Гідрофільні і гідрофобні матеріали. гідрофільні речовини
гідрофільні речовини
Hydrophilic matters (substances)
Тверді речовини, що володіють властивістю смачиваться водою. Чи не змочуються маслянистими рідинами.
Короткий електронний довідник по основних нафтогазовим термінам з системою перехресних посилань. - М .: Російський державний університетнафти і газу ім. І. М. Губкіна. М.А. Мохов, Л.В. Ігревскій, Е.С. Новик. 2004 .
Дивитися що таке "Гідрофільні речовини" в інших словниках:
Гідрофільні мазеві основи- Стиль цієї статті неенціклопедічен або порушує норми російської мови. Статтю слід виправити згідно стилістичним правилам Вікіпедії. Основна стаття: Мазеві основи Гідрофільні мазеві основи мазеві основи, що застосовуються для ... ... Вікіпедія
гідрофільні- (від гідро і філ) «люблячі воду» речовини, молекули яких електрополярни і легко з'єднуються з молекулами води. Протилежність гідрофобні ( «що не люблять воду») речовини ... Почала сучасного природознавства
ущільнюючі речовини- високополімерні гідрофільні речовини, використовувані для ущільнення рідких поживних середовищ. У середовищах для хемоорганотрофи як У.В. використовують агар (див.) і желатину (см.), для аутотрофний організмів сілікагел' (див.). Менше ... ... словник мікробіології
Речовини, здатні накопичуватися (згущуватися) на поверхні зіткнення двох тіл, званою поверхнею розділу фаз, або міжфазної поверхнею. На міжфазної поверхні П. а. в. утворюють шар підвищеної концентрації адсорбційний ... ... Велика Радянська Енциклопедія
поверхнево-активні речовини (ПАР)- речовини, здатні адсорбуватися на поверхні розділу фаз і викликати зниження поверхневого (міжфазного) натягу. типові ПАР органічні сполуки, Молекули яких містять ліофільні і ліофобні (зазвичай гідрофільні і ... ... Енциклопедичний словник по металургії
Поверхнево активні речовини- (a. Surfactants; н. Grenzflachenaktive Stoffe, oberflachenaktive Stoffe; ф. Substances tensio actives; і. Surfac tantes), речовини c асиметричною мовляв. структурою, молекули до яких мають дифільну будова, т.e. містять ліофільні і ... ... геологічна енциклопедія
поверхнево активні речовини- ПАР Вещ ва, здатні адсорбуватися на поверхні розділу фаз і викликати зниження поверхонь. (Міжфазного) натягу. Типові ПАР - органічного. з'єднання, молекули до яких містять ліофільні і ліофобні (зазвичай гідрофільні і гідрофобні) ат ... Довідник технічного перекладача
Surfactant species Речовини з асиметричною молекулярною структурою, молекули яких мають дифільну будова, т. Е. Містять ліофільні і ліофобні (зазвичай гідрофільні полярні групи і гідрофобні радикали) атомні групи. Дифільної ... ... нафтогазова мікроенціклопедія
клітинні мембрани- Цей термін має також інші значення див. Мембрана Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні і білі кульки відповідають гідрофільним «голівках» ліпідів, а приєднані до них лінії гідрофобним «хвостів». На малюнку ... ... Вікіпедія
виборча проникність- Цей термін має також інші значення див. Мембрана Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні і білі кульки відповідають гідрофільним «голівках» ліпідів, а приєднані до них лінії гідрофобним «хвостів». На малюнку показані ... ... Вікіпедія
Лист лотоса, по якому вода бігає, зібравшись в кульки, водовідштовхувальні поверхні і захисні склади для взуття, плаваючі в бульйоні гуртки масла - все це приклади властивості молекул, званого гидрофобностью. Крім цього, гідрофобний ефектвідіграє важливу біологічну роль: згортання і правильна робота білкових молекул, формування біомембран, розпізнавання молекулами один одного також «запрограмовані» з використанням гідрофобних властивостей. Цікаво, що гідрофобний ефект не зводиться до «звичайним» фізичним взаємодій: за ним стоїть Другий закон термодинаміки та величина, звана ентропією.
водобоязнь
Водобоязню, або гідрофобією(Від грец. νδωρ - «вода» і φοβος - «страх») називають боязнь виникнення болісних ковтальних судом при спробі зробити ковток води, при вигляді води або будь-якій згадці про неї. Спостерігається при правці, істерії, сказі (та й саме сказ раніше називали саме цим словом).
Так ось, гидрофобность, Про яку піде мова, - це про властивості молекул, а не симптоми у людей.
Знайоме усім з дитинства вислів «як з гуся вода» показує, що гидрофобность- не таке вже небачене явище, як можна подумати по його назві. Дійсно, ефект «відштовхування» води часто зустрічається навколо нас: досить подивитися на гусяче перо або лист лотоса (рис. 1 а), За якими крапелька води збігає, подібно кульці ртуті по поверхні скла, не залишаючи за собою ніякого сліду. Класичні уявлення про гідрофобних поверхнях кажуть, що показником тут є крайовий кут змочування θ, який для змочуваних поверхонь менше прямого кута(90 °), а для несмачіваемих - більше за нього (рис. 1 б). Зокрема, для крапельки води на поверхні парафіну θ = 109 °, а на поверхні самого гидрофобного відомого матеріалу - фторопласта - це буде 112 °. У той же час, «абсолютно» гідрофобна поверхня описувалася б кутом 180 °, коли вода скочується з поверхні, ні секунди на ній не затримуючись.
Так невже гусак гідрофобні фторопласта? Фактично так і є, але досягається це за рахунок невеликої виверти: поверхня пера гусака (так само як і листа лотоса) не рівно, а покрита мікроскопічними пірамідками або волосками, що зменшує площу контакту з краплею і ефективну адгезію (рис. 1 в). На цьому ж принципі засновані супергідрофобниеповерхні, відразливі воду практично ідеально (відео 1).
Малюнок 1. Лист лотоса: приклад гидрофобной поверхні. а - Гідрофобність фактично означає несмачиваемость, Коли вода скочується з поверхні повністю, не залишаючи вологих слідів. б - Визначення гидрофобной поверхні на основі крайового кута змочування θ: при θ< 90° поверхность называют смачиваемой (гидрофильной), при θ >90 ° - несмачіваемих (гидрофобной). Ефект абсолютної гидрофобности (або супергідрофобності) Досягається за рахунок мікроскопічних шорсткостей, що зменшують площу контакту краплі з поверхнею. в - Як влаштована поверхню лотоса: мікроскопічні шипики не дають краплях води змочити поверхню, і вони скочуються з листа. «Затекти» між шипиками крапля води теж не може, тому що в цьому масштабі поверхневий натяг вже не дає краплі дробитися на більш дрібні.
Відео 1. Супергідрофобная поверхню.Мікромасштабная шорсткість поверхні ( см.Мал. 1 б) Знижує ефективну площу контакту з краплею води, яка в цьому масштабі за рахунок поверхневого натягу поводиться подібно пружного тіла.
Щоб зрозуміти, чомуодні речовини із задоволенням змочуються водою, а з гусака вона, як говорить прислів'я, скочується, потрібно опуститися на рівень окремих молекул і розглянути, як молекули взаємодіють між собою.
гідрофобні молекули
З точки зору хімічної будови гідрофобними(Або, що те ж саме, неполярними) Є молекули, які містять хімічних груп, здатних утворювати з водою водневі зв'язку. Наприклад, це бензол та інші рідкі вуглеводні (складові бензину). Однак найбільш цікавими властивостями володіють амфіфільнихмолекули, що містять як полярну, так і неполярну частини: це призводить до того, що вони утворюють в сумішах з водою досить складні структури: міцели, везикули, шари і більш складні форми. Освіта всіх цих складних форм управляється гідрофобним ефектом.
Що цікаво, питання про молекулярну природу гидрофобности сходить ще до Бенджаміну Франкліну, який у вільний від державних справ час досліджував розтікання оливкового масла по поверхні ставка,. Площа плями від однієї ложки масла виходила весь час одна і та ж - пів-акра, - а товщина фактично дорівнювала одній молекулі. Справа була в 1774 році, і хоча тоді уявлення про молекулярну природу речовин були ще вкрай туманні, загальна допитливість державних мужів була, як бачимо, не в приклад нинішньої. Так чи інакше, експеримент з маслом започаткував дослідження мономолекулярних ліпідних плівок, з яких безсумнівно стало ясно: деякі молекули настільки «не люблять» воду, що не тільки не змішуються з нею, а й готові усуватися від води усіма можливими способами- наприклад, накопичуючись у вигляді шару завтовшки в одну молекулу (моношару) на кордоні води з повітрям. (Детальніше з дослідженнями ліпідних плівок можна ознайомитися в статті « Молекули-русалки » .)
Іншим важливим типом молекул-амфіфілів є милá, повсюдно застосовуються в побуті та в народному господарстві. Принцип їх дії можна зачерпнути навіть з рекламних роликів: неполярная частина молекул миючого засобу «злипається» з молекулами забруднювача (як правило, гідрофобними), а полярна частина активно взаємодіє з молекулами води. В результаті відбувається солюбілізація: Бруд відривається від поверхні і полягає всередину агрегують молекул мила, оскільки ті виставляють полярні фрагменти «назовні» і ховають гідрофобні частини «всередину».
Однак насолоджуватися товарними якостями кращих миючих засобів дозволяє нам ще важливіше якість амфіфільних молекул (а саме, ліпідів): вони служать оболонкою для всіх відомих форм життя, утворюючи мембрану клітин, під якою протікають всі життєві процеси ( см. «Ліпідний фундамент життя»). Цей важливий факт говорить нам, що молекулярна природа гидрофобного ефекту - річ аж ніяк не дозвільна, однак вона має фундаментальне значення для всієї біології, не кажучи вже про прикладних галузях.
Але при найближчому розгляді виявляється, що за «тяжіння» гідрофобних частинок один до одного і «відштовхування» їх від води не відповідає ніяке фундаментальне фізичне взаємодія, на кшталт гравітації або електростатичних сил. Його природа криється в фізичному принципі, накладає обмеження на напрямок протікання більшості спонтанних процесів, - а саме, у Другому початку термодинаміки.
трохи термодинаміки
Термодинаміка - одна з перших наук, перекинув містки між мікроскопічним світом атомів і молекул і «нашим», макроскопічними світом. Її народження пов'язується з вивченням роботи парових машин і ім'ям Ніколá Карно (1796-1832), в честь якого названо термодинамічні цикли, що визначають кількість роботи, яке може призвести машина. Його справу продовжили Джоуль, Кельвін і Клаузіус, які підвели під цю спочатку суто практичну область потужну теоретичну базу.
Зусиллями цих вчених сформульовані основні закони, або початку, Термодинаміки, узагальнюючі багатовікової емпіричний досвід спостереження за тепловими процесами. Перший закон говорить про збереження енергії ізольованої системи ( «закон збереження енергії»), а друге - про направлення протікання самовільних процесів. (Ще є нульове і третє початку, але тут ми про них говорити не будемо.) З Другим початком нерозривно пов'язано поняття ентропії(S), яка здобула славу самої загадкової термодинамічної величини. Спочатку формально визначена Клаузиусом як відношення повідомляється системі тепла до температури (ΔS = ΔQ / T), пізніше ентропія набуло сенсу глобальної «заходи хаосу». З тих пір ентропія стала основою сучасної формулювання Другого початку:
Мимовільні процеси в ізольованій системі супроводжуються зростанням ентропії.
Людвіг Больцман (1844-1906) зв'язав всю цю теплову «кухню» з рівнем складових речовина атомів, причому ще до того, як атомарний будову матерії стало загальновизнаним. Головним досягненням свого життя він вважав відкриття (в 1877 році) статистичної формули для обчислення ентропії: S = k × logW, де S - це ентропія, K - константа, названа пізніше Планком ім'ям самого Больцмана, а W - статистичний вага стану (число микросостояний, Яким реалізується дане макросостояніе). Незважаючи на поганий зір, він бачив значно глибша інших «вглиб» матерії: він першим відчув міць статистичного підходу до опису термодинамічних ансамбліві застосував його в молекулярної фізики. Існує версія, що Больцман наклав на себе руки через нерозуміння сучасників, яких він кардинальним чином випередив. Згадана вище формула викарбувано на його надгробку на кладовищі у Відні.
Незважаючи на всю таємничість поняття ентропії, сенс Другого закону досить простий: якщо система ізольована (тобто, не обмінюється з зовнішнім світом ні речовиною, ні енергією), то вона буде прагнути до стану термодинамічної рівноваги, - такого макросостояніе, яке реалізується максимально можливим числом микросостояний (іншими словами, яке має максимальну ентропію). Наприклад, розбилася чашка ніколи знов не склеїться сама: початковий стан (ціла чашка) реалізується лише одним способом (S = 0), а ось кінцеве (розколота чашка) - астрономічно великим числомспособів (S >> 0). Тому, на жаль, в глобальній перспективі все чашки приречені. Поясненню Другого закону «для домогосподарок» присвячена чудова науково-популярна книга Пітера Еткінс «Порядок і безладдя в природі».
Гідрофобний ефект з точки зору статистичної фізики
Отже, знаючи Другий закон, ми розуміємо, чому чашка чаю на столі обов'язково охолоне до кімнатної температури, але ніколи сама по собі не нагріється знову, відібравши тепло у повітря в кухні. (Якщо немає - то треба обов'язково прочитати книгу Еткінс.) Але чи можуть бути застосовані ті ж самі міркування для пояснення, наприклад, незмішуваності води і масла? Адже Другий закон прагне «все вирівняти», а вода з маслом, навпаки, відмовляються розчинятися один в одному (рис. 2 а).
Малюнок 2. Ілюстрація гидрофобного ефекту. а - Гідрофобний ефект (а по суті, Другий закон термодинаміки) змушує воду «відштовхувати» неполярні молекули (такі як масло) і зменшувати площу контакту з ними. Через це багато маленьких крапельок масла в воді в кінцевому підсумку обов'язково зіллються разом і утворюють шар. б - Освіта упорядкованого ( «льодового») шару молекул води поблизу гидрофобной поверхні необхідно, щоб молекули води могли формувати водневі зв'язки один з одним. Але це призводить до падіння ентропії, невигідним у зв'язку з Другим законом. в - Природна можливість збільшити ентропію - знизити площу контакту гідрофобних молекул з водою, що і відбувається при агрегації декількох неполярних молекул між собою. У разі амфіфільних молекул з'являється самоорганізація і формування досить складних надмолекулярних структур, таких як міцели, бішари і везикули ( см.Мал. 3).
І справді, якщо розглядати тільки масло, то здасться, що термодинаміка не працює: розчинення масляної плівки в товщі рідини явно збільшило б ентропію в порівнянні з монослоем. Але всі знають, що на самій-то справі відбувається все навпаки: навіть якщо воду з маслом струсити, емульсія через якийсь час розпадеться, і масло знову утворює плівку, покинувши водну фазу.
Справа в тому, що вода в цьому прикладі - рівноправний учасник даної системи, і її в жодному разі не можна залишати поза увагою. Як відомо, властивості води (навіть її рідкий стан в нормальних умовах) обумовлені здатністю утворювати водневі зв'язки. Кожна молекула води може формувати до чотирьох зв'язків з «сусідками», але для цього вода повинна знаходитися «в воді». У разі присутності в воді неполярной поверхні, що примикають до неї молекули перестають відчувати себе «вільно»: для того, щоб сформувати бажані водневі зв'язку, цим молекулам доводиться орієнтуватися строго певним чином, формуючи «льодово» оболонку (рис. 2 б) Навколо гідрофобного об'єкта. Це вимушене упорядкування характерно істотним падінням ентропії системи масло-вода, що і змушує гідрофобні молекули агрегувати між собою, зменшуючи площу контакту з полярної середовищем, а значить, і невигідне зниження ентропії фактора. Фактично, це вода змушує масло зливатися в одну велику краплю або пляма, реалізуючи діалектичний принцип «подібне до подібного».
Така взаємодія полярної і неполярний фаз носить назву гидрофобного ефекту. Це явище змушує молекули детергентів утворювати в розчині міцели, ліпіди - формувати моно- і бішари. Останні можуть замикатися на себе з утворенням пухирців (ліпосом) або біологічних мембран, Що оточують клітину (рис. 3). Знайдено і більш складні форми ліпідного поліморфізму, наприклад кубічна ліпідна фаза, Широко використовувана в структурних дослідженнях мембранних білків.
Малюнок 3. Ліпідний поліморфізм.Залежно від форми та інших властивостей молекули, що характеризують несиметричне будова головки і хвоста, ліпіди утворюють різні надмолекулярних структури. Зверху вниз: 1 - при зворотному конічної форми молекули утворюються структури з позитивною кривизною (міцели і гексагональна фаза H I); 2 - циліндрична форма дає плоскі (ламеллярние) структури, такі як бішари; 3 - при конічної форми утворюються і звернені гексагональная (H II) і мицеллярная фази.
«Углиб» гидрофобного ефекту
У разі біологічних молекул гідрофобний ефект відіграє особливу роль, оскільки він формує біомембрани, без яких неможливе життя, а також вносить визначальний (до 90% всієї роботи) внесок в згортання білкових молекул, бічні ланцюга амінокислотних залишків яких можуть мати різну природу: гидрофобную або гідрофільну . Наявність таких різних сутностей в межах однієї лінійної молекули дає все розмаїття форм і виконуваних функцій, яке спостерігається у білків.
Однак в субмолекулярних масштабах гідрофобний ефект проявляється інакше, ніж у випадку протяжної неполярной поверхні або цілої ложки масла: мабуть, кластер гідрофобних частинок буде стабільним, тільки якщо його розмір перевищує порогове значення (≈1 нм); інакше він буде зруйнований тепловим рухом молекул. Моделювання молекулярної динаміки (МД) показує відмінність в структурі «чистої» води і води поблизу маленької (<1 нм) и большой (>> 1 нм) гідрофобних частинок. Якщо в перших двох випадках кожнамолекула води може утворювати до чотирьох водневих зв'язків, то в разі великої гидрофобной частки така можливість відсутня, і молекулам води доводиться шикуватися в «льодово» оболонку навколо цієї частки (малюнки 2 бі 4).
Малюнок 4. Різна конфігурація молекул води поблизу маленької ( а) І великий ( б) Гідрофобних частинок(В обох випадках зображені червоними сферами). Згідно з даними МД, частинки розміром менше 1 нм можуть бути легко оточені водою без обмеження її «свободи» і здатності освіти водневих зв'язків. У разі більш великих часток, щоб утворити водневий зв'язок, прикордонної молекулі води доводиться особливим чином орієнтуватися щодо гидрофобной поверхні, що призводить до впорядкування цілого водяного шару (або кількох) і зниження ентропії розчинника. При цьому середнє число водневих зв'язків на молекулу води зменшується до трьох. Цікаво, що тут змінюється і характер залежності енергії сольватації частки від її розміру: до 1 нм енергія залежить від обсягу частки, а вище цього порогу - від площі її поверхні.
Цей же «пороговий розмір» був підтверджений і в експерименті по визначенню внеску гидрофобного ефекту в згортання полімерної ланцюжка в залежності від розміру бічної групи мономера і температури. Реєстрація вільної енергії сольватації здійснювалася за допомогою атомно-силового мікроскопа, «розплітає» полімерну молекулу по одному ланці за крок. Цікаво, що прикордонне значення 1 нм приблизно збігається з розміром великих бічних ланцюгів амінокислотних залишків, що визначають фолдінг молекули білка.
Оскільки гідрофобний ефект носить ентропійний характер, його роль в різних процесах (тобто, внесок у вільну енергію) залежить від температури. Цікаво, що цей внесок максимальний саме в нормальних умовах - при тих же температурі і тиску, при яких в основному існує життя. (В цих же умовах і основний біологічний розчинник - вода - знаходиться поблизу рівноваги між рідиною і парою.) Це підштовхує до думки, що життя навмисно «вибирає» умови існування, близькі до фазових переходів і точкам рівноваги: мабуть, це забезпечує можливість особливо надійного контролю і тонкого управління такими, здавалося б, «інертними» речами, як структура мембран і білкових молекул.
дослідження останніх роківще сильніше підкреслюють роль води як в гідрофобному ефекті, так і в межмолекулярном розпізнаванні (наприклад, при зв'язуванні ферментом свого субстрату або рецептором - розпізнається їм лиганда). В активному центрі білка, як правило, присутні «пов'язані» (а значить, впорядковані) молекули води. При проникненні лиганда в сайт зв'язування на поверхні білка вода «звільняється», що дає позитивний внесок в ентропію (рис. 5); проте ентальпійного компонента зміни вільної енергії може бути як негативною, так і позитивною. За допомогою калориметричного титрування і молекулярного моделювання була встановлена термодинамічна картина зв'язування ферментом карбоангидразой безлічі лігандів, подібних за структурою, але відрізняються за розміром гідрофобних груп. Аналіз показав, що внесок ентальпії і ентропії в вільну енергію Гіббса в кожному випадку може бути індивідуальним, і заздалегідь неможливо сказати, який процес буде грати вирішальну роль. Абсолютно точно відомо тільки, що структура і динаміка найближчих до активного сайту шарів молекул води грає в межмолекулярном розпізнаванні таку ж важливу роль, як і відповідність лиганда рецептора, що привносить новий рівень складності в «класичні» моделі взаємодії двох молекул типу «ключ-замок» або «рука-рукавичка».
Згортання гомо- і гетерополімера можна розділити на кілька стадій (рис. 6):
- Якщо починати з витягнутою ланцюжка, першою стадією буде ентропійне згортання, Що є прямим наслідком Другого закону термодинаміки: повністю розпрямлення поліпептидний ланцюг має нульову ентропію, що миттєво «виправляється» статистичними силами, що перетворюють нитку в «Статистичний клубок».
- У конформації статистичного клубка гідрофобні бічні залишки виявляються зближені в просторі і агрегує під впливом гидрофобного ефекту. Це підтверджено спостереженням за принципами тривимірної упаковки білкових глобул: всередині знаходиться «ядро» з гідрофобних залишків, а на поверхні молекули розташовуються полярні і заряджені амінокислотні залишки. Яка утворюється на цій стадії форму називають розплавленої глобули.
- У разі біополімерів цим справа не закінчується: специфічні взаємодії між зближеними в просторі залишками роблять упаковку ще більш щільною (справжня кулька). Вільна енергія при цьому відчуває істотне падіння, і це часто вважають критерієм «добре упакованої» структури.
Малюнок 6. Роль гідрофобного колапсу в згортанні трьох полімерних ланцюгів з різною гідрофобністю складових мономерів: гидрофобного полімеру, гідрофобно-гідрофільного сополимера і глобулярного білка (зверху вниз) - відкладена вільна енергія в залежності від радіуса гірації, що показує компактність упаковки ланцюга. 1) Будь-яка лінійна ланцюжок з повністю розтягнутого стан швидко скручується в статистичний клубок. 2) Просторова близькість неполярних бічних ланцюгів призводить до гідрофобному колапсу клубка і утворенню розплавленої глобули. 3) У випадку білків еволюційно підібрані специфічні контакти між бічними ланцюгами зближених амінокислотних залишків (такі як водневі зв'язку або електростатичні взаємодії) додатково знижують вільну енергію і упаковують білок до щільної глобули. Гідрофобні полімери не мають таких взаємодій, і тому їх згортання зупиняється на стадії статистичного клубка.
Раніше вважалося, що третя стадія є неодмінною ознакою функціонального білка, проте останнім часом все більше уваги приділяється так званим недоупорядоченним білків (intrinsically disordered proteins), У яких відсутня чітко визначена просторова форма, і фактично немає стадії утворення специфічних контактів. (До речі, частка гідрофобних залишків в них істотно менше в порівнянні з глобулярними білками.) Можливо, це дозволяє їм взаємодіяти в живій клітині ні з одним білком або лігандом, а з десятками або навіть сотнями структурно різних молекул-партнерів, беручи участь в досить тонкої регуляції клітинних процесів,.
Визначальну роль гідрофобний ефект відіграє і в фолдінг мембранних білків (МБ), які виконують безліч життєво-важливих функцій від транспорту молекул і іонів через мембрану до рецепції і розпізнавання клітинами один одного. У зв'язку з тим, що більша їх частина занурена в гідрофобний бішар мембрани, будова трансмембранного (ТМ) домену істотно відрізняється від упаковки розчинних глобулярних білків: ТМ-сегменти у них істотно гідрофобні, причому гідрофобні бічні ланцюги знаходяться не тільки всередині білка (як у випадку глобулярних білків), але і на поверхні, де білок контактує з вуглеводневими ланцюгами ліпідних молекул.
Важливо, що гідрофобність вступає в справу ще до того, Як білок виявиться на своєму робочому місці (тобто, в мембрані). МБ в процесі рибосомального синтезу потрапляють не в цитоплазму, як глобулярні білки, а в транслокон- досить складну молекулярну машину, побудовану у вигляді каналу і відповідає відразу і за секрецію білків, і за доставку МБ всередину мембран. Виявилося, що транслокон може «відчувати» гидрофобность пропускається через нього фрагмента білка і, при досягненні деякого порога гидрофобности, «випльовує» цей фрагмент не "вперед» (через канал в позаклітинний простір), а «вбік» (через стінку каналу) - прямо в мембрану. Так, фрагмент за фрагментом, мембранні білки вбудовуються в мембрану, і тому N-кінець у МБ завжди знаходиться в позаклітинній області, а де буде C-кінець - залежить від кількості ТМ-сегментів.
У витонченому експерименті на транслоконе Sec61 ЕПР була встановлена «біологічна шкала гидрофобности», яка ставить кожному амінокислотним залишком у відповідність певне значення гидрофобности. Що цікаво, в загальних рисахця шкала збігається з раніше встановленими фізико-хімічними шкалами, що дозволяє транслокону приписати роль сенсора гідрофобної взаємодії.
Отже, клітина може «вимірювати» гидрофобность за допомогою транслокона, а в лабораторії це властивість можна грубо оцінити за характером взаємодії з водою. Але чи можна гидрофобность розрахувати теоретично і включити цей розрахунок в практично важливі завдання?
Як розрахувати гидрофобность теоретично?
Вище вже було сказано, що гідрофобний ефект є фактично одна з осіб Другого закону термодинаміки, так що розрахувати його акуратно, мабуть, нітрохи не легше, ніж змоделювати всю систему цілком, причому на фізично коректному рівні. Іншими словами, «гідрофобні взаємодії» ні в якій мірі не зводяться до парних контактів, таким як тяжіння або відштовхування двох зарядів або взаємодія між донором і акцептором водневого зв'язку. єдиний теоретично правильний шлях- аналіз величезного числа микросостояний в термодинамічних ансамблях, що на практиці зробити досить складно.
Однак хоча б приблизна оцінка гідрофобних і гідрофільних властивостей молекул все ж затребувана в молекулярному моделюванні і його додатках (наприклад, біотехнологічних або індустріальних). Зазвичай тут орієнтуються на характеристику, яка описує гидрофобность молекули цілком - коефіцієнт розподілу ( P, від partitioning) Цієї речовини між водою (полярної фазою) і неполярной фазою (наприклад, бензолом або н-октанолом). Справа в тому, що цей параметр, на відміну від всіх інших термодинамічних характеристик, досить просто поміряти експериментально, визначивши концентрацію досліджуваного речовини в воді і неполярной середовищі (які, як ми пам'ятаємо, майже не змішуються) і розділивши одне на інше. За коефіцієнт гідрофобності приймають логарифм цього коефіцієнта - log P.
На пророкування цього коефіцієнта направлено кілька емпіричних методів, що зводяться до того, щоб на основі «навчального набору» речовин з точно виміряним log Pвизначити вклади окремих фрагментів молекули або навіть окремих її атомів (з огляду на хімічне оточення), щоб потім розрахувати гидрофобность для невідомих молекул на основі обчислених фрагментарних або атомних констант гидрофобности. Фактично, це спроба зіставити кожному атому в молекулі «гідрофобний заряд», хоча потрібно мати на увазі, що це позбавлене фізичного змісту. Підсумовування цих констант для всіх атомів в молекулі дасть шукане значення log P, А застосування підходу, аналогічного розрахунку електростатичного потенціалу в точках простору (φ ~ q / r), дало початок зарекомендував себе в молекулярному моделюванні методом молекулярного гідрофобні Потенціалу (МГП; рис. 7). Розрахунками МГП присвячена програма PLATINUM.
Малюнок 7. Молекулярний Гідрофобний Потенціал (МГП).Сенс підходу МГП, що дозволяє розраховувати просторовий розподіл гідрофобних / гідрофільних властивостей, полягає у встановленні емпіричної системи атомних констант гидрофобности (f i), Технічно аналогічних парціальним зарядів. Сума цих констант за всіма атомам дасть оцінку коефіцієнта гидрофобности log P(де P- коефіцієнт розподілу речовини між водою і октанолу), а обчислення «потенціалу» від системи точкових «гідрофобних зарядів» з урахуванням загасання в просторі (за законом d (r), рівного, наприклад, 1 / r) дозволяє уявити собі розподіл гидрофобности на молекулярної поверхні. На малюнку зображені гідрофобні властивості основного фосфолипида плазматичноїмембрани еукаріот - пальмітоілолеілфосфатіділхоліна.
Розрахунок МГП дозволяє оцінити ефективне значення гидрофобности того чи іншого фрагмента молекули і наочно візуалізувати гідрофобні властивості її поверхні, а це, в свою чергу, може розповісти про механізми міжмолекулярної взаємодії і вказати шлях до спрямованого зміни властивостей молекул або способу їх взаємодії між собою. Так, за допомогою просторового картування гідрофобних властивостей коротких α-спіральних антимікробних пептидів(АМП) вдалося виявити, що цим молекулам властива амфіфільних природа - коли одна сторона спіралі гидрофобная, а інша - полярна і позитивно заряджена. Цей мотив добре помітний на картах- «розгортках» МГП, підкреслюючи механізм взаємодії пептиду з мембраною і антимікробної дії (рис. 8). За допомогою таких карт вдалося модифікувати природний АМП латарцін, Створивши аналоги, які мають високу антибактеріальну активність, але не руйнують еритроцити, а, значить, є потенційним прототипом лікарського препарату (рис. 8).
Малюнок 8. Дизайн корисних властивостейв антимікробному пептиді латарціне 2a (Ltc2a). У верхньому ряду злівапоказано просторову будову Ltc2a і розподіл гідрофобних властивостей (див. рис. 7) на його поверхні. У центріприведена карта-«розгорнення» МГП в циліндричних координатах(Α; Z). На ній помітний чіткий амфіфільних патерн, який визначає взаємодію пептиду з мембраною клітин. У верхньому ряду справапоказана цитолитическая активність пептиду: він досить ефективно вбиває як бактерії ( «грам +», «грам-»), так і клітини тварин ( «еритроцити») [стовпець «wt»].
Завдання стояло наступна: зберігши антимікробну активність, усунути гемолитическую активність(Тобто, створити прототип бактерицидного ліки). Було зроблено припущення, що зміна характеру гидрофобного «плями» на карті МГП змінить взаємодія з мембранами бактерій і еритроцитів по-різному, і завдання вдасться виконати. Перевірили три пептиду, в які ввели точкові мутації: Ile7 → Gln, Phe10 → Lys і Gly11 → Leu. Відповідні зміни гидрофобного паттерна показані на трьох фрагментах карт внизу. Один мутант - Ile7 → Gln - мав потрібними активностями: високу бактерицидну і низькою гемолітичної.
Облік гідрофобних властивостей біомолекул знаходить застосування і в інших областях молекулярного моделювання - зокрема, при прогнозі положення в амінокислотноїпослідовності трансмембранних ділянок або уточнення просторової структури комплексів рецептор-ліганд на основі принципу гідрофобної відповідності.
Незважаючи на складну фізичну природу феномена гидрофобности, навіть дуже поверховий його облік в молекулярному моделюванні може принести користь. З наведеного прикладу видно, що просторове картування властивостей молекул, розраховане за допомогою методики МГП, дозволяє провести зв'язок між структурою молекули пептиду і його активністю, а це є давньою мрією хіміків, біологів і фармакологів. Уміння знаходити такий зв'язок позначає можливість раціонально конструювати необхідні властивості в молекулах, що, безумовно, затребувано і в фундаментальних дослідженнях, І в біотехнологіях, і в медицині.
І знову слово про воду
Пильний погляд на гідрофобний ефект дозволяє зрозуміти, що мова йдефактично про статистичному поведінці великого числамолекул, яке описується законами термодинаміки і статистичної фізики. Але цікавіше тут інше - ми в черговий раз переконуємося в унікальності такого простого, здавалося б, речовини, як вода. Вода і сама по собі має безліч дивовижних якостей, але в ролі біологічного розчинника вона не має собі рівних. Взаємодіючи з іншими молекулами, вода змінює свою динаміку і структуру, змушуючи змінитися всю систему цілком. Саме це ми спостерігаємо, коли вивчаємо самоорганізацію амфіфільних молекул в бішари і везикули - адже саме вода «змушує» їх збиратися в такі складні форми.
Роль води складно переоцінити і в житті головних біологічних «машин» - білків. Їх згортання з лінійного ланцюжка в щільну глобулу, в якій кожен атом знає своє місце - теж заслуга води. А значить, вода заслуговує також титул однієї з найбільш біологічних молекул, хоча по хімічній класифікації це неорганічне речовина.
Молекули-русалки Signature of hydrophobic hydration in a single polymer;
Державна освітня установа вищої професійної освіти
Міністерства охорони здоров'я Російської Федерації
(ГБОУ ВПО НГМУ МОЗ Росії)
Кафедра медичної хімії
реферат
Гідрофільних, гідрофобні, амфіфільних ВЕЩЕСТВА: У ПРИРОДІ І В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ.
(огляд літератури)
виконав:
перевірив:
Вступ
Вода - одне з найпоширеніших речовин на Землі. Вона покриває велику частину земної поверхні. Майже всі живі істоти складаються в основному з води. У людини вміст води в органах і тканинах варіює від 20% (в кістковій тканині) до 85% (в головному мозку). Близько 2/3 маси людини становить вода, в організмі медузи до 95% води, навіть в сухих насінні рослин вода складає 10-12%.
Вода володіє деякими унікальними властивостями. Властивості ці настільки важливі для живих організмів, що не можна уявити життя без цього з'єднання водню і кисню.
По відношенню до води всі речовини поділяються на дві групи: гідрофільні - «люблячі воду» і гідр0офобние - «бояться води» (від грец. «Гідро» - вода, «філе» - любити і «Фобос» - боязнь). Про властивості цих речовин, а так само про їх значенні в природі, і піде мова в нашій роботі.
Гідрофільні і гідрофобні речовини
Гідрофільні речовини (грец. «Гідро»-вода, «філе» -Люблю) - це речовини, енергія тяжіння яких до молекул води перевищує енергію водневих зв'язків (енергію тяжіння між собою молекул води), тому багато гідрофільні речовини добре розчинні у воді.
Гідрофільні в-ва інтенсивно взаємодіють з молекулами води. Гідрофільність характеризується величиною адсорбційної зв'язку речовин з молекулами води, освітою з ними невизначених з'єднань і розподілом кол-ва води по величинам енергії зв'язку. Гідрофільність переважно визначається величиною енергії зв'язку адсорбционного моношару, т. К. Наступні шари пов'язані з речовиною набагато слабкіше. Гідрофільність може виражатися теплотою адсорбції водяної пари або теплотою змочування, а також роботою змочування одиниці поверхні в-ва.
Гідрофобні речовини (грец. «Гідро» - вода, «Фобос» - боязнь) - речовини, енергія тяжіння молекул яких до молекул води менше енергії водневих зв'язків молекул води. До числа гідрофобних речовин відносяться жири, деякі вуглеводи (крохмаль, глікоген, клітковина), нуклеїнові кислоти, АТФ, більшість білків, нерозчинних у воді.
Абсолютно гідрофобних ( "водовідштовхувальних") речовин немає; навіть найбільш гідрофобні - вуглеводневі і фторуглеродниє - поверхні адсорбують воду. Тому гидрофобность розглядають як малу ступінь гідрофільності.
Г. і р можуть бути оцінені, як і змочуваність поверхні водою (в повітряному середовищі), величиною кута змочування q: для гідрофільних поверхонь<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.
Гідрофільними є речовини з полярними хім. зв'язками: галогеніди, оксіди й їх гідрати, карбонати, сульфати, фосфати, силікати і алюмосилікати (глини, скла), а також клітинні мембрани. Чисті поверхні металів, вуглецю, напівпровідників, речовини, що складаються з слабо полярних молекул, листя рослин, шкіра тварин, хітиновий покрив комах гідрофобні. Всі полярні групи, що входять до складу молекул ПАР - поверхнево-активних речовин - COOH, -NH2, -SO3Na і ін., Гідрофільних; пов'язані з ними вуглеводневі радикали - гідрофобні.
амфіфільних речовини
Амфіфільних - властивість молекул речовин (як правило, органічних), що володіють одночасно гідрофільними і гідрофобними властивостями. Молекули амфіфільних сполук схожі на пуголовка: вони складаються з довгого вуглеводневого хвоста (побудованого зазвичай більш ніж з десяти СН2-груп), що забезпечує розчинність в неполярних середовищах, і полярної голови, відповідальної за гідрофільні властивості. Таким чином, амфіфільних сполуки одночасно «люблять» і воду (тобто є гідрофільними), і неполярні розчинники (виявляють гідрофобні властивості).
Залежно від типу гидрофильной групи виділяють амфіфільних сполуки, що несуть заряджену катіонну або аніонну функціональну групу, і амфіфільних сполуки з незарядженою функціональною групою. Абсолютна більшість відомих органічних сполук несуть більш ніж одну заряджену функціональну групу. Прикладом таких речовин є макромолекулярні сполуки - білки, ліпопротеїди, блок-сополімери і т.д. Наявність у молекул білка третинної структури, що утворюється в результаті внутрішньо молекулярних взаємодій функціональних груп (полярних або неполярних) між собою, само по собі демонструє амфіфільних природу цих сполук.
Іншим прикладом амфіфільних сполук є більшість лікарських засобів, молекули яких поєднують в собі набір певних функціональних груп, необхідних для ефективного зв'язування з рецептором-мішенню.
Амфіфільних сполуки відіграють особливу роль в живій природі. Жодна тварина або рослина не може існувати без них. Саме з амфіфільних молекул складається мембрана клітини, яка відокремлює живий організм від ворожого зовнішнього середовища. Саме такі молекули складають внутрішні органнели клітини, беруть участь в процесі її розподілу, задіяні в обміні речовин з навколишнім середовищем. Амфіфільних молекули служать нам їжею і утворюються в наших організмах, беруть участь у внутрішній регуляції і циклі жовчних кислот. Наш організм містить більше 10% амфіфільних молекул. Саме тому синтетичні поверхнево-активні речовини можуть бути небезпечні для живих організмів і, наприклад, здатні розчинити мембрану клітини і привести до її загибелі.
висновок
У природі обидва види речовин мають важливе значення. Можна знайти чимало підтверджень тому, що гідрофобні речовини зустрічаються чи не повсюдно. Так, чисті поверхні металів, напівпровідників, а також шкіра тварин, листя рослин, хітиновий покрив комах мають подібні властивості. У свою чергу, гідрофілен використовуються в транспорті поживних речовин в організмах тварин і рослин, кінцеві продукти обміну також виводяться за допомогою розчинів біологічних рідин. Неполярні речовини же мають серйозне значення в формуванні клітинних мембран, що мають виборчу проникність. Саме тому подібні властивості відіграють важливу роль в протіканні біологічних процесів. В останні роки вчені розробляють все нові гідрофобні речовини, за допомогою яких можна захистити різні матеріали від змочування і забруднення, створюючи таким чином навіть самоочищаються поверхні. Одяг, металеві вироби, будматеріали, автомобільне скло - сфер застосування безліч. Подальше вивчення цієї теми призведе до розробки мультіфобних речовин, які стануть основною для брудовідштовхуючих поверхонь. Створивши подібні матеріали, люди зможуть заощадити час, кошти і ресурси, а також з'явиться можливість знизити ступінь забруднення природи миючими засобами. Так що подальші розробки підуть на користь всім.
Список літератури
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: //побіологіі.рф/ Біологічний-словник / Г / 265- Гідрофобні-речовини
гідрофітобность (грец. ὕδωρ - гідро, вода і φόβος - Фобос, боязнь) - здатність поверхні речовини не смачиваться з водою. Вода на поверхні гідрофобного речовини збирається в краплі, які не проникають всередину.
фізика гидрофобности
Фізико-хімічна природа гидрофобности пов'язана з фундаментальними термодинамічними законами, зокрема прагненням системи досягти мінімуму енергії за рахунок виділення енергії в навколишнє середовище. Більшості людей не цікаві такі складні речі, тому, як спрощення з'явилося поняття гідрофобних сил (хоча фізично таких сил не існує).
Практично для створення гідрофобних поверхонь використовуються неполярні молекули, які як би «відштовхують» воду. Аналогічний процес можна спостерігати, коли крапля рідкого масла потрапляє в воду.
В даний час явище сверхгідрофобності використовується в багатьох нанотехнологічних системах.
Гідрофобність і будівельні матеріали
Гідрофобність є корисним якістю для деяких будівельних матеріалів (цементу, плівок), перешкоджаючи проникненню води. Часто теплоізоляційні матеріали, наприклад, мінеральну вату, просочують спеціальними речовинами, що створюють гідрофобну мікроплівку.
Надійність гидрофобного шару
Контакти з більшістю розчинників і масел можуть призводити до втрати гідрофобності. Також вона втрачається при забрудненні матеріалу. Після втрати гідрофобності поверхню стають водопроникної.
Не потрібно плутати гидрофобность і водонепроникність. Наприклад, поліетилен є водонепроникним, тому плівка з нього, навіть змочена спиртом або сильно забруднена (але без дірок), які не пропускатиме воду. Гідроізоляційна плівка, заснована на гидрофобности поверхневого шару і вільно пропускає повітря, буде служити тільки до тих пір, поки зовнішній шар не втратить гидрофобность, наприклад, від мікрочастинок пилу.
Термін гідрофільність (похідне від давньогрецьких слів «вода» і «любов») є характеристикою інтенсивності взаємодії речовини з водою на молекулярному рівні, тобто здатність матеріалу посилено вбирати вологу, а також високою смачиваемости води поверхнею речовини. Це поняття можна віднести і до твердих тіл, як властивість поверхні, і до окремих іонів, атомів, молекул та їх групам.
Гідрофільність характеризує величина зв'язку адсорбційної молекул води з молекулами речовини, при цьому утворюються сполуки, в яких кількість води розподіляється за значеннями енергії зв'язку.
Гідрофільність властива речовинам, які мають іонні кристалічні решітки (гідроксиди, оксиди, сульфати, силікати, глини, фосфати, скла та ін.), Які мають полярні групи ОН, -NO 2, -СООН, і ін. Гідрофільність і гидрофобность- окремі випадки взаємодії речовин з розчинниками (ліофільность, ліофобность).
Гідрофобність можна розглядати в якості малому ступені гидрофильности, тому що дія міжмолекулярних сил тяжіння завжди буде більш-менш присутнім між молекулами будь-якого тіла і води. Гідрофільність і гидрофобность можна розрізнити по тому, як розтікається крапля води на тілі з гладкою поверхнею. Крапля розтечеться повністю на поверхні гідрофільній, і частково - на гідрофобною, при цьому на значення кута, що утворюється між поверхнею змочується матеріалу і краплі, впливає ступінь гідрофобності даного тіла. Гідрофільними є речовини, в яких сила молекулярних (іонних, атомних) взаємодій досить велика. Гідрофобними є метали, які позбавлені оксидних плівок, сполуки органічні, що мають вуглеводневі групи в молекулі (воски, жири, парафін, частина пластмас), графіт, сірка та інші речовини, що володіють слабкою взаємодією на межмолекулярном рівні.
Поняття гідрофільність і гідрофобність застосовуються як по відношенню до тіл і їх поверхонь, так і щодо одиничних молекул або окремих частин молекул. Наприклад, в молекулах поверхневих активних речовин знаходяться полярні (гідрофільні) і вуглеводневі (гідрофобні) з'єднання. Гідрофільність поверхневої частини тіла здатна різко помінятися внаслідок адсорбції подібних речовин.
Гидрофилизации називають процес підвищення гідрофільності, а гідрофобізацією - процес її зниження. Ці явища мають велику значимість в косметичній промисловості, в текстильній технології для гидрофилизации тканин (волокон) для поліпшення якості прання, вибілювання, фарбування і т.д.
Гідрофільність в косметиці
Парфюмерно-косметичної промисловістю виробляються гідрофільні креми і гелі, які захищають шкіру від забруднень, які не розчиняються водою. У складі таких продуктів знаходяться гідрофільні складові, що утворюють плівку, що запобігає проникнення водонерозчинних забруднюючих речовин в поверхневий шар шкірного покриву.
Гідрофільні креми виробляються з емульсії, яка стабілізована відповідними емульгаторами або з основою вода-масло-вода, масло-вода. Крім того, до них можна віднести дисперсні колоїдні системи, в яких стабілізовані гідрофільні поверхнево-активні компоненти, і складаються з водно-диспергованих або водно-гліколевих змішаних розчинників жирних вищих кислот або спиртів.
Гідрогелі (гідрофільні гелі) готуються з основ, що складаються з води, змішаного неводного або гідрофільного розчинника (етиловий спирт, пропіленгліколь, гліцерин) і гідрофільного просвітників гелів (похідні целюлози, карбомер).
Гідрофільні властивості кремів і гелів:
· Швидко і добре всмоктується;
· Живлять шкіру;
· Після їх застосування не залишається відчуття жирності;
· Очищають шкіру;
· Укрепляюще впливають на шкіру;
· Знижують дію негативних факторів зовнішнього середовища;
· Допомагають шкірі підтримувати природну здатність до регенерації.
Гідрофільні креми і гелі призначені, щоб захистити шкіру при роботі з несмешивающимися з водою маслами, мазутом, нафтою, фарбами, смолами, графітом, сажею, органічними розчинниками, охлаждающе-мастильними розчинами, будівельною піною і багатьма іншими слабоагресивних речовинами. Також вони незамінні при ремонті автомобіля, ремонті квартири, при будівництві, на дачі при роботі з добривами і землею.
Компанією «КоролёвФарм» здійснюється виробництво різних типів парфюмерно-косметичної продукції, в тому числі гідрофільних і гідрофобних кремів. Підприємство є контрактним виробником і здійснює всі стадії виробництва: розробку рецептур, сертифікацію, постановку на виробництво, серійний випуск продукції. Виробнича площадка оснащена сучасним обладнанням.
Підприємство сертифіковане на відповідність вимогам