Главная О сайте Диеты Заболевания Интересные факты
Задать вопрос врачу онлайн - здесь.

Гидрофобный эффект (гидрофобность)

Гидрофобность, гидрофобный эффект, hydrophobe (от древнегреческих P21,^8,`9,`1, «вода» и `6,a2,^6,_9,`2, – «страх, боязнь») – это наблюдаемая тенденция неполярных веществ [1] соединиться в водном растворе и исключить молекулы воды. Иными словами, гидрофобность – это свойство веществ, состоящих из неполярных молекул, формировать межмолекулярные агрегаты в водной среде, и, аналогичные этому эффекту, внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия.

На макроскопическом уровне, гидрофобный эффект наблюдается, когда при смешивании, масло и вода формируют отдельные слои, или когда вода собирается в капельки на гидрофобных поверхностях, например на поверхности воска.

На молекулярном уровне, гидрофобный эффект является важной силой, отвечающей за образование биологических структур, в частности, сворачивание белков, белок-белковые взаимодействия, образование мембранных липидов [2], структуру нуклеиновых кислот [3] и взаимодействие белков [4] с малыми молекулами.

Гидрофобными являются молекулы жиров, алканов, масел. Материалы с гидрофобными свойствами используются, в том числе для очистки воды от нефти, удаления разливов нефти и химических процессов разделения неполярных и полярных и веществ.

Не совсем корректно использовать определение «гидрофобный» в качестве синонима к термину «липофильный» («жиролюбивый»). Несмотря на то, что гидрофобные вещества действительно липофильны, однако среди них есть и исключения в виде фторопласта и силиконов.

Причины гидрофобного эффекта сегодня не до конца не известны. Согласно сольвофобной теории [5] обращенно-фазовой хроматографии [6], гидрофобный эффект вызывается потерей водородных связей и высокозатратной энтропией [7] формирования впадины молекулами растворителя вокруг неполярных молекул (данные затраты можно минимизировать, собирая неполярные молекулы вместе). То есть: гидрофобные взаимодействия, в основном, являются энтропийным эффектом, вызванным разрывом динамических водородных связей между молекулами жидкой воды вследствие растворения неполярного вещества.

Углеводородная цепь или подобная ей неполярная группа или молекула способна образовывать водородные связи с водой.

Включение в воду поверхности, не способной к образованию водородных связей, вызывает разрыв 3D-сети водородных связей между молекулами воды. Для минимизации разрыва такой сети, водородные связи между молекулами воды переориентируются тангенциально к неполярной поверхности, что приводит к образованию структурированной водной «клетки» (иными словами, сольватной оболочки [8]) вокруг этой поверхности.

Существуют аминокислоты (например валин и тирозин), у которых R-группы неполярны, и, следовательно, гидрофобны. Если полипептидная цепь [9] содержит значительное количество подобных групп, то в водной среде данная полипептидная цепь стремится свернуться таким образом, чтобы гидрофобные группы сблизились максимально плотно, вытолкнув воду.

Подвижность молекул воды, формирующих указанную «клетку», ограничено. В сольватной оболочке малых молекул, подвижность уменьшается на величины порядка 10% (при растворении Xe, при комнатной температуре, подвижность уменьшается на 30%). Если говорить о длинных неполярных молекулах – вращающаяся и поступательная подвижность молекул воды в сольватной оболочке может уменьшаться в 2-4 раза. Так, при температуре 25 ° C, характерное время вращения молекул воды возрастает с 2 до 4-8 пикосекунд, что приводит к значительному уменьшению трансляционной и вращательной энтропии молекул воды, что делает процесс растворения неполярных молекул невыгодным, то есть подобный процесс повышает энергию Гиббса [10]. Если же неполярные молекулы агрегируют, поверхность их контакта с молекулами воды уменьшается, что минимизирует данный эффект.


Примечания

Примечания и пояснения к статье «Гидрофобность (гидрофобный эффект)».

  • [1] Полярные вещества – это соединения, молекулы которых обладают электрическим дипольным моментом (молекулы неполярных веществ дипольного момента не имеют). Для полярных веществ, в сравнении с неполярными, характерны высокая диэлектрическая проницаемость (более 10 в жидкой фазе), повышенные температуры плавления и кипения.
  • [2] Мембранные липиды – это амфипатические (имеющие в своем составе расположенные с разных сторон участки с гидрофильными и гидрофобными свойствами) молекулы, самопроизвольно формирующие бислои, в большинстве животных клеток составляющие до 5О% массы плазматической мембраны. В клеточной мембране присутствуют липиды трех главных типов: фосфолипиды, холестерол и гликолипиды, все они являются амфипатическими молекулами с гидрофильным и гидрофобным концом.
  • [3] Нуклеиновая кислота – высокомолекулярное органическое соединение, образованное остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК) присутствуют в клетках всех живых организмов, выполняют функции по реализации, передаче и хранению наследственной информации.
  • [4] Белок, протеин – высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из альфа-аминокислот, объединенных через пептидные связи (образующиеся, когда аминогруппа одной аминокислоты и карбоксильная группа другой аминокислоты реагируют с выделением молекулы воды). Существуют две класса белков: простой белок, при гидролизе распадающийся исключительно на аминокислоты, и сложный белок (протеид, голопротеин, холопротеин, ), содержащий простетическую группу (кофактор), при гидролизе сложного белка, кроме аминокислот, освобождается небелковая часть либо продукты ее распада. Белки-ферменты ускоряют (катализируют) биохимические реакции, оказывая существенное влияние на процессы обмена веществ. Отдельные белки выполняют механические или структурные функции, образуя цитоскелет, сохраняющий форму клеток. Помимо прочего, белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле. Белки являются основой для создания мышечной ткани, клеток, тканей и органов у человека.
  • [5] Сольвофобная теория пытается объяснить взаимодействие между полярными растворителями и неполярными растворами.
  • [6] Обращенно-фазовая хроматография, обратно-фазовая хроматография, reversed-phase chromatography, RPC – вариант хроматографии, в котором стационарная фаза является неполярной. Наиболее популярным носителем в обращенно-фазовой хроматографии является силикагель с привитыми октадецильными цепями.
  • [7] Энтропия (от древнегреческого O52,_7,`4,`1,_9,`0,^3,^5, – «превращение, поворот») – в термодинамике – функция состояния термодинамической системы, определяющая меру необратимого рассеивания энергии. В широком смысле, энтропия означает меру неупорядоченности системы, чем меньше элементы системы подчинены порядку, тем выше энтропия.
  • [8] Сольватация – электростатическое взаимодействие между частицами (молекулами, ионами) растворенного вещества и растворителя. В водных растворах сольватация именуется гидратацией. Образующиеся в результате сольватации молекулярные агрегаты называются сольватами (в случае воды гидратами). Сольватация заключается в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя.
  • [9] Полипептидная цепь – это цепь, получающаяся при соединении различных аминокислот, включающая в себя участки, имеющие различную конформацию.
  • [10] Свободная энергия Гиббса – это величина, демонстрирующая изменение энергии в момент протекания химической реакции, дающая ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции. Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы.

При написании статьи о гидрофобности (гидрофобном эффекте) в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей Cell.com, ScienceDirect.com, Nature.com, ScienceDaily.com, Phyche.ac.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

  • Ивенс И., Скейлак Р. «Механика и термодинамика биологических мембран». Издательство «Мир», 1982 год, Москва,
  • Камкин А. Г., Киселева И. С. «Физиология и молекулярная биология мембран клеток. Высшее профессиональное образование». Издательство «Академия», 2008 год, Москва,
  • Кустов А. В. «Гидрофобные эффекты. Структурные, термодинамические, прикладные аспекты. Достижения последних лет». Издательство «Красанд», 2013 год, Москва.

Эффект гидрофобности

 

Оцените материал:
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
Loading...Loading...

Top