ترمودینامیکی اتصال توسط آنزیم کربنیک انیدراز بسیاری از لیگاندهای مشابه در ساختار، اما در اندازه گروه‌های آبگریز، ایجاد شد. تجزیه و تحلیل نشان داد که سهم آنتالپی و آنتروپی در انرژی آزاد گیبس در هر مورد می تواند فردی باشد و نمی توان از قبل گفت که کدام فرآیند نقش تعیین کننده ای خواهد داشت. کاملاً واضح است که ساختار و دینامیک لایه‌های مولکولهای آب نزدیک به محل فعال همان نقش مهمی را در تشخیص بین مولکولی ایفا می‌کند که مطابقت لیگاند با گیرنده، که سطح جدیدی از پیچیدگی را در "کلاسیک" معرفی می‌کند. مدل‌های برهمکنش دو مولکول از نوع قفل کلید یا دستکش.
تا شدن همو پلیمرها و هتروپلیمرها را می توان به چند مرحله تقسیم کرد (شکل 6):
- اگر با یک زنجیره کشیده شروع کنید، مرحله اول خواهد بود تاشو آنتروپی، که نتیجه مستقیم قانون دوم ترمودینامیک است: یک زنجیره پلی پپتیدی کاملاً صاف دارای آنتروپی صفر است که فوراً توسط نیروهای آماری که نخ را به رزوه تبدیل می کنند، تصحیح می شود. "درهم تنیدگی آماری".
- در ترکیب سیم پیچ تصادفی، بقایای جانبی آبگریز در فضا گرد هم آمده و تحت تأثیر اثر آبگریز جمع می شوند. این با رعایت اصول بسته بندی سه بعدی گلبول های پروتئین تأیید می شود: در داخل یک "هسته" از بقایای آبگریز وجود دارد و روی سطح مولکول باقی مانده های اسید آمینه قطبی و باردار وجود دارد. فرم به دست آمده در این مرحله نامیده می شود گلبول مذاب.
- در مورد پلیمرهای زیستی، موضوع به همین جا ختم نمی شود: فعل و انفعالات خاص بین باقیمانده های نزدیک در فضا، بسته بندی را حتی متراکم تر می کند (درست است گلبول). در این مورد، انرژی آزاد افت قابل توجهی را تجربه می کند، و این اغلب معیاری برای ساختار "خوب بسته بندی" در نظر گرفته می شود.
شکل 6. نقش فروپاشی آبگریز در چین خوردگی سه زنجیره پلیمری با آبگریزی متفاوت مونومرهای تشکیل دهنده: یک پلیمر آبگریز، یک کوپلیمر آبگریز-آب دوست و یک پروتئین کروی (از بالا به پایین) - انرژی آزاد بسته به شعاع چرخش، که فشردگی بسته بندی زنجیره را نشان می دهد. 1) هر زنجیره خطی از حالت کاملاً کشیده به سرعت در می‌آید پیچیدگی آماری. 2) مجاورت فضایی زنجیره های جانبی غیر قطبی منجر به فروپاشی و تشکیل سیم پیچ آبگریز می شود. گلبول مذاب. 3) در مورد پروتئین‌ها، تماس‌های خاص از نظر تکاملی بین زنجیره‌های جانبی باقی‌مانده‌های اسید آمینه با فاصله نزدیک (مانند پیوندهای هیدروژنی یا برهمکنش‌های الکترواستاتیک) انرژی آزاد را کاهش داده و پروتئین را تا حد متراکم بسته‌بندی می‌کنند. گلبول ها. پلیمرهای آبگریز چنین فعل و انفعالی ندارند و بنابراین تا شدن آنها در مرحله سیم پیچ تصادفی متوقف می شود.
قبلاً اعتقاد بر این بود که مرحله سوم یکی از ویژگی های ضروری یک پروتئین عملکردی است، اما اخیراً توجه بیشتری به به اصطلاح مورد توجه قرار گرفته است. پروتئین های بی نظم (پروتئین های دارای اختلال ذاتی) که شکل فضایی مشخصی ندارند و در واقع هیچ مرحله ای از شکل گیری تماس های خاص وجود ندارد. (به هر حال، نسبت باقیمانده های آبگریز در آنها در مقایسه با پروتئین های کروی به طور قابل توجهی کمتر است.) شاید این به آنها اجازه می دهد تا در یک سلول زنده نه با یک پروتئین یا لیگاند، بلکه با ده ها یا حتی صدها مولکول شریک ساختاری متفاوت تعامل داشته باشند. شرکت در تنظیم بسیار دقیق فرآیندهای سلولی، .
اثر آبگریز همچنین نقش تعیین کننده ای در تا شدن پروتئین های غشایی (MPs) دارد که بسیاری از عملکردهای حیاتی را از انتقال مولکول ها و یون ها از طریق غشاء تا دریافت و شناسایی توسط سلول های یکدیگر انجام می دهند. با توجه به این واقعیت که بیشتر آنها در دولایه آبگریز غشاء غوطه ور هستند، ساختار دامنه گذر غشایی (TM) به طور قابل توجهی با بسته بندی پروتئین های کروی محلول متفاوت است: بخش های TM آنها به طور قابل توجهی آبگریزتر هستند و زنجیره های جانبی آبگریز. نه تنها در داخل پروتئین (مانند پروتئین های کروی)، بلکه در سطح، جایی که پروتئین با زنجیره های هیدروکربنی مولکول های لیپیدی تماس می گیرد، قرار دارند.
مهم است که آبگریزی وارد عمل شود قبل از آنپروتئین در محل کار خود (یعنی در غشاء) چگونه خواهد بود. MB ها در فرآیند سنتز ریبوزومی مانند پروتئین های کروی وارد سیتوپلاسم نمی شوند، بلکه وارد سیتوپلاسم می شوند. translocon- یک ماشین مولکولی نسبتاً پیچیده که به شکل یک کانال ساخته شده و مسئول ترشح پروتئین ها و رساندن MB به غشاها است. معلوم شد که ترانسلوکون می تواند آبگریزی قطعه پروتئینی را که از آن عبور می کند احساس کند و با رسیدن به آستانه خاصی از آب گریزی، این قطعه را نه "به جلو" (از طریق کانال به فضای خارج سلولی) "تف" می کند. "کنار" (از طریق دیواره کانال) - به طور مستقیم به غشاء. بنابراین، قطعه به قطعه، پروتئین های غشایی به غشاء وارد می شوند و بنابراین نانتهای MB همیشه در ناحیه خارج سلولی است و کجا خواهد بود سی-end - به تعداد بخش های TM بستگی دارد.
در یک آزمایش زیبا بر روی translocon Sec61 شبکه آندوپلاسمی، "مقیاس بیولوژیکی آبگریزی" ایجاد شد که به هر باقی مانده اسید آمینه مقدار خاصی از آبگریزی اختصاص می دهد. جالب توجه است، به طور کلی، این مقیاس با مقیاس های فیزیکوشیمیایی که قبلا ایجاد شده بود، مطابقت دارد، که اجازه می دهد تا ترانسلوکان نقش یک حسگر برهم کنش آبگریز را به خود اختصاص دهد.
بنابراین، سلول می تواند آبگریزی را با کمک یک ترانسلوکن "اندازه گیری" کند و در آزمایشگاه این خاصیت را می توان تقریباً با ماهیت برهمکنش با آب تخمین زد. اما آیا می توان آبگریزی را به صورت نظری محاسبه کرد و این محاسبه را در مسائل عملی مهم گنجاند؟
چگونه آبگریزی را از نظر تئوری محاسبه کنیم؟
قبلاً گفته شد که اثر آبگریز در واقع یکی از چهره‌های قانون دوم ترمودینامیک است، بنابراین محاسبه دقیق آن احتمالاً آسان‌تر از مدلسازی کل سیستم به عنوان یک کل و در سطح فیزیکی صحیح نیست. به عبارت دیگر، "برهم کنش های آبگریز" به هیچ وجه محدود به تماس های دوتایی، مانند جذب یا دفع دو بار، یا برهم کنش بین دهنده و گیرنده پیوند هیدروژنی نیست. تنها راه از لحاظ نظری صحیح، تجزیه و تحلیل تعداد زیادی از ریز حالت ها در مجموعه های ترمودینامیکی است که در عمل انجام آن بسیار دشوار است.
با این حال، حداقل یک ارزیابی تقریبی از خواص آبگریز و آب دوست مولکول‌ها هنوز در مدلسازی مولکولی و کاربردهای آن (به عنوان مثال، بیوتکنولوژی یا صنعتی) مورد تقاضا است. معمولاً آنها توسط یک مشخصه هدایت می شوند که آبگریزی مولکول را به عنوان یک کل توصیف می کند - ضریب توزیع ( پ، از جانب پارتیشن بندی) این ماده بین آب (فاز قطبی) و فاز غیر قطبی (مثلاً بنزن یا n-اکتانول). واقعیت این است که این پارامتر، بر خلاف سایر مشخصات ترمودینامیکی، با تعیین غلظت ماده مورد مطالعه در آب و یک محیط غیر قطبی (که همانطور که به یاد می‌آوریم، تقریباً با هم مخلوط نمی‌شوند) و با تقسیم، به‌صورت تجربی اندازه‌گیری می‌شود. یکی توسط دیگری لگاریتم این ضریب به عنوان ضریب آب گریزی - log در نظر گرفته می شود پ.
چندین روش تجربی با هدف پیش‌بینی این ضریب انجام شده‌اند که بر اساس یک «مجموعه آموزشی» از مواد با ثبت دقیق اندازه‌گیری شده پسهم تک تک قطعات یک مولکول یا حتی اتم های منفرد آن را تعیین کنید (با در نظر گرفتن محیط شیمیایی)، به منظور محاسبه آبگریزی برای مولکول های ناشناخته بر اساس ثابت های آبگریزی قطعه ای یا اتمی محاسبه شده. در واقع، این تلاشی برای اختصاص یک "بار آبگریز" به هر اتم در مولکول است، اگرچه باید در نظر داشت که این فاقد معنای فیزیکی است. مجموع این ثابت ها برای همه اتم های موجود در مولکول، مقدار log مورد نظر را به دست می دهد پو استفاده از روشی مشابه محاسبه پتانسیل الکترواستاتیک در نقاطی از فضا (φ ~ q / r)، باعث ایجاد روش پتانسیل آبگریز مولکولی (MHP؛ شکل 7) شد که خود را در مدلسازی مولکولی ثابت کرده است. برنامه PLATINUM به محاسبات IHL اختصاص دارد.
شکل 7. پتانسیل هیدروفوبیک مولکولی (MHP).معنای رویکرد MHL، که امکان محاسبه توزیع فضایی خواص آبگریز / آب دوست را فراهم می کند، ایجاد یک سیستم تجربی است. ثابت های آب گریزی اتمی (فی) از نظر فنی مشابه با هزینه های جزئی است. مجموع این ثابت ها روی همه اتم ها تخمینی از ضریب آبگریزی را ارائه می دهد پ(جایی که پضریب توزیع یک ماده بین آب و اکتانول) و محاسبه "پتانسیل" از یک سیستم نقطه "بارهای آبگریز" است، با در نظر گرفتن تضعیف در فضا (طبق قانون d (r)، برابر، به عنوان مثال، به 1/r)، به ما امکان می دهد توزیع آبگریزی را در سطوح مولکولی تصور کنیم. شکل، خواص آبگریز فسفولیپید اصلی غشای پلاسمایی یوکاریوتی - پالمیتویلولیل فسفاتیدیل کولین را نشان می دهد.
محاسبه MHP امکان تخمین مقدار مؤثر آبگریزی یک قطعه خاص از یک مولکول و تجسم خواص آبگریز سطح آن را ممکن می سازد و این به نوبه خود می تواند مکانیسم های برهمکنش بین مولکولی را نشان دهد و راه را نشان دهد. به تغییر جهت دار در خواص مولکول ها یا نحوه تعامل آنها با یکدیگر. بنابراین، با کمک نقشه برداری فضایی از خواص آبگریز آلفا-مارپیچ کوتاه پپتیدهای ضد میکروبی(AMP) موفق شد نشان دهد که این مولکول ها ماهیت آمفی دوست دارند - زمانی که یک طرف مارپیچ آبگریز است و طرف دیگر قطبی و دارای بار مثبت است. این موتیف به وضوح در نقشه های MHP "sweep" قابل مشاهده است، که بر مکانیسم تعامل پپتید-غشاء و عملکرد ضد میکروبی تاکید دارد (شکل 8). با کمک چنین نقشه هایی، امکان اصلاح AMP طبیعی وجود داشت لاتارسینایجاد آنالوگ هایی که دارای فعالیت ضد باکتریایی بالایی هستند، اما گلبول های قرمز را از بین نمی برند، و بنابراین، نمونه اولیه بالقوه دارو هستند (شکل 8).
شکل 8. طراحی خواص مفید در پپتید ضد میکروبی لاتارسین 2a (Ltc2a). ردیف بالا سمت چپساختار فضایی Ltc2a و توزیع خواص آبگریز (نگاه کنید به شکل 7) روی سطح آن نشان داده شده است. در مرکزنقشه ای از IHL در مختصات استوانه ای (α؛ Z) نشان داده شده است. این یک الگوی آمفیفیلیک واضح را نشان می دهد که برهمکنش پپتید را با غشای سلولی تعیین می کند. ردیف بالا سمت راستفعالیت سیتولیتیک پپتید نشان داده شده است: این پپتید به طور موثر هم باکتری ها ("گرم +"، "گرم") و هم سلول های حیوانی ("گلبول های قرمز") را می کشد [ستون "wt"].
وظیفه به شرح زیر بود: با حفظ فعالیت ضد میکروبی، فعالیت همولیتیک را از بین می برد(یعنی ایجاد یک نمونه اولیه از یک داروی ضد باکتری). فرض بر این بود که تغییر ماهیت "نقطه" آبگریز در نقشه MHL، تعامل با غشای باکتری ها و گلبول های قرمز را به روش های مختلف تغییر می دهد و کار تکمیل می شود. ما سه پپتید را آزمایش کردیم که جهش‌های نقطه‌ای را معرفی کردند: Ile7 → Gln، Phe10 → Lys و Gly11 → Leu. تغییرات مربوطه در الگوی آبگریز در سه قطعه نقشه نشان داده شده است در پایین. یکی از جهش‌یافته‌ها، Ile7→Gln، فعالیت‌های لازم را داشت: باکتری‌کشی بالا و همولیتیک پایین.
محاسبه خواص آبگریز زیست مولکول ها همچنین در سایر زمینه های مدل سازی مولکولی، به ویژه در پیش بینی موقعیت در توالی اسید آمینه نواحی گذرنده یا در پالایش ساختار فضایی مجتمع های گیرنده-لیگاند بر اساس اصل مطابقت آبگریز استفاده می شود.
با وجود ماهیت فیزیکی پیچیده پدیده آبگریزی، حتی در نظر گرفتن بسیار سطحی آن در مدل سازی مولکولی می تواند مفید باشد. از مثال بالا می توان دریافت که نگاشت فضایی خواص مولکول ها که با استفاده از تکنیک MHP محاسبه شده است، امکان ایجاد ارتباط بین ساختار مولکول پپتید و فعالیت آن را فراهم می کند و این رویای قدیمی شیمیدانان است. ، زیست شناسان و فارماکولوژیست ها. توانایی یافتن چنین ارتباطی به معنای توانایی طراحی منطقی خواص مورد نیاز در مولکول ها است که البته در تحقیقات بنیادی، بیوتکنولوژی و پزشکی مورد تقاضا است.
و دوباره یک کلمه در مورد آب
نگاهی دقیق تر به اثر آبگریز این امکان را فراهم می کند که بفهمیم ما در واقع در مورد رفتار آماری تعداد زیادی مولکول صحبت می کنیم که توسط قوانین ترمودینامیک و فیزیک آماری توصیف شده است. اما چیز دیگری در اینجا جالب تر است - ما یک بار دیگر به منحصر به فرد بودن یک ماده به ظاهر ساده مانند آب متقاعد شدیم. آب به خودی خود دارای ویژگی های شگفت انگیز بسیاری است، اما به عنوان یک حلال بیولوژیکی، مانند آن را ندارد. در تعامل با مولکول های دیگر، آب دینامیک و ساختار خود را تغییر می دهد و کل سیستم را مجبور به تغییر می کند. این دقیقاً همان چیزی است که ما هنگام مطالعه خودسازماندهی مولکول های آمفیفیلیک به دو لایه و وزیکول مشاهده می کنیم - از این گذشته، این آب است که آنها را به چنین اشکال پیچیده ای "وادار" می کند.
نقش آب در زندگی "ماشین های" اصلی بیولوژیکی - پروتئین ها دشوار است. تا شدن آنها از یک زنجیره خطی به یک کروی متراکم که هر اتم در آن جای خود را می‌داند نیز از شایستگی آب است. این بدان معنی است که آب نیز شایسته عنوان یکی از بیولوژیکی ترین مولکول ها است، اگرچه طبق طبقه بندی شیمیایی یک ماده معدنی است.
مولکول های پری دریایی امضای هیدراتاسیون آبگریز در یک پلیمر منفرد.
