Hidrofil anyagok. Hidrofil. Nézze meg, mik a „hidrofób anyagok” más szótárakban

165 fokos érintkezési szög vízzel a felületen plazmatechnológiával módosított Felületi kémiai rendszer. Az érintkezési szög piros szög plusz 90 fok.

Vízcseppek a fű hidrofób felületén

Term hidrofób az ógörög ὑδρόφοβος szóból származik, amely „a víz rettegése” szóból származik, amely a ὕδωρ „víz” és a φόβος „félelem” szavakból épül fel.

Kémiai háttér

A hidrofób kölcsönhatás elsősorban egy entropikus hatás, amely a vízmolekulák közötti rendkívül dinamikus hidrogénkötések felszakadásából ered, amikor egy folyékony, nem poláris oldott anyag klatrátszerű szerkezetet hoz létre a nempoláris molekulák körül. Ez a szerkezet rendezettebb, mint a szabad vízmolekulák, mivel a vízmolekula úgy pozicionálja magát, hogy a lehető legnagyobb mértékben kölcsönhatásba lépjen önmagával, és így magasabb entrópiaállapotot eredményez, ami a nem poláris molekulák csoportosulását okozza, hogy csökkentse a kitett felületet. vízhez és a rendszer entrópiájának csökkentéséhez. Így a 2 nem elegyedő fázis (hidrofil versus hidrofób) oly módon változik, hogy a megfelelő határfelületi területük minimális lesz. Ezt a hatást a fázisszétválasztásnak nevezett jelenségben lehet megjeleníteni.

Szuperhidrofóbitás

Csepp víz egy lótuszlevél növényen.

Szuperhidrofób olyan felületek, mint például a lótusz növény levelei, rendkívül nehezen nedvesíthetők. A vízcseppek érintkezési szöge meghaladja a 150°-ot. Ezt lótuszeffektusnak nevezik, és elsősorban a határfelületi feszültséghez kapcsolódó fizikai tulajdonság, nem pedig kémiai tulajdonság.

elmélet

1805-ben Thomas Young meghatározta az érintkezési szöget és thetas gázzal körülvett szilárd felületen a csepp nyugalmi állapotában lévő folyadékra ható erők elemzésével.

WENZEL megállapította, hogy amikor a folyadék közvetlenül érintkezik a mikroszerkezeti felülettel, θ -ra fog változni θ W*

cos ⁡ θ W * = r cos ⁡ θ (\displaystyle \cos (\theta)_(W)*=r\cos (\theta)\,)

Ahol R a tényleges terület és a tervezett terület arányát jelenti. A Wenzel-egyenlet azt mutatja, hogy a felület mikrostrukturálása fokozza a felület természetes hajlamát. A hidrofób felület (amelynek eredeti érintkezési szöge nagyobb, mint 90°) mikrostrukturálással hidrofóbabbá válik - új érintkezési szöge nagyobb lesz, mint az eredeti. Azonban egy hidrofil felület (amelynek eredeti érintkezési szöge kisebb, mint 90°) mikrostrukturálással hidrofilebbé válik - új érintkezési szöge kisebb lesz, mint az eredeti. Cassie és Baxter felfedezte, hogy ha folyadékot szuszpendálnak a mikrostruktúrák tetejére, θ &-re változik thetas CB*:

cos ⁡ θ CB * = φ (cos ⁡ θ + 1) - 1 (\displaystyle \cos (\theta)_(\text (CB))*=\varphi (\cos \theta +1)-1\, )

ahol φ a szilárd anyag folyadékkal érintkező területének hányada. A Cassie-Baxter államban lévő folyadék mozgékonyabb, mint Wenzel állapotban.

Megjósolhatjuk, hogy Wenzel vagy Cassie-Baxter állapotnak kell lennie, ha mindkét egyenletből kiszámítjuk az új érintkezési szöget. A szabadenergia argumentum minimalizálása esetén a kisebb új érintkezési szög által megjósolt arány a legvalószínűbb állapot. Matematikai értelemben a Cassie-Baxter állapot létezéséhez az egyenlőtlenségnek igaznak kell lennie.

cos ⁡ θ > φ - 1 r - φ (\displaystyle \\cos theta>(\frac (\varphi -1)(r-\varphi)))

A Cassie-Baxter állapotra vonatkozó közelmúltbeli alternatív kritérium szerint a Cassie-Baxter állapot akkor áll fenn, ha a következő 2 feltétel teljesül: 1) az erők érintkezési vonalai felülmúlják a csepp támaszték nélküli súlyának testerőit és 2) A mikrostruktúra elég magas ahhoz, hogy a mikrostruktúrákat áthidaló folyadék ne érjen hozzá a mikroszerkezet alapjához.

A Wenzel- és Cassie-Baxter-állapotok közötti váltás új kritériumát a közelmúltban fejlesztették ki a felületi érdesség és a felületi energia alapján. A kritérium a levegő azon képességére összpontosít, hogy egyenetlen felületeken felfogja a folyadékcseppeket, ami megmondhatja, hogy a Wenzel vagy a Cassie-Baxter modellt kell-e használni a felületi érdesség és az energia egy adott kombinációjához.

Az érintkezési szög a statikus hidrofóbicitás mértéke, az érintkezési szög hiszterézis és a csúszási szög pedig dinamikus mértékegység. Az érintkezési szög hiszterézis egy olyan jelenség, amely a felület heterogenitását jellemzi. Amikor egy pipetta folyadékot fecskendez szilárd anyagra, a folyadék bizonyos érintkezési szöget fog kialakítani. Ahogy a pipetta több folyadékot fecskendez be, a csepp térfogata megnő, az érintkezési szög nő, de a háromfázisú határa mozdulatlan marad, amíg hirtelen kifelé nem mozdul. A csepp érintkezési szögét közvetlenül azelőtt, hogy kifelé haladt volna, előrehaladási érintkezési szögnek nevezzük. A visszahúzódó érintkezési szöget most úgy mérik, hogy a folyadékot visszapumpálják a cseppből. A csepp térfogata csökken, az érintkezési szög csökken, de háromfázisú határa mozdulatlan marad, amíg hirtelen befelé nem húzódik. A csepp érintkezési szögét közvetlenül a befelé húzódás előtt nevezzük távolodó érintkezési szögnek. Az előrehaladó és visszahúzódó érintkezési szögek közötti különbséget érintkezési szög hiszterézisnek nevezzük, és a felület heterogenitásának, érdességének és mozgékonyságának jellemzésére használható. A nem homogén felületeken olyan tartományok vannak, amelyek akadályozzák az érintkezési vonal mozgását. A csúszási szög a dinamikus hidrofóbitás másik mértéke, és úgy mérjük, hogy egy cseppet helyezünk egy felületre, és addig döntjük a felületet, amíg a csepp el nem kezd csúszni. Általánosságban elmondható, hogy a Cassie-Baxter állapotú folyadékok alacsonyabb csúszási szöget és érintkezési szög hiszterézist mutatnak, mint a Wenzel állapotúak.

Kutatás és fejlesztés

Dettre és Johnson 1964-ben fedezte fel, hogy a szuperhidrofób lótuszeffektus jelensége durva hidrofób felületekhez kapcsolódik, és elméleti modellt dolgoztak ki, amely paraffinnal vagy TFE-telomerrel bevont üveggyöngyökkel végzett kísérleteken alapul. A szuperhidrofób mikro-nanostrukturált felületek öntisztító tulajdonságairól 1977-ben számoltak be. Perfluor-alkil-, perfluor-poliéter- és RF-plazmaformájú szuperhidrofób anyagokat fejlesztettek ki, használtak elektro-nedvesítésre, és 1986 és 1995 között kerültek kereskedelmi forgalomba orvosbiológiai alkalmazásokhoz. Más technológiák és alkalmazások is megjelentek. az 1990-es évek közepe óta. 2002-ben egy vagy két lépésben felvitt tartós szuperhidrofób hierarchikus kompozíciót tettek közzé, amely ≤ 100 nm nanoméretű részecskéket tartalmaz, és mikron méretű tulajdonságokkal rendelkező felületre vagy 100 µm-nél kisebb részecskéket tartalmaz. Megfigyelték, hogy a nagyobb részecskék megvédik a kis részecskéket a mechanikai kopástól.

Egy közelmúltban végzett tanulmányban szuperhidrofóbitásról számoltak be, amely lehetővé teszi az alkil-ketén-dimer (AKD) nanostrukturált fraktálfelületek megszilárdulását. Számos közlemény bemutatja a szuperhidrofób felületek előállítására szolgáló gyártási módszereket, beleértve a részecskeleválasztást, a szol-gél módszereket, a plazmafeldolgozást, a gőzleválasztást és az öntési technológiákat. A hatáskutatás jelenlegi lehetőségei elsősorban az alapkutatásban és a gyakorlati termelésben rejlenek. A közelmúltban vita alakult ki a Wenzel és a Cassie-Baxter modellek alkalmazhatóságáról. A Wenzel és Cassie-Baxter modell felületi energiaperspektívájának megkérdőjelezésére és az érintkezési vonal perspektívájának elősegítésére tervezett kísérletben vízcseppeket helyeztek el egy sima hidrofób helyen egy durva hidrofób területen, egy durva hidrofób helyen egy sima hidrofób területen. és egy hidrofil hely egy hidrofób régióban. A kísérletek kimutatták, hogy az érintkezési vonal felületi kémiáját és geometriáját befolyásolta az érintkezési szög és az érintkezési szög hiszterézis, de az érintkezési vonalon belüli felületnek nincs hatása. Felmerült az az érv is, hogy az érintkezési vonal egyenetlensége növeli a cseppek mobilitását.

Hidrofil és hidrofób anyagok... és megkaptam a legjobb választ

Mikhail[guru] válasza
A vízzel kapcsolatban gyakorlatilag minden anyag két csoportra osztható:
1. Hidrofil (a görög „phileo” szóból - szeretni, pozitív affinitást mutat a vízhez). Ezeknek az anyagoknak poláris molekulája van, beleértve az elektronegatív atomokat (oxigén, nitrogén, foszfor stb.). Ennek eredményeként az ilyen molekulák egyes atomjai is részleges töltéseket szereznek, és hidrogénkötéseket képeznek a vízmolekulákkal. Példák: cukrok, aminosavak, szerves savak.
2. Hidrofób (a görög „phobos” szóból - félelem, negatív affinitása a vízhez). Az ilyen anyagok molekulái nem polárisak, és nem keverednek poláris oldószerrel, például vízzel, de jól oldódnak szerves oldószerekben, például éterben és zsírokban. Ilyen például a lineáris és ciklikus szénhidrogének. ideértve a benzolt, valamint az oxidokat, hidroxidokokat, szilikátokat, szulfátokat, foszfátokat, agyagokat stb., -OH, -COOH, -NO2 stb. poláris csoporttal rendelkező anyagokat.
Szerves hidrofil anyagok:
Etil-higany-foszfát (C2H5Hg)3P04 - fehér kristályos anyag, olvadáspont. 178 °C. Vízben és hidrofil szerves oldószerekben jól oldódik, szénhidrogénekben és egyéb hidrofób oldószerekben kevésbé. Vízzel kristályos hidrátokat hoz létre, amelyek melegítéskor könnyen veszítenek vizet. Egy vízmentes gyógyszer nedves atmoszférában tárolva kristályos hidrátot képez egy molekula vízzel (olvadáspont: 110 °C).
Feyyl-mercurtriethanol ammónium-laktát (8) - fehér kristályos anyag, olvadáspont. 126 °C. Vízben és hidrofil szerves oldószerekben jól oldódik. LD50 30 mg/kg.
A legtöbb szerves anyag szénhidrogén gyökökkel, fémekkel, félvezetőkkel stb. rendelkezik hidrofób tulajdonsággal (rossz nedvesíthetőség) A hidrofób anyagok a termékek megvédésére szolgálnak a víz pusztító hatásaitól.

Válasz tőle 2 válasz[guru]

Helló! Íme egy válogatás a témakörökből, válaszokkal a kérdésére: Hidrofil és hidrofób anyagok...

Segíts a biológiában! Milyen anyagokat nevezünk hidrofilnek, hidrofóbnak? Adj rá példákat. (3-4 mondat.)
A víz kiváló oldószere olyan poláris anyagoknak, mint a sók, cukrok, alkoholok,

Állami szakmai felsőoktatási intézmény

Az Orosz Föderáció Egészségügyi Minisztériuma

(GBOU VPO NSMU Orosz Egészségügyi Minisztérium)

Orvosi Kémiai Tanszék

Esszé

HIDROFIL, HIDROFÓB, AMFIFIL ANYAGOK: A TERMÉSZETBEN ÉS AZ EMBERI TESTBEN.

(irodalmi áttekintés)

Elkészült:

Ellenőrizve:

Bevezetés

A víz az egyik legelterjedtebb anyag a Földön. A Föld felszínének nagy részét borítja. Szinte minden élőlény elsősorban vízből áll. Emberben a szervek és szövetek víztartalma 20%-tól (a csontszövetben) 85%-ig (agyban) változik. Az ember tömegének körülbelül 2/3-a víz, a medúza testében akár 95% víz, még a száraz növényi magvakban is 10-12%.

A víznek van néhány egyedi tulajdonsága. Ezek a tulajdonságok annyira fontosak az élő szervezetek számára, hogy lehetetlen elképzelni az életet e hidrogén és oxigén vegyület nélkül.

A vízzel kapcsolatban minden anyag két csoportra oszlik: hidrofil - „szerető víz” és hidrofób - „fél a víztől” (a görög „hydro” - vízből, „phileo” - szerelem és „phobos” - félelem). Ezen anyagok tulajdonságaival, valamint a természetben betöltött jelentőségükkel foglalkozunk munkánkban.

Hidrofil és hidrofób anyagok

A hidrofil anyagok (görögül "hydro" - víz, "phileo" - szerelem) olyan anyagok, amelyeknek a vízmolekulákhoz való vonzódásának energiája meghaladja a hidrogénkötések energiáját (a vízmolekulák közötti vonzás energiáját), ezért sok hidrofil anyag jól oldódik vízben .

A hidrofil anyagok intenzív kölcsönhatásba lépnek a vízmolekulákkal. A hidrofilitást az anyagok vízmolekulákkal való adszorpciós kötésének nagysága, a velük nem meghatározott vegyületek képződése, valamint a vízmennyiség kötési energiaértékek szerinti megoszlása ​​jellemzi. A hidrofilitást elsősorban az adszorpciós egyrétegű réteg kötési energiája határozza meg, mivel a következő rétegek sokkal gyengébbek az anyaghoz. A hidrofilitás kifejezhető a vízgőz adszorpciós hőjével vagy a nedvesítés hőjével, valamint az anyag egységnyi felületének nedvesítésével.

A hidrofób anyagok (görögül "hydro" - víz, "phobos" - félelem) olyan anyagok, amelyek molekuláinak vonzási energiája a vízmolekulákhoz kisebb, mint a vízmolekulák hidrogénkötéseinek energiája. A hidrofób anyagok közé tartoznak a zsírok, néhány szénhidrát (keményítő, glikogén, rost), nukleinsavak, ATP és a legtöbb vízben oldhatatlan fehérje.

Nincsenek abszolút hidrofób („víztaszító”) anyagok; még a leghidrofób - szénhidrogén és fluorkarbon - felületek is adszorbeálják a vizet. Ezért a hidrofóbicitást a hidrofilitás alacsony fokának tekintik.

G. és g., mint a felület vízzel (levegőben) való nedvesíthetősége, a q érintkezési szög értékével mérhető: hidrofil felületeknél<90° (для абсолютно гидрофильных поверхностей q=0); для гидрофобных поверхностей 90°< <180° (напр., для парафина 105°). На трёхфазной границе твёрдого тела с водой и углеводородной жидкостью при <90° (в водной фазе) поверхность олеофобна, т.е. не смачивается маслом, а при =180° - предельно олеофильна.

A hidrofil anyagok poláris vegyi anyagokat tartalmazó anyagok. kötések: halogenidek, oxidok és hidrátjaik, karbonátok, szulfátok, foszfátok, szilikátok és alumínium-szilikátok (agyagok, üvegek), valamint sejtmembránok. A tiszta fémfelületek, szén, félvezetők, gyengén poláros molekulákból álló anyagok, növényi levelek, állatbőr és a rovarok kitines borítója hidrofób. Minden poláris csoport, amely a felületaktív anyag molekulák részét képezi - felületaktív anyagok - COOH, -NH2, -SO3Na stb., hidrofil; a hozzájuk kapcsolódó szénhidrogén gyökök hidrofóbok.

Amfifil anyagok

Az amfifilitás olyan (általában szerves) anyagok molekuláinak tulajdonsága, amelyek hidrofil és hidrofób tulajdonságokkal is rendelkeznek. Az amfifil vegyületek molekulái hasonlóak az ebihalhoz: egy hosszú szénhidrogén-farokból (általában tíznél több CH2-csoportból áll), amely biztosítja a nem poláris közegben való oldhatóságot, és egy poláris fejből, amely a hidrofil tulajdonságokért felelős. Így az amfifil vegyületek egyszerre „szeretik” a vizet (vagyis hidrofilek) és a nem poláris oldószereket (hidrofób tulajdonságokat mutatnak).

A hidrofil csoport típusától függően megkülönböztetünk töltött kationos vagy anionos funkciós csoportot hordozó amfifil vegyületeket és töltés nélküli funkciós csoporttal rendelkező amfifil vegyületeket. Az ismert szerves vegyületek túlnyomó többsége egynél több töltésű funkciós csoportot hordoz. Ilyen anyagok például a makromolekuláris vegyületek - fehérjék, lipoproteinek, blokk-kopolimerek stb. A fehérjemolekulák harmadlagos szerkezetének jelenléte, amely funkcionális csoportok (poláris vagy nem poláris) egymással való intramolekuláris kölcsönhatásai eredményeként jön létre, önmagában is mutatja e vegyületek amfifil természetét.

Az amfifil vegyületek másik példája a gyógyszerek többsége, amelyek molekulái a célreceptorhoz való hatékony kötődéshez szükséges specifikus funkciós csoportokat egyesítik.

Az amfifil vegyületek különleges szerepet játszanak az élő természetben. Egyetlen állat vagy növény sem létezhet nélkülük. Amfifil molekulák alkotják a sejtmembránt, amely elválasztja az élő szervezetet az ellenséges külső környezettől. Ezek a molekulák alkotják a sejt belső organellumait, részt vesznek az osztódási folyamatban, és részt vesznek a környezettel való anyagcserében. Az amfifil molekulák táplálékul szolgálnak számunkra, és a szervezetünkben képződnek, részt vesznek a belső szabályozásban és az epesav körforgásában. Testünk több mint 10%-ban amfifil molekulákat tartalmaz. Éppen ezért a szintetikus felületaktív anyagok veszélyesek lehetnek az élő szervezetekre, és például feloldhatják a sejtmembránt, és elpusztulhatnak.

Következtetés

A természetben mindkét típusú anyag fontos. Sok bizonyítékot találhat arra, hogy szinte mindenhol megtalálhatók a hidrofób anyagok. Így a fémek, félvezetők tiszta felülete, valamint az állati bőr, a növényi levelek és a rovarok kitines borítása hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. A hidrofileket viszont az állatok és növények szervezetében a tápanyagok szállításában használják fel, az anyagcsere végtermékei pedig biológiai folyadékok oldataival is kiválasztódnak. A nem poláris anyagok nagy jelentőséggel bírnak a szelektív permeabilitással rendelkező sejtmembránok kialakításában. Éppen ezért ezek a tulajdonságok fontos szerepet játszanak a biológiai folyamatok lefolyásában. Az elmúlt években a tudósok olyan új hidrofób anyagokat fejlesztenek ki, amelyek segítségével megvédhetik a különféle anyagokat a nedvesedéstől és a szennyeződéstől, így akár öntisztuló felületeket is létrehozhatnak. Ruházat, fémtermékek, építőanyagok, autóüvegek – számos felhasználási terület létezik. A téma további tanulmányozása olyan multifób anyagok kifejlesztéséhez vezet, amelyek a foltálló felületek alapjává válnak. Az ilyen anyagok létrehozásával az emberek időt, pénzt és erőforrásokat takaríthatnak meg, és a tisztítószerek által okozott környezetszennyezés mértéke is csökkenthető. A további fejlesztések tehát mindenki hasznára válnak.

Bibliográfia

1. http://fb.ru/article/133638/chto-takoe-gidrofobnyie-veschestva

2.http://www.schoolhels.fi/ school/school_today/dostigeniya/2012_2013/ nanotexnologiya/page6.htm

3.http://pobiology.rf/ Biological-dictionary/G/265-Hydrophobic-substances

Hydrofáltalánosság (görög ὕδωρ - víz, víz és φόβος - phobos, félelem) - az anyag felületének azon képessége, hogy nem nedvesedik meg vízzel. A hidrofób anyag felületén lévő víz cseppekben gyűlik össze, amelyek nem hatolnak be a belsejébe.

A hidrofóbitás fizikája

A hidrofób fiziko-kémiai természete alapvető termodinamikai törvényekkel függ össze, különösen azzal a törekvéssel, hogy a rendszer minimális energiát érjen el azáltal, hogy energiát bocsát ki a környezetbe. A legtöbb embert nem érdeklik az ilyen összetett dolgok, ezért leegyszerűsítésként megjelent a hidrofób erők fogalma (bár ilyen erők fizikailag nem léteznek).

A gyakorlatban a hidrofób felületek létrehozásához nem poláris molekulákat használnak, amelyek „taszítják” a vizet. Hasonló folyamat figyelhető meg, amikor egy csepp folyékony olaj vízbe esik.

Jelenleg a szuperhidrofób jelenséget számos nanotechnológiai rendszerben alkalmazzák.

Hidrofóbitás és építőanyagok

A hidrofóbicitás hasznos tulajdonság egyes építőanyagoknál (cement, fóliák), megakadályozva a víz behatolását. A hőszigetelő anyagokat, például az ásványgyapotot gyakran speciális anyagokkal impregnálják, amelyek hidrofób mikrofilmet hoznak létre.

A hidrofób réteg megbízhatósága

A legtöbb oldószerrel és olajjal való érintkezés a hidrofóbitás elvesztését eredményezheti. Akkor is elvész, ha az anyag szennyeződik. A hidrofóbitás elvesztése után a felület áteresztővé válik.

Nem kell összetéveszteni a hidrofóbságot és a vízállóságot. Például a polietilén vízálló, ezért a belőle készült fólia még alkohollal megnedvesített vagy erősen szennyezett (de lyukak nélkül) nem engedi át a vizet. A felületi réteg hidrofób jellegén alapuló és a levegőt szabadon átengedő vízszigetelő fólia csak addig működik, amíg a külső réteg el nem veszíti hidrofóbságát, például a por mikroszemcséktől.

Egy lótuszlevél, amelyen víz fut, golyókban összegyűlik, vízlepergető felületek és cipővédő anyagok, lében úszó olajos bögrék – ezek mind példák a molekulák egy tulajdonságára, az ún. hidrofóbitás. Kívül, hidrofób hatás fontos biológiai szerepet tölt be: a fehérjemolekulák hajtogatását és megfelelő működését, a biomembránok képződését, a molekulák egymás általi felismerését is hidrofób tulajdonságok segítségével „programozzák”. Érdekes módon a hidrofób hatás nem redukálódik „hétköznapi” fizikai kölcsönhatásokra: mögötte ott áll a termodinamika második törvénye és egy mennyiség, az ún. entrópia.

Veszettség

Hidrofóbia, ill víziszony(az ógörögből. νδωρ - „víz” és φοβος - „félelem”): fájdalmas nyelési görcsöktől való félelem, amikor megpróbálunk inni egy korty vizet, a víz láttán vagy annak bármilyen említésétől. Tetanusz, hisztéria, veszettség esetén figyelhető meg (és magát a veszettséget korábban éppen ezzel a szóval nevezték).

Így, hidrofóbitás, amelyről szó lesz, a molekulák tulajdonságairól szól, nem pedig az emberek tüneteiről.

A „víz a kacsa hátáról”, amelyet mindenki gyermekkora óta ismer, ezt mutatja hidrofóbitás- nem olyan példátlan jelenség, mint ahogy a neve sugallja. Valójában a víz „taszító” hatása gyakran fellelhető körülöttünk: csak nézzünk meg egy libatollat ​​vagy lótuszlevelet (1. ábra). A), amelyen egy csepp víz folyik le, mint egy higanygömb az üveg felületén, nem hagyva maga után nyomot. A hidrofób felületekre vonatkozó klasszikus elképzelések szerint itt a mutató a θ érintkezési szög, amely nedves felületeknél kisebb, mint derékszög (90°), nem nedvesíthető felületeknél pedig nagyobb annál (1. ábra). b) . Különösen egy csepp víz esetében a paraffin felületén θ = 109°, és a leginkább hidrofób ismert anyag - fluoroplasztikus - felületén 112° lesz. Ugyanakkor egy „abszolút” hidrofób felület 180°-os szöggel írható le, amikor a víz egy másodpercre megállás nélkül legurul a felületről.

Tehát a liba valóban hidrofób, mint a fluoroplasztikus? Valójában ez igaz is, de ezt egy kis trükkel érik el: a libatoll (ahogy a lótuszlevél) felülete nem sima, hanem mikroszkopikus piramisokkal vagy szőrszálakkal borított, ami csökkenti a csepp érintkezési felületét. és hatékony adhézió (1. ábra V) . Ugyanezen elv alapján szuperhidrofób szinte tökéletesen víztaszító felületek (1. videó).

1. ábra Lótuszlevél: példa egy hidrofób felületre. A - A hidrofób valójában azt jelenti nem nedvesíthetőség amikor a víz teljesen legördül a felületről, nem hagy nedves nyomokat. b - Hidrofób felület meghatározása θ érintkezési szög alapján: θ-nél< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - nem nedvesíthető (hidrofób). Az abszolút hidrofób hatás (ill szuperhidrofóbitás) a mikroszkopikus érdesség miatt érhető el, amely csökkenti a csepp érintkezési területét a felülettel. V - Hogyan épül fel a lótusz felszíne: a mikroszkopikus tüskék megakadályozzák, hogy a vízcseppek megnedvesítsék a felületet, és legördülnek a levélről. Egy csepp víz sem tud „folyni” a tüskék között, mert ekkora léptéknél a felületi feszültség már nem engedi, hogy a csepp kisebbre hasadjon.

Videó 1. Szuperhidrofób felület. Mikroméretű felületi érdesség ( cm. rizs. 1 b) csökkenti az effektív érintkezési területet egy csepp vízzel, amely ezen a skálán a felületi feszültség miatt rugalmas testként viselkedik.

Megérteni Miért Egyes anyagokat boldogan megnedvesít a víz, de a víz legördül a kacsáról, ahogy a közmondás mondja. Le kell menni az egyes molekulák szintjére, és át kell gondolni, hogy a molekulák hogyan hatnak egymásra.

Hidrofób molekulák

A kémiai szerkezet szempontjából hidrofób(vagy mi ugyanaz, nem poláris) olyan molekulák, amelyek nem tartalmaznak olyan kémiai csoportokat, amelyek képesek hidrogénkötést létrehozni vízzel. Például ezek a benzol és más folyékony szénhidrogének (benzinkomponensek). A legérdekesebb tulajdonságok azonban rendelkeznek amfifil poláris és nem poláris részeket egyaránt tartalmazó molekulák: ez oda vezet, hogy vízzel keveredve meglehetősen összetett szerkezeteket alkotnak: micellákat, vezikulákat, rétegeket és összetettebb formákat. Mindezen összetett formák kialakulása ellenőrzött hidrofób hatás.

Érdekes módon a hidrofóbicitás molekuláris természetének kérdése Benjamin Franklinig nyúlik vissza, aki a kormányzati ügyektől szabad idejében az olívaolaj elterjedését tanulmányozta egy tó felszínén. Egy kanál olajból származó folt területe mindig ugyanaz volt - fél hektár -, és a vastagsága valójában egy molekula. Ez 1774-ben történt, és bár abban az időben az anyagok molekuláris természetéről alkotott elképzelések még rendkívül homályosak voltak, az államférfiak általános kíváncsisága, mint látjuk, nem volt olyan, mint ma. Az olajjal végzett kísérlet így vagy úgy, a monomolekuláris lipidfilmek tanulmányozásának kezdetét jelentette, amiből kétségtelenül kiderült: egyes molekulák annyira „utálják” a vizet, hogy nemhogy nem keverednek vele, de készen állnak a víz bejuttatására is. minden lehetséges módon megszabadulni a víztől - például egy molekula vastagságú (monorétegű) réteg formájában felhalmozva a víz és a levegő határfelületén. (A lipidfilmek vizsgálatáról bővebben a cikkben olvashat Sellő molekulák » .)

Az amfifil molekulák másik fontos típusa a szappanok, amelyeket széles körben használnak a mindennapi életben és a nemzetgazdaságban. Működésük elve akár a reklámokból is leszűrhető: a mosószer-molekulák nem poláris része szennyezőanyag-molekulákkal „megtapad” (általában hidrofób), a poláris rész pedig aktívan kölcsönhatásba lép a vízmolekulákkal. Ennek eredményeként megtörténik oldódás: a szennyeződés leválik a felületről, és az aggregáló szappanmolekulákba záródik, „kint” feltárva a poláris fragmentumokat, „belül” pedig elrejti a hidrofób részeket.

Ami azonban lehetővé teszi számunkra, hogy élvezzük a legjobb mosószerek kereskedelmi tulajdonságait, az az amfifil molekulák (nevezetesen a lipidek) még fontosabb tulajdonsága: ezek az élet minden ismert formájának héjaként szolgálnak, sejtmembránt képezve, amely alatt minden életfolyamat lezajlik. megtörténik ( cm. "Az élet lipid alapja"). Ez a fontos tény elárulja, hogy a hidrofób hatás molekuláris természete nem tétlen dolog, hanem alapvető fontosságú minden biológia számára, nem beszélve az alkalmazott iparágakról.

De alaposabban megvizsgálva kiderül, hogy semmilyen alapvető fizikai kölcsönhatás, mint például a gravitáció vagy az elektrosztatikus erők nem felelősek a hidrofób részecskék egymáshoz való „vonzásáért” és a víztől való „taszításáért”. Természete egy olyan fizikai elvben rejlik, amely korlátozza a legtöbb spontán folyamat irányát, nevezetesen a A termodinamika második főtétele.

Egy kis termodinamika

A termodinamika az egyik első olyan tudomány, amely hidat épített az atomok és molekulák mikroszkopikus világa és a „mi” makroszkopikus világ között. Születése a gőzgépek működésének tanulmányozásához és Nicolas Carnot (1796–1832) nevéhez fűződik, akiről a termodinamikai ciklusokat nevezték el, amelyek meghatározzák, hogy egy gép mekkora munkamennyiséget képes előállítani. Munkáját Joule, Kelvin és Clausius folytatta, akik erőteljes elméleti alapot hoztak erre a kezdetben tisztán gyakorlati területre.

E tudósok erőfeszítései révén az alaptörvények, ill elindult, termodinamika, amely a termikus folyamatok megfigyelésében szerzett több évszázados empirikus tapasztalatokat foglalja össze. Az első elv egy elszigetelt rendszer energiamegmaradásáról („az energia megmaradás törvénye”), a második pedig a spontán folyamatok irányáról beszél. (Vannak nulla és harmadik elvek is, de ezekről itt nem beszélünk.) A fogalma entrópia(S), amely a legtitokzatosabb termodinamikai mennyiségként szerzett hírnevet. Clausius kezdetben formálisan a rendszernek átadott hő és a hőmérséklet arányaként határozta meg (ΔS = ΔQ/T), később az entrópia a globális „káosz mértéke” jelentését nyerte el. Azóta az entrópia a második törvény modern megfogalmazásának alapja:

Egy elszigetelt rendszerben a spontán folyamatok az entrópia növekedésével járnak.

Ludwig Boltzmann (1844–1906) ezt az egész termikus „konyhát” összekapcsolta az anyagot alkotó atomok szintjével, még azelőtt, hogy az anyag atomi szerkezete általánosan elfogadott lett volna. Élete fő eredményének azt tartotta, hogy felfedezte (1877-ben) az entrópia számítására szolgáló statisztikai képletet: S = k × logW, ahol S entrópia, k egy állandó, amelyet később Planck magáról Boltzmannról nevez el, W pedig az állapot statisztikai súlya (a szám mikroállapotok, amely ezt megvalósítja makroállapot). Rossz látása ellenére másoknál lényegesen mélyebbre látott az anyag „mélyébe”: ő volt az első, aki megérezte a statisztikai megközelítés erejét a leírásban. termodinamikai együttesekés alkalmazta a molekuláris fizikára. Van egy olyan verzió, hogy Boltzmann öngyilkos lett kortársai félreértése miatt, akiket radikálisan megelőzött. A fent említett képlet a bécsi temetőben található sírkövén van faragva.

Az entrópia fogalmának minden rejtélye ellenére a második törvény jelentése meglehetősen egyszerű: ha egy rendszer elszigetelt (vagyis nem cserél sem anyagot, sem energiát a külvilággal), akkor az állapot felé hajlik. termodinamikai egyensúly, - olyan makroállapot, amely a lehető legnagyobb számú mikroállapottal valósul meg (más szóval, amelynek maximális entrópiája van). Például egy összetört csésze soha többé nem tapad össze újra: a kezdeti állapot (az egész csésze) csak egyféleképpen valósul meg (S=0), de a végső állapot (a törött csésze) csillagászatilag nagy számban valósul meg. módokon (S>>0). Ezért sajnos globális szempontból minden pohár kudarcra van ítélve. Peter Atkins csodálatos népszerű tudományos könyve, a Rend és rendetlenség a természetben címmel a második törvény magyarázatának szenteli a „háziasszonyok számára”.

Hidrofób hatás a statisztikus fizika szemszögéből

Tehát a második törvény ismeretében megértjük, hogy egy csésze tea az asztalon miért hűl le biztosan szobahőmérsékletűre, de soha többé nem melegszik fel magától, elvonva a hőt a konyha levegőjéből. (Ha nem, akkor feltétlenül olvassa el Atkins könyvét.) De ugyanez az érvelés vonatkozik például a víz és az olaj összekeverhetetlenségének magyarázatára? Hiszen a második törvény arra törekszik, hogy „mindent kiegyenlítsen”, a víz és az olaj pedig éppen ellenkezőleg, nem hajlandó feloldódni egymásban (2. ábra). A).

2. ábra A hidrofób hatás szemléltetése. A - A hidrofób hatás (alapvetően a termodinamika második törvénye) arra készteti a vizet, hogy a nem poláris molekulákat (például olajat) „taszítsa”, és csökkentse a velük való érintkezési területet. Emiatt a vízben lévő sok kis olajcsepp végül összeolvad és réteget képez. b - A vízmolekulák rendezett („jeges”) rétegének kialakítása a hidrofób felület közelében szükséges ahhoz, hogy a vízmolekulák hidrogénkötéseket tudjanak kialakítani egymással. Ez azonban az entrópia csökkenéséhez vezet, ami a Második Törvény kapcsán hátrányos. V - Az entrópia növelésének természetes lehetősége a hidrofób molekulák vízzel való érintkezési területének csökkentése, ami akkor következik be, amikor több nem poláris molekula aggregálódik. Az amfifil molekulák esetében megjelenik az önszerveződés és meglehetősen bonyolult szupramolekuláris struktúrák kialakulása, mint a micellák, kettős rétegek és vezikulák ( cm. rizs. 3).

Valóban, ha csak az olajat vesszük figyelembe, úgy tűnik, hogy a termodinamika nem működik: egy olajfilm feloldása egy folyadék vastagságában egyértelműen növelné az entrópiát az egyrétegű réteghez képest. De mindenki tudja, hogy valójában az ellenkezője történik: még ha vizet és olajat is rázunk, az emulzió egy idő után szétesik, és az olaj ismét filmréteget képez, elhagyva a vizes fázist.

A helyzet az, hogy ebben a példában a víz egyenrangú résztvevője a vizsgált rendszernek, és semmi esetre sem szabad figyelmen kívül hagyni. Mint ismeretes, a víz tulajdonságait (normál körülmények között még folyékony állapotát is) a hidrogénkötések kialakításának képessége határozza meg. Minden vízmolekula akár négy kötést is kialakíthat a „szomszédjaival”, de ahhoz, hogy ez megtörténjen, a víznek „a vízben” kell lennie. Ha van a vízben nem poláris felület, akkor a mellette lévő molekulák már nem érzik magukat „szabadnak”: a kívánt hidrogénkötések kialakításához ezeket a molekulákat szigorúan meghatározott módon kell orientálni, „jeges” burkot képezve. (2. ábra b) egy hidrofób tárgy körül. Ezt a kényszerített rendeződést az olaj-víz rendszer entrópiájának jelentős csökkenése jellemzi, ami a hidrofób molekulákat egymás közötti aggregációra kényszeríti, csökkentve a poláris környezettel való érintkezési területet, és ezáltal az entrópiafaktor kedvezőtlen csökkenését. Valójában a víz az, ami miatt az olaj egyetlen nagy cseppté vagy folttá egyesül, megvalósítva a „tetszik szeretni” dialektikus elvét.

A poláris és a nem poláris fázisok ezen kölcsönhatását ún hidrofób hatás. Ez a jelenség azt eredményezi, hogy a detergens molekulák oldatban micellákat, a lipidek pedig egy- és kettős rétegeket képeznek. Utóbbiak a sejtet körülvevő vezikulák (liposzómák) vagy biológiai membránok képződésével zárhatják magukba (3. ábra). A lipid polimorfizmus összetettebb formáit is megtalálták például köbös lipid fázis, széles körben használják a membránfehérjék szerkezeti vizsgálataiban.

3. ábra Lipid polimorfizmus. A molekula alakjától és egyéb tulajdonságaitól függően, a fej és a farok aszimmetrikus szerkezetére jellemző, a lipidek különböző szupramolekuláris struktúrákat alkotnak. Felülről lefelé: 1 - a molekula fordított kúpos alakjával pozitív görbületű struktúrák jönnek létre (micellák és a hexagonális fázis H I); 2 - a hengeres forma lapos (lamelláris) szerkezeteket, például kettős rétegeket ad; 3 - kúp alakú, fordított hatszögletű (H II) és micellás fázisok is kialakulnak.

„Mélyen” a hidrofób hatásba

A biológiai molekulák esetében kiemelt szerepe van a hidrofób hatásnak, hiszen biomembránokat képez, amelyek nélkül lehetetlen az élet, valamint döntően (az összes munka 90%-áig) hozzájárul a fehérjemolekulák feltekeredéséhez, az oldalsó aminosav-láncok, amelyek eltérő természetűek lehetnek: hidrofóbok vagy hidrofilek. Az ilyen különböző entitások jelenléte egy lineáris molekulán belül megadja a fehérjékben megfigyelhető formák és funkciók sokféleségét.

Szubmolekuláris léptékben azonban a hidrofób hatás másképp nyilvánul meg, mint egy kiterjesztett, nem poláris felület vagy egy egész kanál olaj esetében: úgy tűnik, a hidrofób részecskék klasztere csak akkor lesz stabil, ha mérete meghaladja a küszöbértéket ( ≈1 nm); különben a molekulák hőmozgása miatt elpusztul. A molekuláris dinamikai (MD) szimulációk különbségeket mutatnak a „tiszta” víz és a közeli víz szerkezetében.<1 нм) и большой (>>1 nm) hidrofób részecskék. Ha az első két esetben minden egyes egy vízmolekula akár négy hidrogénkötést is kialakíthat, de nagy hidrofób részecske esetén erre nincs lehetőség, és a vízmolekuláknak egy „jeges” héjban kell felsorakozniuk e részecske körül (2. ábra). bés 4).

4. ábra Vízmolekulák különböző konfigurációi egy kis ( A) és nagy ( b) hidrofób részecskék(mindkét esetben látható vörös gömbök). Az MD adatok szerint az 1 nm-nél kisebb részecskéket könnyen körül lehet venni vízzel, anélkül, hogy korlátoznák „szabadságát” és a hidrogénkötések kialakításának képességét. Nagyobb részecskék esetén a hidrogénkötés kialakításához a határvízmolekulát speciálisan kell orientálni a hidrofób felülethez képest, ami egy teljes (vagy több) vízréteg rendeződéséhez és csökkenéséhez vezet. az oldószer entrópiájában. Ebben az esetben a hidrogénkötések átlagos száma vízmolekulánként háromra csökken. Érdekes, hogy a részecske szolvatációs energiájának a méretétől való függésének jellege itt is megváltozik: 1 nm-ig az energia a részecske térfogatától, e küszöbérték felett pedig a felületétől függ.

Ugyanezt a „küszöbméretet” egy kísérletben is megerősítették, hogy meghatározzák a hidrofób hatásnak a polimer lánc feltekeredéséhez való hozzájárulását a monomer oldalcsoport méretétől és a hőmérséklettől függően. A szolvatáció szabad energiájának regisztrálása atomerő-mikroszkóppal történt, amely egy-egy láncszemet „bontotta” a polimer molekulát. Érdekes módon az 1 nm-es küszöbérték megközelítőleg egybeesik az aminosavak nagy oldalláncainak méretével, amelyek meghatározzák a fehérjemolekula feltekeredését.

Mivel a hidrofób hatás entrópiás jellegű, szerepe a különböző folyamatokban (vagyis a szabad energiához való hozzájárulása) a hőmérséklettől függ. Érdekes, hogy ez a hozzájárulás pontosan normál körülmények között a maximális - ugyanazon a hőmérsékleten és nyomáson, amelyen az élet főként létezik. (Ugyanakkor a fő biológiai oldószer - a víz - közel van a folyadék és a gőz közötti egyensúlyhoz.) Ez ahhoz a gondolathoz vezet, hogy az élet szándékosan „választja ki” a létfeltételeket a fázisátalakulások és egyensúlyi pontok közelében: láthatóan ez biztosítja az olyan látszólag „inert” dolgok különösen megbízható ellenőrzésének és finom szabályozásának lehetősége, mint a membránok és fehérjemolekulák szerkezete.

Az elmúlt évek kutatásai tovább hangsúlyozták a víz szerepét mind a hidrofób hatásban, mind az intermolekuláris felismerésben (például amikor egy enzim megköti a szubsztrátját, vagy egy receptor köti meg az általa felismert ligandumot). A fehérje aktív központjában általában „kötött” (és ezért rendezett) vízmolekulák találhatók. Amikor a ligandum behatol a kötőhelybe a fehérje felszínén, víz „felszabadul”, ami pozitívan járul hozzá az entrópiához (5. ábra); azonban a szabadenergia-változás entalpiakomponense lehet negatív vagy pozitív. Kalorimetriás titrálással és molekuláris modellezéssel számos, hasonló szerkezetű, de a hidrofób csoportok méretében eltérő ligandum karbonsavanhidráz enzim általi kötésének termodinamikai mintázatát határoztuk meg. Az elemzés kimutatta, hogy az entalpia és entrópia hozzájárulása a Gibbs-szabadenergiához minden esetben egyedi lehet, és nem lehet előre megmondani, hogy melyik folyamat játszik majd döntő szerepet. Teljesen világos, hogy az aktív helyhez legközelebb eső vízmolekulák rétegeinek szerkezete és dinamikája ugyanolyan fontos szerepet játszik az intermolekuláris felismerésben, mint a ligandum és a receptor megfeleltetése, ami új komplexitást hoz a „klasszikus ” két „kulcszár” vagy „kesztyűkéz” típusú molekula kölcsönhatásának modelljei.

A homo- és heteropolimerek hajtogatása több szakaszra osztható (6. ábra):

1. Ha hosszúkás lánccal kezdi, az első szakasz az lesz entrópia hajtogatás, ami a termodinamika második törvényének egyenes következménye: a teljesen kiegyenesedett polipeptidlánc nulla entrópiával rendelkezik, amit azonnal „korrigálnak” a statisztikai erők, amelyek a fonalat alakítják. "statisztikai labda".
2. A véletlenszerű tekercs konformációban a hidrofób oldalmaradékok térben közelebb kerülnek egymáshoz, és a hidrofób hatás hatására aggregálódnak. Ezt megerősíti a fehérjegömbök háromdimenziós csomagolásának elveinek megfigyelése is: belsejében egy hidrofób maradékokból álló „mag”, a molekula felületén pedig poláris és töltött aminosavak találhatók. Az ebben a szakaszban kapott formát ún olvadt gömböcske.
3. A biopolimerek esetében a dolog nem ér véget: a térben közel lévő maradékok közötti specifikus kölcsönhatások még sűrűbbé teszik a csomagolást (igaz gömböcske). A szabad energia ekkor jelentős csökkenést tapasztal, és ezt gyakran a „jól csomagolt” szerkezet kritériumának tekintik.

6. ábra: A hidrofób összeomlás szerepe három polimer lánc felhajtásában, amelyekben az alkotó monomerek eltérő hidrofób tulajdonságúak: egy hidrofób polimer, egy hidrofób-hidrofil kopolimer és egy globuláris fehérje (fentről lefelé) - a szabad energia függvényként ábrázolva a forgási sugár, ami a lánctömítés tömörségét jelzi. 1) Bármilyen lineáris lánc teljesen megfeszített állapotból gyorsan becsavarodik statisztikai gubanc. 2) A nem poláris oldalláncok térbeli közelsége a tekercs hidrofób összeomlásához és kialakulásához vezet. olvadt gömböcske. 3) A fehérjék esetében az evolúciósan kiválasztott specifikus érintkezések a szomszédos aminosavak oldalláncai között (például hidrogénkötések vagy elektrosztatikus kölcsönhatások) tovább csökkentik a szabad energiát, és a fehérjét egy sűrűbe tömörítik. gömböcskék. A hidrofób polimerek nem rendelkeznek ilyen kölcsönhatásokkal, ezért hajtogatása megáll a véletlenszerű tekercs szakaszában.

Korábban úgy vélték, hogy a harmadik szakasz egy funkcionális fehérje nélkülözhetetlen tulajdonsága, de az utóbbi időben egyre nagyobb figyelmet fordítanak az ún. alulrendezett fehérjék (belsőleg rendezetlen fehérjék), amelyeknek nincs egyértelműen meghatározott térbeli formájuk, és valójában nincs is konkrét kapcsolatok kialakításának szakasza. (Egyébként a hidrofób maradékok aránya bennük lényegesen kisebb a globuláris fehérjékhez képest.) Talán ez teszi lehetővé, hogy egy élő sejtben ne egy fehérjével vagy ligandummal léphessenek kölcsönhatásba, hanem több tíz vagy akár száz szerkezetileg eltérő partnermolekulával, részt vesz a sejtfolyamatok nagyon finom szabályozásában.

A hidrofób hatás döntő szerepet játszik a membránfehérjék (MP-k) feltekeredésében is, amelyek számos létfontosságú funkciót látnak el a molekulák és ionok membránon keresztüli szállításától a sejtek egymás fogadásáig és felismeréséig. Tekintettel arra, hogy többségük a membrán hidrofób kettősrétegébe merül, a transzmembrán (TM) domén szerkezete jelentősen eltér az oldható globuláris fehérjék csomagolásától: TM szegmenseik lényegesen hidrofóbabbak, a hidrofób oldalláncok pedig nemcsak a fehérje belsejében található (mint a globuláris fehérjék esetében), hanem azon a felületen is, ahol a fehérje érintkezésbe kerül a lipidmolekulák szénhidrogén láncaival.

Fontos, hogy a hidrofóbság is szóba kerüljön azelőtt hogyan kerül a fehérje a munkahelyére (vagyis a membránba). A riboszóma szintézis során az MB-k nem jutnak be a citoplazmába, mint a globuláris fehérjék, hanem transzlokon- egy meglehetősen összetett molekuláris gépezet, amely csatorna formájában épül fel, és felelős mind a fehérjék szekréciójáért, mind az MB membránokba juttatásáért. Kiderült, hogy a transzlokon „érzi” egy rajta áthaladó fehérjefragmens hidrofóbságát, és egy bizonyos hidrofób küszöb elérésekor ezt a fragmentumot nem „előre” (a csatornán keresztül az extracelluláris térbe) „kiköpi”, hanem „oldalra” (a csatorna falán keresztül) - közvetlenül a membránba. Tehát fragmensenként a membránfehérjék bekerülnek a membránba, és ezért N-az MB vége mindig az extracelluláris régióban van, és hol lesz C-end - a TM szegmensek számától függ.

Az endoplazmatikus retikulum Sec61 transzlokonján végzett elegáns kísérlet során létrehoztak egy „biológiai hidrofób skálát”, amely minden aminosavhoz specifikus hidrofób értéket rendel. Érdekes módon ez a skála általánosságban egybeesik a korábban megállapított fizikai-kémiai skálákkal, ami lehetővé teszi, hogy a transzlokon a hidrofób kölcsönhatás érzékelőjének szerepét rendeljék hozzá.

Tehát egy sejt képes „mérni” a hidrofóbicitást egy transzlokon segítségével, és a laboratóriumban ez a tulajdonság hozzávetőlegesen megbecsülhető a vízzel való kölcsönhatás természete alapján. De lehetséges-e elméletileg kiszámítani a hidrofóbicitást, és beépíteni ezt a számítást a gyakorlatban fontos problémákba?

Hogyan lehet elméletileg kiszámítani a hidrofóbicitást?

Fentebb már elhangzott, hogy a hidrofób hatás valójában a termodinamika második törvényének egyik arca, így pontos kiszámítása talán nem egyszerűbb, mint a teljes rendszer modellezése, fizikailag megfelelő szinten. Más szavakkal, a „hidrofób kölcsönhatások” semmiképpen nem redukálhatók páronkénti érintkezésre, mint például két töltés vonzása vagy taszítása, vagy a hidrogénkötés donor és akceptor közötti kölcsönhatás. Az egyetlen elméletileg helyes módszer a termodinamikai együttesek nagyszámú mikroállapotának elemzése, ami a gyakorlatban meglehetősen nehéz.

Mindazonáltal a molekulák hidrofób és hidrofil tulajdonságainak legalább hozzávetőleges értékelése továbbra is igényes a molekuláris modellezésben és alkalmazásaiban (például biotechnológiai vagy ipari). Általában arra a jellemzőre összpontosítanak, amely leírja a teljes molekula hidrofobicitását - az eloszlási együtthatóra ( P, tól től particionálás) ennek az anyagnak a víz (poláris fázis) és egy nem poláris fázis (például benzol vagy n-oktanol). Az a tény, hogy ezt a paramétert, ellentétben az összes többi termodinamikai jellemzővel, meglehetősen egyszerű kísérletileg mérni a vizsgált anyag vízben és nem poláris közegben (amely, mint emlékszünk, szinte nem keveredik) koncentrációjának meghatározásával és elosztásával. egyik a másik. A hidrofóbicitási együttható ennek az együtthatónak a logaritmusa - log P.

Számos empirikus módszer célja ennek az együtthatónak a megjóslása, amelyek lényege, hogy egy pontosan mért log-értékkel rendelkező anyagok „oktatókészletét” használják. P meghatározza egy molekula egyes fragmentumainak vagy akár egyes atomjainak hozzájárulását (figyelembe véve a kémiai környezetet), hogy azután a számított fragmentáris vagy atomi hidrofobicitási állandók alapján kiszámítsa az ismeretlen molekulák hidrofóbságát. Valójában ez egy kísérlet „hidrofób töltést” rendelni a molekula minden atomjához, bár szem előtt kell tartani, hogy ennek nincs fizikai értelme. Ezeket az állandókat a molekulában lévő összes atomra összegezve megkapjuk a kívánt log értéket P, és a tér pontjaiban az elektrosztatikus potenciál kiszámításához hasonló megközelítés alkalmazása (φ ~ q/r) eredményezte a molekuláris hidrofób potenciál (MHP) módszerét, amely a molekuláris modellezésben bevált (7. ábra). . A PLATINUM program az IHL számításaira szolgál.

7. ábra. Molekuláris hidrofób potenciál (MHP). Az IHL megközelítés lényege, amely lehetővé teszi a hidrofób/hidrofil tulajdonságok térbeli eloszlásának kiszámítását, egy empirikus rendszer felállítása. atomi hidrofób állandók (f i), műszakilag hasonló a részleges díjakhoz. Ezeknek az állandóknak az összes atomra vonatkozó összege megadja a log hidrofóbicitási együttható becslését P(Ahol P- az anyag víz és oktanol közötti eloszlási együtthatója), valamint a „potenciál” kiszámítása a „hidrofób töltések” pontrendszeréből, figyelembe véve a térbeli csillapítást (a d(r) törvény szerint egyenlő, Például az 1/r) lehetővé teszi, hogy elképzeljük a hidrofóbitás eloszlását a molekulafelületeken. Az ábra az eukarióták plazmamembránjának fő foszfolipidjének, a palmitoiloleil-foszfatidil-kolinnak a hidrofób tulajdonságait mutatja.

Az MHP kiszámítása lehetővé teszi egy molekula egy bizonyos fragmensének hidrofób hatásos értékének becslését és a felületének hidrofób tulajdonságainak egyértelmű vizualizálását, ami viszont elárulja az intermolekuláris kölcsönhatás mechanizmusait, és utat mutat a molekulák tulajdonságainak vagy egymás közötti kölcsönhatásuk módjának célzott megváltoztatása. Így a rövid α-spirál hidrofób tulajdonságainak térbeli leképezésével antimikrobiális peptidek(AMP) kimutatták, hogy ezeket a molekulákat amfifil természet jellemzi - amikor a hélix egyik oldala hidrofób, a másik pedig poláris és pozitív töltésű. Ez a motívum jól látható az MGP „sweep” térképein, hangsúlyozva a peptid és a membrán közötti kölcsönhatás mechanizmusát és az antimikrobiális hatást (8. ábra). Az ilyen kártyák segítségével lehetőség volt a természetes AMP módosítására latarcin, olyan analógokat hoznak létre, amelyek magas antibakteriális aktivitással rendelkeznek, de nem pusztítják el a vörösvérsejteket, és ezért a gyógyszer potenciális prototípusát képezik (8. ábra).

8. ábra: A latarcin 2a (Ltc2a) antimikrobiális peptid előnyös tulajdonságainak tervezése. A bal felső sor Az Ltc2a térbeli szerkezete és a hidrofób tulajdonságok eloszlása ​​(lásd 7. ábra) a felületén látható. A központban az IHL „sweep” térképe hengeres koordinátákkal (α; Z) látható. Világos amfifil mintázatot mutat, amely meghatározza a peptid és a sejtmembrán kölcsönhatását. Jobb felső sor a peptid citolitikus aktivitása megmutatkozik: meglehetősen hatékonyan elpusztítja a baktériumokat ("gram+", "gram−") és az állati sejteket ("eritrociták") ["wt" oszlop].
A feladat a következő volt: miközben fenntartja az antimikrobiális aktivitást, megszünteti a hemolitikus aktivitást(azaz baktericid gyógyszer prototípusának létrehozása). Feltételezték, hogy az MGP térképen a hidrofób „folt” jellegének megváltoztatása másként változtatja meg a baktériumok és eritrociták membránjaival való kölcsönhatást, és a feladat teljesíthető. Három olyan peptidet teszteltünk, amelyekbe pontmutációkat vittünk be: Ile7→Gln, Phe10→Lys és Gly11→Leu. A hidrofób mintázat megfelelő változásait három térképrészlet mutatja az alján. Az egyik mutáns, az Ile7→Gln a kívánt aktivitással rendelkezett: magas baktericid és alacsony hemolitikus.

A biomolekulák hidrofób tulajdonságainak figyelembevételét a molekuláris modellezés más területein is alkalmazzák - különösen a transzmembrán régiók aminosavszekvenciában elfoglalt helyzetének előrejelzésekor, vagy a receptor-ligandum komplexek térszerkezetének tisztázása során a hidrofób megfelelés elve alapján. .

A hidrofób jelenség összetett fizikai természete ellenére még a nagyon felületes figyelembevétel is előnyös lehet a molekuláris modellezésben. A fenti példából jól látható, hogy a molekulák tulajdonságainak MHP technikával számított térbeli térképezése lehetővé teszi a peptidmolekula szerkezete és aktivitása közötti összefüggés feltárását, és ez a kémikusok régóta álma. , biológusok és farmakológusok. Az ilyen kapcsolat megtalálásának képessége azt jelenti, hogy a molekulákban racionálisan meg lehet tervezni a szükséges tulajdonságokat, amire természetesen igény van az alapkutatásban, a biotechnológiában és az orvostudományban.

És ismét egy szót a vízről

A hidrofób hatás közelebbi vizsgálata lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük, valójában nagyszámú molekula statisztikai viselkedéséről beszélünk, amelyet a termodinamika és a statisztikus fizika törvényei írnak le. De itt valami más érdekesebb - ismét meggyőződtünk egy olyan egyszerűnek tűnő anyag egyediségéről, mint a víz. Maga a víz számos csodálatos tulajdonsággal rendelkezik, de biológiai oldószerként nincs párja. Más molekulákkal kölcsönhatásba lépve a víz megváltoztatja dinamikáját és szerkezetét, aminek következtében az egész rendszer megváltozik. Pontosan ezt figyeljük meg, amikor az amfifil molekulák kettős rétegekké és vezikulákká való önszerveződését tanulmányozzuk – elvégre a víz „kényszeríti” őket ilyen összetett formákká való összeállra.

A víz szerepét nehéz túlbecsülni a fő biológiai „gépek” - a fehérjék - életében. A víz érdeme, hogy lineáris láncból sűrű gömbölyűvé gyűrődnek, amelyben minden atom tudja a helyét. Ez azt jelenti, hogy a víz is megérdemli az egyik legbiológiaibb molekula címet, bár kémiai besorolása szerint szervetlen anyag.

Sellőmolekulák Hidrofób hidratáció jele egyetlen polimerben;

Tara Hessa, Hyun Kim, Karl Bihlmaier, Carolina Lundin, Jorrit Boekel stb. al.. (2005). Transzmembrán hélixek felismerése az endoplazmatikus retikulum transzlokon által. Természet. 433 , 377-381;

Arup K. Ghose, Vellarkad N. Viswanadhan, John J. Wendoloski. (1998). Kis szerves molekulák hidrofób (lipofil) tulajdonságainak előrejelzése fragmens módszerekkel: ALOGP és CLOGP módszerek elemzése. J. Phys. Chem. A. 102 , 3762-3772;

Roman Efremov, Anton Chugunov, Timothy Pyrkov, John Priestle, Alexander Arseniev, Edgar Jacoby. (2007). Molekuláris lipofilitás a fehérjemodellezésben és a gyógyszertervezésben. CMC. 14 , 393-415;

Timothy V. Pyrkov, Anton O. Chugunov, Nikolay A. Krylov, Dmitry E. Nolde, Roman G. Efremov. (2009). PLATINUM: webes eszköz biomolekuláris komplexek hidrofób/hidrofil szerveződésének elemzésére. Bioinformatika. 25 , 1201-1202;

Az antimikrobiális peptidek a hagyományos antibiotikumok lehetséges alternatívái;

Anton A. Polyansky, Alexander A. Vassilevski, Pavel E. Volynsky, Olga V. Vorontsova, Olga V. Samsonova stb. al.. (2009). N-terminális amfipatikus hélix, mint a hemolitikus aktivitás kiváltója antimikrobiális peptidekben: Esettanulmány a latarcinokban. FEBS Letters. 583 , 2425-2428;

Drag design: hogyan jönnek létre az új gyógyszerek a modern világban;

Petryanov I.V. A legkülönlegesebb anyag a világon. M.: "Raritet", 1998;

Chugunov A.O., Polyansky A.A., Efremov R.G. (2013). Fizikai hidrofóbia. "Természet". 1 , 24–34.