Termi hidrofilitet (i rrjedhur nga fjalët e lashta greke "ujë" dhe "dashuri") është një karakteristikë e intensitetit të ndërveprimit të një substance me ujin në nivel molekular, domethënë aftësia e një materiali për të thithur intensivisht lagështinë, si. si dhe lagshmëria e lartë e ujit nga sipërfaqja e substancës. Ky koncept mund të zbatohet për trupat e ngurtë, si veti e sipërfaqes, dhe për jonet, atomet, molekulat dhe grupet e tyre individuale.
Hidrofiliteti karakterizohet nga madhësia e lidhjes ndërmjet molekulave të ujit adsorbues dhe molekulave të një lënde në këtë rast, formohen komponime në të cilat sasia e ujit shpërndahet sipas vlerave të energjisë së lidhjes.
Hidrofiliteti është i natyrshëm në substancat që kanë rrjeta kristalore jonike (hidrokside, okside, sulfate, silikate, argjila, fosfate, gota etj.) që kanë grupe polare -OH, -NO 2, -COOH etj. Hidrofiliteti dhe hidrofobia- raste të veçanta të ndërveprimit të substancave me tretës (liofiliciteti, liofobiteti).
Hidrofobia mund të konsiderohet si një shkallë e vogël e hidrofilitetit, sepse veprimi i forcave ndërmolekulare të tërheqjes do të jetë gjithmonë pak a shumë i pranishëm midis molekulave të çdo trupi dhe ujit. Hidrofiliteti dhe hidrofobia mund të dallohen nga mënyra se si një pikë uji përhapet në një trup me sipërfaqe të lëmuar. Rënia do të përhapet plotësisht në sipërfaqen hidrofile, dhe pjesërisht në atë hidrofobike, ndërsa vlera e këndit të formuar ndërmjet sipërfaqes së materialit të lagur dhe rënies ndikohet nga shkalla e hidrofobisë së një trupi të caktuar. Substancat hidrofile janë substanca në të cilat forca e ndërveprimeve molekulare (jonike, atomike) është mjaft e fortë. Hidrofobe janë metalet që nuk kanë filma oksidi, komponime organike që kanë grupe hidrokarbure në molekulë (dylli, yndyrat, parafinat, disa plastikë), grafiti, squfuri dhe substanca të tjera që kanë ndërveprime të dobëta në nivel ndërmolekular.
Konceptet e hidrofilitetit dhe hidrofobisë zbatohen si në lidhje me trupat dhe sipërfaqet e tyre, ashtu edhe në lidhje me molekulat individuale ose pjesët individuale të molekulave. Për shembull, molekulat e substancave aktive sipërfaqësore përmbajnë komponime polare (hidrofile) dhe hidrokarbure (hidrofobike). Hidrofiliteti i pjesës sipërfaqësore të trupit mund të ndryshojë në mënyrë dramatike për shkak të adsorbimit të substancave të tilla.
Hidrofilizimi është procesi i rritjes së hidrofilitetit, dhe hidrofobizimi është procesi i zvogëlimit të tij. Këto dukuri kanë një rëndësi të madhe në industrinë e kozmetikës, në teknologjinë e tekstilit për hidrofilizimin e pëlhurave (fibrave) për të përmirësuar cilësinë e larjes, zbardhjes, ngjyrosjes etj.
Hidrofiliteti në kozmetikë
Industria e parfumerisë dhe kozmetikës prodhon kremra dhe xhel hidrofilë që mbrojnë lëkurën nga papastërtitë që nuk janë të tretshme në ujë. Produkte të tilla përmbajnë përbërës hidrofilë që formojnë një film që parandalon depërtimin e ndotësve të patretshëm në ujë në shtresën sipërfaqësore të lëkurës.
Kremrat hidrofilë bëhen nga një emulsion që stabilizohet me emulsifikues të përshtatshëm ose me bazë ujë-vaj-ujë ose vaj-ujë. Përveç kësaj, këto përfshijnë sisteme koloidale të shpërndara në të cilat përbërësit e surfaktantit hidrofil janë të stabilizuar dhe që përbëhen nga tretës të përzier me ujë ose të përzier me glikol të acideve yndyrore ose alkooleve më të larta.
Hidrogelet (xhelat hidrofilë) përgatiten nga baza të përbëra nga uji, një tretës i përzier jo ujor ose hidrofil (alkool etilik, propilen glikol, glicerinë) dhe një agjent xhelatizues hidrofil (derivatet e celulozës, karbomerët).
Vetitë hidrofilike të kremrave dhe xhelit:
· absorbohet shpejt dhe mirë;
· ushqejnë lëkurën;
· pas përdorimit të tyre nuk ka ndjenjën e yndyrës;
· pastroni lëkurën;
· kanë një efekt forcues në lëkurë;
· të zvogëlojë efektin e faktorëve negativë të mjedisit;
Ndihmoni lëkurën të ruajë aftësinë e saj natyrale për t'u rigjeneruar.
Kremrat dhe xhelat hidrofilë janë krijuar për të mbrojtur lëkurën kur punoni me vajra të papërziershëm me ujë, vaj karburanti, naftë, bojëra, rrëshira, grafit, blozë, tretës organikë, solucione ftohëse dhe lubrifikuese, shkumë ndërtimi dhe shumë substanca të tjera lehtësisht agresive. Ato janë gjithashtu të domosdoshme kur riparoni një makinë, rinovoni një apartament, gjatë ndërtimit, në vend kur punoni me plehra dhe tokë.
Kompania KorolevPharm prodhon lloje të ndryshme të parfumeve dhe produkteve kozmetike, duke përfshirë kremrat hidrofilë dhe hidrofobikë. Kompania është një prodhues me kontratë dhe kryen të gjitha fazat e prodhimit: zhvillimin e recetave, certifikimin, nisjen e prodhimit, prodhimin serial të produkteve. Vendi i prodhimit është i pajisur me pajisje moderne.
Ndërmarrja është e certifikuar për përmbushjen e kërkesave
Institucion arsimor shtetëror i arsimit të lartë profesional
Ministria e Shëndetësisë e Federatës Ruse
(GBOU VPO NSMU Ministria e Shëndetësisë e Rusisë)
Departamenti i Kimisë Mjekësore
Ese
SUBSTANCAT HIDROFILIKE, HIDROFOBE, AMFIFILIKE: NË NATYRË DHE NË TRUPIN E NJERIUT.
(përmbledhje e literaturës)
E përfunduar:
Kontrolluar:
Prezantimi
Uji është një nga substancat më të bollshme në Tokë. Ajo mbulon pjesën më të madhe të sipërfaqes së tokës. Pothuajse të gjitha gjallesat përbëhen kryesisht nga uji. Tek njerëzit, përmbajtja e ujit në organe dhe inde varion nga 20% (në indin kockor) në 85% (në tru). Rreth 2/3 e masës së një personi është ujë, në trupin e një kandil deti deri në 95% është ujë, madje edhe në farat e thata të bimëve, uji është 10-12%.
Uji ka disa veti unike. Këto veti janë aq të rëndësishme për organizmat e gjallë sa që është e pamundur të imagjinohet jeta pa këtë përbërje hidrogjeni dhe oksigjeni.
Në lidhje me ujin, të gjitha substancat ndahen në dy grupe: hidrofile - "ujë i dashur" dhe hidrofobik - "i frikësuar nga uji" (nga greqishtja "hydro" - ujë, "phileo" - dashuri dhe "phobos" - frikë). Vetitë e këtyre substancave, si dhe rëndësia e tyre në natyrë, do të diskutohen në punën tonë.
Substancat hidrofile dhe hidrofobe
Substancat hidrofile (greqisht "hydro" - ujë, "phileo" - dashuri) janë substanca, energjia e tërheqjes së të cilave ndaj molekulave të ujit tejkalon energjinë e lidhjeve të hidrogjenit (energjia e tërheqjes midis molekulave të ujit), prandaj shumë substanca hidrofile janë shumë të tretshme në ujë. .
Substancat hidrofile ndërveprojnë intensivisht me molekulat e ujit. Hidrofiliteti karakterizohet nga madhësia e lidhjes së përthithjes së substancave me molekulat e ujit, formimi i përbërjeve të paspecifikuara me to dhe shpërndarja e sasisë së ujit sipas vlerave të energjisë së lidhjes. Hidrofiliteti përcaktohet kryesisht nga energjia lidhëse e monoshtresës së adsorbimit, pasi shtresat pasuese janë shumë më të dobëta të lidhura me substancën. Hidrofiliteti mund të shprehet me nxehtësinë e përthithjes së avullit të ujit ose nxehtësinë e njomjes, si dhe me punën e njomjes së një sipërfaqeje njësi të një lënde.
Substancat hidrofobike (greqisht "hydro" - ujë, "phobos" - frikë) janë substanca, energjia tërheqëse e molekulave të molekulave të ujit është më e vogël se energjia e lidhjeve hidrogjenore të molekulave të ujit. Substancat hidrofobike përfshijnë yndyrnat, disa karbohidrate (niseshte, glikogjen, fibra), acide nukleike, ATP dhe shumicën e proteinave që janë të patretshme në ujë.
Nuk ka substanca absolutisht hidrofobike (“ujë larguese”); edhe sipërfaqet më hidrofobike - hidrokarbure dhe fluorokarbure - thithin ujin. Prandaj, hidrofobia konsiderohet si një shkallë e ulët e hidrofilitetit.
G. dhe g mund të vlerësohen, si lagështimi i një sipërfaqeje me ujë (në ajër), me vlerën e këndit të kontaktit q: për sipërfaqet hidrofile.<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.
Substancat hidrofile janë substanca me kimikate polare. lidhjet: halidet, oksidet dhe hidratet e tyre, karbonatet, sulfatet, fosfatet, silikatet dhe aluminosilikatet (argjilat, gotat), si dhe membranat qelizore. Sipërfaqet e pastra të metaleve, karbonit, gjysmëpërçuesve, substancave të përbëra nga molekula të dobëta polare, gjethet e bimëve, lëkura e kafshëve dhe mbulesa kitinoze e insekteve janë hidrofobike. Të gjitha grupet polare që bëjnë pjesë në molekulat e surfaktantëve - surfaktantët - COOH, -NH2, -SO3Na etj., janë hidrofile; radikalet hidrokarbure të lidhura me to janë hidrofobe.
Substancat amfifile
Amfifiliteti është një veti e molekulave të substancave (zakonisht organike) që kanë veti hidrofilike dhe hidrofobike. Molekulat e komponimeve amfifilike janë të ngjashme me një pulëz: ato përbëhen nga një bisht i gjatë hidrokarbur (zakonisht i përbërë nga më shumë se dhjetë grupe CH2), duke siguruar tretshmëri në mjediset jopolare dhe një kokë polare, përgjegjëse për vetitë hidrofile. Kështu, komponimet amfifilike njëkohësisht "e duan" si ujin (d.m.th., ata janë hidrofilë) ashtu edhe tretësit jopolarë (ato shfaqin veti hidrofobike).
Në varësi të llojit të grupit hidrofil, dallohen komponimet amfifilike që kanë një grup funksional të ngarkuar kationik ose anionik dhe komponimet amfifilike me një grup funksional të pa ngarkuar. Shumica dërrmuese e përbërjeve organike të njohura mbartin më shumë se një grup funksional të ngarkuar. Një shembull i substancave të tilla janë komponimet makromolekulare - proteinat, lipoproteinat, kopolimerët bllok, etj. Prania e një strukture terciare në molekulat e proteinave, e formuar si rezultat i ndërveprimeve intramolekulare të grupeve funksionale (polare ose jopolare) me njëri-tjetrin, tregon në vetvete natyrën amfifilike të këtyre përbërjeve.
Një shembull tjetër i komponimeve amfifilike është shumica e barnave, molekulat e të cilave kombinojnë një grup grupesh funksionale specifike të nevojshme për lidhjen efektive me receptorin e synuar.
Komponimet amfifile luajnë një rol të veçantë në natyrën e gjallë. Asnjë kafshë apo bimë nuk mund të ekzistojë pa to. Janë molekulat amfifile që përbëjnë membranën qelizore, e cila ndan një organizëm të gjallë nga një mjedis i jashtëm armiqësor. Janë këto molekula që përbëjnë organelet e brendshme të qelizës, marrin pjesë në procesin e ndarjes së saj dhe përfshihen në shkëmbimin e substancave me mjedisin. Molekulat amfifile shërbejnë si ushqim për ne dhe formohen në trupin tonë, marrin pjesë në rregullimin e brendshëm dhe ciklin e acidit biliar. Trupi ynë përmban më shumë se 10% molekula amfifilike. Kjo është arsyeja pse surfaktantët sintetikë mund të jenë të rrezikshëm për organizmat e gjallë dhe, për shembull, mund të shpërndajnë membranën qelizore dhe të çojnë në vdekjen e saj.
konkluzioni
Në natyrë, të dy llojet e substancave janë të rëndësishme. Ju mund të gjeni shumë prova që substancat hidrofobike gjenden pothuajse kudo. Kështu, sipërfaqet e pastra të metaleve, gjysmëpërçuesve, si dhe lëkura e kafshëve, gjethet e bimëve dhe mbulesa kitinoze e insekteve kanë veti të ngjashme. Nga ana tjetër, hidrofilet përdoren në transportin e lëndëve ushqyese në trupat e kafshëve dhe bimëve, produktet përfundimtare të metabolizmit ekskretohen gjithashtu duke përdorur solucione të lëngjeve biologjike. Substancat jopolare kanë një rëndësi të madhe në formimin e membranave qelizore që kanë përshkueshmëri selektive. Kjo është arsyeja pse vetitë e tilla luajnë një rol të rëndësishëm në rrjedhën e proceseve biologjike. Vitet e fundit, shkencëtarët kanë zhvilluar substanca të reja hidrofobike që mund të përdoren për të mbrojtur materiale të ndryshme nga lagështimi dhe ndotja, duke krijuar kështu edhe sipërfaqe të vetëpastrueshme. Veshje, produkte metalike, materiale ndërtimi, xhami makinash - ka shumë fusha aplikimi. Studimi i mëtejshëm i kësaj teme do të çojë në zhvillimin e substancave multifobike që do të bëhen bazë për sipërfaqe rezistente ndaj njollave. Duke krijuar materiale të tilla, njerëzit do të jenë në gjendje të kursejnë kohë, para dhe burime, dhe gjithashtu do të jetë e mundur të zvogëlohet shkalla e ndotjes së mjedisit nga produktet e pastrimit. Pra, zhvillimet e mëtejshme do të jenë në dobi të të gjithëve.
Bibliografi
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
Substancat hidrofile
Materiet (substancat) hidrofile
Lëndët e ngurta që kanë vetinë të lagen nga uji. Nuk laget nga lëngjet me vaj.
Një libër i shkurtër elektronik referimi mbi termat bazë të naftës dhe gazit me një sistem referencash të kryqëzuara. - M.: Universiteti Shtetëror Rus i Naftës dhe Gazit me emrin. I. M. Gubkina. M.A. Mokhov, L.V. Igrevsky, E.S. Novik. 2004 .
Shihni se çfarë janë "substancat hidrofile" në fjalorë të tjerë:
Bazat e pomadave hidrofile- Stili i këtij artikulli është joenciklopedik ose shkel normat e gjuhës ruse. Artikulli duhet të korrigjohet sipas rregullave stilistike të Wikipedia-s. Artikulli kryesor: Bazat e pomadës me bazë vaji hidrofile Bazat e vajit të përdorura për ... ... Wikipedia
Hidrofilike- (nga hidro dhe fil) substanca "ujdashëse" molekulat e të cilave janë elektropolare dhe kombinohen lehtësisht me molekulat e ujit. E kundërta janë substancat hidrofobike (“urren ujin”)... Fillimet e shkencës moderne natyrore
Agjentët vulosës- substanca hidrofile me polimer të lartë të përdorura për kompaktimin e lëndëve ushqyese të lëngshme. Në media për kemoorganotrofet si U.V. përdorni agar (shih) dhe xhelatinë (shih), për organizmat autotrofikë xhel silicë (shih). Më pak...... Fjalori i mikrobiologjisë
Substancat që mund të grumbullohen (trashohen) në sipërfaqen e kontaktit të dy trupave, të quajtur ndërfaqja e fazës ose sipërfaqja ndërfaqe. Në sipërfaqen ndërfaqesore të P. a. V. formojnë një shtresë adsorbimi me përqendrim të shtuar... ... Enciklopedia e Madhe Sovjetike
surfaktantë (surfaktantë)- substanca që mund të absorbohen në ndërfaqe dhe të shkaktojnë një ulje të tensionit sipërfaqësor (ndërfaqësor). Surfaktantët tipikë janë komponime organike, molekulat e të cilave përmbajnë liofilike dhe liofobike (zakonisht hidrofile dhe... ... Fjalor Enciklopedik i Metalurgjisë
Surfaktantët- (a. surfaktantë; n. grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; f. substanca aktive tensio; i. surfac tantes), substanca me një mol asimetrik. strukturë, molekulat e së cilës kanë strukturë difilike, d.m.th. përmbajnë liofilike dhe... Enciklopedia gjeologjike
surfaktantët- Substancat surfaktant që mund të absorbohen në ndërfaqe dhe të shkaktojnë një ulje të sipërfaqes. tension (ndërfaqësor). Surfaktantët tipikë janë organikë. komponimet molekulat e të cilave përmbajnë liofilike dhe liofobike (zakonisht hidrofile dhe hidrofobike) në... Udhëzues teknik i përkthyesit
Llojet surfaktant Substanca me strukturë molekulare asimetrike, molekulat e të cilave kanë një strukturë difilike, domethënë përmbajnë grupe atomike liofilike dhe liofobike (zakonisht grupe polare hidrofile dhe radikale hidrofobike). Difilik...... Mikroenciklopedia e naftës dhe gazit
Membranat qelizore- Ky term ka kuptime të tjera, shih Membrana Një fotografi e një membrane qelizore. Topat e vegjël blu dhe të bardhë korrespondojnë me "kokat" hidrofile të lipideve, dhe linjat e lidhura me to korrespondojnë me "bishtet" hidrofobike. Në foto... ... Wikipedia
Përshkueshmëria selektive- Ky term ka kuptime të tjera, shih Membrana Një fotografi e një membrane qelizore. Topat e vegjël blu dhe të bardhë korrespondojnë me "kokat" hidrofile të lipideve, dhe linjat e lidhura me to korrespondojnë me "bishtet" hidrofobike. Figura tregon... ... Wikipedia
HIDROFILITETI DHE HIDROFOBICITETI (nga greqishtja hydor - ujë dhe philia - dashuri ose phobos - frikë, frikë * a. aftësia laguese hidrofobi; n. Hydrophilie und Hydrophobie; f. hydrophilie et hydrophobie; i. hidrofilia e hidrofobia) - koncepte të substancave të hidrofobisë. ose trupat e formuar prej tyre; ky afinitet është për shkak të forcave të bashkëveprimit ndërmolekular. Konceptet e hidrofilitetit dhe hidrofobisë mund të zbatohen në mënyrë të barabartë për një substancë, për sipërfaqen e një trupi dhe për një shtresë të hollë (në kufi, një molekulë e trashë) në ndërfaqen midis fazave (trupave). Hidrofiliteti dhe hidrofobia janë një rast i veçantë i liofilicitetit dhe liofobitetit - karakteristika të ndërveprimit molekular të substancave me lëngje të ndryshme.
Një masë e përgjithshme e hidrofilitetit është energjia lidhëse e molekulave të ujit në sipërfaqen e trupit; mund të përcaktohet nga nxehtësia e njomjes nëse substanca e një trupi të caktuar është e patretshme. Hidrofobia konsiderohet si një shkallë e ulët e hidrofilitetit, sepse Midis molekulave të ujit dhe çdo trupi, forcat ndërmolekulare të tërheqjes veprojnë gjithmonë në një masë më të madhe ose më të vogël. Hidrofiliteti dhe hidrofobia mund të vlerësohen duke përhapur një pikë uji në një sipërfaqe të lëmuar të trupit (Fig.); karakterizohet nga këndi i kontaktit; në një sipërfaqe hidrofile pika përhapet plotësisht, në një sipërfaqe hidrofobike ajo përhapet pjesërisht dhe këndi midis sipërfaqeve të pikës dhe trupit të lagur varet nga sa hidrofobik është trupi.
Të gjithë trupat në të cilët intensiteti i ndërveprimeve molekulare (atomike, jonike) është mjaft i lartë janë hidrofilë. Hidrofiliteti është veçanërisht i theksuar me grilat kristalore jonike (për shembull, etj.), si dhe me gota silikate. Metalet që u mungojnë filmat oksid, komponimet organike me mbizotërim të grupeve hidrokarbure në molekulë (për shembull, parafinat, yndyrat, dyllet, disa plastikë) dhe substancat e tjera me ndërveprime të dobëta ndërmolekulare janë hidrofobike.
Konceptet e hidrofilitetit dhe hidrofobisë zbatohen jo vetëm për trupat ose sipërfaqet e tyre, por edhe për molekulat e vetme ose pjesët individuale të molekulave. Kështu, në molekulat e surfaktantëve dallohen grupet hidrofile (polare) dhe hidrofobike (hidrokarbure). Hidrofiliteti i sipërfaqes së trupit mund të ndryshojë në mënyrë dramatike si rezultat i përthithjes së substancave të tilla. Një rritje e hidrofilitetit quhet hidrofilizim, dhe një ulje quhet hidrofobizim. Të dy fenomenet luajnë një rol të rëndësishëm në metodë. Hidrofilizimi rezulton në minerale selektive të gangut. Për këto qëllime përdoren reagentë organikë (niseshte, dekstrinë etj.) dhe inorganik (qelqi i lëngshëm, cianid natriumi etj.). Hidrofobizimi shkaktohet nga shtimi i reagentëve të veçantë grumbullues. Shiko gjithashtu .
Një gjethe zambaku mbi të cilën rrjedh uji, e mbledhur në topa, sipërfaqe të papërshkueshme nga uji dhe përbërës mbrojtës për këpucë, filxhanë vaji që noton në një lëng mishi - të gjitha këto janë shembuj të një vetie të molekulave të quajtura hidrofobik. Përveç kësaj, efekt hidrofobik luan një rol të rëndësishëm biologjik: palosja dhe funksionimi i duhur i molekulave të proteinave, formimi i biomembranave dhe njohja e molekulave nga njëra-tjetra janë gjithashtu "programuar" duke përdorur vetitë hidrofobike. Është interesante se efekti hidrofobik nuk reduktohet në ndërveprime fizike "të zakonshme": pas tij qëndron Ligji i Dytë i Termodinamikës dhe një sasi e quajtur entropia.
Tërbimi
Hidrofobia, ose hidrofobi(nga greqishtja e lashtë. νδωρ - "ujë" dhe φοβος - "frika") është frika nga spazmat e dhimbshme të gëlltitjes kur përpiqeni të pini një gllënjkë uji, kur shikoni ujin ose kur përmendet. Vërehet në rastet e tetanozit, histerisë, tërbimit (dhe vetë tërbimi më parë quhej pikërisht me këtë fjalë).
Kështu që, hidrofobik, që do të diskutohet, ka të bëjë me vetitë e molekulave dhe jo me simptomat tek njerëzit.
Shprehja "uji nga shpina e rosës", e njohur për të gjithë që nga fëmijëria, tregon këtë hidrofobik- jo një fenomen kaq i paprecedentë siç mund të sugjerojë emri i tij. Në të vërtetë, efekti i "pranimit" të ujit gjendet shpesh rreth nesh: thjesht shikoni një pendë pate ose gjethe zambak uji (Fig. 1 A), përgjatë së cilës rrjedh një pikë uji, si një top merkuri në sipërfaqen e xhamit, duke mos lënë asnjë gjurmë pas saj. Idetë klasike për sipërfaqet hidrofobike thonë se treguesi këtu është këndi i kontaktit θ, i cili për sipërfaqet e lagura është më i vogël se një kënd i drejtë (90°), dhe për sipërfaqet jo të lagura është më i madh se ai (Fig. 1 b) . Në veçanti, për një pikë uji në sipërfaqen e parafinës θ = 109 °, dhe në sipërfaqen e materialit më hidrofobik të njohur - fluoroplastik - do të jetë 112 °. Në të njëjtën kohë, një sipërfaqe "absolutisht" hidrofobike do të përshkruhet nga një kënd prej 180°, kur uji rrokulliset nga sipërfaqja pa u ndalur për asnjë sekondë.
Pra, a është vërtetë pata më hidrofobike se sa fluoroplastike? Në fakt, kjo është e vërtetë, por kjo arrihet me një truk të vogël: sipërfaqja e një pendë pate (si dhe një gjethe zambak uji) nuk është e lëmuar, por e mbuluar me piramida ose qime mikroskopike, gjë që redukton zonën e kontaktit me rënien. dhe ngjitje efektive (Fig. 1 V) . Bazuar në të njëjtin parim superhidrofobik sipërfaqet që e largojnë ujin pothuajse në mënyrë të përsosur (video 1).
Figura 1. Gjethja e lotusit: një shembull i një sipërfaqeje hidrofobike. A - Në fakt do të thotë hidrofobik jo lagshmëria kur uji rrokulliset plotësisht nga sipërfaqja, duke mos lënë shenja të lagura. b - Përcaktimi i sipërfaqes hidrofobike bazuar në këndin e kontaktit θ: në θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90° - jo i lagësht (hidrofobik). Efekti i hidrofobisë absolute (ose superhidrofobiciteti) arrihet për shkak të vrazhdësive mikroskopike që zvogëlojnë zonën e kontaktit të rënies me sipërfaqen. V - Si është e strukturuar sipërfaqja e një zambak uji: gjembat mikroskopike parandalojnë pikat e ujit që të njometin sipërfaqen dhe ato rrokullisen nga gjethet. Një pikë uji nuk mund të "rrjedhë" midis shtyllave kurrizore, sepse në këtë shkallë, tensioni sipërfaqësor nuk lejon më që pika të ndahet në pika më të vogla.
Video 1. Sipërfaqe superhidrofobike. Vrazhdësia e sipërfaqes në shkallë të vogël ( cm. oriz. 1 b) zvogëlon zonën efektive të kontaktit me një pikë uji, e cila në këtë shkallë sillet si një trup elastik për shkak të tensionit sipërfaqësor.
Të kuptosh Pse Disa substanca lagen me kënaqësi nga uji, por uji rrokulliset nga rosa, siç thotë proverbi Ju duhet të zbrisni në nivelin e molekulave individuale dhe të merrni parasysh se si molekulat ndërveprojnë me njëra-tjetrën.
Molekulat hidrofobike
Nga pikëpamja e strukturës kimike hidrofobe(ose, çfarë është e njëjta, jo polare) janë molekula që nuk përmbajnë grupe kimike të afta të krijojnë lidhje hidrogjenore me ujin. Për shembull, këto janë benzeni dhe hidrokarbure të tjera të lëngshme (përbërësit e benzinës). Megjithatë, pronat më interesante kanë amfifilike molekula që përmbajnë pjesë polare dhe jopolare: kjo çon në faktin se ato formojnë struktura mjaft komplekse në përzierjet me ujin: micela, vezikula, shtresa dhe forma më komplekse. Formimi i të gjitha këtyre formave komplekse kontrollohet efekt hidrofobik.
Është interesante se çështja e natyrës molekulare të hidrofobisë shkon prapa tek Benjamin Franklin, i cili, në kohën e tij të lirë nga punët e qeverisë, studioi përhapjen e vajit të ullirit mbi sipërfaqen e një pellgu. Sipërfaqja e njollës nga një lugë vaj ishte e njëjtë gjatë gjithë kohës - gjysmë hektari - dhe trashësia në fakt ishte e barabartë me një molekulë. Kjo ndodhi në vitin 1774, dhe megjithëse në atë kohë idetë për natyrën molekulare të substancave ishin ende jashtëzakonisht të paqarta, kurioziteti i përgjithshëm i shtetarëve, siç e shohim, nuk ishte si sot. Në një mënyrë apo tjetër, eksperimenti me vajin shënoi fillimin e studimeve të filmave monomolekularë të lipideve, nga të cilat padyshim u bë e qartë: disa molekula "nuk e pëlqejnë" ujin aq shumë sa që jo vetëm që nuk përzihen me të, por janë gjithashtu gati të marrin çlirojeni ujin në të gjitha mënyrat e mundshme - për shembull, duke grumbulluar në formën e një shtrese të trashë një molekule (njështresore) në ndërfaqen midis ujit dhe ajrit. (Më shumë detaje mbi studimet e filmave lipidikë mund të gjenden në artikullin " Molekulat e sirenës » .)
Një lloj tjetër i rëndësishëm i molekulave amfifile janë sapunët, të cilët përdoren gjerësisht në jetën e përditshme dhe në ekonominë kombëtare. Parimi i funksionimit të tyre mund të nxirret edhe nga reklamat: pjesa jopolare e molekulave të detergjentit "ngjitet" me molekula ndotëse (zakonisht hidrofobike), dhe pjesa polare ndërvepron në mënyrë aktive me molekulat e ujit. Si rezultat, ndodh tretshmërisë: papastërtia del nga sipërfaqja dhe mbyllet brenda molekulave grumbulluese të sapunit, duke ekspozuar fragmentet polare "jashtë" dhe duke fshehur pjesët hidrofobike "brenda".
Megjithatë, ajo që na lejon të shijojmë cilësitë tregtare të detergjenteve më të mirë është një cilësi edhe më e rëndësishme e molekulave amfifilike (domethënë lipideve): ato shërbejnë si guaskë për të gjitha format e njohura të jetës, duke formuar një membranë qelizore nën të cilën të gjitha proceset jetësore. zhvillohet ( cm. "Themeli lipid i jetës"). Ky fakt i rëndësishëm na tregon se natyra molekulare e efektit hidrofobik nuk është një gjë boshe, por ka një rëndësi thelbësore për të gjithë biologjinë, për të mos përmendur industritë e aplikuara.
Por pas një ekzaminimi më të afërt, rezulton se asnjë ndërveprim fizik themelor, si graviteti apo forcat elektrostatike, nuk është përgjegjës për "tërheqjen" e grimcave hidrofobike me njëra-tjetrën dhe "zmbrapsjen" e tyre nga uji. Natyra e tij qëndron në një parim fizik që vendos kufizime në drejtimin e shumicës së proceseve spontane, domethënë, në Ligji i dytë i termodinamikës.
Pak termodinamikë
Termodinamika është një nga shkencat e para që ndërtoi një urë midis botës mikroskopike të atomeve dhe molekulave dhe botës "tonë" makroskopike. Lindja e tij lidhet me studimin e funksionimit të motorëve me avull dhe me emrin e Nicolas Carnot (1796–1832), pas të cilit emërtohen ciklet termodinamike që përcaktojnë sasinë e punës që mund të prodhojë një makinë. Puna e tij u vazhdua nga Joule, Kelvin dhe Clausius, të cilët sollën një bazë të fuqishme teorike në këtë fushë fillimisht thjesht praktike.
Nëpërmjet përpjekjeve të këtyre shkencëtarëve, ligjet bazë, ose filloi, termodinamika, duke përmbledhur përvojën empirike shekullore në vëzhgimin e proceseve termike. Parimi i parë flet për ruajtjen e energjisë së një sistemi të izoluar ("ligji i ruajtjes së energjisë"), dhe parimi i dytë flet për drejtimin e proceseve spontane. (Ka edhe parime zero dhe të tretë, por ne nuk do të flasim për to këtu.) Koncepti i entropia(S), e cila ka fituar famë si sasia termodinamike më misterioze. Fillimisht e përcaktuar zyrtarisht nga Clausius si raporti i nxehtësisë që i jepet një sistemi ndaj temperaturës (ΔS = ΔQ/T), entropia më vonë fitoi kuptimin e një "matjeje të kaosit" global. Që atëherë, entropia është bërë baza e formulimit modern të Ligjit të Dytë:
Proceset spontane në një sistem të izoluar shoqërohen me një rritje të entropisë.
Ludwig Boltzmann (1844-1906) e lidhi të gjithë këtë "kuzhinë" termike me nivelin e atomeve që përbëjnë materien, edhe para se struktura atomike e materies të bëhej e pranuar përgjithësisht. Ai e konsideroi arritjen kryesore të jetës së tij zbulimin (në 1877) të një formule statistikore për llogaritjen e entropisë: S = k × logW, ku S është entropia, k është një konstante, e quajtur më vonë nga Planck pas vetë Boltzmann, dhe W është pesha statistikore e shtetit (numri mikrostate, e cila e zbaton këtë makroshteti). Pavarësisht shikimit të dobët, ai pa shumë më thellë se të tjerët "në thellësitë" e materies: ai ishte i pari që ndjeu fuqinë e qasjes statistikore për të përshkruar ansamblet termodinamike dhe e aplikoi atë në fizikën molekulare. Ekziston një version që Boltzmann kreu vetëvrasje për shkak të një keqkuptimi të bashkëkohësve të tij, të cilët ai ishte rrënjësisht përpara. Formula e lartpërmendur është gdhendur në gurin e varrit të tij në varrezat në Vjenë.
Megjithë misterin e konceptit të entropisë, kuptimi i Ligjit të Dytë është mjaft i thjeshtë: nëse një sistem është i izoluar (d.m.th., ai nuk shkëmben as materie as energji me botën e jashtme), atëherë ai do të priret drejt gjendjes. ekuilibri termodinamik, - një makrostate e tillë që realizohet nga numri maksimal i mundshëm i mikrostateve (me fjalë të tjera, që ka entropinë maksimale). Për shembull, një filxhan i thyer nuk do të ngjitet më kurrë: gjendja fillestare (e gjithë kupa) realizohet vetëm në një mënyrë (S=0), por gjendja përfundimtare (kupa e thyer) realizohet në një numër astronomikisht të madh. të mënyrave (S>>0). Prandaj, mjerisht, nga perspektiva globale, të gjitha kupat janë të dënuara. Libri i mrekullueshëm i shkencës popullore nga Peter Atkins, Rendi dhe çrregullimi në natyrë, i kushtohet një shpjegimi të Ligjit të Dytë "për amvisat".
Efekti hidrofobik nga pikëpamja e fizikës statistikore
Pra, duke e ditur Ligjin e Dytë, ne kuptojmë pse një filxhan çaj në tryezë do të ftohet patjetër në temperaturën e dhomës, por nuk do të ngrohet kurrë më vete, duke hequr nxehtësinë nga ajri në kuzhinë. (Nëse jo, atëherë duhet të lexoni patjetër librin e Atkins.) Por a vlen i njëjti arsyetim për të shpjeguar, për shembull, mospërzierjen e ujit dhe vajit? Në fund të fundit, Ligji i Dytë përpiqet të "nivelojë gjithçka" dhe uji dhe vaji, përkundrazi, refuzojnë të treten në njëri-tjetrin (Fig. 2 A).
Figura 2. Ilustrimi i efektit hidrofobik. A - Efekti hidrofobik (në thelb Ligji i Dytë i Termodinamikës) bën që uji të "zmbrapsë" molekulat jopolare (siç është vaji) dhe të zvogëlojë zonën e kontaktit me to. Për shkak të kësaj, shumë pika të vogla vaji në ujë përfundimisht do të bashkohen së bashku dhe do të formojnë një shtresë. b - Formimi i një shtrese të rregulluar (“të akullt”) të molekulave të ujit pranë një sipërfaqeje hidrofobike është i nevojshëm në mënyrë që molekulat e ujit të mund të krijojnë lidhje hidrogjeni me njëra-tjetrën. Por kjo çon në një rënie të entropisë, e cila është e pafavorshme në lidhje me Ligjin e Dytë. V - Një mundësi e natyrshme për të rritur entropinë është zvogëlimi i zonës së kontaktit të molekulave hidrofobike me ujin, e cila ndodh kur disa molekula jo polare grumbullohen së bashku. Në rastin e molekulave amfifilike, shfaqet vetëorganizimi dhe formimi i strukturave mjaft komplekse supramolekulare si micelat, dyshtresat dhe vezikulat ( cm. oriz. 3).
Në të vërtetë, nëse marrim parasysh vetëm vajin, do të duket se termodinamika nuk funksionon: shpërbërja e një filmi vaji në trashësinë e një lëngu do të rriste qartë entropinë në krahasim me një shtresë të vetme. Por të gjithë e dinë që në fakt ndodh e kundërta: edhe nëse shkundni ujin dhe vajin, emulsioni do të shpërbëhet pas ca kohësh dhe vaji do të formojë përsëri një film, duke lënë fazën ujore.
Fakti është se uji në këtë shembull është një pjesëmarrës i barabartë në sistemin në shqyrtim, dhe në asnjë rast nuk duhet të neglizhohet. Siç dihet, vetitë e ujit (madje edhe gjendja e tij e lëngshme në kushte normale) përcaktohen nga aftësia për të formuar lidhje hidrogjenore. Çdo molekulë uji mund të krijojë deri në katër lidhje me "fqinjët" e saj, por që kjo të ndodhë, uji duhet të jetë "në ujë". Nëse ka një sipërfaqe jo polare në ujë, molekulat ngjitur me të nuk ndihen më "të lira": për të formuar lidhjet e dëshiruara të hidrogjenit, këto molekula duhet të orientohen në një mënyrë strikte, duke formuar një guaskë "të akullt". (Fig. 2 b) rreth një objekti hidrofobik. Ky renditje e detyruar karakterizohet nga një rënie e konsiderueshme e entropisë së sistemit vaj-ujë, e cila detyron molekulat hidrofobike të grumbullohen midis tyre, duke zvogëluar zonën e kontaktit me mjedisin polar, dhe për këtë arsye një rënie të pafavorshme të faktorit të entropisë. Në fakt, është uji ai që bën që vaji të bashkohet në një pikë ose pikë të madhe, duke zbatuar parimin dialektik të "pëlqej të pëlqejë".
Ky bashkëveprim i fazave polare dhe jopolare quhet efekt hidrofobik. Ky fenomen bën që molekulat e detergjentit të formojnë micela në tretësirë dhe lipidet të formojnë një shtresë dhe dy shtresa. Këto të fundit mund të mbyllen në vetvete me formimin e vezikulave (liposomeve) ose membranave biologjike që rrethojnë qelizën (Fig. 3). Janë gjetur edhe forma më komplekse të polimorfizmit të lipideve, për shembull faza lipidike kubike, përdoret gjerësisht në studimet strukturore të proteinave të membranës.
Figura 3. Polimorfizmi i lipideve. Në varësi të formës dhe vetive të tjera të molekulës, që karakterizojnë strukturën asimetrike të kokës dhe bishtit, lipidet formojnë struktura të ndryshme supramolekulare. Nga lart poshtë: 1 - me formën e kundërt konike të molekulës formohen struktura me lakim pozitiv (micelat dhe faza gjashtëkëndore H I); 2 - forma cilindrike jep struktura të sheshta (lamellare) si dyshtresa; 3 - me formë konike formohen si faza gjashtëkëndore e përmbysur (H II) ashtu edhe micellare.
"Thellë në" efektin hidrofobik
Në rastin e molekulave biologjike, efekti hidrofobik luan një rol të veçantë, pasi formon biomembrana, pa të cilat jeta është e pamundur, dhe gjithashtu jep një kontribut vendimtar (deri në 90% të gjithë punës) në palosjen e molekulave të proteinave, anësore. zinxhirët e mbetjeve të aminoacideve të të cilave mund të kenë një natyrë të ndryshme: hidrofobike ose hidrofile. Prania e entiteteve të tilla të ndryshme brenda një molekule lineare jep të gjithë diversitetin e formave dhe funksioneve që vërehet në proteina.
Sidoqoftë, në një shkallë nënmolekulare, efekti hidrofobik manifestohet ndryshe sesa në rastin e një sipërfaqeje jopolare të zgjatur ose të një luge të tërë vaji: me sa duket, një grup grimcash hidrofobike do të jetë i qëndrueshëm vetëm nëse madhësia e tij tejkalon një vlerë pragu ( ≈1 nm); përndryshe do të shkatërrohet nga lëvizja termike e molekulave. Simulimet e dinamikës molekulare (MD) tregojnë ndryshime në strukturën e ujit "të pastër" dhe ujit afër të vogël (<1 нм) и большой (>>1 nm) grimca hidrofobike. Nëse në dy rastet e para secili një molekulë uji mund të formojë deri në katër lidhje hidrogjeni, por në rastin e një grimce të madhe hidrofobike nuk ekziston një mundësi e tillë dhe molekulat e ujit duhet të rreshtohen në një guaskë "akullt" rreth kësaj grimce (Figura 2 b dhe 4).
Figura 4. Konfigurime të ndryshme të molekulave të ujit pranë një ( A) dhe i madh ( b) grimcat hidrofobe(në të dyja rastet tregohet sferat e kuqe). Sipas të dhënave të MD, grimcat më të vogla se 1 nm mund të rrethohen lehtësisht nga uji pa kufizuar "lirinë" e tij dhe aftësinë për të formuar lidhje hidrogjeni. Në rastin e grimcave më të mëdha, për të formuar një lidhje hidrogjeni, molekula kufitare e ujit duhet të orientohet në një mënyrë të veçantë në lidhje me sipërfaqen hidrofobike, gjë që çon në renditjen e një shtrese të tërë uji (ose disa) dhe një ulje. në entropinë e tretësit. Në këtë rast, numri mesatar i lidhjeve hidrogjenore për molekulë uji zvogëlohet në tre. Është interesante që këtu ndryshon edhe natyra e varësisë së energjisë së tretësirës së një grimce nga madhësia e saj: deri në 1 nm, energjia varet nga vëllimi i grimcës, dhe mbi këtë prag, nga sipërfaqja e saj.
E njëjta "madhësi e pragut" u konfirmua gjithashtu në një eksperiment për të përcaktuar kontributin e efektit hidrofobik në palosjen e zinxhirit të polimerit në varësi të madhësisë së grupit anësor të monomerit dhe temperaturës. Regjistrimi i energjisë së lirë të tretësirës u krye duke përdorur një mikroskop të forcës atomike, i cili "zhveshi" molekulën e polimerit një lidhje në të njëjtën kohë. Është interesante se vlera e ndërprerjes prej 1 nm përafërsisht përkon me madhësinë e zinxhirëve të mëdhenj anësor të mbetjeve të aminoacideve që përcaktojnë palosjen e molekulës së proteinës.
Meqenëse efekti hidrofobik është i natyrës entropike, roli i tij në procese të ndryshme (domethënë kontributi në energjinë e lirë) varet nga temperatura. Është kureshtare që ky kontribut është maksimal pikërisht në kushte normale - në të njëjtën temperaturë dhe presion në të cilin kryesisht ekziston jeta. (Në të njëjtat kushte, tretësi kryesor biologjik - uji - është afër ekuilibrit midis lëngut dhe avullit.) Kjo çon në idenë se jeta "zgjedh" qëllimisht kushtet e ekzistencës afër kalimeve fazore dhe pikave të ekuilibrit: me sa duket, kjo siguron mundësia e kontrollit veçanërisht të besueshëm dhe kontrollit të imët të gjërave të tilla në dukje "inerte" si struktura e membranave dhe molekulave të proteinave.
Hulumtimet e viteve të fundit kanë theksuar më tej rolin e ujit si në efektin hidrofobik ashtu edhe në njohjen ndërmolekulare (për shembull, kur një enzimë lidh substratin e saj ose një receptor lidh ligandin që njeh). Në qendrën aktive të një proteine, si rregull, ka molekula uji "të lidhura" (dhe për këtë arsye të renditura). Kur ligandi depërton në vendin e lidhjes në sipërfaqen e proteinave, uji "lëshohet", i cili jep një kontribut pozitiv në entropinë (Fig. 5); megjithatë, komponenti entalpi i ndryshimit të energjisë së lirë mund të jetë ose negativ ose pozitiv. Duke përdorur titrimin kalorimetrik dhe modelimin molekular, u krijua modeli termodinamik i lidhjes nga enzima anhidraza karbonike e shumë ligandëve, të ngjashëm në strukturë, por të ndryshëm në madhësinë e grupeve hidrofobike. Analiza tregoi se kontributi i entalpisë dhe entropisë në energjinë e lirë të Gibbs në secilin rast mund të jetë individual, dhe është e pamundur të thuhet paraprakisht se cili proces do të luajë një rol vendimtar. Është absolutisht e qartë se struktura dhe dinamika e shtresave të molekulave të ujit më afër zonës aktive luajnë në njohjen ndërmolekulare të njëjtin rol të rëndësishëm si korrespondenca e ligandit me receptorin, i cili fut një nivel të ri kompleksiteti në "klasike ” Modele të ndërveprimit të dy molekulave të tipit “kyç-kyç” ose “dora e dorës”.
Palosja e homo- dhe heteropolimerëve mund të ndahet në disa faza (Fig. 6):
- Nëse filloni me një zinxhir të zgjatur, faza e parë do të jetë palosja e entropisë, e cila është pasojë e drejtpërdrejtë e Ligjit të Dytë të Termodinamikës: një zinxhir polipeptid plotësisht i drejtuar ka entropi zero, e cila "korrigjohet" menjëherë nga forcat statistikore që e kthejnë fillin në "top statistikor".
- Në konformacionin e rastit të spirales, mbetjet anësore hidrofobike afrohen në hapësirë dhe grumbullohen nën ndikimin e efektit hidrofobik. Kjo konfirmohet nga vëzhgimi i parimeve të paketimit tredimensional të globulave proteinike: brenda ka një "bërthamë" të mbetjeve hidrofobike, dhe në sipërfaqen e molekulës ka mbetje aminoacide polare dhe të ngarkuara. Forma që rezulton në këtë fazë quhet rruzull i shkrirë.
- Në rastin e biopolimerëve, çështja nuk përfundon këtu: ndërveprimet specifike midis mbetjeve afër hapësirës e bëjnë paketimin edhe më të dendur (e vërtetë rruzull). Energjia e lirë më pas përjeton një rënie të konsiderueshme, dhe kjo shpesh konsiderohet si një kriter për një strukturë "të mbushur mirë".
Figura 6. Roli i kolapsit hidrofobik në palosjen e tre zinxhirëve polimer me hidrofobi të ndryshme të monomerëve përbërës: një polimer hidrofobik, një kopolimer hidrofobik-hidrofilik dhe një proteinë globulare (nga lart poshtë) - energjia e lirë e paraqitur si funksion. të rrezes së rrotullimit, që tregon kompaktësinë e paketimit të zinxhirit. 1) Çdo zinxhir linear nga një gjendje plotësisht e shtrirë kthehet shpejt në lëmsh statistikore. 2) Afërsia hapësinore e vargjeve anësore jopolare çon në kolapsin hidrofobik të spirales dhe formimin rruzull i shkrirë. 3) Në rastin e proteinave, kontaktet specifike të zgjedhura në mënyrë evolucionare midis vargjeve anësore të mbetjeve të aminoacideve ngjitur (të tilla si lidhjet e hidrogjenit ose ndërveprimet elektrostatike) reduktojnë më tej energjinë e lirë dhe e paketojnë proteinën në një formë të dendur. globulat. Polimerët hidrofobikë nuk kanë ndërveprime të tilla dhe për këtë arsye palosja e tyre ndalon në fazën e spirales së rastësishme.
Më parë, besohej se faza e tretë është një tipar i domosdoshëm i një proteine funksionale, por kohët e fundit gjithnjë e më shumë vëmendje i është kushtuar të ashtuquajturës proteinat e nënrenditura (proteinat e çrregulluara të brendshme), të cilat nuk kanë një formë hapësinore të përcaktuar qartë dhe në fakt nuk ka asnjë fazë të formimit të kontakteve specifike. (Meqë ra fjala, përqindja e mbetjeve hidrofobike në to është dukshëm më e vogël në krahasim me proteinat globulare.) Ndoshta kjo i lejon ata të ndërveprojnë në një qelizë të gjallë jo me një proteinë ose ligand, por me dhjetëra apo edhe qindra molekula partnere strukturore të ndryshme, duke marrë pjesë në një rregullim shumë delikat të proceseve qelizore.
Efekti hidrofobik gjithashtu luan një rol vendimtar në palosjen e proteinave të membranës (MPs), të cilat kryejnë shumë funksione jetësore që nga transportimi i molekulave dhe joneve përmes membranës deri te pranimi dhe njohja e njëra-tjetrës nga qelizat. Për shkak të faktit se shumica e tyre janë zhytur në shtresën e dyfishtë hidrofobike të membranës, struktura e domenit transmembranor (TM) ndryshon ndjeshëm nga paketimi i proteinave globulare të tretshme: segmentet e tyre TM janë dukshëm më hidrofobike dhe zinxhirët anësor hidrofobikë janë. të vendosura jo vetëm brenda proteinës (si në rastin e proteinave globulare), por edhe në sipërfaqen ku proteina bie në kontakt me vargjet hidrokarbure të molekulave të lipideve.
Është e rëndësishme që edhe hidrofobia të hyjë në lojë përpara se se si proteina përfundon në vendin e saj të punës (pra në membranë). Gjatë sintezës ribozomale, MB nuk hyjnë në citoplazmë, si proteinat globulare, por në translocon- një makinë molekulare mjaft komplekse, e ndërtuar në formën e një kanali dhe përgjegjëse si për sekretimin e proteinave ashtu edhe për dërgimin e MB në membrana. Doli që translokoni mund të "ndiejë" hidrofobicitetin e një fragmenti proteine të kaluar përmes tij dhe, me arritjen e një pragu të caktuar hidrofobik, "pështynë" këtë fragment jo "përpara" (përmes kanalit në hapësirën jashtëqelizore), por "anash" (përmes murit të kanalit) - direkt në membranë. Pra, fragment pas fragmenti, proteinat e membranës futen në membranë, dhe për këtë arsye N-fundi i MB është gjithmonë në rajonin jashtëqelizor dhe ku do të jetë C-fund - varet nga numri i segmenteve TM.
Në një eksperiment elegant në translokonin Sec61 të rrjetës endoplazmatike, u krijua një "shkallë biologjike e hidrofobicitetit", e cila i cakton një vlerë specifike hidrofobisë për çdo mbetje aminoacide. Interesante, në terma të përgjithshëm, kjo shkallë përkon me shkallët fiziko-kimike të vendosura më parë, gjë që lejon që translokoni t'i caktohet roli i një sensori të ndërveprimit hidrofobik.
Pra, një qelizë mund të "matë" hidrofobicitetin duke përdorur një translokon, dhe në laborator kjo veti mund të vlerësohet përafërsisht nga natyra e ndërveprimit të saj me ujin. Por a është e mundur të llogaritet teorikisht hidrofobia dhe të përfshihet kjo llogaritje në probleme praktikisht të rëndësishme?
Si të llogaritet teorikisht hidrofobia?
U tha tashmë më lart se efekti hidrofobik është në të vërtetë një nga fytyrat e Ligjit të Dytë të Termodinamikës, kështu që llogaritja e saktë e tij nuk është, ndoshta, jo më e lehtë sesa modelimi i të gjithë sistemit dhe në një nivel fizikisht të saktë. Me fjalë të tjera, "ndërveprimet hidrofobike" nuk janë në asnjë mënyrë të reduktueshme në kontaktet në çift, të tilla si tërheqja ose zmbrapsja e dy ngarkesave ose ndërveprimi midis një dhuruesi dhe pranuesi të lidhjes hidrogjenore. Mënyra e vetme teorikisht e saktë është të analizoni një numër të madh mikrostatesh në ansamblet termodinamike, gjë që është mjaft e vështirë për t'u bërë në praktikë.
Megjithatë, të paktën një vlerësim i përafërt i vetive hidrofobike dhe hidrofile të molekulave është ende i kërkuar në modelimin molekular dhe aplikimet e tij (për shembull, bioteknologjik ose industrial). Zakonisht, ata fokusohen në karakteristikën që përshkruan hidrofobicitetin e të gjithë molekulës - koeficientin e shpërndarjes ( P, nga ndarje) të kësaj substance ndërmjet ujit (faza polare) dhe një faze jopolare (për shembull, benzeni ose n-oktanol). Fakti është se ky parametër, ndryshe nga të gjitha karakteristikat e tjera termodinamike, është mjaft i thjeshtë për t'u matur eksperimentalisht duke përcaktuar përqendrimin e substancës në studim në ujë dhe një mjedis jopolar (i cili, siç kujtojmë, pothuajse nuk përzihet) dhe duke e ndarë njëri nga tjetri. Koeficienti i hidrofobicitetit merret si logaritëm i këtij koeficienti - log P.
Disa metoda empirike kanë për qëllim parashikimin e këtij koeficienti, të cilat përfundojnë në përdorimin e një grupi trajnimi substancash me një regjistër të matur me saktësi. P të përcaktojë kontributin e fragmenteve individuale të një molekule apo edhe atomeve të saj individuale (duke marrë parasysh mjedisin kimik), në mënyrë që më pas të llogaritet hidrofobia për molekulat e panjohura bazuar në konstantet e llogaritura të hidrofobisë fragmentare ose atomike. Në fakt, kjo është një përpjekje për të caktuar një "ngarkesë hidrofobike" për secilin atom në një molekulë, megjithëse duhet të kihet parasysh se kjo nuk ka kuptim fizik. Përmbledhja e këtyre konstantave për të gjithë atomet në molekulë do të japë vlerën e dëshiruar të log P, dhe përdorimi i një përqasjeje të ngjashme me llogaritjen e potencialit elektrostatik në pikat në hapësirë (φ ~ q/r) krijoi metodën e Potencialit Hidrofobik Molekular (MHP), e cila e ka provuar veten në modelimin molekular (Fig. 7) . Programi PLATINUM është i dedikuar për llogaritjet e DNH-së.
Figura 7. Potenciali Molekular Hidrofobik (MHP). Pika e qasjes DNH, e cila lejon llogaritjen e shpërndarjes hapësinore të vetive hidrofobike/hidrofilike, është krijimi i një sistemi empirik. konstantet e hidrofobisë atomike (f i), teknikisht i ngjashëm me tarifat e pjesshme. Shuma e këtyre konstanteve mbi të gjithë atomet do të japë një vlerësim të koeficientit të hidrofobisë log P(ku P- koeficienti i shpërndarjes së një substance midis ujit dhe oktanolit), dhe llogaritja e "potencialit" nga një sistem pikash "ngarkesa hidrofobike" duke marrë parasysh dobësimin në hapësirë (sipas ligjit d(r), i barabartë me, për shembull, 1/r) na lejon të imagjinojmë shpërndarjen e hidrofobisë në sipërfaqet molekulare. Figura tregon vetitë hidrofobike të fosfolipidit kryesor të membranës plazmatike të eukarioteve - palmitoyloleylfosfatidylkolina.
Llogaritja e MHP lejon që dikush të vlerësojë vlerën efektive të hidrofobisë së një fragmenti të veçantë të një molekule dhe të vizualizojë qartë vetitë hidrofobike të sipërfaqes së saj, dhe kjo, nga ana tjetër, mund të tregojë për mekanizmat e ndërveprimit ndërmolekular dhe të tregojë rrugën drejt një ndryshim i synuar në vetitë e molekulave ose në mënyrën se si ato ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Kështu, duke përdorur hartën hapësinore të vetive hidrofobike të α-spiralës së shkurtër peptide antimikrobike(AMP) ishin në gjendje të zbulonin se këto molekula karakterizohen nga një natyrë amfifilike - kur njëra anë e spirales është hidrofobike, dhe tjetra është polare dhe e ngarkuar pozitivisht. Ky motiv është qartë i dukshëm në hartat e MGP “sweep”, duke theksuar mekanizmin e ndërveprimit të peptidit me membranën dhe veprimin antimikrobik (Fig. 8). Me ndihmën e kartave të tilla ishte e mundur të modifikohej AMP natyrale latarcin, duke krijuar analoge që kanë aktivitet të lartë antibakterial, por nuk shkatërrojnë qelizat e kuqe të gjakut dhe, për rrjedhojë, janë një prototip i mundshëm i barit (Fig. 8).
Figura 8. Projektimi i vetive të dobishme në peptidin antimikrobik latarcin 2a (Ltc2a). Rreshti i sipërm majtas Tregohet struktura hapësinore e Ltc2a dhe shpërndarja e vetive hidrofobike (shih Fig. 7) në sipërfaqen e saj. Ne qender një hartë "fshirje" e IHL është paraqitur në koordinata cilindrike (α; Z). Ai tregon një model të qartë amfifilik që përcakton ndërveprimin e peptidit me membranën qelizore. Rreshti i sipërm djathtas tregohet aktiviteti citolitik i peptidit: ai në mënyrë mjaft efektive vret si bakteret ("gram+", "gram-") dhe qelizat shtazore ("eritrocitet") [kolona "wt"].
Detyra ishte si më poshtë: duke ruajtur aktivitetin antimikrobik, eliminoni aktivitetin hemolitik(d.m.th., krijoni një prototip të një ilaçi baktericid). Supozohej se ndryshimi i natyrës së "pikës" hidrofobike në hartën MGP do të ndryshonte ndryshe ndërveprimin me membranat e baktereve dhe eritrociteve, dhe detyra mund të përfundonte. Ne testuam tre peptide në të cilat u futën mutacione pika: Ile7→Gln, Phe10→Lys dhe Gly11→Leu. Ndryshimet përkatëse në modelin hidrofobik tregohen në tre fragmente të hartës në fund. Një mutant, Ile7→Gln, kishte aktivitetet e dëshiruara: baktericid të lartë dhe hemolitik të ulët.
Marrja parasysh e vetive hidrofobike të biomolekulave përdoret gjithashtu në fusha të tjera të modelimit molekular - në veçanti, kur parashikohet pozicioni i rajoneve transmembranore në sekuencën e aminoacideve ose sqarimi i strukturës hapësinore të komplekseve receptor-ligand bazuar në parimin e korrespondencës hidrofobike. .
Pavarësisht nga natyra komplekse fizike e fenomenit të hidrofobisë, edhe një konsideratë shumë sipërfaqësore e tij në modelimin molekular mund të jetë e dobishme. Nga shembulli i mësipërm është e qartë se harta hapësinore e vetive të molekulave, e llogaritur duke përdorur teknikën MHP, bën të mundur krijimin e një lidhjeje midis strukturës së molekulës së peptidit dhe aktivitetit të saj, dhe kjo është një ëndërr e kahershme e kimistëve. , biologë dhe farmakologë. Aftësia për të gjetur një lidhje të tillë nënkupton aftësinë për të hartuar në mënyrë racionale vetitë e kërkuara në molekula, e cila, natyrisht, është e kërkuar në kërkimin themelor, bioteknologjinë dhe mjekësinë.
Dhe përsëri një fjalë për ujin
Një vështrim më i afërt i efektit hidrofobik na lejon të kuptojmë se në të vërtetë po flasim për sjelljen statistikore të një numri të madh molekulash, e cila përshkruhet nga ligjet e termodinamikës dhe fizikës statistikore. Por diçka tjetër është më interesante këtu - ne jemi edhe një herë të bindur për veçantinë e një substance kaq të thjeshtë në dukje si uji. Uji në vetvete ka shumë cilësi mahnitëse, por si tretës biologjik nuk ka të barabartë. Duke ndërvepruar me molekula të tjera, uji ndryshon dinamikën dhe strukturën e tij, duke bërë që i gjithë sistemi të ndryshojë. Kjo është pikërisht ajo që vërejmë kur studiojmë vetë-organizimin e molekulave amfifilike në dyshtresa dhe fshikëza - në fund të fundit, është uji që "i detyron" ato të mblidhen në forma të tilla komplekse.
Roli i ujit është i vështirë të mbivlerësohet në jetën e "makinave" kryesore biologjike - proteinave. Palosja e tyre nga një zinxhir linear në një rruzull të dendur, në të cilin secili atom e di vendin e tij, është gjithashtu meritë e ujit. Kjo do të thotë se uji meriton edhe titullin e një prej molekulave më biologjike, megjithëse sipas klasifikimit kimik është një substancë inorganike.
Molekulat e sirenës Nënshkrimi i hidratimit hidrofobik në një polimer të vetëm;
