| 1. Будова молекули води. | ||
| Вода має полярну молекулу. Кисень як найбільш електронегативний атом відтягує він загальну з атомом водню електронну щільність себе і тому несе частковий негативний заряд; атоми водню, яких електронна щільність зміщена, несуть частковий позитивний заряд. Таким чином, молекула води єдиполь, тобто. має позитивно та негативно заряджені ділянки. (Модель справа об'ємна, її можна обертати за допомогою лівої натиснутої кнопки миші.) |
|
2. Водневі зв'язки.
3. Вода як розчинник. |
alt="Your browser understands the |
По відношенню до води всі практично речовини можна поділити на дві групи:
1. Гідрофільні(від грец. "філе" - любити, мають позитивну спорідненість до води
). Ці речовини мають полярну молекулу, що включає електронегативні атоми (кисень, азот, фосфор та ін.). В результаті окремі атоми таких молекул також набувають часткових зарядів і утворюють водневі зв'язки з молекулами води. Приклади: цукру, амінокислоти, органічні кислоти.
2. Гідрофобні(від грец. "фобос" - страх, мають негативну спорідненість до води
). Молекули таких речовин неполярні і не поєднуються з полярним розчинником, яким є вода, але добре розчиняються в органічних розчинниках, наприклад, в ефірі, і в жирах. Прикладом можуть бути лінійні та циклічні вуглеводні. в т.ч. бензол.
|
Запитання 2. Розгляньте уважно дві молекули праворуч. Як ви вважаєте, яка з цих молекул гідрофільна, а яка - гідрофобна? Чому ви так думаєте? Чи не впізнали Ви – що це за речовини? Серед органічних речовин зустрічаються також сполуки, одна частина молекули яких неполярна і виявляє гідрофобні властивості, а інша - полярна і, отже, гідрофільна. |
alt="Your browser understands the | alt="Your browser understands the | ||
| Такі речовини називаються амфіпатичними
. Молекула фосфотидилсерину(одного з фосфоліпідів плазматичної мембрани клітин, праворуч) може бути прикладом амфіпатичних сполук. Запитання 3.
Розгляньте уважно цю молекулу. Як Ви вважаєте, яка з її частин гідрофільна, а яка - гідрофобна? Розташуйте молекулу так, щоб це було максимально наочно, створіть графічний файл і в ньому позначте гідрофільні та гідрофобні ділянки молекули. 4. Вода як розчинник у живих організмах.
|
alt="Your browser understands the |
Крім того, із властивістю води як розчинника прямо пов'язана транспортна функція внутрішніх рідин як у багатоклітинних тварин (кров, лімфа, гемолімфа, цілемічна рідина), так і багатоклітинних рослин.
5. Вода як реагент.
Важливе значення води пов'язане також із її хімічними властивостями - як звичайної речовини, що вступає у хімічні реакції з іншими речовинами. Найбільш важливими є розщеплення води під дією світла ( фотоліз) у світловій фазі фотосинтезуучасть води як необхідного реагенту в реакціях розщеплення складних біополімерів (такі реакції не випадково називаються реакціями гідролізу
). І, навпаки, при реакціях утворення біополімерів, полімеризації відбувається виділення води.
Запитання 4.
Яку неточність у останній фразі виправив би хімік?
Гідрофільні речовини
Hydrophilic matters (substances)
Тверді речовини, що мають властивість змочуватися водою. Не змочуються маслянистими рідинами.
Короткий електронний довідник за основними нафтогазовими термінами із системою перехресних посилань. - М.: Російський державний університет нафти та газу ім. І. М. Губкіна. М.А. Мохов, Л.В. Ігревський, Є.С. Новик. 2004 .
Дивитись що таке "Гідрофільні речовини" в інших словниках:
Гідрофільні мазеві основи- Стиль цієї статті неенциклопедичний чи порушує норми російської мови. Статтю слід виправити згідно з стилістичними правилами Вікіпедії. Основна стаття: Мазові основи Гідрофільні мазеві основи мазеві основи, що застосовуються для … Вікіпедія
Гідрофільні- (Від гідро і філ) речовини, що «люблять воду», молекули яких електрополярні і легко з'єднуються з молекулами води. Протилежність гідрофобні («що не люблять воду») речовини … Початки сучасного природознавства
Ущільнюючі речовини- Високополімерні гідрофільні речовини, що використовуються для ущільнення рідких живильних середовищ. У середовищах для хемоорганотрофів як У.В. використовують агар і желатину, для аутотрофних організмів силікагел (див.). Найменше… … Словник мікробіології
Речовини, здатні накопичуватися (згущуватися) на поверхні зіткнення двох тіл, що називається поверхнею розділу фаз, або міжфазною поверхнею. На міжфазній поверхні П. а. в. утворюють шар підвищеної концентрації адсорбційний. Велика Радянська Енциклопедія
поверхнево-активні речовини (ПАР)- Речовини, здатні адсорбуватися на поверхні розділу фаз і викликати зниження поверхневого (міжфазного) натягу. Типові ПАР органічні сполуки, молекули яких містять ліофільні та ліофобні (зазвичай гідрофільні та ... Енциклопедичний словник з металургії
Поверхнево активні речовини- (a. surfactants; н. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; ф. substances tensio actives; і. surfac tantes), речовини з асиметричною мовляв. структурою, молекули яких мають дифільну будову, тобто. містять ліофільні та… … Геологічна енциклопедія
поверхнево активні речовини- ПАР Реч ва, здатні адсорбуватися на поверхні розділу фаз і викликати зниження поверхонь. (міжфазного) натягу. Типові ПАР - органіч. сполуки, молекули яких містять ліофільні і ліофобні (зазвичай гідрофільні і гідрофобні) ат … Довідник технічного перекладача
Surfactant species Речовини з асиметричною молекулярною структурою, молекули яких мають дифільну будову, тобто містять ліофільні та ліофобні (зазвичай гідрофільні полярні групи та гідрофобні радикали) атомні групи. Дифільна… … Нафтогазова мікроенциклопедія
Клітинні мембрани- Цей термін має й інші значення, див. Мембрана Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні та білі кульки відповідають гідрофільним «головкам» ліпідів, а приєднані до них лінії гідрофобним «хвостам». На малюнку… … Вікіпедія
Виборча проникність- Цей термін має й інші значення, див. Мембрана Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні та білі кульки відповідають гідрофільним «головкам» ліпідів, а приєднані до них лінії гідрофобним «хвостам». На малюнку показано… … Вікіпедія
Термін гідрофільність (похідне від давньогрецьких слів «вода» і «любов») є характеристикою інтенсивності взаємодії речовини з водою на молекулярному рівні, тобто здатність матеріалу посилено вбирати вологу, а також високу змочування води поверхнею речовини. Це поняття можна віднести і до твердих тіл, як властивість поверхні, і до окремих іонів, атомів, молекул та їх груп.
Гідрофільність характеризує величина зв'язку адсорбційної молекули води з молекулами речовини, при цьому утворюються сполуки, в яких кількість води розподіляється за значеннями енергії зв'язку.
Гідрофільність властива речовинам, що мають іонні кристалічні грати (гідрокси, оксиди, сульфати, силікати, глини, фосфати, скла та ін), що мають полярні групи -ОН, -NO 2 -СООН, та ін. Гідрофільність та гідрофобність- окремі випадки взаємодії речовин з розчинниками (ліофільність, ліофобність).
Гідрофобність можна розглядати як малий ступінь гідрофільності, тому що дія міжмолекулярних сил тяжіння завжди буде більш-менш присутня між молекулами будь-якого тіла та води. Гідрофільність та гідрофобність можна розрізнити по тому, як розтікається крапля води на тілі з гладкою поверхнею. Крапля розтечеться повністю на гідрофільній поверхні, і частково - на гідрофобній, при цьому на значення кута, що утворюється між поверхнею змочуваного матеріалу і краплі, впливає ступінь гідрофобності даного тіла. Гідрофільні є речовини, в яких сила молекулярних (іонних, атомних) взаємодій досить велика. Гідрофобними є метали, які позбавлені оксидних плівок, органічні сполуки, що мають вуглеводневі групи в молекулі (віски, жири, парафіни, частина пластмас), графіт, сірка та інші речовини, що володіють слабкою взаємодією на міжмолекулярному рівні.
Поняття гідрофільність та гідрофобність застосовуються як по відношенню до тіл та їх поверхонь, так і щодо одиничних молекул або окремих частин молекул. Наприклад, у молекулах поверхневих активних речовин знаходяться полярні (гідрофільні) та вуглеводневі (гідрофобні) сполуки. Гідрофільність поверхневої частини тіла здатна різко змінитись внаслідок адсорбції подібних речовин.
Гідрофілізація називають процес підвищення гідрофільності, а гідрофобізацією - процес її зниження. Ці явища мають велику значущість у косметичній промисловості, у текстильній технології для гідрофілізації тканин (волокон) для покращення якості прання, біління, фарбування тощо.
Гідрофільність у косметиці
Парфумерно-косметичною промисловістю виробляються гідрофільні креми та гелі, які захищають шкіру від забруднень, що не розчиняються водою. У складі таких продуктів знаходяться гідрофільні складові, що утворюють плівку, що запобігає проникненню водонерозчинних забруднюючих речовин у поверхневий шар шкірного покриву.
Гідрофільні креми виготовляються з емульсії, яка стабілізована відповідними емульгаторами або з основою вода-масло-вода, олія-вода. Крім того, до них можна віднести дисперсні колоїдні системи, в яких стабілізовані гідрофільні поверхнево-активні компоненти, які складаються з водно-диспергованих або водно-гліколевих змішаних розчинників жирних вищих кислот або спиртів.
Гідрогелі (гідрофільні гелі) готуються з основ, що складаються з води, змішаного неводного або гідрофільного розчинника (етиловий спирт, пропіленгліколь, гліцерин) та гідрофільного утворювача гелів (похідні целюлози, карбомери).
Гідрофільні властивості кремів та гелів:
· швидко і добре вбираються;
· живлять шкіру;
· Після їх застосування не залишається відчуття жирності;
· Очищають шкіру;
· Зміцнююче впливають на шкіру;
· Знижують дію негативних факторів зовнішнього середовища;
· Допомагають шкірі підтримувати природну здатність до регенерації.
Гідрофільні креми і гелі призначені, щоб захистити шкіру при роботі з маслами, що не змішуються з водою, мазутом, нафтою, фарбами, смолами, графітом, сажею, органічними розчинниками, охолоджувально-мастильними розчинами, будівельною піною та численними іншими слабоагресивними речовинами. Також вони незамінні при ремонті автомобіля, ремонті квартири, при будівництві, на дачі при роботі з добривами та землею.
Компанією «КоролівФарм» здійснюється виробництво різних типів парфумерно-косметичної продукції, у тому числі гідрофільних та гідрофобних кремів. Підприємство є контрактним виробником та здійснює всі стадії виробництва: розробку рецептур, сертифікацію, постановку на виробництво, серійний випуск продукції. Виробничий майданчик оснащений сучасним обладнанням.
Підприємство сертифіковане на відповідність вимогам
Лист лотоса, яким вода бігає, зібравшись у кульки, водовідштовхувальні поверхні та захисні склади для взуття, плаваючі в бульйоні кружки масла - все це приклади властивості молекул, званого гідрофобністю. Крім цього, гідрофобний ефектвідіграє важливу біологічну роль: згортання та правильна робота білкових молекул, формування біомембран, розпізнавання молекулами один одного також «запрограмовані» з використанням гідрофобних властивостей. Цікаво, що гідрофобний ефект не зводиться до «звичайних» фізичних взаємодій: за ним стоїть Другий закон термодинаміки та величина, яка називається ентропією.
Водобоязнь
Водобоязню, або гідрофобією(Від др.-грец. νδωρ - «вода» та φοβος - «страх») називають страх виникнення болісних ковтальних судом при спробі зробити ковток води, побачивши воду або будь-яку згадку про неї. Спостерігається за правця, істерії, сказу (та й саме сказ раніше називали саме цим словом).
Так ось, гідрофобність, Про яку піде мова, - це про властивості молекул, а не симптоми у людей.
Знайоме всім з дитинства вираз «як із гусака вода» показує, що гідрофобність- не таке вже небачене явище, як можна подумати за його назвою. Справді, ефект відштовхування води часто зустрічається навколо нас: досить подивитися на гусяче перо або лист лотоса. а), по яких крапелька води збігає, подібно до кульки ртуті по поверхні скла, не залишаючи за собою ніякого сліду. Класичні уявлення про гідрофобні поверхні говорять, що показником тут є крайовий кут змочування θ, який для поверхонь, що змочуються, менше прямого кута (90°), а для незмочуваних - більше за нього (рис. 1). б). Зокрема, для крапельки води на поверхні парафіну θ = 109°, а на поверхні гідрофобного відомого матеріалу - фторопласту - це буде 112°. У той же час «абсолютно» гідрофобна поверхня описувалася б кутом 180°, коли вода скочується з поверхні, ні секунди на ній не затримуючись.
То невже гусак гідрофобніший за фторопласт? Фактично так і є, але досягається це за рахунок невеликого хитрощі: поверхня пера гусака (як і листа лотоса) не рівна, а вкрита мікроскопічними пірамідками або волосками, що зменшує площу контакту з краплею і ефективну адгезію (рис. 1). в). На цьому ж принципі ґрунтуються супергідрофобніповерхні, що відштовхують воду практично ідеально (відео 1).
Малюнок 1. Аркуш лотоса: приклад гідрофобної поверхні. а - Гідрофобність фактично означає незмочуваністьколи вода скочується з поверхні повністю, не залишаючи вологих слідів. б - Визначення гідрофобної поверхні на основі крайового кута змочування θ: при θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - незмочується (гідрофобний). Ефект абсолютної гідрофобності (або супергідрофобності) досягається за рахунок мікроскопічних шорсткостей, що зменшують площу контакту краплі з поверхнею. в - Як улаштована поверхня лотоса: мікроскопічні шипики не дають краплям води змочити поверхню, і вони скочуються з листа. «Затекти» між шипиками крапля води теж не може, тому що в цьому масштабі поверхневий натяг вже не дає краплі дробитися на дрібніші.
Відео 1. Супергідрофобна поверхня.Мікромасштабна шорсткість поверхні ( див.Мал. 1 б) знижує ефективну площу контакту з краплею води, яка в цьому масштабі за рахунок поверхневого натягу поводиться подібно до пружного тіла.
Щоб зрозуміти, чомуодні речовини із задоволенням змочуються водою, а з гусака вона, як говорить прислів'я, скочується, потрібно опуститися на рівень окремих молекул і розглянути, як молекули взаємодіють між собою.
Гідрофобні молекули
З погляду хімічної будови гідрофобними(або, що те саме, неполярними) є молекули, що не містять хімічних груп, здатних утворювати з водою водневі зв'язки. Наприклад, це бензол та інші рідкі вуглеводні (що становлять бензину). Однак найцікавішими властивостями володіють амфіфільнімолекули, що містять як полярну, так і неполярну частини: це призводить до того, що вони утворюють у сумішах з водою досить складні структури: міцели, везикули, шари та складніші форми. Освіта всіх цих складних форм управляється гідрофобним ефектом.
Що цікаво, питання про молекулярну природу гідрофобності походить ще до Бенджаміна Франкліна, який у вільний від державних справ час досліджував розтікання оливкової олії по поверхні ставка. Площа плями від однієї ложки масла виходила весь час та сама - пів-акра, - а товщина фактично дорівнювала одній молекулі. Справа була в 1774 році, і хоча тоді уявлення про молекулярну природу речовин були ще вкрай туманні, загальна допитливість державних чоловіків була, як бачимо, не в приклад нинішньої. Так чи інакше, експеримент з олією започаткував дослідження мономолекулярних ліпідних плівок, з яких безсумнівно стало ясно: деякі молекули настільки «не люблять» воду, що не тільки не змішуються з нею, а й готові усуватися від води всіма можливими способами - наприклад, накопичуючись у вигляді шару завтовшки в одну молекулу (моношару) на межі води з повітрям. (Докладніше з дослідженнями ліпідних плівок можна ознайомитись у статті « Молекули-русалки » .)
Іншим важливим типом молекул-амфіфілів є мила, що повсюдно застосовуються в побуті та в народному господарстві. Принцип їхньої дії можна підкреслити навіть із рекламних роликів: неполярна частина молекул миючого засобу «злипається» з молекулами забруднювача (як правило, гідрофобними), а полярна частина активно взаємодіє з молекулами води. В результаті відбувається солюбілізація: бруд відривається від поверхні і полягає всередину молекул, що агрегують, мила, що виставляють полярні фрагменти «назовні» і ховають гідрофобні частини «всередину» .
Однак насолоджуватися товарними якостями кращих миючих засобів дозволяє нам ще важливішу якість амфіфільних молекул (а саме, ліпідів): вони служать оболонкою для всіх відомих форм життя, утворюючи мембрану клітин, під якою протікають усі життєві процеси ( див. « Ліпідний фундамент життя » ). Цей важливий факт говорить нам, що молекулярна природа гідрофобного ефекту - річ аж ніяк не пуста, але має фундаментальне значення для всієї біології, не кажучи вже про прикладні галузі.
Але при найближчому розгляді виявляється, що за «тяжіння» гідрофобних частинок одна до одної та «відштовхування» їх від води не відповідає жодна фундаментальна фізична взаємодія, на зразок гравітації чи електростатичних сил. Його природа криється у фізичному принципі, що накладає обмеження на напрямок перебігу більшості спонтанних процесів, - зокрема, в Другий початок термодинаміки.
Трохи термодинаміки
Термодинаміка - одна з перших наук, що перекинули містки між мікроскопічним світом атомів і молекул і "нашим", макроскопічним світом. Її народження пов'язується з вивченням роботи парових машин та ім'ям Нікола Карно (1796–1832), на честь якого названо термодинамічні цикли, що визначають кількість роботи, яку може зробити машина. Його справу продовжили Джоуль, Кельвін та Клаузіус, які підвели під цю спочатку суто практичну область потужну теоретичну базу.
Зусиллями цих вчених сформульовано основні закони, або початку, термодинаміки, що узагальнюють багатовіковий емпіричний досвід спостереження за тепловими процесами Перший початок говорить про збереження енергії ізольованої системи («закон збереження енергії»), а друге - про напрямок протікання мимовільних процесів. (Ще є нульовий і третій початок, але тут ми про них говорити не будемо.) З Другим початком нерозривно пов'язане поняття ентропії(S), яка здобула славу найзагадковішої термодинамічної величини. Спочатку формально визначена Клаузіусом як ставлення тепла, що повідомляється, до температури (ΔS = ΔQ/T), пізніше ентропія набула сенсу глобальної «заходи хаосу». З того часу ентропія стала основою сучасного формулювання Другого початку:
Мимовільні процеси в ізольованій системі супроводжуються зростанням ентропії.
Людвіг Больцман (1844-1906) пов'язав всю цю теплову «кухню» з рівнем складових речовина атомів, причому ще до того, як атомарна будова матерії стала загальновизнаною. Головним досягненням свого життя він вважав відкриття (1877) статистичної формули для обчислення ентропії: S = k × logW, де S - це ентропія, k - константа, названа пізніше Планком ім'ям самого Больцмана, а W - статистична вага стану (число мікростанів, яким реалізується це макростан). Незважаючи на поганий зір, він бачив значно глибше інших «вглиб» матерії: він першим відчув силу статистичного підходу до опису термодинамічних ансамбліві застосував його у молекулярній фізиці. Існує версія, що Больцман наклав на себе руки через нерозуміння сучасників, яких він кардинальним чином випередив. Згадана вище формула висічена на його надгробку на цвинтарі у Відні.
Незважаючи на всю таємничість поняття ентропії, сенс Другого закону досить простий: якщо система ізольована (тобто не обмінюється із зовнішнім світом ні речовиною, ні енергією), то вона прагнутиме стану. термодинамічної рівноваги, - такому макростану, що реалізується максимально можливим числом мікростанів (тобто має максимальну ентропію). Наприклад, чашка, що розбилася, ніколи знову не склеїться сама: початковий стан (ціла чашка) реалізується лише одним способом (S=0), а ось кінцеве (розколота чашка) - астрономічно великим числом способів (S>>0). Тому, на жаль, у глобальній перспективі всі чашки приречені. Поясненню Другого закону «для домогосподарок» присвячено чудову науково-популярну книгу Пітера Еткінса «Порядок і безлад у природі».
Гідрофобний ефект із погляду статистичної фізики
Отже, знаючи Другий закон, ми розуміємо, чому чашка чаю на столі обов'язково охолоне до кімнатної температури, але ніколи сама по собі не нагріється знову, відібравши тепло біля повітря в кухні. (Якщо ні - то треба обов'язково прочитати книгу Еткінса.) Але чи застосовні ті ж самі міркування для пояснення, наприклад, незмішування води та олії? Адже Другий закон прагне «все вирівняти», а вода з олією, навпаки, відмовляються розчинятися одна в одній (рис. 2). а).
2. Ілюстрація гідрофобного ефекту. а - Гідрофобний ефект (а по суті, Другий закон термодинаміки) змушує воду відштовхувати неполярні молекули (такі як масло) і зменшувати площу контакту з ними. Через це багато маленьких крапель олії у воді зрештою обов'язково зіллються разом і утворюють шар. б - Утворення впорядкованого («крижаного») шару молекул води поблизу гідрофобної поверхні необхідно, щоб молекули води могли формувати водневі зв'язки один з одним. Але це призводить до падіння ентропії, невигідного у зв'язку з Другим законом. в - Природна можливість збільшити ентропію - знизити площу контакту гідрофобних молекул з водою, що відбувається при агрегації кількох неполярних молекул між собою. У разі амфіфільних молекул з'являється самоорганізація та формування досить складних надмолекулярних структур, таких як міцели, бислои та везикули ( див.Мал. 3).
І справді, якщо розглядати лише олію, то здасться, що термодинаміка не працює: розчинення масляної плівки в товщі рідини явно збільшило б ентропію порівняно з моношаром. Але всі знають, що насправді відбувається все навпаки: навіть якщо воду з олією струсити, емульсія через якийсь час розпадеться, і олія знову утворює плівку, залишивши водну фазу.
Справа в тому, що вода в цьому прикладі - рівноправний учасник аналізованої системи, і її в жодному разі не можна забувати. Як відомо, властивості води (навіть її рідкий стан у нормальних умовах) обумовлені здатністю утворювати водневі зв'язки. Кожна молекула води може формувати до чотирьох зв'язків із «сусідками», але для цього вода повинна бути «у воді». У разі присутності у воді неполярної поверхні, що примикають до неї молекули перестають почуватися «вільно»: для того, щоб сформувати бажані водневі зв'язки, цим молекулам доводиться орієнтуватися строго певним чином, формуючи «кригу» оболонку (рис. 2). б) навколо гідрофобного об'єкта. Це вимушене впорядкування характерно суттєвим падінням ентропії системи масло-вода, що й змушує гідрофобні молекули агрегувати між собою, зменшуючи площу контакту з полярним середовищем, а отже, і невигідне зниження ентропійного фактора. Фактично, ця вода змушує масло зливатися в одну велику краплю або пляму, реалізуючи діалектичний принцип «подібне до подібного».
Така взаємодія полярної та неполярної фаз має назву гідрофобного ефекту. Це явище змушує молекули детергентів утворювати в розчині міцели, ліпіди - формувати моно-і бислои. Останні можуть замикатися на себе з утворенням бульбашок (ліпосом) або біологічних мембран, що оточують клітину (рис. 3). Знайдені і складніші форми ліпідного поліморфізму, наприклад кубічна ліпідна фаза, що широко використовується в структурних дослідженнях мембранних білків.
Рисунок 3. Ліпідний поліморфізм.Залежно від форми та інших властивостей молекули, що характеризують несиметричну будову голівки та хвоста, ліпіди утворюють різні надмолекулярні структури. Зверху вниз: 1 - при зворотній конічній формі молекули утворюються структури з позитивною кривизною (міцели та гексагональна фаза H I); 2 - циліндрична форма дає плоскі (ламелярні) структури, такі як бислои; 3 - при конічній формі утворюються і звернені гексагональна (H II) та міцелярна фази.
«Вглиб» гідрофобного ефекту
У разі біологічних молекул гідрофобний ефект відіграє особливу роль, оскільки він формує біомембрани, без яких неможливе життя, а також робить визначальний (до 90% усієї роботи) внесок у згортання білкових молекул, бічні ланцюги амінокислотних залишків яких можуть мати різну природу: гідрофобну або гідрофільну . Наявність таких різних сутностей у межах однієї лінійної молекули дає всю різноманітність форм і виконуваних функцій, що спостерігається у білків.
Однак у субмолекулярних масштабах гідрофобний ефект проявляється інакше, ніж у разі протяжної неполярної поверхні або цілої ложки олії: мабуть, кластер гідрофобних частинок буде стабільним, тільки якщо його розмір перевищує граничне значення (≈1 нм); інакше він буде зруйнований тепловим рухом молекул. Моделювання молекулярної динаміки (МД) показує відмінність у структурі «чистої» води та води поблизу невеликої (<1 нм) и большой (>>1 нм) гідрофобних частинок. Якщо у перших двох випадках кожнамолекула води може утворювати до чотирьох водневих зв'язків, то у разі великої гідрофобної частинки така можливість відсутня, і молекулам води доводиться шикуватися в «кригоподібну» оболонку навколо цієї частинки (рисунки 2 бта 4).
Рисунок 4. Різна конфігурація молекул води поблизу невеликої ( а) і великий ( б) гідрофобних частинок(в обох випадках зображені червоними сферами). За даними МД, частки розміром менше 1 нм можуть бути легко оточені водою без обмеження її «свободи» та здатності утворення водневих зв'язків. У разі більших частинок, щоб утворити водневий зв'язок, прикордонній молекулі води доводиться особливим чином орієнтуватися щодо гідрофобної поверхні, що призводить до впорядкування цілого водяного шару (або кількох) та зниження ентропії розчинника. При цьому середня кількість водневих зв'язків на молекулу води зменшується до трьох. Цікаво, що тут змінюється і характер залежності енергії сольватації частки від її розміру: до 1 нм енергія залежить від об'єму частинки, а вище від цього порога - від площі її поверхні.
Цей же «пороговий розмір» був підтверджений і в експерименті визначення вкладу гідрофобного ефекту в згортання полімерного ланцюжка в залежності від розміру бічної групи мономеру і температури. Реєстрація вільної енергії сольватації здійснювалася за допомогою атомно-силового мікроскопа, що «розплітав» полімерну молекулу по одній ланці за крок. Цікаво, що прикордонне значення 1 нм приблизно збігається з розміром великих бічних ланцюгів амінокислотних залишків, які визначають фолдинг молекули білка.
Оскільки гідрофобний ефект носить ентропійний характер, його роль різних процесах (тобто, внесок у вільну енергію) залежить від температури. Цікаво, що цей внесок максимальний саме в нормальних умовах - за тих же температур і тиску, при яких в основному існує життя. (У цих умовах і основний біологічний розчинник - вода - знаходиться поблизу рівноваги між рідиною і парою.) Це підштовхує до думки, що життя навмисно «вибирає» умови існування, близькі до фазових переходів і точок рівноваги: мабуть, це забезпечує можливість особливо надійного контролю та тонкого управління такими, здавалося б, «інертними» речами, як структура мембран та білкових молекул.
Дослідження останніх років ще сильніше підкреслюють роль води як у гідрофобному ефекті, так і в міжмолекулярному розпізнаванні (наприклад, при зв'язуванні ферментом свого субстрату або рецептором - ліганду, що їм розпізнається). У активному центрі білка, зазвичай, присутні «пов'язані» (отже, впорядковані) молекули води. При проникненні ліганду у сайт зв'язування лежить на поверхні білка вода «звільняється», що дає позитивний внесок у ентропію (рис. 5); проте ентальпійна компонента зміни вільної енергії може бути як негативною, так і позитивною. За допомогою калориметричного титрування та молекулярного моделювання була встановлена термодинамічна картина зв'язування ферментом карбоангідразою безлічі лігандів, подібних за структурою, але відрізняються за розміром гідрофобних груп. Аналіз показав, що внесок ентальпії та ентропії у вільну енергію Гіббса в кожному випадку може бути індивідуальним, і заздалегідь неможливо сказати, який процес відіграватиме вирішальну роль. Абсолютно точно зрозуміло лише, що структура та динаміка найближчих до активного сайту шарів молекул води відіграє в міжмолекулярному розпізнаванні таку ж важливу роль, як і відповідність ліганду рецептору, що привносить новий рівень складності у «класичні» моделі взаємодії двох молекул типу «ключ-замок». або «рука-рукавичка».
Згортання гомо- та гетерополімерів можна розділити на кілька стадій (рис. 6):
- Якщо починати з витягнутого ланцюжка, першою стадією буде ентропійне згортання, що є прямим наслідком Другого закону термодинаміки: повністю розпрямлений поліпептидний ланцюг має нульову ентропію, що миттєво «виправляється» статистичними силами, що перетворюють нитку «статистичний клубок».
- У конформації статистичного клубка гідрофобні бічні залишки виявляються зближені у просторі та агрегують під впливом гідрофобного ефекту. Це підтверджено спостереженням за принципами тривимірного пакування білкових глобул: усередині знаходиться «ядро» з гідрофобних залишків, а на поверхні молекули розташовуються полярні та заряджені амінокислотні залишки. Виходить на цій стадії форму називають розплавленою глобулою.
- У разі біополімерів цим справа не закінчується: специфічні взаємодії між зближеними в просторі залишками роблять упаковку ще щільнішою (справжня глобула). Вільна енергія при цьому зазнає суттєвого падіння, і це часто вважають критерієм «добре упакованої» структури.
Малюнок 6. Роль гідрофобного колапсу у згортанні трьох полімерних ланцюгів з різною гідрофобністю складових мономерів: гідрофобного полімеру, гідрофобно-гідрофільного кополімеру та глобулярного білка (зверху вниз) - відкладена вільна енергія в залежності від радіусу гірації. 1) Будь-яка лінійна ланцюжок з повністю розтягнутого стан швидко скручується в статистичний клубок. 2) Просторова близькість неполярних бічних ланцюгів призводить до гідрофобного колапсу клубка та утворення розплавленої глобули. 3) У разі білків еволюційно підібрані специфічні контакти між бічними ланцюгами зближених амінокислотних залишків (такі як водневі зв'язки або електростатичні взаємодії) додатково знижують вільну енергію та упаковують білок до щільної глобули. Гідрофобні полімери немає таких взаємодій, і тому їх згортання зупиняється на стадії статистичного клубка.
Раніше вважалося, що третя стадія є неодмінною ознакою функціонального білка, проте останнім часом все більше уваги приділяється так званим недоупорядкованим білкам (intrinsically disordered proteins), у яких відсутня чітко задана просторова форма, і немає стадії освіти специфічних контактів. (До речі, частка гідрофобних залишків у них суттєво менша в порівнянні з глобулярними білками.) Можливо, це дозволяє їм взаємодіяти в живій клітці не з одним білком або лігандом, а з десятками або навіть сотнями структурно різних молекул-партнерів, беручи участь у дуже тонкій регуляції клітинних процесів;
Визначальну роль гідрофобний ефект грає і у фолдингу мембранних білків (МБ), що виконують безліч життєво важливих функцій від транспорту молекул та іонів через мембрану до рецепції та розпізнавання клітинами один одного. У зв'язку з тим, що більша їх частина занурена в гідрофобний бішар мембрани, будова трансмембранного (ТМ) домену істотно відрізняється від упаковки розчинних глобулярних білків: ТМ-сегменти у них суттєво гідрофобніше, причому гідрофобні бічні ланцюги знаходяться не тільки всередині білка глобулярних білків), але і на поверхні, де білок контактує з вуглеводневими ланцюгами ліпідних молекул.
Важливо, що гідрофобність вступає у справу ще до тогоЯк білок виявиться на своєму робочому місці (тобто в мембрані). МБ у процесі рибосомального синтезу потрапляють не в цитоплазму, як глобулярні білки, а в транслокон- Досить складну молекулярну машину, побудовану у вигляді каналу і відповідає відразу і за секрецію білків, і за доставку МБ всередину мембран. Виявилося, що транслокон може «відчувати» гідрофобність білка, що пропускається через нього, і, при досягненні деякого порога гідрофобності, «випльовує» цей фрагмент не «вперед» (через канал у позаклітинний простір), а «вбік» (через стінку каналу) - прямо у мембрану. Так, фрагмент за фрагментом, мембранні білки вбудовуються в мембрану, і тому N-Кінець у МБ завжди знаходиться у позаклітинній області, а де буде C-Кінець - залежить від кількості ТМ-сегментів.
У витонченому експерименті на транслоконі Sec61 ендоплазматичного ретикулуму була встановлена «біологічна шкала гідрофобності», яка ставить кожному амінокислотному залишку у відповідність певне значення гідрофобності. Що цікаво, загалом ця шкала збігається з раніше встановленими фізико-хімічними шкалами, що дозволяє транслокону приписати роль сенсора гідрофобної взаємодії.
Отже, клітина може "вимірювати" гідрофобність за допомогою транслокону, а в лабораторії цю властивість можна грубо оцінити за характером взаємодії з водою. Але чи можна гідрофобність розрахувати теоретично та включити цей розрахунок у практично важливі завдання?
Як розрахувати гідрофобність теоретично?
Вище вже було сказано, що гідрофобний ефект є фактично одна з осіб Другого початку термодинаміки, так що розрахувати його акуратно, мабуть, не легше, ніж змоделювати всю систему цілком, причому на фізично коректному рівні. Іншими словами, «гідрофобні взаємодії» ні в якому разі не зводяться до парних контактів, таким як притягнення або відштовхування двох зарядів або взаємодія між донором і акцептором водневого зв'язку. Єдиний теоретично правильний шлях - аналіз величезної кількості мікростанів у термодинамічних ансамблях, що практично зробити досить складно.
Однак хоча б приблизна оцінка гідрофобних і гідрофільних властивостей молекул все ж таки затребувана в молекулярному моделюванні та його додатках (наприклад, біотехнологічних або індустріальних). Зазвичай тут орієнтуються на характеристику, що описує гідрофобність молекули повністю - коефіцієнт розподілу ( P, від partitioning) цієї речовини між водою (полярною фазою) і неполярною фазою (наприклад, бензолом або н-октанолом). Справа в тому, що цей параметр, на відміну від інших термодинамічних характеристик, досить просто поміряти експериментально, визначивши концентрацію речовини, що вивчається, у воді і неполярному середовищі (які, як ми пам'ятаємо, майже не змішуються) і розділивши одне на інше. За коефіцієнт гідрофобності приймають логарифм цього коефіцієнта - log P.
На передбачення цього коефіцієнта спрямовано кілька емпіричних методів, що зводяться до того, щоб на основі «навчального набору» речовин з точно виміряним log Pвизначити вклади окремих фрагментів молекули або навіть окремих її атомів (з огляду на хімічне оточення), щоб потім розрахувати гідрофобність для невідомих молекул на основі обчислених фрагментарних або атомних констант гідрофобності. Фактично це спроба зіставити кожному атому в молекулі «гідрофобний заряд», хоча треба мати на увазі, що це позбавлене фізичного сенсу. Підсумовування цих констант всім атомів у молекулі дасть шукане значення log P, А застосування підходу, аналогічного розрахунку електростатичного потенціалу в точках простору (φ ~ q/r), дало початок методу Молекулярного Гідрофобного Потенціалу, що зарекомендував себе в молекулярному моделюванні (МГП ; мал. 7). Розрахункам МГП присвячена програма PLATINUM.
Малюнок 7. Молекулярний гідрофобний потенціал (МГП).Сенс підходу МГП, що дозволяє розраховувати просторовий розподіл гідрофобних/гідрофільних властивостей, полягає у встановленні емпіричної системи атомних констант гідрофобності (f i), технічно аналогічних парціальним зарядам. Сума цих констант за всіма атомами дасть оцінку коефіцієнта гідрофобності log P(де P- коефіцієнт розподілу речовини між водою і октанолом), а обчислення «потенціалу» від системи точкових «гідрофобних зарядів» з урахуванням загасання в просторі (за законом d(r), що дорівнює, наприклад, 1/r) дозволяє уявити розподіл гідрофобності на молекулярній поверхні. На малюнку зображені гідрофобні властивості основного фосфоліпіду плазматичної мембрани еукаріотів - пальмитоилолеилфосфатидилхолина.
Розрахунок МГП дозволяє оцінити ефективне значення гідрофобності того чи іншого фрагмента молекули та наочно візуалізувати гідрофобні властивості її поверхні, а це, у свою чергу, може розповісти про механізми міжмолекулярної взаємодії та вказати шлях до спрямованої зміни властивостей молекул або способу їх взаємодії між собою. Так, за допомогою просторового картування гідрофобних властивостей коротких α-спіральних антимікробних пептидів(АМП) вдалося виявити, що цим молекулам властива амфіфільна природа – коли одна сторона спіралі гідрофобна, а інша – полярна та позитивно заряджена. Цей мотив добре помітний на картах-«розгортках» МГП, підкреслюючи механізм взаємодії пептиду з мембраною та антимікробної дії (рис. 8). За допомогою таких карток вдалося модифікувати природний АМП латарцин, створивши аналоги, які мають високу антибактеріальну активність, але не руйнують еритроцити, а, отже, є потенційним прототипом лікарського препарату (рис. 8).
Рисунок 8. Дизайн корисних властивостей в антимікробному пептиді латарцин 2a (Ltc2a). У верхньому ряду злівапоказано просторову будову Ltc2a та розподіл гідрофобних властивостей (див. рис. 7) на його поверхні. В центрінаведено карту-«розгортка» МГП в циліндричних координатах (α; Z). На ній помітний чіткий амфіфільний патерн, що визначає взаємодію пептиду з мембраною клітин. У верхньому ряду праворучпоказано цитолітичну активність пептиду: він досить ефективно вбиває як бактерії («грам+», «грам-»), так і клітини тварин («еритроцити») [стовпець «wt»].
Завдання стояло таке: зберігши антимікробну активність, усунути гемолітичну активність(тобто створити прототип бактерицидних ліків). Було зроблено припущення, що зміна характеру гідрофобної «плями» на карті МГП змінить взаємодію з мембранами бактерій та еритроцитів по-різному, і завдання вдасться виконати. Перевірили три пептиди, в які ввели точкові мутації: Ile7→Gln, Phe10→Lys та Gly11→Leu. Відповідні зміни гідрофобного патерну показані на трьох фрагментах карток внизу. Один мутант - Ile7→Gln - мав потрібні активності: високу бактерицидну і низьку гемолітичну.
Облік гідрофобних властивостей біомолекул знаходить застосування і в інших галузях молекулярного моделювання - зокрема, при передбаченні положення в амінокислотній послідовності трансмембранних ділянок або уточненні просторової структури комплексів рецептор-ліганду на основі принципу гідрофобної відповідності.
Незважаючи на складну фізичну природу феномена гідрофобності, навіть вельми поверхневий облік у молекулярному моделюванні може принести користь. З наведеного прикладу видно, що просторове картування властивостей молекул, розраховане за допомогою методики МГП дозволяє провести зв'язок між структурою молекули пептиду і його активністю, а це є давньою мрією хіміків, біологів і фармакологів. Уміння знаходити такий зв'язок означає можливість раціонально конструювати необхідні властивості в молекулах, що, безумовно, затребуване і в фундаментальних дослідженнях, і в біотехнологіях, і медицині.
І знову слово про воду
Пильний погляд на гідрофобний ефект дозволяє зрозуміти, що йдеться фактично про статистичну поведінку великої кількості молекул, яка описується законами термодинаміки та статистичної фізики. Але цікавіше тут інше - ми вкотре переконуємося в унікальності такої простої, начебто, речовини, як вода. Вода сама по собі має безліч дивовижних якостей, але в ролі біологічного розчинника вона не має собі рівних. Взаємодіючи коїться з іншими молекулами, вода змінює свою динаміку і структуру, змушуючи змінитися всю систему цілком. Саме це ми спостерігаємо, коли вивчаємо самоорганізацію амфіфільних молекул у бислои та везикули – адже саме вода «примушує» їх збиратися в такі складні форми.
Роль води важко переоцінити й у житті основних біологічних «машин» - білків. Їхнє згортання з лінійного ланцюжка в щільну глобулу, в якій кожен атом знає своє місце - теж заслуга води. А значить, вода заслуговує також на титул однієї з найбільш біологічних молекул, хоча за хімічною класифікацією це неорганічна речовина.
Молекули-русалки Signature of hydrophobic hydration in a single polymer ;
