| 1. Ջրի մոլեկուլի կառուցվածքը. | ||
| Ջուրն ունի բևեռային մոլեկուլ։ Թթվածինը, որպես ավելի էլեկտրաբացասական ատոմ, դեպի իրեն քաշում է ջրածնի ատոմի հետ կիսվող էլեկտրոնային խտությունը և հետևաբար կրում է մասնակի բացասական լիցք. Ջրածնի ատոմները, որոնցից էլեկտրոնի խտությունը տեղաշարժվում է, կրում են մասնակի դրական լիցք։ Այսպիսով, ջրի մոլեկուլ էդիպոլ, այսինքն. ունի դրական և բացասական լիցքավորված տարածքներ: (Աջ կողմում գտնվող մոդելը 3D է և կարող է պտտվել մկնիկի ձախ կոճակը սեղմելով): |
|
2. Ջրածնային կապեր.
3. Ջուրը որպես լուծիչ։ |
alt="Ձեր դիտարկիչը հասկանում է |
Ջրի առնչությամբ գործնականում բոլոր նյութերը կարելի է բաժանել երկու խմբի.
1. Հիդրոֆիլ(հունարեն «phileo»-ից՝ սիրել, ջրի նկատմամբ դրական կապ ունենալը
) Այս նյութերը ունեն բևեռային մոլեկուլ, որը պարունակում է էլեկտրաբացասական ատոմներ (թթվածին, ազոտ, ֆոսֆոր և այլն): Արդյունքում՝ նման մոլեկուլների առանձին ատոմները նույնպես մասնակի լիցքեր են ձեռք բերում և ջրածնային կապեր ստեղծում ջրի մոլեկուլների հետ։ Օրինակներ. շաքարներ, ամինաթթուներ, օրգանական թթուներ.
2. Հիդրոֆոբ(հունարեն «phobos» - վախ, ջրի նկատմամբ բացասական կապ ունենալը
) Նման նյութերի մոլեկուլները ոչ բևեռ են և չեն խառնվում բևեռային լուծիչի հետ, ինչպիսին է ջուրը, բայց շատ լուծելի են օրգանական լուծիչներում, օրինակ՝ եթերում և ճարպերում։ Օրինակ կլինի գծային և ցիկլային ածխաջրածիններ. այդ թվում բենզոլ.
|
Հարց 2. Ուշադիր նայեք աջ կողմում գտնվող երկու մոլեկուլներին: Ձեր կարծիքով այս մոլեկուլներից ո՞րն է հիդրոֆիլ, իսկ ո՞րը՝ հիդրոֆոբ: Ինչու ես այդպես կարծում? Դուք պարզե՞լ եք, թե ինչ նյութեր են դրանք: Օրգանական նյութերի մեջ կան նաև միացություններ, որոնց մոլեկուլի մի մասը ոչ բևեռ է և ցուցաբերում է հիդրոֆոբ հատկություններ, իսկ մյուսը բևեռային է և հետևաբար՝ հիդրոֆիլ։ |
alt="Ձեր դիտարկիչը հասկանում է | alt="Ձեր դիտարկիչը հասկանում է | ||
| Նման նյութերը կոչվում են ամֆիպատիկ
. Մոլեկուլ ֆոսֆատիդիլսերին(բջջի պլազմային մեմբրանի ֆոսֆոլիպիդներից մեկը, աջ) ամֆիպատիկ միացության օրինակ է: Հարց 3.
Ուշադիր նայեք այս մոլեկուլին: Ձեր կարծիքով ո՞ր մասն է հիդրոֆիլ, իսկ ո՞րը՝ հիդրոֆոբ: Մոլեկուլը դասավորեք այնպես, որ այն հնարավորինս պարզ լինի, ստեղծեք գրաֆիկական ֆայլ և նշեք դրա մեջ մոլեկուլի հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ հատվածները: 4. Ջուրը որպես լուծիչ կենդանի օրգանիզմներում:
|
alt="Ձեր դիտարկիչը հասկանում է |
Բացի այդ, ներքին հեղուկների փոխադրման ֆունկցիան ինչպես բազմաբջիջ կենդանիների (արյուն, ավիշ, հեմոլիմֆ, կոելոմիկ հեղուկ), այնպես էլ բազմաբջիջ բույսերում ուղղակիորեն կապված է ջրի՝ որպես լուծիչի հատկության հետ։
5. Ջուրը որպես ռեագենտ:
Ջրի կարևորությունը կապված է նաև նրա քիմիական հատկությունների հետ՝ որպես սովորական նյութ, որը քիմիական ռեակցիաների մեջ է մտնում այլ նյութերի հետ: Ամենակարևորը լույսի ազդեցության տակ ջրի պառակտումն է ( ֆոտոլիզի) լուսային փուլում ֆոտոսինթեզ, ջրի մասնակցությունը որպես անհրաժեշտ ռեագենտ բարդ կենսապոլիմերների քայքայման ռեակցիաներին (պատահական չէ, որ նման ռեակցիաները կոչվում են. հիդրոլիզի ռեակցիաներ
) Եվ, ընդհակառակը, բիոպոլիմերների առաջացման, պոլիմերացման ռեակցիաների ժամանակ ջուր է արտազատվում։
Հարց 4.
Վերջին նախադասության ո՞ր անճշտությունը կուղղի քիմիկոսը:
հիդրոֆիլ նյութեր
Հիդրոֆիլ նյութեր (նյութեր)
Պինդ նյութեր, որոնք ունեն ջրով թրջվելու հատկություն։ Չի թրջվում յուղոտ հեղուկներով։
Համառոտ էլեկտրոնային տեղեկագիրք նավթի և գազի հիմնական տերմինների վերաբերյալ՝ խաչաձև հղումների համակարգով: - Մ.. Ռուսաստանի Նավթի և գազի պետական համալսարանի անվ. I. M. Գուբկինա. Մ.Ա. Մոխովը, Լ.Վ. Իգրևսկին, Է.Ս. Նովիկ. 2004 .
Տեսեք, թե ինչ են «Հիդրոֆիլ նյութերը» այլ բառարաններում.
Հիդրոֆիլ քսուքի հիմքեր- Այս հոդվածի ոճը ոչ հանրագիտարանային է կամ խախտում է ռուսաց լեզվի նորմերը։ Հոդվածը պետք է ուղղել Վիքիպեդիայի ոճական կանոններին համապատասխան։ Հիմնական հոդված՝ Քսուքի հիմքեր Հիդրոֆիլ քսուքի հիմքեր քսուքի հիմքեր, որոնք օգտագործվում են ...
Հիդրոֆիլ- (հիդրո և ֆիլից) «ջրասեր» նյութեր, որոնց մոլեկուլները էլեկտրաբևեռ են և հեշտությամբ միանում են ջրի մոլեկուլներին: Հակառակը հիդրոֆոբ («ջուր ատող») նյութերն են... Ժամանակակից բնական գիտության սկիզբը
Կնքման միջոցներ- բարձր պոլիմերային հիդրոֆիլ նյութեր, որոնք օգտագործվում են հեղուկ սննդարար միջավայրերը խտացնելու համար: Քիմիօրգանոտրոֆների համար նախատեսված լրատվամիջոցներում որպես U.V. օգտագործել ագար (տես) և ժելատին (տես), ավտոտրոֆ օրգանիզմների համար սիլիցիումի գել (տես): Ավելի քիչ...... Մանրէաբանական բառարան
Նյութեր, որոնք կարող են կուտակվել (հաստանալ) երկու մարմինների շփման մակերեսին, որը կոչվում է փուլային միջերես կամ միջերեսային մակերես։ Պ.-ի միջերեսային մակերեսին ա. Վ. ձևավորել ավելացված կոնցենտրացիայի կլանման շերտ... ... Խորհրդային մեծ հանրագիտարան
Մակերեւութային ակտիվ նյութեր (մակերևութային ակտիվ նյութեր)- նյութեր, որոնք կարող են կլանվել միջերեսում և առաջացնել մակերևութային (միջերեսային) լարվածության նվազում: Տիպիկ մակերևութային ակտիվ նյութերը օրգանական միացություններ են, որոնց մոլեկուլները պարունակում են լիոֆիլ և լիոֆոբ (սովորաբար հիդրոֆիլ և... ... Մետալուրգիայի հանրագիտարանային բառարան
Մակերեւութային ակտիվ նյութեր- (a. surfactants; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; f. նյութեր tensio actives; i. surfac tantes), ասիմետրիկ մոլով նյութեր: կառուցվածքը, որի մոլեկուլներն ունեն երկփայլ կառուցվածք, այսինքն. պարունակում է լիոֆիլ և... Երկրաբանական հանրագիտարան
մակերեսային ակտիվ նյութեր- Մակերեւութային ակտիվ նյութեր, որոնք կարող են ներծծվել միջերեսում և առաջացնել մակերեսի մակերեսի նվազում: (միջերեսային) լարվածություն. Տիպիկ մակերևութային ակտիվ նյութերը օրգանական են: միացություններ, որոնց մոլեկուլները պարունակում են լիոֆիլ և լիոֆոբ (սովորաբար հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ)... Տեխնիկական թարգմանչի ուղեցույց
Մակերեւութային ակտիվ նյութերի տեսակներ Ասիմետրիկ մոլեկուլային կառուցվածք ունեցող նյութեր, որոնց մոլեկուլներն ունեն երկֆիլային կառուցվածք, այսինքն՝ պարունակում են լիոֆիլ և լիոֆոբ (սովորաբար հիդրոֆիլ բևեռային խմբեր և հիդրոֆոբ ռադիկալներ) ատոմային խմբեր։ Դիֆիլիկ...... Նավթի և գազի միկրոհանրագիտարան
Բջջային թաղանթներ- Այս տերմինն այլ իմաստներ ունի, տես թաղանթ Բջջաթաղանթի նկարը: Կապույտ և սպիտակ փոքրիկ գնդիկները համապատասխանում են լիպիդների հիդրոֆիլ «գլուխներին», իսկ դրանց կցված գծերը՝ հիդրոֆոբ «պոչերին»։ Նկարում... ... Վիքիպեդիա
Ընտրովի թափանցելիություն- Այս տերմինն այլ իմաստներ ունի, տես թաղանթ Բջջաթաղանթի նկարը: Կապույտ և սպիտակ փոքրիկ գնդիկները համապատասխանում են լիպիդների հիդրոֆիլ «գլուխներին», իսկ դրանց կցված գծերը՝ հիդրոֆոբ «պոչերին»։ Նկարը ցույց է տալիս... ... Վիքիպեդիա
Հիդրոֆիլություն տերմինը (առաջացել է հին հունարեն «ջուր» և «սեր» բառերից) մոլեկուլային մակարդակում ջրի հետ նյութի փոխազդեցության ինտենսիվության հատկանիշն է, այսինքն՝ նյութի կարողությունը ինտենսիվորեն կլանել խոնավությունը, ինչպես. ինչպես նաև ջրի բարձր թրջելիությունը նյութի մակերևույթով: Այս հայեցակարգը կարող է կիրառվել պինդ մարմինների նկատմամբ՝ որպես մակերեսի հատկություն, և առանձին իոնների, ատոմների, մոլեկուլների և դրանց խմբերի նկատմամբ։
Հիդրոֆիլությունը բնութագրվում է կլանող ջրի մոլեկուլների և նյութի մոլեկուլների միջև կապի մեծությամբ, այս դեպքում ձևավորվում են միացություններ, որոնցում ջրի քանակը բաշխվում է կապի էներգիայի արժեքների համաձայն:
Հիդրոֆիլությունը բնորոշ է այն նյութերին, որոնք ունեն իոնային բյուրեղային ցանցեր (հիդրօքսիդներ, օքսիդներ, սուլֆատներ, սիլիկատներ, կավեր, ֆոսֆատներ, ապակիներ և այլն), որոնք ունեն բևեռային խմբեր -OH, -NO 2, -COOH և այլն: հիդրոֆիլություն և հիդրոֆոբություն- նյութերի լուծիչների հետ փոխազդեցության հատուկ դեպքեր (լիոֆիլություն, լիոֆոբություն):
Հիդրոֆոբությունը կարելի է համարել որպես հիդրոֆիլության փոքր աստիճան, քանի որ ձգողականության միջմոլեկուլային ուժերի գործողությունը միշտ քիչ թե շատ առկա է ցանկացած մարմնի և ջրի մոլեկուլների միջև: Հիդրոֆիլությունը և հիդրոֆոբությունը կարելի է տարբերել նրանով, որ ջրի կաթիլը տարածվում է հարթ մակերես ունեցող մարմնի վրա։ Կաթիլն ամբողջությամբ կտարածվի հիդրոֆիլ մակերեսի վրա, մասամբ՝ հիդրոֆոբի վրա, մինչդեռ թրջված նյութի մակերեսի և կաթիլի միջև ձևավորված անկյան արժեքի վրա ազդում է տվյալ մարմնի հիդրոֆոբության աստիճանը։ Հիդրոֆիլ նյութերը այն նյութերն են, որոնցում մոլեկուլային (իոնային, ատոմային) փոխազդեցությունների ուժը բավականին ուժեղ է։ Հիդրոֆոբ են մետաղներ, որոնք զուրկ են օքսիդ թաղանթներից, օրգանական միացություններից, որոնք մոլեկուլում ունեն ածխաջրածնային խմբեր (մոմեր, ճարպեր, պարաֆիններ, որոշ պլաստմասսա), գրաֆիտ, ծծումբ և այլ նյութեր, որոնք թույլ փոխազդեցություններ ունեն միջմոլեկուլային մակարդակում:
Հիդրոֆիլություն և հիդրոֆոբություն հասկացությունները կիրառվում են ինչպես մարմինների և դրանց մակերեսների, այնպես էլ առանձին մոլեկուլների կամ մոլեկուլների առանձին մասերի առնչությամբ։ Օրինակ, մակերեսային ակտիվ նյութերի մոլեկուլները պարունակում են բևեռային (հիդրոֆիլ) և ածխաջրածին (ջրաֆոբ) միացություններ։ Մարմնի մակերեսային մասի հիդրոֆիլությունը կարող է կտրուկ փոխվել նման նյութերի կլանման պատճառով։
Հիդրոֆիլացումը հիդրոֆիլության բարձրացման գործընթացն է, իսկ հիդրոֆոբացումը՝ դրա նվազման։ Այս երևույթները մեծ նշանակություն ունեն կոսմետիկայի արդյունաբերության մեջ, գործվածքների (մանրաթելերի) հիդրոֆիլիզացիայի տեքստիլ տեխնոլոգիայում՝ լվացման, սպիտակեցման, ներկման և այլնի որակը բարելավելու համար։
Հիդրոֆիլություն կոսմետիկայի մեջ
Օծանելիքի և կոսմետիկայի արդյունաբերությունը արտադրում է հիդրոֆիլ քսուքներ և գելեր, որոնք պաշտպանում են մաշկը ջրի մեջ չլուծվող կեղտից: Նման արտադրանքները պարունակում են հիդրոֆիլ բաղադրիչներ, որոնք ստեղծում են թաղանթ, որը կանխում է ջրի մեջ չլուծվող աղտոտիչների ներթափանցումը մաշկի մակերեսային շերտ:
Հիդրոֆիլ քսուքները պատրաստվում են էմուլսիայից, որը կայունացվում է համապատասխան էմուլգատորներով կամ ջուր-յուղ-ջուր կամ յուղ-ջուր հիմքով: Բացի այդ, դրանք ներառում են ցրված կոլոիդային համակարգեր, որոնցում հիդրոֆիլ մակերեւութային ակտիվ բաղադրիչները կայունացված են և բաղկացած են ջրով ցրված կամ ավելի բարձր ճարպաթթուների կամ սպիրտների ջրով ցրված կամ ջր-գլիկոլ խառն լուծիչներից:
Հիդրոժելները (հիդրոֆիլ գելեր) պատրաստվում են ջրից, խառը ոչ ջրային կամ հիդրոֆիլ լուծիչից (էթիլային սպիրտ, պրոպիլեն գլիկոլ, գլիցերին) և հիդրոֆիլ գելացնող նյութից (ցելյուլոզային ածանցյալներ, կարբոմերներ) կազմված հիմքերից։
Քսուքների և գելերի հիդրոֆիլ հատկությունները.
· արագ և լավ կլանված;
· սնուցում է մաշկը;
· դրանց օգտագործումից հետո յուղոտության զգացում չի առաջանում.
· մաքրել մաշկը;
· ունեն մաշկի վրա ամրացնող ազդեցություն;
· նվազեցնել շրջակա միջավայրի բացասական գործոնների ազդեցությունը;
Օգնեք մաշկին պահպանել իր բնական վերականգնվելու ունակությունը:
Հիդրոֆիլ քսուքներն ու գելերը նախատեսված են մաշկը ջրով չխառնվող յուղերի, մազութի, նավթի, ներկերի, խեժերի, գրաֆիտի, մուրի, օրգանական լուծիչների, սառեցնող և քսող լուծույթների, շինարարական փրփուրի և մի շարք այլ մեղմ ագրեսիվ նյութերի հետ աշխատելիս պաշտպանելու համար: Դրանք անփոխարինելի են նաև մեքենայի վերանորոգման, բնակարանի վերանորոգման, շինարարության ժամանակ, երկրում՝ պարարտանյութերի և հողի հետ աշխատելիս։
«KorolevPharm» ընկերությունը արտադրում է տարբեր տեսակի օծանելիք և կոսմետիկ արտադրանք, այդ թվում՝ հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ քսուքներ։ Ձեռնարկությունը պայմանագրային արտադրող է և իրականացնում է արտադրության բոլոր փուլերը՝ ձևավորման մշակում, սերտիֆիկացում, արտադրության մեկնարկ, սերիական արտադրություն։ Արտադրամասը հագեցած է ժամանակակից սարքավորումներով։
Ձեռնարկությունը հավաստագրված է պահանջներին համապատասխանելու համար
Լոտոսի տերև, որի վրա հոսում է ջուրը, հավաքված գնդերի մեջ, ջրից վանող մակերեսներ և կոշիկների համար պաշտպանիչ միացություններ, արգանակի մեջ լողացող յուղի գավաթներ. այս ամենը մոլեկուլների հատկության օրինակներ են, որոնք կոչվում են. հիդրոֆոբություն. Բացի այդ, հիդրոֆոբ ազդեցությունկարևոր կենսաբանական դեր է խաղում. սպիտակուցի մոլեկուլների ծալումն ու ճիշտ աշխատանքը, կենսամեմբրանների ձևավորումը և մոլեկուլների միմյանց կողմից ճանաչումը նույնպես «ծրագրավորվում» են հիդրոֆոբ հատկությունների կիրառմամբ։ Հետաքրքիր է, որ հիդրոֆոբ էֆեկտը չի վերածվում «սովորական» ֆիզիկական փոխազդեցությունների. դրա հետևում կանգնած է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը և մի մեծություն, որը կոչվում է. էնտրոպիա.
Կատաղություն
Հիդրոֆոբիա կամ հիդրոֆոբիա(հին հունարենից. νδωρ - «ջուր» և φοβος - «վախ») վախն է ցավոտ կուլ տալու սպազմերից, երբ փորձում եք մի կում ջուր խմել, ջրի երևալուց կամ դրա մասին որևէ հիշատակման ժամանակ: Նկատվում է տետանուսի, հիստերիայի, կատաղության (իսկ ինքը կատաղությունը նախկինում հենց այս բառով էր կոչվում)։
Այսպիսով, հիդրոֆոբություն, որը կքննարկվի, վերաբերում է մոլեկուլների հատկություններին, այլ ոչ թե մարդկանց ախտանիշներին։
Դա ցույց է տալիս մանկուց բոլորին ծանոթ «բադի մեջքից ջուր» արտահայտությունը հիդրոֆոբություն- ոչ այնքան աննախադեպ երևույթ, ինչպիսին կարող է հուշել նրա անունը։ Իսկապես, ջրի «վանման» ազդեցությունը հաճախ հանդիպում է մեր շուրջը. պարզապես նայեք սագի փետուրին կամ լոտոսի տերևին (նկ. 1): Ա), որի երկայնքով ջրի մի կաթիլ հոսում է, ինչպես սնդիկի գունդը ապակու երեսին, հետևում ոչ մի հետք չթողնելով։ Հիդրոֆոբ մակերևույթների մասին դասական պատկերացումներն ասում են, որ այստեղ ցուցիչը կոնտակտային անկյունն է θ, որը թրջված մակերևույթների համար փոքր է ուղիղ անկյունից (90°), իսկ չթրջվող մակերևույթների համար՝ դրանից մեծ (նկ. 1): բ) . Մասնավորապես, պարաֆինի մակերեսի վրա ջրի մեկ կաթիլը կկազմի 112°: Միևնույն ժամանակ, «բացարձակապես» հիդրոֆոբ մակերեսը կբնութագրվի 180° անկյան տակ, երբ ջուրը գլորվում է մակերևույթից առանց մեկ վայրկյան կանգ առնելու:
Այսպիսով, սագը իսկապես ավելի հիդրոֆոբ է, քան PTFE: Իրականում, դա ճիշտ է, բայց դա ձեռք է բերվում մի փոքրիկ հնարքի միջոցով. սագի փետուրի մակերեսը (ինչպես նաև լոտոսի տերևը) հարթ չէ, այլ ծածկված է մանրադիտակային բուրգերով կամ մազիկներով, ինչը նվազեցնում է կաթիլների հետ շփման տարածքը: և արդյունավետ կպչունություն (նկ. 1 Վ) . Նույն սկզբունքի հիման վրա գերհիդրոֆոբմակերեսներ, որոնք գրեթե հիանալի կերպով վանում են ջուրը (տեսանյութ 1).
Նկար 1. Լոտոսի տերեւ. հիդրոֆոբ մակերեսի օրինակ: Ա - Հիդրոֆոբություն իրականում նշանակում է չթրջվելըերբ ջուրն ամբողջությամբ գլորվում է մակերեսից՝ չթողնելով թաց հետքեր։ բ - Հիդրոֆոբ մակերեսի որոշում՝ հպման անկյան վրա θ՝ ժամը θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - չթրջվող (հիդրոֆոբ): Բացարձակ հիդրոֆոբության ազդեցությունը (կամ գերհիդրոֆոբություն) ձեռք է բերվում մանրադիտակային կոպտությունների շնորհիվ, որոնք նվազեցնում են մակերևույթի հետ անկման շփման տարածքը: Վ - Ինչպես է կառուցված լոտոսի մակերեսը. մանրադիտակային փշերը թույլ չեն տալիս ջրի կաթիլները խոնավացնել մակերեսը, և դրանք գլորվում են տերևից: Ջրի մի կաթիլը նույնպես չի կարող «հոսել» ողնաշարի միջև, քանի որ այս մասշտաբով մակերևութային լարվածությունն այլևս թույլ չի տալիս կաթիլը բաժանվել փոքրերի:
Տեսանյութ 1. Գերջրաֆոբ մակերես.Մակերեւույթի մանրամասշտաբ կոշտություն ( սմ.բրինձ. 1 բ) նվազեցնում է ջրի կաթիլի հետ շփման արդյունավետ տարածքը, որն այս մասշտաբով մակերևութային լարվածության պատճառով իրեն պահում է առաձգական մարմնի նման:
Հասկանալ Ինչո՞ւՈրոշ նյութեր ուրախ են, որ ջրով թրջվում են, բայց ինչպես ասում է ասացվածքը, այն գլորվում է բադի մեջքից, պետք է իջնել առանձին մոլեկուլների մակարդակին և մտածել, թե ինչպես են մոլեկուլները փոխազդում միմյանց հետ:
Հիդրոֆոբ մոլեկուլներ
Քիմիական կառուցվածքի տեսակետից հիդրոֆոբ(կամ ինչ է նույնը, ոչ բևեռային) մոլեկուլներ են, որոնք չեն պարունակում քիմիական խմբեր, որոնք ընդունակ են ջրածնային կապեր ստեղծել ջրի հետ։ Օրինակ, դրանք բենզին և այլ հեղուկ ածխաջրածիններ են (բենզինի բաղադրիչներ): Այնուամենայնիվ, ամենահետաքրքիր հատկություններն ունեն ամֆիֆիլայինմոլեկուլներ, որոնք պարունակում են ինչպես բևեռային, այնպես էլ ոչ բևեռ մասեր. սա հանգեցնում է նրան, որ դրանք ջրի հետ խառնուրդներում ձևավորում են բավականին բարդ կառուցվածքներ՝ միցելներ, վեզիկուլներ, շերտեր և ավելի բարդ ձևեր։ Այս բոլոր բարդ ձևերի ձևավորումը վերահսկվում է հիդրոֆոբ ազդեցություն.
Հետաքրքիր է, որ հիդրոֆոբության մոլեկուլային բնույթի հարցը վերաբերում է Բենջամին Ֆրանկլինին, ով իր ազատ ժամանակ պետական գործերից ուսումնասիրում էր լճակի մակերեսի վրա ձիթապտղի յուղի տարածումը: Մեկ գդալ յուղի բիծի մակերեսը ամբողջ ժամանակ նույնն էր՝ կես ակր, իսկ հաստությունը իրականում հավասար էր մեկ մոլեկուլի: Սա 1774 թվականին էր, և թեև այն ժամանակ գաղափարները նյութերի մոլեկուլային բնույթի մասին դեռևս չափազանց մշուշոտ էին, պետական այրերի ընդհանուր հետաքրքրասիրությունը, ինչպես տեսնում ենք, այսօրվա նման չէր: Այսպես թե այնպես, նավթի հետ փորձը նշանավորեց մոնոմոլեկուլային լիպիդային թաղանթների ուսումնասիրության սկիզբը, որից անկասկած պարզ դարձավ. որոշ մոլեկուլներ այնքան էլ «չեն սիրում» ջուրը, որ ոչ միայն չեն խառնվում դրա հետ, այլև պատրաստ են։ հեռացնել ջրից բոլոր հնարավոր եղանակներով, օրինակ՝ մեկ մոլեկուլ հաստությամբ (միաշերտ) շերտի տեսքով կուտակվելով ջրի և օդի սահմանի վրա։ (Լիպիդային թաղանթների ուսումնասիրությունների վերաբերյալ լրացուցիչ տեղեկությունների համար տե՛ս հոդվածը « Ջրահարսի մոլեկուլները » .)
Ամֆիֆիլային մոլեկուլների մեկ այլ կարևոր տեսակ են օճառները, որոնք լայնորեն կիրառվում են կենցաղում և ազգային տնտեսության մեջ։ Նրանց գործողության սկզբունքը կարելի է բերել նույնիսկ գովազդներից. լվացող միջոցի մոլեկուլների ոչ բևեռային մասը «կպչում է» աղտոտող մոլեկուլների հետ (սովորաբար հիդրոֆոբ), իսկ բևեռային մասը ակտիվորեն փոխազդում է ջրի մոլեկուլների հետ: Արդյունքում, դա տեղի է ունենում լուծարումԿեղտը կտրվում է մակերեսից և թակարդվում է օճառի մոլեկուլների մեջ՝ բացահայտելով բևեռային բեկորները «դուրս» և թաքցնելով հիդրոֆոբ մասերը «ներսում»:
Այնուամենայնիվ, ամֆիֆիլային մոլեկուլների (մասնավորապես՝ լիպիդների) էլ ավելի կարևոր որակը մեզ թույլ է տալիս վայելել լավագույն լվացող միջոցների առևտրային որակները. սմ. « Կյանքի լիպիդային հիմքը » ) Այս կարևոր փաստը մեզ հուշում է, որ հիդրոֆոբ էֆեկտի մոլեկուլային բնույթը ոչ մի կերպ պարապ բան չէ, բայց այն հիմնարար նշանակություն ունի ողջ կենսաբանության համար, էլ չեմ խոսում կիրառական արդյունաբերության մասին:
Բայց ավելի ուշադիր ուսումնասիրելուց հետո պարզվում է, որ ոչ մի հիմնարար ֆիզիկական փոխազդեցություն, ինչպիսին է ձգողականությունը կամ էլեկտրաստատիկ ուժերը, պատասխանատու չեն հիդրոֆոբ մասնիկների միմյանց «ներգրավման» և ջրից դրանց «վանման» համար: Դրա բնույթը կայանում է ֆիզիկական սկզբունքի մեջ, որը սահմանափակում է ինքնաբուխ գործընթացների մեծ մասի ուղղությունը, մասնավորապես. Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը.
Մի փոքր թերմոդինամիկա
Թերմոդինամիկան առաջին գիտություններից մեկն է, որը կամուրջ է կառուցել ատոմների և մոլեկուլների մանրադիտակային աշխարհի և «մեր» մակրոսկոպիկ աշխարհի միջև: Նրա ծնունդը կապված է գոլորշու շարժիչների աշխատանքի ուսումնասիրության և Նիկոլա Կարնոյի (1796–1832) անվան հետ, որի անունով են կոչվում թերմոդինամիկական ցիկլերը, որոնք որոշում են մեքենայի աշխատանքի ծավալը։ Նրա աշխատանքը շարունակեցին Ջուլը, Քելվինը և Կլաուզիուսը, ովքեր տեսական հզոր հիմք բերեցին այս ի սկզբանե զուտ գործնական ոլորտում:
այս գիտնականների ջանքերով հիմնարար օրենքները կամ սկսվել է, թերմոդինամիկա՝ ամփոփելով ջերմային պրոցեսների դիտարկման դարերի էմպիրիկ փորձը։ Առաջին սկզբունքը խոսում է մեկուսացված համակարգի էներգիայի պահպանման մասին («Էներգիայի պահպանման օրենքը»), իսկ երկրորդ սկզբունքը խոսում է ինքնաբուխ գործընթացների ուղղության մասին։ (Կան նաև զրոյական և երրորդ սկզբունքներ, բայց դրանց մասին այստեղ չենք խոսի:) Հայեցակարգը էնտրոպիա(S), որը համբավ է ձեռք բերել որպես ամենաառեղծվածային թերմոդինամիկական մեծություն։ Ի սկզբանե Կլաուզիուսի կողմից պաշտոնապես սահմանվել է որպես համակարգին փոխանցվող ջերմության հարաբերակցությունը ջերմաստիճանին (ΔS = ΔQ/T), էնտրոպիան հետագայում ձեռք բերեց գլոբալ «քաոսի չափման» իմաստը։ Այդ ժամանակից ի վեր էնտրոպիան դարձել է Երկրորդ օրենքի ժամանակակից ձևակերպման հիմքը.
Մեկուսացված համակարգում ինքնաբուխ պրոցեսներն ուղեկցվում են էնտրոպիայի աճով։
Լյուդվիգ Բոլցմանը (1844–1906) այս ամբողջ ջերմային «խոհանոցը» կապեց նյութը կազմող ատոմների մակարդակի հետ, նույնիսկ նախքան նյութի ատոմային կառուցվածքը ընդհանուր ընդունված դառնալը։ Նա իր կյանքի գլխավոր ձեռքբերումը համարել է էնտրոպիայի հաշվարկման վիճակագրական բանաձևի հայտնաբերումը (1877թ.)՝ S = k × logW, որտեղ S է. էնտրոպիա, k-ն հաստատուն է, որը հետագայում Պլանկի կողմից անվանվել է հենց Բոլցմանի պատվին, իսկ W-ը վիճակի վիճակագրական կշիռն է (թիվը միկրոպետություններ, որն իրականացնում է սա մակրոպետություն) Չնայած վատ տեսողությանը՝ նա մյուսներից զգալիորեն ավելի խորն էր տեսնում նյութի «խորքերը». նա առաջինն էր, ով զգաց վիճակագրական մոտեցման ուժը նկարագրելու համար։ թերմոդինամիկական անսամբլներև կիրառեց այն մոլեկուլային ֆիզիկայում: Կա վարկած, որ Բոլցմանը ինքնասպան է եղել իր ժամանակակիցների թյուրիմացության պատճառով, որոնցից նա արմատապես առաջ էր անցել։ Վերոհիշյալ բանաձեւը փորագրված է Վիեննայի գերեզմանատան նրա տապանաքարի վրա։
Չնայած էնտրոպիայի հայեցակարգի ողջ առեղծվածին, Երկրորդ օրենքի իմաստը բավականին պարզ է. եթե համակարգը մեկուսացված է (այսինքն, այն չի փոխանակում ոչ նյութը, ոչ էլ էներգիան արտաքին աշխարհի հետ), ապա այն հակված կլինի պետությանը: թերմոդինամիկական հավասարակշռություն, - այնպիսի մակրովիճակ, որն իրականացվում է միկրովիճակների առավելագույն հնարավոր քանակով (այլ կերպ ասած, որն ունի առավելագույն էնտրոպիա)։ Օրինակ՝ կոտրված բաժակն այլևս երբեք իրեն չի կպչի. սկզբնական վիճակը (ամբողջ բաժակը) իրականացվում է միայն մեկ ձևով (S=0), բայց վերջնական վիճակը (կոտրված բաժակը) իրականացվում է աստղաբաշխական մեծ թվով։ ուղիների (S>>0): Ուստի, ավաղ, գլոբալ տեսանկյունից բոլոր գավաթները դատապարտված են: Պիտեր Աթկինսի «Կարգ և անկարգություն բնության մեջ» գիտահանրամատչելի գիրքը նվիրված է «տնային տնտեսուհիների համար» Երկրորդ օրենքի բացատրությանը։
Հիդրոֆոբ էֆեկտը վիճակագրական ֆիզիկայի տեսանկյունից
Այսպիսով, իմանալով Երկրորդ օրենքը, մենք հասկանում ենք, թե ինչու սեղանի վրա դրված թեյի բաժակը անպայման կսառչի մինչև սենյակային ջերմաստիճան, բայց երբեք ինքն իրեն չի տաքանա՝ հեռացնելով ջերմությունը խոհանոցի օդից: (Եթե ոչ, ուրեմն պետք է անպայման կարդալ Աթկինսի գիրքը։) Բայց արդյոք նույն պատճառաբանությունը կիրառելի է, օրինակ, ջրի ու յուղի անխառնելիությունը բացատրելու համար։ Ի վերջո, Երկրորդ օրենքը ձգտում է «հավասարեցնել ամեն ինչ», իսկ ջուրն ու յուղը, ընդհակառակը, հրաժարվում են լուծվել միմյանց մեջ (նկ. 2): Ա).
Նկար 2. Հիդրոֆոբ էֆեկտի նկարազարդում: Ա - Հիդրոֆոբ էֆեկտը (ըստ էության, թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը) հանգեցնում է նրան, որ ջուրը «վանում է» ոչ բևեռային մոլեկուլները (օրինակ՝ նավթը) և նվազեցնում նրանց հետ շփման տարածքը: Սրա պատճառով ջրի մեջ յուղի շատ փոքր կաթիլներ ի վերջո կմիավորվեն իրար և կկազմեն շերտ: բ - Ջրի մոլեկուլների կարգավորված («սառցե) շերտի ձևավորումը հիդրոֆոբ մակերեսի մոտ անհրաժեշտ է, որպեսզի ջրի մոլեկուլները կարողանան ջրածնային կապեր ստեղծել միմյանց հետ: Բայց դա հանգեցնում է էնտրոպիայի անկման, ինչը ձեռնտու է Երկրորդ օրենքի հետ կապված: Վ - Էնտրոպիան մեծացնելու բնական հնարավորությունն է ջրի հետ հիդրոֆոբ մոլեկուլների շփման տարածքի կրճատումը, որը տեղի է ունենում, երբ մի քանի ոչ բևեռ մոլեկուլներ միավորվում են միասին: Ամֆիֆիլային մոլեկուլների դեպքում առաջանում է ինքնակազմակերպում և ձևավորվում են բավականին բարդ վերմոլեկուլային կառուցվածքներ, ինչպիսիք են միցելները, երկշերտերը և վեզիկուլները ( սմ.բրինձ. 3).
Իսկապես, եթե հաշվի առնենք միայն նավթը, կթվա, որ թերմոդինամիկան չի աշխատում. յուղային թաղանթը հեղուկի հաստությամբ լուծելը ակնհայտորեն կբարձրացնի էնտրոպիան՝ համեմատած միաշերտի հետ: Բայց բոլորը գիտեն, որ իրականում հակառակն է լինում՝ եթե անգամ ջուրն ու յուղը թափահարեք, էմուլսիան որոշ ժամանակ անց կքայքայվի, և յուղը նորից թաղանթ կկազմի՝ թողնելով ջրային փուլը։
Փաստն այն է, որ այս օրինակում ջուրը իրավահավասար մասնակից է դիտարկվող համակարգին, և ոչ մի դեպքում այն չպետք է անտեսվի։ Ինչպես հայտնի է, ջրի (նույնիսկ նրա հեղուկ վիճակի նորմալ պայմաններում) հատկությունները որոշվում են ջրածնային կապեր ստեղծելու ունակությամբ։ Ջրի յուրաքանչյուր մոլեկուլ կարող է մինչև չորս կապ ստեղծել իր «հարևանների» հետ, բայց որպեսզի դա տեղի ունենա, ջուրը պետք է լինի «ջրի մեջ»։ Եթե ջրի մեջ կա ոչ բևեռային մակերես, ապա դրան հարող մոլեկուլներն այլևս «ազատ» չեն զգում. ցանկալի ջրածնային կապեր ձևավորելու համար այդ մոլեկուլները պետք է կողմնորոշվեն խստորեն սահմանված ձևով՝ ձևավորելով «սառցե թաղանթ»: (Նկար 2 բ) հիդրոֆոբ օբյեկտի շուրջ: Այս հարկադիր կարգը բնութագրվում է նավթ-ջրային համակարգի էնտրոպիայի զգալի անկմամբ, ինչը ստիպում է հիդրոֆոբ մոլեկուլներին միավորվել միմյանց միջև, նվազեցնելով բևեռային միջավայրի հետ շփման տարածքը և, հետևաբար, էնտրոպիայի գործոնի անբարենպաստ նվազումը: Իրականում, հենց ջուրն է ստիպում յուղը միաձուլվել մեկ մեծ կաթիլի կամ կետի մեջ՝ իրականացնելով «հավանել դուր գալ» դիալեկտիկական սկզբունքը։
Բևեռային և ոչ բևեռային փուլերի այս փոխազդեցությունը կոչվում է հիդրոֆոբ ազդեցություն. Այս երևույթը հանգեցնում է նրան, որ լվացող միջոցի մոլեկուլները լուծույթում ձևավորում են միցելներ, իսկ լիպիդները՝ միաձույլ և երկշերտ: Վերջիններս կարող են փակվել իրենց վրա՝ բջիջը շրջապատող վեզիկուլների (լիպոսոմների) կամ կենսաբանական թաղանթների առաջացմամբ (նկ. 3)։ Հայտնաբերվել են նաև լիպիդային պոլիմորֆիզմի ավելի բարդ ձևեր, օրինակ խորանարդ լիպիդային փուլ, լայնորեն կիրառվում է թաղանթային սպիտակուցների կառուցվածքային ուսումնասիրություններում։
Նկար 3. Լիպիդային պոլիմորֆիզմ:Կախված մոլեկուլի ձևից և այլ հատկություններից, որոնք բնութագրում են գլխի և պոչի ասիմետրիկ կառուցվածքը, լիպիդները կազմում են տարբեր վերմոլեկուլային կառուցվածքներ։ Վերևից ներքև. 1 - մոլեկուլի հակադարձ կոնաձև ձևով ձևավորվում են դրական կորություն ունեցող կառույցներ (միկելներ և վեցանկյուն փուլ H I); 2 - գլանաձև ձևը տալիս է հարթ (շերտավոր) կառուցվածքներ, ինչպիսիք են երկշերտները. 3 - կոնաձև ձևով ձևավորվում են ինչպես շրջված վեցանկյուն (H II), այնպես էլ միցելային փուլեր:
«Խորը» հիդրոֆոբ էֆեկտի մեջ
Կենսաբանական մոլեկուլների դեպքում հիդրոֆոբ էֆեկտը հատուկ դեր է խաղում, քանի որ այն ձևավորում է կենսամեմբրաններ, առանց որոնց կյանքը անհնար է, ինչպես նաև որոշիչ (ամբողջ աշխատանքի մինչև 90%) ներդրում է կատարում սպիտակուցի մոլեկուլների, կողային ծալման գործում։ Ամինաթթուների մնացորդների շղթաները կարող են ունենալ տարբեր բնույթ՝ հիդրոֆոբ կամ հիդրոֆիլ: Նման տարբեր կազմավորումների առկայությունը մեկ գծային մոլեկուլում տալիս է ձևերի և գործառույթների ողջ բազմազանությունը, որը նկատվում է սպիտակուցներում:
Այնուամենայնիվ, ենթամոլեկուլային մասշտաբով հիդրոֆոբ էֆեկտը տարբեր կերպ է դրսևորվում, քան երկարացված ոչ բևեռային մակերեսի կամ յուղի մի ամբողջ գդալի դեպքում. ≈1 նմ); հակառակ դեպքում այն կկործանվի մոլեկուլների ջերմային շարժման արդյունքում: Մոլեկուլային դինամիկայի (MD) սիմուլյացիաները ցույց են տալիս տարբերություններ «մաքուր» ջրի կառուցվածքում և ջրի մոտ փոքր (<1 нм) и большой (>>1 նմ) հիդրոֆոբ մասնիկներ. Եթե առաջին երկու դեպքերում յուրաքանչյուրըջրի մոլեկուլը կարող է ձևավորել մինչև չորս ջրածնային կապ, սակայն մեծ հիդրոֆոբ մասնիկի դեպքում նման հնարավորություն չկա, և ջրի մոլեկուլները պետք է շարվեն այս մասնիկի շուրջ «սառցե պատյանում» (Նկար 2): բև 4).
Նկար 4. Ջրի մոլեկուլների տարբեր կոնֆիգուրացիաներ փոքր ( Ա) և մեծ ( բ) հիդրոֆոբ մասնիկներ(երկու դեպքում էլ ցույց է տրված կարմիր գնդիկներ) Ըստ MD տվյալների, 1 նմ-ից փոքր մասնիկները կարող են հեշտությամբ շրջապատվել ջրով` չսահմանափակելով դրա «ազատությունը» և ջրածնային կապեր ձևավորելու ունակությունը: Ավելի մեծ մասնիկների դեպքում ջրածնային կապ ստեղծելու համար սահմանային ջրի մոլեկուլը պետք է հատուկ կերպով կողմնորոշվի հիդրոֆոբ մակերեսի նկատմամբ, ինչը հանգեցնում է մի ամբողջ ջրային շերտի (կամ մի քանիսի) դասավորությանը և նվազմանը։ լուծիչի էնտրոպիայում։ Այս դեպքում ջրի մոլեկուլում ջրածնային կապերի միջին թիվը նվազում է մինչև երեքի։ Հետաքրքիր է, որ մասնիկի լուծողական էներգիայի կախվածության բնույթն այստեղ նույնպես փոխվում է. մինչև 1 նմ էներգիան կախված է մասնիկի ծավալից, իսկ այս շեմից բարձր՝ նրա մակերեսի մակերեսից։
Այս նույն «շեմի չափը» հաստատվել է նաև փորձի ժամանակ՝ որոշելու հիդրոֆոբ էֆեկտի ներդրումը պոլիմերային շղթայի ծալման մեջ՝ կախված մոնոմերի կողմնակի խմբի չափից և ջերմաստիճանից: Լուծման ազատ էներգիայի գրանցումն իրականացվել է ատոմային ուժային մանրադիտակի միջոցով, որը պոլիմերային մոլեկուլը մեկ-մեկ շղթա է «հանել»: Հետաքրքիր է, որ 1 նմ անջատման արժեքը մոտավորապես համընկնում է ամինաթթուների մնացորդների մեծ կողային շղթաների չափի հետ, որոնք որոշում են սպիտակուցի մոլեկուլի ծալումը:
Քանի որ հիդրոֆոբ էֆեկտը բնույթով էնտրոպիկ է, դրա դերը տարբեր գործընթացներում (այսինքն՝ ազատ էներգիայի ներդրումը) կախված է ջերմաստիճանից։ Հետաքրքիր է, որ այս ներդրումը առավելագույնն է հենց նորմալ պայմաններում՝ նույն ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում, որտեղ հիմնականում գոյություն ունի կյանքը: (Նույն պայմաններում հիմնական կենսաբանական լուծիչը՝ ջուրը, մոտ է հեղուկի և գոլորշու հավասարակշռությանը): Սա հանգեցնում է այն մտքին, որ կյանքը միտումնավոր «ընտրում է» գոյության պայմանները մոտ փուլային անցումներին և հավասարակշռության կետերին. այնպիսի թվացյալ «իներտ» իրերի, ինչպիսին են թաղանթների և սպիտակուցի մոլեկուլների կառուցվածքը, հատկապես հուսալի վերահսկողության և նուրբ հսկողության հնարավորությունը:
Վերջին տարիների հետազոտություններն ավելի են ընդգծել ջրի դերը ինչպես հիդրոֆոբ էֆեկտի, այնպես էլ միջմոլեկուլային ճանաչման մեջ (օրինակ, երբ ֆերմենտը կապում է իր ենթաշերտը կամ ընկալիչը կապում է իր ճանաչած լիգանտին): Սպիտակուցի ակտիվ կենտրոնում, որպես կանոն, կան «կապված» (և հետևաբար պատվիրված) ջրի մոլեկուլներ։ Երբ լիգանդը ներթափանցում է սպիտակուցի մակերեսի միացման վայր, ջուրը «ազատվում է», ինչը դրական ներդրում է ունենում էնտրոպիայի մեջ (նկ. 5); Այնուամենայնիվ, ազատ էներգիայի փոփոխության էթալպիական բաղադրիչը կարող է լինել կամ բացասական կամ դրական: Օգտագործելով կալորիմետրիկ տիտրումը և մոլեկուլային մոդելավորումը, հաստատվել է բազմաթիվ լիգանդների կարբոնահիդրազ ֆերմենտի հետ կապելու թերմոդինամիկական օրինաչափությունը, որոնք կառուցվածքով նման են, բայց տարբերվում են հիդրոֆոբ խմբերի չափսերով: Վերլուծությունը ցույց է տվել, որ էնթալպիայի և էնտրոպիայի ներդրումը Գիբսի ազատ էներգիայի մեջ յուրաքանչյուր դեպքում կարող է անհատական լինել, և հնարավոր չէ նախապես ասել, թե որ գործընթացն է որոշիչ դեր խաղալու։ Միայն բացարձակապես պարզ է, որ ջրի մոլեկուլների շերտերի կառուցվածքն ու դինամիկան, որոնք ամենամոտն են ակտիվ տեղանքին, միջմոլեկուլային ճանաչման մեջ խաղում են նույն կարևոր դերը, ինչ լիգանդի համապատասխանությունը ընկալիչին, ինչը բարդության նոր մակարդակ է մտցնում «դասական» Երկու մոլեկուլների փոխազդեցության մոդելներ «բանալի-կողպեք» տիպի կամ «ձեռնոց ձեռք»:
Հոմո- և հետերոպոլիմերների ծալումը կարելի է բաժանել մի քանի փուլերի (նկ. 6).
- Եթե դուք սկսեք երկարաձգված շղթայով, ապա առաջին փուլը կլինի էնտրոպիայի ծալում, որը թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի անմիջական հետևանքն է. ամբողջությամբ ուղղված պոլիպեպտիդային շղթան ունի զրոյական էնտրոպիա, որն ակնթարթորեն «ուղղվում» է վիճակագրական ուժերի կողմից, որոնք թելը վերածում են. «վիճակագրական գնդակ».
- Պատահական կծիկի ձևավորման մեջ հիդրոֆոբ կողային մնացորդները մոտեցվում են միմյանց տիեզերքում և ագրեգատվում հիդրոֆոբ էֆեկտի ազդեցության տակ: Սա հաստատվում է սպիտակուցային գնդիկների եռաչափ փաթեթավորման սկզբունքների դիտարկմամբ՝ ներսում կա հիդրոֆոբ մնացորդների «միջուկ», իսկ մոլեկուլի մակերեսին՝ բևեռային և լիցքավորված ամինաթթուների մնացորդներ։ Այս փուլում ստացված ձևը կոչվում է հալված գնդիկ.
- Կենսապոլիմերների դեպքում հարցը դրանով չի ավարտվում. տարածության մեջ մոտ մնացորդների միջև հատուկ փոխազդեցությունները փաթեթավորումն ավելի խիտ են դարձնում (ճիշտ է. գնդիկ) Այնուհետև ազատ էներգիան զգալի անկում է ապրում, և դա հաճախ համարվում է «լավ փաթեթավորված» կառուցվածքի չափանիշ:
Նկար 6. Հիդրոֆոբ փլուզման դերը երեք պոլիմերային շղթաների ծալման մեջ՝ բաղադրիչ մոնոմերների տարբեր հիդրոֆոբություններով. պտտման շառավիղը, որը ցույց է տալիս շղթայի փաթեթավորման կոմպակտությունը: 1) Ցանկացած գծային շղթա ամբողջությամբ ձգված վիճակից արագ շրջվում է վիճակագրական խճճվածություն. 2) Ոչ բևեռային կողային շղթաների տարածական մոտիկությունը հանգեցնում է կծիկի հիդրոֆոբ փլուզմանը և ձևավորմանը. հալված գնդիկ. 3) Սպիտակուցների դեպքում, էվոլյուցիոն ճանապարհով ընտրված հատուկ շփումները հարակից ամինաթթուների մնացորդների կողային շղթաների միջև (ինչպիսիք են ջրածնային կապերը կամ էլեկտրաստատիկ փոխազդեցությունները) հետագայում նվազեցնում են ազատ էներգիան և սպիտակուցը խտացնում: գլոբուլներ. Հիդրոֆոբ պոլիմերները չունեն նման փոխազդեցություններ և, հետևաբար, դրանց ծալումը դադարում է պատահական կծիկի փուլում:
Նախկինում համարվում էր, որ երրորդ փուլը ֆունկցիոնալ սպիտակուցի անփոխարինելի հատկանիշն է, սակայն վերջերս ավելի ու ավելի մեծ ուշադրություն է դարձվում այսպես կոչված. թերզարգացած սպիտակուցներ (ներքին խանգարված սպիտակուցներ), որոնք չունեն հստակ սահմանված տարածական ձև, և իրականում չկա կոնկրետ շփումների ձևավորման փուլ։ (Ի դեպ, դրանցում հիդրոֆոբ մնացորդների մասնաբաժինը զգալիորեն փոքր է գնդաձև սպիտակուցների համեմատ:) Թերևս դա նրանց թույլ է տալիս կենդանի բջիջում փոխազդել ոչ թե մեկ սպիտակուցի կամ լիգանդի, այլ տասնյակ կամ նույնիսկ հարյուրավոր կառուցվածքային տարբեր գործընկեր մոլեկուլների հետ: մասնակցելով բջջային պրոցեսների շատ նուրբ կարգավորմանը,
Հիդրոֆոբ էֆեկտը նաև որոշիչ դեր է խաղում թաղանթային սպիտակուցների (ՄՊ) ծալման գործում, որոնք կատարում են բազմաթիվ կենսական գործառույթներ՝ սկսած մոլեկուլների և իոնների տեղափոխումից մեմբրանի միջով մինչև բջիջների կողմից միմյանց ընդունելն ու ճանաչումը: Շնորհիվ այն բանի, որ դրանց մեծ մասը ընկղմված է թաղանթի հիդրոֆոբ երկշերտում, տրանսմեմբրանային (TM) տիրույթի կառուցվածքը զգալիորեն տարբերվում է լուծվող գնդիկավոր սպիտակուցների փաթեթավորումից. գտնվում է ոչ միայն սպիտակուցի ներսում (ինչպես գնդաձև սպիտակուցների դեպքում), այլև այն մակերեսի վրա, որտեղ սպիտակուցը շփվում է լիպիդային մոլեկուլների ածխաջրածնային շղթաների հետ։
Կարևոր է, որ հիդրոֆոբությունը ի հայտ գա մինչ այդինչպես կլինի սպիտակուցը իր աշխատավայրում (այսինքն՝ թաղանթում): Ռիբոսոմային սինթեզի ընթացքում ՄԲ-ները չեն մտնում ցիտոպլազմա, ինչպես գնդիկավոր սպիտակուցները, այլ translocon- բավականին բարդ մոլեկուլային մեքենա, որը կառուցված է ալիքի տեսքով և պատասխանատու է ինչպես սպիտակուցների սեկրեցիայի, այնպես էլ ՄԲ-ի մեմբրաններ հասցնելու համար: Պարզվեց, որ տրանսլոկոնը կարող է «զգալ» իր միջով անցած սպիտակուցի բեկորի հիդրոֆոբությունը և, հասնելով հիդրոֆոբության որոշակի շեմին, «թքում» է այս բեկորը ոչ թե «առաջ» (ալիքի միջով դեպի արտաբջջային տարածություն), այլ. «կողք» (ալիքի պատի միջով) - անմիջապես թաղանթի մեջ: Այսպիսով, բեկոր առ հատված, թաղանթային սպիտակուցները տեղադրվում են մեմբրանի մեջ, և հետևաբար Ն-ՄԲ-ի վերջը միշտ գտնվում է արտաբջջային շրջանում, և որտեղ կլինի այն Գ-վերջ - կախված է TM հատվածների քանակից:
Էնդոպլազմիկ ցանցի Sec61 տրանսլոկոնի վրա էլեգանտ փորձի ժամանակ ստեղծվել է «հիդրոֆոբության կենսաբանական սանդղակ», որը յուրաքանչյուր ամինաթթվի մնացորդի համար հատկացնում է հիդրոֆոբության հատուկ արժեք: Հետաքրքիր է, որ ընդհանուր առմամբ այս սանդղակը համընկնում է նախկինում հաստատված ֆիզիկաքիմիական սանդղակների հետ, ինչը թույլ է տալիս տրանսլոկոնին վերագրել հիդրոֆոբ փոխազդեցության սենսորի դերը:
Այսպիսով, բջիջը կարող է «չափել» հիդրոֆոբությունը՝ օգտագործելով տրանսլոկոն, և լաբորատորիայում այդ հատկությունը կարելի է մոտավորապես գնահատել ջրի հետ նրա փոխազդեցության բնույթով: Բայց հնարավո՞ր է տեսականորեն հաշվարկել հիդրոֆոբությունը և ներառել այս հաշվարկը գործնականում կարևոր խնդիրների մեջ։
Ինչպե՞ս տեսականորեն հաշվարկել հիդրոֆոբությունը:
Վերևում արդեն ասվեց, որ հիդրոֆոբ էֆեկտը իրականում թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի դեմքերից մեկն է, ուստի դրա ճշգրիտ հաշվարկը, հավանաբար, ավելի հեշտ չէ, քան ամբողջ համակարգը մոդելավորելը և ֆիզիկապես ճիշտ մակարդակում: Այլ կերպ ասած, «ջրոֆոբ փոխազդեցությունները» ոչ մի կերպ չեն կարող կրճատվել զույգական շփումների վրա, ինչպիսիք են երկու լիցքերի ձգումը կամ վանումը կամ ջրածնային կապի դոնորի և ընդունողի միջև փոխազդեցությունը: Միակ տեսականորեն ճիշտ ճանապարհը թերմոդինամիկական անսամբլներում հսկայական քանակությամբ միկրովիճակների վերլուծությունն է, ինչը գործնականում բավականին դժվար է անել։
Այնուամենայնիվ, մոլեկուլների հիդրոֆոբ և հիդրոֆիլ հատկությունների առնվազն մոտավոր գնահատումը դեռևս պահանջարկ ունի մոլեկուլային մոդելավորման և դրա կիրառման մեջ (օրինակ, կենսատեխնոլոգիական կամ արդյունաբերական): Սովորաբար, նրանք կենտրոնանում են այն բնութագրի վրա, որը նկարագրում է ամբողջ մոլեկուլի հիդրոֆոբությունը՝ բաշխման գործակիցը ( Պ, սկսած բաժանումայս նյութից ջրի (բևեռային փուլ) և ոչ բևեռային փուլի միջև (օրինակ՝ բենզոլ կամ n-օկտանոլ): Փաստն այն է, որ այս պարամետրը, ի տարբերություն բոլոր մյուս թերմոդինամիկական բնութագրերի, բավականին պարզ է փորձարարական չափման համար՝ որոշելով ուսումնասիրվող նյութի կոնցենտրացիան ջրի և ոչ բևեռային միջավայրում (որը, ինչպես հիշում ենք, գրեթե չեն խառնվում) և բաժանելով. մեկը մյուսով. Հիդրոֆոբության գործակիցը ընդունված է որպես այս գործակցի լոգարիթմ՝ լոգ Պ.
Այս գործակիցը կանխատեսելուն ուղղված են մի քանի էմպիրիկ մեթոդներ, որոնք հանգում են ճշգրիտ չափված տեղեկամատյանով նյութերի «ուսուցողական հավաքածուի» օգտագործմանը: Պորոշել մոլեկուլի առանձին բեկորների կամ նույնիսկ նրա առանձին ատոմների ներդրումը (հաշվի առնելով քիմիական միջավայրը), որպեսզի այնուհետև հաշվարկվի հիդրոֆոբությունը անհայտ մոլեկուլների համար՝ հիմնվելով հաշվարկված բեկորային կամ ատոմային հիդրոֆոբության հաստատունների վրա։ Փաստորեն, սա մոլեկուլի յուրաքանչյուր ատոմին «ջրոֆոբ լիցք» վերագրելու փորձ է, թեև պետք է նկատի ունենալ, որ դա ֆիզիկական իմաստ չունի: Ամփոփելով այս հաստատունները մոլեկուլի բոլոր ատոմների համար կստացվի լոգի ցանկալի արժեքը Պև տարածության կետերում էլեկտրաստատիկ ներուժի հաշվարկին նման մոտեցման օգտագործումը (φ ~ q/r) առաջացրել է մոլեկուլային հիդրոֆոբ ներուժի (MHP) մեթոդը, որն իրեն ապացուցել է մոլեկուլային մոդելավորման մեջ (նկ. 7): . PLATINUM ծրագիրը նվիրված է IHL-ի հաշվարկներին։
Նկար 7. Մոլեկուլային հիդրոֆոբ ներուժ (MHP): IHL մոտեցման իմաստը, որը թույլ է տալիս հաշվարկել հիդրոֆոբ/հիդրոֆիլ հատկությունների տարածական բաշխումը, էմպիրիկ համակարգ ստեղծելն է։ ատոմային հիդրոֆոբության հաստատուններ (զ i), տեխնիկապես նման է մասնակի գանձմանը: Այս հաստատունների գումարը բոլոր ատոմների վրա կտա հիդրոֆոբության գործակիցի լոգարիան Պ(Որտեղ Պ- նյութի բաշխման գործակիցը ջրի և օկտանոլի միջև) և «պոտենցիալի» հաշվարկը «ջրաֆոբ լիցքեր» կետային համակարգից՝ հաշվի առնելով տարածության թուլացումը (d(r) օրենքի համաձայն՝ հավասար է, օրինակ՝ 1/r) թույլ է տալիս պատկերացնել հիդրոֆոբության բաշխումը մոլեկուլային մակերեսների վրա։ Նկարը ցույց է տալիս էուկարիոտների պլազմային մեմբրանի հիմնական ֆոսֆոլիպիդի հիդրոֆոբ հատկությունները՝ պալմիտոյլոլեյլֆոսֆատիդիլքոլին:
MHP-ի հաշվարկը թույլ է տալիս գնահատել մոլեկուլի որոշակի հատվածի հիդրոֆոբության արդյունավետ արժեքը և հստակ պատկերացնել դրա մակերևույթի հիդրոֆոբ հատկությունները, և դա, իր հերթին, կարող է պատմել միջմոլեկուլային փոխազդեցության մեխանիզմների մասին և ցույց տալ ճանապարհը դեպի մոլեկուլների հատկությունների կամ դրանց փոխազդեցության ձևի նպատակային փոփոխություն: Այսպիսով, օգտագործելով կարճ α-պտուտակային հիդրոֆոբ հատկությունների տարածական քարտեզագրումը հակամանրէային պեպտիդներ(AMP) կարողացել է բացահայտել, որ այս մոլեկուլները բնութագրվում են ամֆիֆիլային բնույթով՝ երբ պարույրի մի կողմը ջրաֆոբ է, իսկ մյուսը՝ բևեռային և դրական լիցքավորված։ Այս մոտիվը հստակ տեսանելի է MGP «sweep» քարտեզների վրա՝ շեշտը դնելով թաղանթի հետ պեպտիդի փոխազդեցության մեխանիզմի և հակամանրէային գործողության վրա (նկ. 8): Նման քարտեզների օգնությամբ հնարավոր եղավ փոփոխել բնական AMP-ը լատարցին, ստեղծելով անալոգներ, որոնք ունեն բարձր հակաբակտերիալ ակտիվություն, սակայն չեն ոչնչացնում արյան կարմիր բջիջները և, հետևաբար, հանդիսանում են դեղամիջոցի պոտենցիալ նախատիպը (նկ. 8):
Նկար 8. Լատարցին 2ա (Ltc2a) հակամանրէային պեպտիդում օգտակար հատկությունների ձևավորում: Վերևի շարքը ձախՑուցադրված են Ltc2a-ի տարածական կառուցվածքը և հիդրոֆոբ հատկությունների բաշխումը (տես նկ. 7) նրա մակերեսի վրա։ ԿենտրոնումՑուցադրված է IHL-ի քարտեզ-«ավլում» գլանաձեւ կոորդինատներով (α; Z): Այն ցույց է տալիս հստակ ամֆիֆիլային օրինաչափություն, որը որոշում է պեպտիդի փոխազդեցությունը բջջային թաղանթի հետ: Վերևի տող աջցույց է տրված պեպտիդի ցիտոլիտիկ ակտիվությունը. այն բավականին արդյունավետ կերպով սպանում է ինչպես բակտերիաները («գրամ+», «գրամ–»), այնպես էլ կենդանական բջիջները («էրիթրոցիտներ») [սյունակ «wt»]:
Առաջադրանքը հետևյալն էր. պահպանելով հակամանրէային ակտիվությունը, վերացնել հեմոլիտիկ ակտիվությունը(այսինքն՝ ստեղծել մանրէասպան դեղամիջոցի նախատիպ): Ենթադրվում էր, որ MGP քարտեզի վրա հիդրոֆոբ «տեղի» բնույթը փոխելը այլ կերպ կփոխի փոխազդեցությունը բակտերիաների և էրիթրոցիտների թաղանթների հետ, և առաջադրանքը կարող է ավարտվել: Մենք փորձարկեցինք երեք պեպտիդներ, որոնց մեջ մտցվեցին կետային մուտացիաներ՝ Ile7→Gln, Phe10→Lys և Gly11→Leu: Հիդրոֆոբ օրինաչափության համապատասխան փոփոխությունները ներկայացված են քարտեզի երեք հատվածներում ներքեւում. Մուտանտներից մեկը՝ Ile7→Gln-ն ուներ ցանկալի ակտիվություն՝ բարձր մանրէասպան և ցածր հեմոլիտիկ:
Հաշվի առնելով բիոմոլեկուլների հիդրոֆոբ հատկությունները, օգտագործվում է նաև մոլեկուլային մոդելավորման այլ ոլորտներում, մասնավորապես, ամինաթթուների հաջորդականության մեջ տրանսմեմբրանային շրջանների դիրքը կանխատեսելիս կամ ընկալիչ-լիգանդ համալիրների տարածական կառուցվածքը պարզաբանելիս՝ հիմնված հիդրոֆոբ համապատասխանության սկզբունքի վրա: .
Չնայած հիդրոֆոբության երևույթի բարդ ֆիզիկական բնույթին, մոլեկուլային մոդելավորման ժամանակ դրա նույնիսկ շատ մակերեսային դիտարկումը կարող է օգտակար լինել: Վերոնշյալ օրինակից պարզ է դառնում, որ մոլեկուլների հատկությունների տարածական քարտեզագրումը, որը հաշվարկվում է MHP տեխնիկայի միջոցով, հնարավորություն է տալիս կապ հաստատել պեպտիդային մոլեկուլի կառուցվածքի և նրա գործունեության միջև, և դա քիմիկոսների վաղեմի երազանքն է։ , կենսաբաններ և դեղաբաններ։ Նման կապ գտնելու ունակությունը նշանակում է մոլեկուլներում պահանջվող հատկությունները ռացիոնալ ձևավորելու ունակություն, ինչը, իհարկե, պահանջված է հիմնարար հետազոտությունների, կենսատեխնոլոգիայի և բժշկության մեջ:
Եվ նորից մի խոսք ջրի մասին
Հիդրոֆոբ էֆեկտի ավելի մանրամասն դիտարկումը թույլ է տալիս հասկանալ, որ մենք իրականում խոսում ենք մեծ թվով մոլեկուլների վիճակագրական վարքի մասին, որը նկարագրված է թերմոդինամիկայի և վիճակագրական ֆիզիկայի օրենքներով: Բայց այստեղ ավելի հետաքրքիր է մեկ այլ բան՝ մենք ևս մեկ անգամ համոզվել ենք ջրի նման պարզ թվացող նյութի յուրահատկության մեջ։ Ջուրն ինքնին շատ զարմանալի հատկություններ ունի, բայց որպես կենսաբանական լուծիչ այն չունի հավասարը: Փոխազդելով այլ մոլեկուլների հետ՝ ջուրը փոխում է իր դինամիկան և կառուցվածքը՝ պատճառ դառնալով ամբողջ համակարգի փոփոխության։ Սա հենց այն է, ինչ մենք նկատում ենք, երբ ուսումնասիրում ենք ամֆիֆիլային մոլեկուլների ինքնակազմակերպումը երկշերտների և վեզիկուլների մեջ, ի վերջո, ջուրն է, որ «ստիպում» է նրանց հավաքվել նման բարդ ձևերի:
Ջրի դերը դժվար է գերագնահատել հիմնական կենսաբանական «մեքենաների»՝ սպիտակուցների կյանքում։ Նրանց ծալվելը գծային շղթայից խիտ գնդիկի մեջ, որի մեջ յուրաքանչյուր ատոմ գիտի իր տեղը, նույնպես ջրի արժանիք է։ Սա նշանակում է, որ ջուրը նույնպես արժանի է ամենակենսաբանական մոլեկուլներից մեկի կոչմանը, թեև ըստ քիմիական դասակարգման այն անօրգանական նյութ է։
Ջրահարսի մոլեկուլներ Հիդրոֆոբ խոնավացման ստորագրությունը մեկ պոլիմերում;
