Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

7.2. Гидрофобные и гидрофильные взаимодействия

При изучении мономолекулярных слоев жирных кислот на поверхности воды Ленгмюр обнаружил, что в таких слоях полярные (карбоксильные) части молекул погружены в воду, а неполярные углеводородные концы выступают из воды.

Термодинамическая невыгодность контактов между неполярными частями больших молекул и водой определяется повышением свободной анергии. Небольшие неполярные молекулы ( и др.) при очень малых концентрациях могут растворяться в воде, размещаясь в «пустых» промежутках между большими ассоциатами молекул воды. Свободная энергия при этом понижается за счет вандерваальсовых взаимодействий и повышения энтропии смешения. Такая растворимость, однако, резко снижается при увеличении размеров молекул. Например, растворимость молекул примерно в 30 раз меньше растворимости молекул и почти в сто раз меньше растворимости молекул .

Взаимодействия между молекулами воды и большими неполярными другими молекулами значительно слабее, чем взаимодействия молекул воды между собой, обусловленные водородными связями. Внедрение больших молекул в воду должно приводить к разрыву водородных связей, поэтому эти молекулы выталкиваются (подобно маслу) из воды. Говорят, что они выталкиваются под влиянием гидрофобных взаимодействий. Главной причиной гидрофобных взаимодействий является относительно большая величина водородных связей между молекулами воды.

Гидрофобные взаимодействия не являются новым типом взаимодействий между молекулами. Это кооперативное проявление обычных вандерваальсовых взаимодействий и водородных связей между молекулами. Предлагалось даже [127] название «гидрофобные взаимодействия» заменить словами «гидрофобная гидратация». Учитывая широкое распространение термина «гидрофобное взаимодействие», мы будем им пользоваться, помня о его условности.

По вопросу о природе гидрофобных взаимодействий нет полного единодушия среди биологов. Так, например, высказывалось малоубедительное, как нам кажется, мнение, что гидрофобные взаимодействия определяются только изменением структуры воды. Предполагалось, что они связаны со сдвигом равновесия в сторону более упорядоченной, более рыхлой структуры воды. Такое упорядочение должно было бы приводить к понижению энтропии и, следовательно, к увеличению свободной энергии. Некоторые исследователи даже говорили об образовании льдоподобной структуры («айсбергов») вблизи неполярных молекул. Однако такое предположение не имеет ни экспериментального, ни теоретического подтверждения.

Полярные молекулы сравнительно легко растворяются в воде. Растворимость в этом случае обусловлена выигрышем свободной энергии при ориентации молекул воды в электрическом поле полярных молекул. При этом говорят, что проявляется гидрофильное взаимодействие. Гидрофильное взаимодействие также не

является новым типом взаимодействия. Это проявление суммарного эффекта гидратации, обусловленной парой электрических зарядов, связанных в дипольном моменте растворенной молекулы.

Во многих случаях крупные биологические молекулы (липиды) имеют гидрофобные и гидрофильные участки. При очень малой концентрации такие молекулы растворяются в воде. Однако, начиная с некоторой концентрации, они образуют скопления — мицеллы, в которых гидрофильные участки группируются на поверхности, а гидрофобные направлены внутрь.

Полярные группы биологически важных молекул часто содержат атомы кислорода, азота и водорода, которые могут образовывать с молекулами воды водородные связи, усиливая гидрофильность группы. Таковы, например, гидроксильная группа

карбоксильная группа

аминогруппа

(7.5)

В этих формулах буквой R обозначена остальная часть молекулы. Такие группы могут находиться в воде в состоянии ионов, что еще более повышает их гидрофильность.

Вследствие явления гидратации полярные молекулы в воде диссоциируют на ионы, так как уменьшение свободной энергии при образовании ионами гидратных оболочек больше энергии связи ионов в молекуле. В частности, в чистой воде происходит диссоциация

При 25° С концентрация этих ионов очень мала

Обычно ион водорода в воде находится в виде иона гидроксония .

Процесс диссоциации характеризуется указанием значения отрицательного десятичного логарифма концентрации протонов. Эта величина обозначается буквами pH. Для воды

Чистая вода считается электрохимически нейтральной. Если раствор содержит избыток протонов по сравнению с водой (pH < 7), то среда называется кислой. В щелочном растворе протонов меньше, чем в чистой воде (pH > 7). В клетках животных при нормальных условиях . Эти значения pH называются физиологическими. В воде кислота А (донор протона)

диссоциирует на протон и сопряженное основание . Согласно закону действующих масс, константа равновесия процесса диссоциации

при малых концентрациях определяется черев концентрации

Для воды следовательно, Из равенства (7.6) следует

Диссоциация слабой кислоты А выражается числом

Из равенства (7.7) получаем соотношение

Чем меньше значение тем лучшим донором протонов является данная группа. Молекулы органических соединений диссоциированы в воде мало (слабые электролиты). Одной из самых сильных кислотных групп является фосфатная группа

(7.10)

Значение диссоциации ее первого гидроксила

равно 2. Соответствующая величина для карбоксильной группы (7.4) равна 3—4.

Аминогруппа (7.5) имеет основной характер (акцептор протона)

Значение равно 9—10.

Гидратация ионов, гидрофобные и гидрофильные взаимодействия исключительно важны в биологии. Они в основном определяют вторичную структуру белковых молекул, структуру клеточных и внутриклеточных мембран, без которых не было бы индивидуальных клеток и многих жизненно важных биологических процессов. Именно гидрофобные взаимодействия являются причиной того, что живые организмы не растворимы в воде, хотя они состоят на две трети из воды.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление