Der Begriff Hydrophilie (abgeleitet von den altgriechischen Wörtern „Wasser“ und „Liebe“) ist ein Merkmal der Intensität der Wechselwirkung eines Stoffes mit Wasser auf molekularer Ebene, also der Fähigkeit eines Materials, Feuchtigkeit intensiv aufzunehmen sowie die hohe Benetzbarkeit der Stoffoberfläche mit Wasser. Dieses Konzept kann auf Festkörper als Eigenschaft der Oberfläche sowie auf einzelne Ionen, Atome, Moleküle und deren Gruppen angewendet werden.
Hydrophilie wird durch die Größe der Bindung zwischen Adsorptionswassermolekülen und den Molekülen einer Substanz charakterisiert. Dabei werden Verbindungen gebildet, in denen die Wassermenge entsprechend den Bindungsenergiewerten verteilt ist.
Hydrophilie ist Substanzen mit ionischen Kristallgittern (Hydroxide, Oxide, Sulfate, Silikate, Tone, Phosphate, Gläser usw.) inhärent, die polare Gruppen -OH, -NO 2, -COOH usw. aufweisen. Hydrophilie und Hydrophobie- Sonderfälle der Wechselwirkung von Stoffen mit Lösungsmitteln (Lyophilie, Lyophobie).
Hydrophobie kann als ein kleiner Grad an Hydrophilie betrachtet werden, da die Wirkung intermolekularer Anziehungskräfte immer mehr oder weniger zwischen den Molekülen eines Körpers und Wasser vorhanden ist. Hydrophilie und Hydrophobie lassen sich anhand der Art und Weise unterscheiden, wie sich ein Wassertropfen auf einem Körper mit glatter Oberfläche ausbreitet. Der Tropfen breitet sich vollständig auf der hydrophilen Oberfläche und teilweise auf der hydrophoben Oberfläche aus, während der Wert des zwischen der Oberfläche des benetzten Materials und dem Tropfen gebildeten Winkels vom Grad der Hydrophobie eines bestimmten Körpers beeinflusst wird. Hydrophile Stoffe sind Stoffe, bei denen die Stärke der molekularen (ionischen, atomaren) Wechselwirkungen recht groß ist. Hydrophob sind Metalle ohne Oxidfilme, organische Verbindungen mit Kohlenwasserstoffgruppen im Molekül (Wachse, Fette, Paraffine, einige Kunststoffe), Graphit, Schwefel und andere Stoffe mit schwachen Wechselwirkungen auf intermolekularer Ebene.
Die Konzepte Hydrophilie und Hydrophobie werden sowohl in Bezug auf Körper und deren Oberflächen als auch in Bezug auf einzelne Moleküle oder einzelne Molekülteile angewendet. Beispielsweise enthalten die Moleküle oberflächenaktiver Substanzen polare (hydrophile) und Kohlenwasserstoffverbindungen (hydrophobe). Durch die Adsorption solcher Stoffe kann sich die Hydrophilie der Körperoberfläche dramatisch verändern.
Unter Hydrophilierung versteht man den Prozess der Erhöhung der Hydrophilie, unter Hydrophobierung den Prozess der Verringerung. Diese Phänomene sind in der Kosmetikindustrie, in der Textiltechnik zur Hydrophilisierung von Stoffen (Fasern) zur Verbesserung der Qualität beim Waschen, Bleichen, Färben usw. von großer Bedeutung.
Hydrophilie in Kosmetika
Die Parfümerie- und Kosmetikindustrie stellt hydrophile Cremes und Gele her, die die Haut vor wasserunlöslichen Verunreinigungen schützen. Solche Produkte enthalten hydrophile Komponenten, die einen Film bilden, der das Eindringen wasserunlöslicher Schadstoffe in die Oberflächenschicht der Haut verhindert.
Hydrophile Cremes werden aus einer mit geeigneten Emulgatoren stabilisierten Emulsion oder auf Wasser-Öl-Wasser- oder Öl-Wasser-Basis hergestellt. Darüber hinaus zählen dazu dispergierte kolloidale Systeme, in denen hydrophile Tensidkomponenten stabilisiert sind und die aus wasserdispergierten oder Wasser-Glykol-gemischten Lösungsmitteln höherer Fettsäuren oder Alkoholen bestehen.
Hydrogele (hydrophile Gele) werden auf Basis von Wasser, einem gemischten nichtwässrigen oder hydrophilen Lösungsmittel (Ethylalkohol, Propylenglykol, Glycerin) und einem hydrophilen Gelbildner (Cellulosederivate, Carbomere) hergestellt.
Hydrophile Eigenschaften von Cremes und Gels:
· zieht schnell und gut ein;
· nähren die Haut;
· Nach der Anwendung entsteht kein Fettgefühl.
· die Haut reinigen;
· haben eine stärkende Wirkung auf die Haut;
· die Auswirkungen negativer Umweltfaktoren reduzieren;
Helfen Sie der Haut, ihre natürliche Regenerationsfähigkeit aufrechtzuerhalten.
Hydrophile Cremes und Gele sollen die Haut bei der Arbeit mit nicht wassermischbaren Ölen, Heizöl, Erdöl, Farben, Harzen, Graphit, Ruß, organischen Lösungsmitteln, Kühl- und Schmierlösungen, Bauschaum und zahlreichen anderen leicht aggressiven Substanzen schützen. Auch bei der Reparatur eines Autos, der Renovierung einer Wohnung, beim Bau, auf dem Land bei der Arbeit mit Düngemitteln und Erde sind sie unverzichtbar.
Das Unternehmen KorolevPharm stellt verschiedene Arten von Parfümerie- und Kosmetikprodukten her, darunter hydrophile und hydrophobe Cremes. Das Unternehmen ist ein Vertragshersteller und führt alle Phasen der Produktion durch: Entwicklung von Rezepturen, Zertifizierung, Produktionsaufnahme, Serienproduktion von Produkten. Die Produktionsstätte ist mit modernen Geräten ausgestattet.
Das Unternehmen ist für die Einhaltung der Anforderungen zertifiziert
Staatliche Bildungseinrichtung für höhere Berufsbildung
Gesundheitsministerium der Russischen Föderation
(GBOU VPO NSMU Gesundheitsministerium Russlands)
Abteilung für Medizinische Chemie
Aufsatz
HYDROPHILE, HYDROPHOBE, AMPHIPHILE STOFFE: IN DER NATUR UND IM MENSCHLICHEN KÖRPER.
(Literaturische Rezension)
Vollendet:
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Einführung
Wasser ist einer der am häufigsten vorkommenden Stoffe auf der Erde. Es bedeckt den größten Teil der Erdoberfläche. Fast alle Lebewesen bestehen hauptsächlich aus Wasser. Beim Menschen schwankt der Wassergehalt in Organen und Geweben zwischen 20 % (im Knochengewebe) und 85 % (im Gehirn). Etwa 2/3 der Masse eines Menschen besteht aus Wasser, im Körper einer Qualle sind es bis zu 95 % Wasser, selbst in trockenen Pflanzensamen sind es 10-12 %.
Wasser hat einige einzigartige Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind für lebende Organismen so wichtig, dass ein Leben ohne diese Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff nicht vorstellbar ist.
In Bezug auf Wasser werden alle Stoffe in zwei Gruppen eingeteilt: hydrophil – „liebendes Wasser“ und hydrophob – „angst vor Wasser“ (von griechisch „hydro“ – Wasser, „phileo“ – Liebe und „phobos“ – Angst). Die Eigenschaften dieser Stoffe sowie ihre Bedeutung in der Natur werden in unserer Arbeit diskutiert.
Hydrophile und hydrophobe Substanzen
Hydrophile Substanzen (griechisch „hydro“ – Wasser, „phileo“ – Liebe) sind Substanzen, deren Anziehungsenergie zu Wassermolekülen die Energie von Wasserstoffbrückenbindungen (die Anziehungsenergie zwischen Wassermolekülen) übersteigt, daher sind viele hydrophile Substanzen in Wasser gut löslich .
Hydrophile Substanzen interagieren intensiv mit Wassermolekülen. Hydrophilie wird durch die Größe der Adsorptionsbindung von Stoffen mit Wassermolekülen, die Bildung undefinierter Verbindungen mit ihnen und die Verteilung der Wassermenge entsprechend den Bindungsenergiewerten charakterisiert. Die Hydrophilie wird überwiegend durch die Bindungsenergie der Adsorptionsmonoschicht bestimmt, da nachfolgende Schichten viel schwächer an die Substanz gebunden sind. Hydrophilie kann durch die Adsorptionswärme von Wasserdampf oder die Benetzungswärme sowie durch die Benetzungsarbeit einer einheitlichen Oberfläche einer Substanz ausgedrückt werden.
Hydrophobe Stoffe (griech. „hydro“ – Wasser, „phobos“ – Angst) sind Stoffe, deren Moleküle eine geringere Anziehungsenergie zu Wassermolekülen haben als die Energie der Wasserstoffbrückenbindungen von Wassermolekülen. Zu den hydrophoben Substanzen zählen Fette, einige Kohlenhydrate (Stärke, Glykogen, Ballaststoffe), Nukleinsäuren, ATP und die meisten wasserunlöslichen Proteine.
Es gibt keine absolut hydrophoben („wasserabweisenden“) Stoffe; Selbst die hydrophobsten Oberflächen (Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenwasserstoffoberflächen) absorbieren Wasser. Daher wird Hydrophobie als ein geringer Grad an Hydrophilie angesehen.
G. und g. können wie die Benetzbarkeit einer Oberfläche mit Wasser (in Luft) über den Wert des Kontaktwinkels q: für hydrophile Oberflächen beurteilt werden<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.
Hydrophile Stoffe sind Stoffe mit polaren Chemikalien. Bindungen: Halogenide, Oxide und deren Hydrate, Carbonate, Sulfate, Phosphate, Silikate und Alumosilikate (Tone, Gläser) sowie Zellmembranen. Reine Oberflächen von Metallen, Kohlenstoff, Halbleitern, Substanzen aus schwach polaren Molekülen, Pflanzenblättern, Tierhaut und der Chitinhülle von Insekten sind hydrophob. Alle polaren Gruppen, die Teil von Tensidmolekülen sind – Tenside – COOH, -NH2, -SO3Na usw., sind hydrophil; die damit verbundenen Kohlenwasserstoffreste sind hydrophob.
Amphiphile Substanzen
Amphiphilie ist eine Eigenschaft von Stoffmolekülen (meist organischer Natur), die sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften haben. Die Moleküle amphiphiler Verbindungen ähneln einer Kaulquappe: Sie bestehen aus einem langen Kohlenwasserstoffschwanz (der normalerweise aus mehr als zehn CH2-Gruppen besteht), der die Löslichkeit in unpolaren Medien gewährleistet, und einem polaren Kopf, der für die hydrophilen Eigenschaften verantwortlich ist. Somit „lieben“ amphiphile Verbindungen gleichzeitig sowohl Wasser (das heißt, sie sind hydrophil) als auch unpolare Lösungsmittel (sie weisen hydrophobe Eigenschaften auf).
Je nach Art der hydrophilen Gruppe unterscheidet man amphiphile Verbindungen mit einer geladenen kationischen oder anionischen funktionellen Gruppe und amphiphile Verbindungen mit einer ungeladenen funktionellen Gruppe. Die überwiegende Mehrheit der bekannten organischen Verbindungen trägt mehr als eine geladene funktionelle Gruppe. Ein Beispiel für solche Stoffe sind makromolekulare Verbindungen – Proteine, Lipoproteine, Blockcopolymere usw. Das Vorhandensein einer Tertiärstruktur in Proteinmolekülen, die durch intramolekulare Wechselwirkungen funktioneller Gruppen (polar oder unpolar) untereinander entsteht, zeigt an sich die amphiphile Natur dieser Verbindungen.
Ein weiteres Beispiel für amphiphile Verbindungen sind die meisten Arzneimittel, deren Moleküle eine Reihe spezifischer funktioneller Gruppen vereinen, die für eine wirksame Bindung an den Zielrezeptor erforderlich sind.
Amphiphile Verbindungen spielen in der belebten Natur eine besondere Rolle. Kein Tier und keine Pflanze kann ohne sie existieren. Es sind amphiphile Moleküle, die die Zellmembran bilden, die einen lebenden Organismus von einer feindlichen äußeren Umgebung trennt. Es sind diese Moleküle, die die inneren Organellen der Zelle bilden, an ihrem Teilungsprozess beteiligt sind und am Stoffaustausch mit der Umwelt beteiligt sind. Amphiphile Moleküle dienen uns als Nahrung und werden in unserem Körper gebildet, sind an der inneren Regulierung und dem Gallensäurezyklus beteiligt. Unser Körper enthält mehr als 10 % amphiphile Moleküle. Deshalb können synthetische Tenside für lebende Organismen gefährlich sein und beispielsweise die Zellmembran auflösen und zu deren Absterben führen.
Abschluss
In der Natur sind beide Stoffarten wichtig. Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass hydrophobe Substanzen fast überall vorkommen. So haben saubere Oberflächen von Metallen, Halbleitern sowie Tierhaut, Pflanzenblätter und die chitinhaltige Hülle von Insekten ähnliche Eigenschaften. Hydrophile wiederum dienen dem Transport von Nährstoffen im Körper von Tieren und Pflanzen; die Endprodukte des Stoffwechsels werden auch mithilfe von Lösungen biologischer Flüssigkeiten ausgeschieden. Unpolare Substanzen sind von großer Bedeutung für die Bildung von Zellmembranen mit selektiver Permeabilität. Deshalb spielen solche Eigenschaften im Ablauf biologischer Prozesse eine wichtige Rolle. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler neue hydrophobe Substanzen entwickelt, mit denen sich verschiedene Materialien vor Benetzung und Verschmutzung schützen lassen und so sogar selbstreinigende Oberflächen entstehen. Bekleidung, Metallprodukte, Baumaterialien, Autoglas – die Einsatzgebiete sind vielfältig. Weitere Untersuchungen zu diesem Thema werden zur Entwicklung multiphober Substanzen führen, die die Grundlage für schmutzabweisende Oberflächen bilden. Durch die Herstellung solcher Materialien können Menschen Zeit, Geld und Ressourcen sparen und es wird auch möglich sein, den Grad der Umweltverschmutzung durch Reinigungsmittel zu reduzieren. Weiterentwicklungen kommen also allen zugute.
Referenzliste
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
Hydrophile Substanzen
Hydrophile Stoffe (Substanzen)
Feststoffe, die die Eigenschaft haben, von Wasser benetzt zu werden. Nicht durch ölige Flüssigkeiten benetzt.
Ein kurzes elektronisches Nachschlagewerk zu grundlegenden Öl- und Gasbegriffen mit einem System von Querverweisen. - M.: Russische Staatliche Universität für Öl und Gas, benannt nach. I. M. Gubkina. M.A. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Novik. 2004 .
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HYDROPHILITÄT UND HYDROPHOBIZITÄT (aus dem Griechischen hydor – Wasser und philia – Liebe oder phobos – Angst, Furcht * a. Benetzungsfähigkeit Hydrophobie; n. Hydrophilie und Hydrophobie; f. hydrophilite et hydrophobie; i. hidrofilia e hidrofobia) – Konzepte, die Affinitätsstoffe charakterisieren oder von ihnen gebildete Körper; Diese Affinität ist auf die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung zurückzuführen. Die Konzepte der Hydrophilie und Hydrophobie können gleichermaßen auf eine Substanz, auf die Oberfläche eines Körpers und auf eine dünne Schicht (im Grenzfall ein Molekül dick) an der Grenzfläche zwischen Phasen (Körpern) angewendet werden. Hydrophilie und Hydrophobie sind ein Sonderfall der Lyophilie und Lyophobie – Merkmale der molekularen Wechselwirkung von Stoffen mit verschiedenen Flüssigkeiten.
Ein allgemeines Maß für die Hydrophilie ist die Bindungsenergie von Wassermolekülen an die Körperoberfläche; Anhand der Benetzungswärme kann festgestellt werden, ob die Substanz eines bestimmten Körpers unlöslich ist. Hydrophobie wird als ein geringer Grad an Hydrophilie angesehen, weil Zwischen den Wassermolekülen und jedem Körper wirken immer mehr oder weniger starke intermolekulare Anziehungskräfte. Hydrophilie und Hydrophobie können durch Verteilen eines Wassertropfens auf einer glatten Körperoberfläche beurteilt werden (Abb.); gekennzeichnet durch den Kontaktwinkel; Auf einer hydrophilen Oberfläche breitet sich der Tropfen vollständig aus, auf einer hydrophoben Oberfläche breitet er sich teilweise aus, und der Winkel zwischen den Oberflächen des Tropfens und dem benetzten Körper hängt davon ab, wie hydrophob der Körper ist.
Alle Körper, in denen die Intensität der molekularen (atomaren, ionischen) Wechselwirkungen ausreichend hoch ist, sind hydrophil. Besonders ausgeprägt ist die Hydrophilie bei ionischen Kristallgittern (z. B. etc.) sowie bei Silikatgläsern. Metalle ohne Oxidfilme, organische Verbindungen mit überwiegend Kohlenwasserstoffgruppen im Molekül (z. B. Paraffine, Fette, Wachse, einige Kunststoffe) und andere Substanzen mit schwachen intermolekularen Wechselwirkungen sind hydrophob.
Die Konzepte Hydrophilie und Hydrophobie gelten nicht nur für Körper oder deren Oberflächen, sondern auch für einzelne Moleküle oder einzelne Molekülteile. So werden in den Molekülen von Tensiden hydrophile (polare) und hydrophobe (Kohlenwasserstoff) Gruppen unterschieden. Durch die Adsorption solcher Stoffe kann sich die Hydrophilie der Körperoberfläche dramatisch verändern. Eine Zunahme der Hydrophilie wird als Hydrophilierung bezeichnet, eine Abnahme als Hydrophobierung. Beide Phänomene spielen in der Methode eine wichtige Rolle. Durch Hydrophilierung entstehen selektive Gangmineralien. Zu diesem Zweck werden organische (Stärke, Dextrin usw.) und anorganische (Flüssigglas, Natriumcyanid usw.) Reagenzien verwendet. Die Hydrophobierung erfolgt durch Zugabe spezieller Sammelreagenzien. Siehe auch .
Ein Lotusblatt, auf dem in Kugeln gesammeltes Wasser läuft, wasserabweisende Oberflächen und Schutzmittel für Schuhe, in einer Brühe schwimmende Ölbecher – all dies sind Beispiele für eine Eigenschaft von Molekülen namens Hydrophobie. Außerdem, hydrophobe Wirkung spielt eine wichtige biologische Rolle: Auch die Faltung und ordnungsgemäße Funktion von Proteinmolekülen, die Bildung von Biomembranen und die Erkennung von Molekülen untereinander werden mithilfe hydrophober Eigenschaften „programmiert“. Interessanterweise lässt sich der hydrophobe Effekt nicht auf „gewöhnliche“ physikalische Wechselwirkungen reduzieren: Dahinter stehen der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik und eine Größe namens Entropie.
Tollwut
Hydrophobie, oder Hydrophobie(aus dem Altgriechischen. νδωρ - "Wasser und φοβος - „Angst“) ist die Angst vor schmerzhaften Schluckkrämpfen beim Versuch, einen Schluck Wasser zu trinken, beim Anblick von Wasser oder bei jeder Erwähnung davon. Es wird bei Tetanus, Hysterie und Tollwut beobachtet (und Tollwut selbst wurde früher mit genau diesem Wort bezeichnet).
Also, Hydrophobie, das diskutiert wird, geht es um die Eigenschaften von Molekülen und nicht um Symptome beim Menschen.
Das zeigt der Ausdruck „Wasser vom Rücken einer Ente“, den jeder aus seiner Kindheit kennt Hydrophobie- kein so beispielloses Phänomen, wie der Name vermuten lässt. Tatsächlich ist der Effekt der „Abstoßung“ von Wasser häufig um uns herum zu beobachten: Schauen Sie sich einfach eine Gänsefeder oder ein Lotusblatt an (Abb. 1). A), an dem ein Wassertropfen wie eine Quecksilberkugel auf die Glasoberfläche herabläuft und keine Spuren hinterlässt. Klassische Vorstellungen über hydrophobe Oberflächen besagen, dass der Indikator hier der Kontaktwinkel θ ist, der für benetzte Oberflächen kleiner als ein rechter Winkel (90°) und für nicht benetzbare Oberflächen größer ist (Abb. 1). B). Insbesondere gilt für einen Wassertropfen auf der Oberfläche von Paraffin θ = 109° und auf der Oberfläche des hydrophobsten bekannten Materials – Fluorkunststoff – beträgt er 112°. Gleichzeitig würde eine „absolut“ hydrophobe Oberfläche durch einen Winkel von 180° beschrieben, wenn Wasser von der Oberfläche abperlt, ohne eine Sekunde anzuhalten.
Ist Gans also wirklich hydrophober als Fluorkunststoff? Tatsächlich stimmt das, aber das gelingt durch einen kleinen Trick: Die Oberfläche einer Gänsefeder (wie auch eines Lotusblattes) ist nicht glatt, sondern mit mikroskopisch kleinen Pyramiden oder Härchen bedeckt, was die Kontaktfläche mit dem Tropfen verringert und effektive Haftung (Abb. 1 V). Basierend auf dem gleichen Prinzip superhydrophob Oberflächen, die Wasser nahezu perfekt abweisen (Video 1).
Abbildung 1. Lotusblatt: ein Beispiel für eine hydrophobe Oberfläche. A - Hydrophob bedeutet eigentlich Nichtbenetzbarkeit wenn das Wasser vollständig von der Oberfläche abperlt und keine nassen Spuren hinterlässt. B - Bestimmung der hydrophoben Oberfläche basierend auf dem Kontaktwinkel θ: bei θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° – nicht benetzbar (hydrophob). Der Effekt der absoluten Hydrophobie (bzw Superhydrophobie) wird durch mikroskopische Rauheiten erreicht, die die Kontaktfläche des Tropfens mit der Oberfläche verringern. V - Wie die Oberfläche einer Lotusblume strukturiert ist: Mikroskopisch kleine Stacheln verhindern, dass Wassertropfen die Oberfläche benetzen und vom Blatt abperlen. Ein Wassertropfen kann auch nicht zwischen den Stacheln „fließen“, da die Oberflächenspannung in dieser Größenordnung es nicht mehr zulässt, dass der Tropfen in kleinere Tropfen zerfällt.
Video 1. Superhydrophobe Oberfläche. Mikroskalige Oberflächenrauheit ( cm. Reis. 1 B) verringert die effektive Kontaktfläche mit einem Wassertropfen, der sich in dieser Größenordnung aufgrund der Oberflächenspannung wie ein elastischer Körper verhält.
Verstehen Warum Manche Substanzen werden von Wasser problemlos benetzt, aber Wasser perlt von der Ente ab, wie das Sprichwort sagt. Man muss auf die Ebene der einzelnen Moleküle vordringen und überlegen, wie die Moleküle miteinander interagieren.
Hydrophobe Moleküle
Aus Sicht der chemischen Struktur hydrophob(oder, was dasselbe ist, unpolar) sind Moleküle, die keine chemischen Gruppen enthalten, die mit Wasser Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Dies sind beispielsweise Benzol und andere flüssige Kohlenwasserstoffe (Benzinbestandteile). Die interessantesten Eigenschaften haben jedoch amphiphil Moleküle, die sowohl polare als auch unpolare Teile enthalten: Dies führt dazu, dass sie in Mischungen mit Wasser recht komplexe Strukturen bilden: Mizellen, Vesikel, Schichten und komplexere Formen. Die Bildung all dieser komplexen Formen wird kontrolliert hydrophobe Wirkung.
Interessanterweise geht die Frage nach der molekularen Natur der Hydrophobie auf Benjamin Franklin zurück, der in seiner Freizeit von Regierungsangelegenheiten die Ausbreitung von Olivenöl über die Oberfläche eines Teiches untersuchte. Die Fläche des Flecks von einem Löffel Öl war immer gleich – ein halber Hektar – und die Dicke entsprach tatsächlich einem Molekül. Das war im Jahr 1774, und obwohl die Vorstellungen über die molekulare Natur von Substanzen damals noch äußerst vage waren, war die allgemeine Neugier der Staatsmänner, wie wir sehen, nicht mehr so groß wie heute. Auf die eine oder andere Weise markierte das Experiment mit Öl den Beginn der Erforschung monomolekularer Lipidfilme, aus denen zweifellos klar wurde: Einige Moleküle „mögen“ Wasser so sehr, dass sie sich nicht nur nicht damit vermischen, sondern auch bereit sind, es zu bekommen Wasser auf alle möglichen Arten loszuwerden – zum Beispiel indem es sich in Form einer ein Molekül dicken Schicht (Monoschicht) an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft anlagert. (Weitere Einzelheiten zu Untersuchungen von Lipidfilmen finden Sie im Artikel „ Meerjungfrauenmoleküle » .)
Eine weitere wichtige Art amphiphiler Moleküle sind Seifen, die im Alltag und in der Volkswirtschaft weit verbreitet sind. Das Funktionsprinzip kann sogar aus Werbespots entnommen werden: Der unpolare Teil der Waschmittelmoleküle „klebt“ an Schadstoffmolekülen (normalerweise hydrophob), und der polare Teil interagiert aktiv mit Wassermolekülen. Infolgedessen passiert es Solubilisierung: Schmutz löst sich von der Oberfläche und wird in aggregierenden Seifenmolekülen eingeschlossen, wodurch die polaren Fragmente „außen“ freigelegt und die hydrophoben Teile „innen“ verborgen werden.
Was uns jedoch die kommerziellen Qualitäten der besten Waschmittel ermöglicht, ist eine noch wichtigere Eigenschaft amphiphiler Moleküle (nämlich Lipide): Sie dienen als Hülle für alle bekannten Lebensformen und bilden eine Zellmembran, unter der sich alles Leben abspielt stattfinden ( cm. „Die Lipidgrundlage des Lebens“). Diese wichtige Tatsache zeigt uns, dass die molekulare Natur des hydrophoben Effekts keine leere Sache ist, sondern von grundlegender Bedeutung für die gesamte Biologie, ganz zu schweigen von der angewandten Industrie.
Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass keine grundlegende physikalische Wechselwirkung wie Schwerkraft oder elektrostatische Kräfte für die „Anziehung“ hydrophober Partikel zueinander und ihre „Abstoßung“ vom Wasser verantwortlich ist. Seine Natur liegt in einem physikalischen Prinzip, das die Richtung der meisten spontanen Prozesse einschränkt, nämlich in Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Ein wenig Thermodynamik
Die Thermodynamik ist eine der ersten Wissenschaften, die eine Brücke zwischen der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle und „unserer“ makroskopischen Welt schlägt. Seine Entstehung ist mit der Erforschung des Betriebs von Dampfmaschinen und dem Namen von Nicolas Carnot (1796–1832) verbunden, nach dem die thermodynamischen Kreisläufe benannt sind, die die Menge an Arbeit bestimmen, die eine Maschine leisten kann. Seine Arbeit wurde von Joule, Kelvin und Clausius fortgeführt, die eine starke theoretische Grundlage in diesen zunächst rein praktischen Bereich brachten.
Durch die Bemühungen dieser Wissenschaftler wurden die Grundgesetze bzw gestartet, Thermodynamik, die jahrhundertelange empirische Erfahrung bei der Beobachtung thermischer Prozesse zusammenfasst. Das erste Prinzip spricht von der Energieerhaltung eines isolierten Systems („Energieerhaltungssatz“), und das zweite Prinzip spricht von der Richtung spontaner Prozesse. (Es gibt auch Null- und Drittprinzipien, aber wir werden hier nicht darüber sprechen.) Das Konzept von Entropie(S), die als geheimnisvollste thermodynamische Größe bekannt geworden ist. Ursprünglich wurde die Entropie von Clausius formal als das Verhältnis der einem System zugeführten Wärme zur Temperatur (ΔS = ΔQ/T) definiert. Später erlangte die Entropie die Bedeutung eines globalen „Maßes für Chaos“. Seitdem ist die Entropie zur Grundlage der modernen Formulierung des Zweiten Hauptsatzes geworden:
Spontane Prozesse in einem isolierten System gehen mit einer Entropiezunahme einher.
Ludwig Boltzmann (1844–1906) verband diese gesamte thermische „Küche“ mit der Ebene der Atome, aus denen die Materie besteht, noch bevor sich die atomare Struktur der Materie allgemein durchsetzte. Als wichtigste Errungenschaft seines Lebens betrachtete er die Entdeckung (im Jahr 1877) einer statistischen Formel zur Berechnung der Entropie: S = k × logW, wobei S ist Entropie, k ist eine Konstante, die später von Planck nach Boltzmann selbst benannt wurde, und W ist das statistische Gewicht des Staates (die Zahl). Mikrostaaten, die dies umsetzt Makrozustand). Trotz seines schlechten Sehvermögens blickte er deutlich tiefer als andere „in die Tiefen“ der Materie: Er war der Erste, der die Kraft des statistischen Beschreibungsansatzes spürte thermodynamische Ensembles und wandte es auf die Molekularphysik an. Es gibt eine Version, dass Boltzmann aufgrund eines Missverständnisses seiner Zeitgenossen, denen er radikal voraus war, Selbstmord begangen habe. Die oben genannte Formel ist auf seinem Grabstein auf dem Wiener Friedhof eingemeißelt.
Trotz aller Geheimnisse des Entropiebegriffs ist die Bedeutung des Zweiten Hauptsatzes recht einfach: Wenn ein System isoliert ist (das heißt, es tauscht weder Materie noch Energie mit der Außenwelt aus), tendiert es zum Zustand thermodynamisches Gleichgewicht, - ein solcher Makrozustand, der durch die maximal mögliche Anzahl von Mikrozuständen realisiert wird (mit anderen Worten, der maximale Entropie aufweist). Beispielsweise wird sich ein zerbrochener Becher nie wieder zusammenfügen: Der Anfangszustand (der gesamte Becher) wird nur auf eine Weise (S=0) erreicht, der Endzustand (der zerbrochene Becher) jedoch auf eine astronomisch große Zahl der Wege (S>>0). Aus globaler Sicht sind daher leider alle Pokale zum Scheitern verurteilt. Das wunderbare populärwissenschaftliche Buch „Ordnung und Unordnung in der Natur“ von Peter Atkins widmet sich einer Erklärung des Zweiten Gesetzes „für Hausfrauen“.
Hydrophober Effekt aus Sicht der statistischen Physik
Wenn wir also das zweite Gesetz kennen, verstehen wir, warum eine Tasse Tee auf dem Tisch zwar auf Zimmertemperatur abkühlt, sich aber von selbst nie wieder erwärmt und der Luft in der Küche Wärme entzieht. (Wenn nicht, dann sollten Sie unbedingt das Buch von Atkins lesen.) Aber gilt die gleiche Argumentation auch für die Erklärung beispielsweise der Unmischbarkeit von Wasser und Öl? Schließlich strebt das Zweite Gesetz danach, „alles auszugleichen“, und Wasser und Öl hingegen weigern sich, sich ineinander aufzulösen (Abb. 2). A).
Abbildung 2. Darstellung des hydrophoben Effekts. A - Der hydrophobe Effekt (im Wesentlichen der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik) bewirkt, dass Wasser unpolare Moleküle (wie Öl) „abstößt“ und die Kontaktfläche mit ihnen verringert. Aus diesem Grund verschmelzen viele kleine Öltröpfchen im Wasser schließlich miteinander und bilden eine Schicht. B - Die Bildung einer geordneten („eisigen“) Schicht aus Wassermolekülen in der Nähe einer hydrophoben Oberfläche ist notwendig, damit Wassermoleküle untereinander Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Dies führt jedoch zu einem Entropieabfall, was im Zusammenhang mit dem Zweiten Hauptsatz nachteilig ist. V - Eine natürliche Möglichkeit zur Erhöhung der Entropie besteht darin, die Kontaktfläche hydrophober Moleküle mit Wasser zu verringern, die auftritt, wenn mehrere unpolare Moleküle zusammenkommen. Bei amphiphilen Molekülen kommt es zur Selbstorganisation und zur Bildung recht komplexer supramolekularer Strukturen wie Mizellen, Doppelschichten und Vesikel ( cm. Reis. 3).
Wenn wir nur Öl betrachten, scheint es tatsächlich, dass die Thermodynamik nicht funktioniert: Das Auflösen eines Ölfilms in der Dicke einer Flüssigkeit würde die Entropie im Vergleich zu einer Monoschicht deutlich erhöhen. Aber jeder weiß, dass tatsächlich das Gegenteil passiert: Selbst wenn man Wasser und Öl schüttelt, löst sich die Emulsion nach einiger Zeit auf und das Öl bildet wieder einen Film und hinterlässt die wässrige Phase.
Tatsache ist, dass Wasser in diesem Beispiel ein gleichberechtigter Teilnehmer des betrachteten Systems ist und auf keinen Fall übersehen werden sollte. Wie bekannt ist, werden die Eigenschaften von Wasser (auch in seinem flüssigen Zustand unter normalen Bedingungen) durch die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Jedes Wassermolekül kann bis zu vier Bindungen mit seinen „Nachbarn“ eingehen. Dazu muss sich das Wasser jedoch „im Wasser“ befinden. Befindet sich im Wasser eine unpolare Oberfläche, fühlen sich die angrenzenden Moleküle nicht mehr „frei“ an: Um die gewünschten Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, müssen diese Moleküle in einer genau definierten Weise ausgerichtet sein und eine „eisige“ Hülle bilden (Abb. 2 B) um ein hydrophobes Objekt. Diese erzwungene Ordnung ist durch einen erheblichen Abfall der Entropie des Öl-Wasser-Systems gekennzeichnet, der hydrophobe Moleküle dazu zwingt, sich untereinander zu aggregieren, wodurch die Kontaktfläche mit der polaren Umgebung verringert wird und daher der Entropiefaktor ungünstig abnimmt. Tatsächlich ist es das Wasser, das das Öl zu einem großen Tropfen oder Fleck zusammenfügt und so das dialektische Prinzip „Gleiches zu Gleichem“ umsetzt.
Dieses Zusammenspiel polarer und unpolarer Phasen nennt man hydrophobe Wirkung. Dieses Phänomen führt dazu, dass Waschmittelmoleküle in Lösung Mizellen bilden und Lipide Mono- und Doppelschichten bilden. Letztere können sich unter Bildung von Vesikeln (Liposomen) oder biologischen Membranen, die die Zelle umgeben, verschließen (Abb. 3). Beispielsweise wurden auch komplexere Formen des Lipidpolymorphismus gefunden kubische Lipidphase, weit verbreitet in Strukturstudien von Membranproteinen.
Abbildung 3. Lipidpolymorphismus. Abhängig von der Form und anderen Eigenschaften des Moleküls, die die asymmetrische Struktur von Kopf und Schwanz charakterisieren, bilden Lipide verschiedene supramolekulare Strukturen. Von oben nach unten: 1 - Bei der umgekehrten konischen Form des Moleküls entstehen Strukturen mit positiver Krümmung (Mizellen und die hexagonale Phase H I); 2 - die zylindrische Form ergibt flache (lamellare) Strukturen wie Doppelschichten; 3 - Bei konischer Form bilden sich sowohl invertierte hexagonale (H II) als auch mizellare Phasen.
„Tief in“ den hydrophoben Effekt
Bei biologischen Molekülen spielt der hydrophobe Effekt eine besondere Rolle, da er Biomembranen bildet, ohne die kein Leben möglich ist, und nebenbei auch einen entscheidenden (bis zu 90 % aller Arbeiten) Beitrag zur Faltung von Proteinmolekülen leistet Ketten von Aminosäureresten, die unterschiedlicher Natur sein können: hydrophob oder hydrophil. Das Vorhandensein solch unterschiedlicher Einheiten innerhalb eines linearen Moleküls ergibt die gesamte Vielfalt an Formen und Funktionen, die in Proteinen beobachtet wird.
Auf submolekularer Ebene zeigt sich der hydrophobe Effekt jedoch anders als bei einer ausgedehnten unpolaren Oberfläche oder einem ganzen Löffel Öl: Offenbar ist ein Cluster hydrophober Partikel nur dann stabil, wenn seine Größe einen Schwellenwert überschreitet ( ≈1 nm); andernfalls wird es durch die thermische Bewegung von Molekülen zerstört. Simulationen der Molekulardynamik (MD) zeigen Unterschiede in der Struktur von „reinem“ Wasser und Wasser in der Nähe kleiner (<1 нм) и большой (>>1 nm) hydrophobe Partikel. Wenn in den ersten beiden Fällen jede Ein Wassermolekül kann bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden, aber im Fall eines großen hydrophoben Partikels besteht diese Möglichkeit nicht und die Wassermoleküle müssen sich in einer „eisigen“ Hülle um dieses Partikel anordnen (Abbildung 2). B und 4).
Abbildung 4. Verschiedene Konfigurationen von Wassermolekülen in der Nähe eines kleinen ( A) und groß ( B) hydrophobe Partikel(in beiden Fällen dargestellt rote Kugeln). Laut MD-Daten können Partikel, die kleiner als 1 nm sind, problemlos von Wasser umgeben werden, ohne deren „Freiheit“ und die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen einzuschränken. Bei größeren Partikeln muss das Grenzwassermolekül zur Bildung einer Wasserstoffbrücke in einer besonderen Weise relativ zur hydrophoben Oberfläche ausgerichtet werden, was zur Ordnung einer gesamten Wasserschicht (oder mehreren) und einer Abnahme führt in der Entropie des Lösungsmittels. In diesem Fall sinkt die durchschnittliche Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen pro Wassermolekül auf drei. Interessant ist, dass sich hier auch die Art der Abhängigkeit der Solvatationsenergie eines Partikels von seiner Größe ändert: Bis zu 1 nm hängt die Energie vom Volumen des Partikels ab, oberhalb dieser Schwelle von seiner Oberfläche.
Dieselbe „Schwellengröße“ wurde auch in einem Experiment bestätigt, um den Beitrag des hydrophoben Effekts zur Faltung der Polymerkette in Abhängigkeit von der Größe der Monomerseitengruppe und der Temperatur zu bestimmen. Die Registrierung der freien Solvatationsenergie erfolgte mithilfe eines Rasterkraftmikroskops, das das Polymermolekül jeweils einzeln „entflechtete“. Interessanterweise stimmt der Grenzwert von 1 nm ungefähr mit der Größe großer Seitenketten von Aminosäureresten überein, die die Faltung des Proteinmoleküls bestimmen.
Da der hydrophobe Effekt entropischer Natur ist, hängt seine Rolle in verschiedenen Prozessen (d. h. sein Beitrag zur freien Energie) von der Temperatur ab. Es ist merkwürdig, dass dieser Beitrag genau unter normalen Bedingungen maximal ist – bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck, bei denen Leben hauptsächlich existiert. (Unter den gleichen Bedingungen liegt das wichtigste biologische Lösungsmittel – Wasser – nahe am Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf.) Dies führt zu der Idee, dass das Leben absichtlich Existenzbedingungen in der Nähe von Phasenübergängen und Gleichgewichtspunkten „wählt“: Dies sorgt offenbar dafür die Möglichkeit einer besonders zuverlässigen und feinen Kontrolle scheinbar „träger“ Dinge wie der Struktur von Membranen und Proteinmolekülen.
Die Forschung der letzten Jahre hat die Rolle von Wasser sowohl bei der hydrophoben Wirkung als auch bei der intermolekularen Erkennung weiter betont (z. B. wenn ein Enzym sein Substrat bindet oder ein Rezeptor den von ihm erkannten Liganden bindet). Im aktiven Zentrum eines Proteins befinden sich in der Regel „gebundene“ (und damit geordnete) Wassermoleküle. Wenn der Ligand die Bindungsstelle auf der Proteinoberfläche durchdringt, wird Wasser „freigesetzt“, was einen positiven Beitrag zur Entropie leistet (Abb. 5); Die Enthalpiekomponente der Änderung der freien Energie kann jedoch entweder negativ oder positiv sein. Mittels kalorimetrischer Titration und molekularer Modellierung wurde das thermodynamische Muster der Bindung vieler Liganden durch das Enzym Carboanhydrase ermittelt, die in ihrer Struktur ähnlich sind, sich jedoch in der Größe der hydrophoben Gruppen unterscheiden. Die Analyse zeigte, dass der Beitrag von Enthalpie und Entropie zur freien Gibbs-Energie jeweils individuell sein kann und es unmöglich ist, im Voraus zu sagen, welcher Prozess eine entscheidende Rolle spielen wird. Es ist nur absolut klar, dass die Struktur und Dynamik der dem aktiven Zentrum am nächsten gelegenen Schichten von Wassermolekülen bei der intermolekularen Erkennung die gleiche wichtige Rolle spielen wie die Korrespondenz des Liganden mit dem Rezeptor, was dem „Klassischen“ eine neue Ebene der Komplexität verleiht ” Modelle der Interaktion zweier Moleküle vom Typ „Schlüssel-Schloss“ oder „Handschuhhand“.
Die Faltung von Homo- und Heteropolymeren lässt sich in mehrere Stufen einteilen (Abb. 6):
- Wenn Sie mit einer verlängerten Kette beginnen, ist dies die erste Stufe Entropiefaltung, was eine direkte Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist: Eine vollständig ausgerichtete Polypeptidkette hat eine Entropie von Null, die durch statistische Kräfte, die den Faden drehen, sofort „korrigiert“ wird „Statistikball“.
- In der Random-Coil-Konformation werden hydrophobe Seitenreste räumlich näher zusammengebracht und aggregieren unter dem Einfluss des hydrophoben Effekts. Dies wird durch die Beobachtung der Prinzipien der dreidimensionalen Verpackung von Proteinkügelchen bestätigt: Im Inneren befindet sich ein „Kern“ aus hydrophoben Resten, und auf der Oberfläche des Moleküls befinden sich polare und geladene Aminosäurereste. Das in dieser Phase resultierende Formular wird aufgerufen geschmolzene Kügelchen.
- Bei Biopolymeren ist das aber noch nicht alles: Spezifische Wechselwirkungen zwischen räumlich eng beieinander liegenden Resten machen die Packung noch dichter (wahr). Kügelchen). Die freie Energie erfährt dann einen deutlichen Abfall, was oft als Kriterium für eine „gut gepackte“ Struktur angesehen wird.
Abbildung 6. Die Rolle des hydrophoben Kollapses bei der Faltung von drei Polymerketten mit unterschiedlichen Hydrophobizitäten der Monomerbestandteile: einem hydrophoben Polymer, einem hydrophob-hydrophilen Copolymer und einem globulären Protein (von oben nach unten) – freie Energie als Funktion aufgetragen des Trägheitsradius, der die Kompaktheit der Kettenpackung angibt. 1) Jede lineare Kette verdreht sich aus einem vollständig gedehnten Zustand schnell statistisches Gewirr. 2) Die räumliche Nähe unpolarer Seitenketten führt zum hydrophoben Kollaps der Knäuel und der Bildung geschmolzene Kügelchen. 3) Im Fall von Proteinen reduzieren evolutionär ausgewählte spezifische Kontakte zwischen den Seitenketten benachbarter Aminosäurereste (wie Wasserstoffbrückenbindungen oder elektrostatische Wechselwirkungen) die freie Energie weiter und packen das Protein in eine dichte Form Kügelchen. Bei hydrophoben Polymeren gibt es solche Wechselwirkungen nicht, weshalb ihre Faltung im Random-Coil-Stadium stoppt.
Früher glaubte man, dass die dritte Stufe ein unverzichtbares Merkmal eines funktionellen Proteins sei, doch in letzter Zeit wird der sogenannten immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt untergeordnete Proteine (intrinsisch ungeordnete Proteine), die keine klar definierte räumliche Form haben und es tatsächlich keine Phase der Bildung spezifischer Kontakte gibt. (Übrigens ist der Anteil an hydrophoben Resten in ihnen im Vergleich zu globulären Proteinen deutlich geringer.) Möglicherweise können sie dadurch in einer lebenden Zelle nicht mit einem Protein oder Liganden, sondern mit Dutzenden oder sogar Hunderten strukturell unterschiedlichen Partnermolekülen interagieren. Beteiligung an einer sehr subtilen Regulierung zellulärer Prozesse.
Der hydrophobe Effekt spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Faltung von Membranproteinen (MPs), die viele lebenswichtige Funktionen erfüllen, vom Transport von Molekülen und Ionen durch die Membran bis hin zur gegenseitigen Aufnahme und Erkennung durch Zellen. Aufgrund der Tatsache, dass die meisten von ihnen in die hydrophobe Doppelschicht der Membran eingetaucht sind, unterscheidet sich die Struktur der Transmembrandomäne (TM) erheblich von der Verpackung löslicher globulärer Proteine: Ihre TM-Segmente sind deutlich hydrophober, ebenso hydrophobe Seitenketten befindet sich nicht nur im Inneren des Proteins (wie im Fall globulärer Proteine), sondern auch auf der Oberfläche, wo das Protein mit den Kohlenwasserstoffketten von Lipidmolekülen in Kontakt kommt.
Wichtig ist, dass auch die Hydrophobie eine Rolle spielt bis dahin wie das Protein an seinen Arbeitsplatz (also in die Membran) gelangt. Während der ribosomalen Synthese gelangen MBs nicht wie globuläre Proteine in das Zytoplasma, sondern in Translokon- eine ziemlich komplexe molekulare Maschine, die in Form eines Kanals aufgebaut ist und sowohl für die Sekretion von Proteinen als auch für die Abgabe von MB an Membranen verantwortlich ist. Es stellte sich heraus, dass das Translokon die Hydrophobie eines durch es hindurchgeleiteten Proteinfragments „spüren“ kann und bei Erreichen einer bestimmten Hydrophobieschwelle dieses Fragment nicht „nach vorne“ (durch den Kanal in den extrazellulären Raum), sondern „ausspuckt“. „seitlich“ (durch die Kanalwand) - direkt in die Membran. So werden Fragment für Fragment Membranproteine in die Membran eingefügt, und zwar N-Das Ende des MB befindet sich immer in der extrazellulären Region und wo wird es sein? C-end – hängt von der Anzahl der TM-Segmente ab.
In einem eleganten Experiment am Sec61-Translokon des endoplasmatischen Retikulums wurde eine „biologische Skala der Hydrophobie“ erstellt, die jedem Aminosäurerest einen spezifischen Hydrophobiewert zuordnet. Interessanterweise stimmt diese Skala im Allgemeinen mit zuvor etablierten physikalisch-chemischen Skalen überein, was es ermöglicht, dem Translokon die Rolle eines Sensors für hydrophobe Wechselwirkungen zuzuordnen.
So kann eine Zelle die Hydrophobie mithilfe eines Translokons „messen“, und im Labor kann diese Eigenschaft anhand der Art ihrer Wechselwirkung mit Wasser grob abgeschätzt werden. Aber ist es möglich, die Hydrophobie theoretisch zu berechnen und diese Berechnung in praktisch wichtige Probleme einzubeziehen?
Wie berechnet man die Hydrophobie theoretisch?
Oben wurde bereits gesagt, dass der hydrophobe Effekt tatsächlich eine der Facetten des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ist, sodass seine genaue Berechnung möglicherweise nicht einfacher ist als die Modellierung des gesamten Systems, und zwar auf einem physikalisch korrekten Niveau. Mit anderen Worten: „hydrophobe Wechselwirkungen“ lassen sich in keiner Weise auf paarweise Kontakte reduzieren, wie etwa die Anziehung oder Abstoßung zweier Ladungen oder die Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffbrückendonor und -akzeptor. Der einzig theoretisch korrekte Weg besteht darin, eine große Anzahl von Mikrozuständen in thermodynamischen Ensembles zu analysieren, was in der Praxis ziemlich schwierig ist.
Allerdings ist in der molekularen Modellierung und ihren Anwendungen (z. B. biotechnologisch oder industriell) nach wie vor eine zumindest näherungsweise Beurteilung der hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften von Molekülen gefragt. Normalerweise konzentrieren sie sich auf die Eigenschaft, die die Hydrophobie des gesamten Moleküls beschreibt – den Verteilungskoeffizienten ( P, aus Partitionierung) dieses Stoffes zwischen Wasser (polare Phase) und einer unpolaren Phase (z. B. Benzol oder N-Octanol). Tatsache ist, dass dieser Parameter im Gegensatz zu allen anderen thermodynamischen Eigenschaften ganz einfach experimentell zu messen ist, indem man die Konzentration des untersuchten Stoffes in Wasser und einem unpolaren Medium (die sich, wie wir uns erinnern, fast nicht vermischen) bestimmt und dividiert eines nach dem anderen. Der Hydrophobizitätskoeffizient wird als Logarithmus dieses Koeffizienten angenommen – log P.
Zur Vorhersage dieses Koeffizienten zielen mehrere empirische Methoden ab, die darauf hinauslaufen, einen „Trainingssatz“ von Substanzen mit einem genau gemessenen Protokoll zu verwenden P Bestimmen Sie die Beiträge einzelner Fragmente eines Moleküls oder sogar seiner einzelnen Atome (unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung), um dann anhand der berechneten fragmentarischen oder atomaren Hydrophobizitätskonstanten die Hydrophobie für unbekannte Moleküle zu berechnen. Tatsächlich handelt es sich hierbei um den Versuch, jedem Atom in einem Molekül eine „hydrophobe Ladung“ zuzuordnen, wobei zu bedenken ist, dass dies physikalisch keinen Sinn ergibt. Die Summierung dieser Konstanten für alle Atome im Molekül ergibt den gewünschten logarithmischen Wert P, und die Verwendung eines Ansatzes ähnlich der Berechnung des elektrostatischen Potentials an Punkten im Raum (φ ~ q/r) führte zur Methode des Molekularen Hydrophoben Potentials (MHP), die sich in der molekularen Modellierung bewährt hat (Abb. 7). . Das PLATINUM-Programm ist den IHL-Berechnungen gewidmet.
Abbildung 7. Molekulares hydrophobes Potenzial (MHP). Der Sinn des IHL-Ansatzes, der es ermöglicht, die räumliche Verteilung hydrophober/hydrophiler Eigenschaften zu berechnen, besteht darin, ein empirisches System zu etablieren atomare Hydrophobizitätskonstanten (f i), technisch ähnlich wie Teilladungen. Die Summe dieser Konstanten über alle Atome ergibt eine Schätzung des Hydrophobizitätskoeffizienten log P(Wo P- Verteilungskoeffizient einer Substanz zwischen Wasser und Oktanol) und die Berechnung des „Potentials“ aus einem System punktueller „hydrophober Ladungen“ unter Berücksichtigung der Dämpfung im Raum (gemäß dem Gesetz d(r), gleich z Beispiel 1/r) ermöglicht es uns, uns die Verteilung der Hydrophobie auf den Moleküloberflächen vorzustellen. Die Abbildung zeigt die hydrophoben Eigenschaften des Hauptphospholipids der Plasmamembran von Eukaryoten – Palmitoyloleylphosphatidylcholin.
Die Berechnung des MHP ermöglicht es, den effektiven Wert der Hydrophobie eines bestimmten Fragments eines Moleküls abzuschätzen und die hydrophoben Eigenschaften seiner Oberfläche klar zu visualisieren, was wiederum Aufschluss über die Mechanismen der intermolekularen Wechselwirkung geben und den Weg weisen kann eine gezielte Veränderung der Eigenschaften von Molekülen oder der Art und Weise, wie sie miteinander interagieren. Daher wird eine räumliche Kartierung der hydrophoben Eigenschaften kurzer α-Helix verwendet antimikrobielle Peptide(AMP) konnten zeigen, dass diese Moleküle durch eine amphiphile Natur gekennzeichnet sind – wenn eine Seite der Helix hydrophob und die andere polar und positiv geladen ist. Dieses Motiv ist auf den MGP-„Sweep“-Karten deutlich sichtbar und unterstreicht den Mechanismus der Wechselwirkung des Peptids mit der Membran und der antimikrobiellen Wirkung (Abb. 8). Mit Hilfe solcher Karten war es möglich, natürliches AMP zu modifizieren Latarcin, wodurch Analoga entstehen, die eine hohe antibakterielle Aktivität haben, aber die roten Blutkörperchen nicht zerstören und daher einen potenziellen Prototyp des Arzneimittels darstellen (Abb. 8).
Abbildung 8. Design der vorteilhaften Eigenschaften des antimikrobiellen Peptids Latarcin 2a (Ltc2a). Obere Reihe links Dargestellt sind die räumliche Struktur von Ltc2a und die Verteilung der hydrophoben Eigenschaften (siehe Abb. 7) auf seiner Oberfläche. Im Zentrum Eine „Sweep“-Karte des IHL wird in Zylinderkoordinaten (α; Z) angezeigt. Es zeigt ein klares amphiphiles Muster, das die Wechselwirkung des Peptids mit der Zellmembran bestimmt. Obere Reihe rechts Die zytolytische Aktivität des Peptids wird gezeigt: Es tötet sowohl Bakterien („Gramm+“, „Gramm−“) als auch tierische Zellen („Erythrozyten“) sehr effektiv ab [Spalte „wt“].
Die Aufgabe war wie folgt: Unter Beibehaltung der antimikrobiellen Aktivität wird die hämolytische Aktivität eliminiert(d. h. einen Prototyp eines bakteriziden Arzneimittels erstellen). Es wurde angenommen, dass eine Änderung der Natur des hydrophoben „Flecks“ auf der MGP-Karte die Interaktion mit den Membranen von Bakterien und Erythrozyten unterschiedlich verändern würde, und die Aufgabe konnte abgeschlossen werden. Wir haben drei Peptide getestet, in die Punktmutationen eingeführt wurden: Ile7→Gln, Phe10→Lys und Gly11→Leu. Die entsprechenden Veränderungen im hydrophoben Muster sind in drei Kartenfragmenten dargestellt ganz unten. Eine Mutante, Ile7→Gln, hatte die gewünschten Aktivitäten: hohe bakterizide und geringe hämolytische Wirkung.
Die Berücksichtigung der hydrophoben Eigenschaften von Biomolekülen wird auch in anderen Bereichen der molekularen Modellierung eingesetzt – insbesondere bei der Vorhersage der Position von Transmembranregionen in der Aminosäuresequenz oder der Aufklärung der räumlichen Struktur von Rezeptor-Liganden-Komplexen nach dem Prinzip der hydrophoben Korrespondenz .
Trotz der komplexen physikalischen Natur des Hydrophobizitätsphänomens kann selbst eine sehr oberflächliche Betrachtung im Rahmen der molekularen Modellierung von Vorteil sein. Aus dem obigen Beispiel wird deutlich, dass die räumliche Kartierung der Eigenschaften von Molekülen, berechnet mit der MHP-Technik, es ermöglicht, einen Zusammenhang zwischen der Struktur des Peptidmoleküls und seiner Aktivität herzustellen, und dies ist ein langjähriger Traum von Chemikern , Biologen und Pharmakologen. Die Fähigkeit, einen solchen Zusammenhang zu finden, bedeutet die Fähigkeit, die erforderlichen Eigenschaften in Molekülen rational zu gestalten, was natürlich in der Grundlagenforschung, Biotechnologie und Medizin gefragt ist.
Und noch einmal ein Wort zum Thema Wasser
Ein genauerer Blick auf den hydrophoben Effekt lässt uns verstehen, dass es sich tatsächlich um das statistische Verhalten einer großen Anzahl von Molekülen handelt, das durch die Gesetze der Thermodynamik und der statistischen Physik beschrieben wird. Interessanter ist hier aber etwas anderes: Wir sind wieder einmal von der Einzigartigkeit einer scheinbar einfachen Substanz wie Wasser überzeugt. Wasser selbst hat viele erstaunliche Eigenschaften, aber als biologisches Lösungsmittel sucht es seinesgleichen. Durch die Wechselwirkung mit anderen Molekülen verändert Wasser seine Dynamik und Struktur, wodurch sich das gesamte System verändert. Genau das beobachten wir, wenn wir die Selbstorganisation amphiphiler Moleküle zu Doppelschichten und Vesikeln untersuchen – schließlich ist es Wasser, das sie dazu „zwingt“, sich zu solch komplexen Formen zusammenzufügen.
Die Rolle von Wasser im Leben der wichtigsten biologischen „Maschinen“ – Proteine – kann kaum überschätzt werden. Auch ihre Faltung von einer linearen Kette zu einer dichten Kugel, in der jedes Atom seinen Platz kennt, ist das Verdienst des Wassers. Damit verdient Wasser auch den Titel eines der biologischsten Moleküle, obwohl es sich nach der chemischen Klassifizierung um einen anorganischen Stoff handelt.
Meerjungfrauenmoleküle Signatur der hydrophoben Hydratation in einem einzelnen Polymer;
