Гидрофобные взаимодействия

В растворах молекулы воды оказывают значительное влияние на формирование пространственной структуры биополимеров. Взаимодействие воды с полярными группами молекул сводится к гидратации последних, причем энергии электростатических взамодействий в гидратной оболочке между водой и ионом могут достигать величин порядка энергий валентных связей. Однако, в макромолекулах, особенно в белках и липидах, имеется большое количество неполярных боковых групп. Возникает вопрос, как будут вести себя неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Для объяснения этих изменений нужно ввести понятие гидрофобное взаимодействие. В данном случае речь идет не о каких-либо связях между неполярными группами и молекулами воды, а о неспецифических взаимодействиях, определяемых изменением структуры воды при введении в нее неполярных групп. Внедрение неполярных групп в воду сопровождается существенным изменением термодинамических величин. На рисунке 4 схематически дано объяснение физической сути гидрофобных взаимодействий. Согласно экспериментальным данным, введение гидрофобных молекул в воду сопровождается существенным изменением термодинамических параметров системы. Показано, что изменение энтальпии в этом процессе незначительное DH≈0, но значительно увеличивается свободная энергия DG>0. Так как DG = DH-TDS>0, т.е. увеличение свободной энергии происходит за счет уменьшения энтропии. Это значит, что система переходит в неустойчивое состояние с повышенной свободной энергией. Такой переход энергетически невыгоден. Экспериментально показано, что понижение энтропии в этом процессе связано с измененением структуры воды. Таким образом, введение неполярных молекул в воду сопровождается термодинамически невыгодным упорядочиванием молекул воды вблизи гидрофобных групп.

Рис.4. Взаимодействие неполярных молекул в водном растворителе:

а - две молекулы (1 и 2) , содержащие неполярные группировки (3)

б- гидрофобное взаимодействие неполярных участков молекул

4- упорядоченный участок воды (кластер) (Костюк, 43с)

Сближение неполярных молекул устраняет эти упорядоченные структуры и повышает уровень «беспорядка» в этой системе. Как видно, в результате гидрофобных взаимодействий энтропия системы повышается. Поскольку такое изменение энтропии вносит наибольший вклад в уменьшение свободной энергии системы, это означает, что гидрофобные взаимодействия носят энтропийный характер.

Вопросы и задания для самоконтроля:

1. Перечислите основные свойства макромолекул. Какими параметрами отличаются макромолекулы от других полимеров ?

2. Перечислите уровни структурной организации макромолекул. Приведите примеры.

3. Какие связи (силы) участвуют в стабилизации пространственной структуры биополимеров? Дайте характеристику этих связей.

4. От каких параметров зависят размеры макромолекулы в состоянии клубка? Как изменится эти размеры при повышении и понижении температуры?

5. Почему воду называют «уникальной» жидкостью? Какие физико-химические параметры воды определили ее превращение в процессе эволюции в «жидкость жизни»?

6. Приведите примеры образования водродных связей,

гидрофобных взаимодействий,

Ван-Дер-Ваальсовых взаимодействий в биологических молекулах.

7. Дайте описание состояний клубка и глобулы белковой молекулы.

8. Сколько водородных связей может образовать каждая молекула жидкой воды?

9. Какая часть молекулы липида участвует в образовании гидрофобных взймодействий?

10.Назовите локализацию стэкинг - взаимодействий имеющих место в молекуле ДНК