4.Гидрофобные взаимодействия и макромолекулы

Как мы уже убедились, растворение в воде различных веществ, в том числе и слабо взаимодействующих, может привести к значительному увеличению в ней количества Н-связей и степеней упорядоченности. Первый эффект дает энтальпийный вклад АН в изменение свободной энергии dF, второй же определяет энтропийный вклад S. В рассматриваемом случае, как Н, так и S отрицательны и, следовательно, знак F=H - TS определяется соотношением их величин.

П ри растворении в виде ионов Н⁺ и ОН^- и небольших полярных молекул энтальпийный вклад превосходит энтропийный и F<0. To же самое имеет место в случае многих небольших полярных молекул (молекулы благородных и органических газов, например, метан), которые хотя и слабо взаимодействуют с молекулами воды, но приводят к значительным изменениям Н, так как идеально вписываются в ажурную решетку воды и повышают координационное число молекул воды на 3-4, не препятствуя при этом образованию всех четырех возможных Н-связей с соседними молекулами воды. Поэтому хотя S в этом случае отрицательно и велико, но все же вклад Н значительнее, чем и обусловлена большая стабильность газовых кристаллогидратов [52, 55, 59-66]. Исключительно устойчивые кристаллогидраты образуются также большими органическими молекулами, имеющими, кроме неполярной группы, еще и полярную, превышающую величину Н. Например, гидрат окиси тетрабутиламмония плавится лишь при ЗО⁰С, гидрат фторида тетрабутиламмония – при 25^оС [59, 67. 68].

Однако в случае больших неполярных молекул - углеводов, неполярных групп многих аминокислот и др. - энтальпийный вклад в свободную энергию растворения меньше энтропийного, так как не все окружающие их молекулы воды могут образовать максимальное число Н-связей. Многие молекулы могут образовать лишь одну или две Н-связи, но в то же время они сильно иммобилизованы и вносят большой отрицательный вклад в энтропию. В результате свободная энергия их растворения в воде положительна, а соответственно, и растворимость низка [55, 69, 70].

Необходимо подчеркнуть еще раз то обстоятельство, что низкая растворимость неполярных молекул обусловлена отнюдь не тем, что энергия их вандерваальсова взаимодействия друг с другом больше, чем с молекулами воды, как предполагалось раньше [71, 73], а тем, что присутствие их приводит к слишком уже термодинамически неблагоприятным изменениям в структуре воды - ее упорядочению, вода же стремится к снизить влияние этих молекул за счет уменьшения взаимных контактов. Это вытесняющее воздействие воды на неполярные группы обычно называют гидрофобным взаимодействием [69].

Таким образом, гидрофобное взаимодействие является специфическим для воды и порождено особенностями ее структуры - способностью к упорядочению и нежеланием упорядочиться,

Последнее время гидрофобные взаимодействия привлекают все возрастающее внимание [69, 74-78] по той причине, что в биологических макромолекулах имеется большое количество групп, которые должны приводить к возникновению такого эффекта. а следовательно, и конформация макромолекул в целом существенно должна от них зависеть.

Гидрофобные взаимодействия в белках впервые рассмотрел Кауцман [69], затем более подробно исследовали Немети и Шерага [70], которые произвели подсчет величин такого рода взаимодействий для разных случаев.

Примечательна несколько необычная зависимость величины гидрофобной связи от температуры, отмеченная впервые Немети и Шерага [70], - повышение температуры приводит к усилению гидрофобной связи. Это следует из того, что чем выше температура, тем меньше упорядочивающее влияние неполярных молекул на воду и тем меньше количество оставшихся Н-связей, а следовательно, меньше и те положительные изменения энтальпии и энтропии, которые имеют место при образовании гидрофобной связи. При достаточно высоких температурах энтальпия образования гидрофобной связи делается даже отрицательной, как это видно из таблицы 3.

Эндотермический характер образования гидрофобной связи приводит к тому, что она усиливается с повышением температуры (в случае лейцин - изолейцин усиление связи происходит вплоть до температуры 58^оС). Необходимо особенно подчеркнуть вывод, отсюда непосредственно следующий: разрыв гидрофобной связи - процесс экзотермический, и экзотермичность его снижается с понижением температуры. Экзотермичность процесса разрыва гидрофобной связи сопровождается образованием большого количества Н-связей в воде.

Совершенно очевидно, что в макромолекулах гидрофобные связи должны приводить к такого рода компактным конфигурациям, которые дают наименьшее число контактов неполярных групп с окружающей водой. Иначе говоря, по Кауцману [69], устойчивыми будут конформации макромолекул, упорядочивающее действие которых на воду минимально. Это, в основном, различные компактные структуры b-складчатая структура, а-спираль, гидрофобные ядра и др. в белках, двойная спираль в нуклеиновых кислотах.

Существует и противоположная точка зрения, развиваемая, в основном Клотцем [59, 74, 79-82], согласно которому вокруг неполярных групп возникают упорядоченные структуры воды, наподобие газовых гидратов, причем, если таких групп много. как это имеет место, например, на поверхности макромолекул, то возникает эффект их кооперативного взаимодействия, приводящий к стабилизации структуры обширного слоя воды. По Клотцу, наиболее устойчивой будет конформация макромолекулы, допускающая наибольшее упорядочение воды возле макромолекулы.

Основная причина возникновения двух диаметрально противоположных точек зрения заключается в различной оценке знака F - изменения свободной энергии при образовании контакта неполярных групп макромолекулы с водой.

Согласно Кауцману, величина F - положительная, т.е. контакт нежелателен. По Клотцу величина F - отрицательна, т.е. энтальпийный выигрыш за счет большего числа Н-связей в воде превосходит энтропийный проигрыш, а поэтому контакт желателен

В настоящее время большое распространение получила точка зрения Кауцмана, хотя ее все же нельзя считать бесспорной, так как далеко не во всех случаях очевиден положительны знак F. В частности, если рассматривать упорядочение воздействие макромолекулы вообще, а не только лишь возле неполярных групп, а не только лишь возле неполярных групп, то нельзя упускать из виду, что упорядочивающее действие, хотя и иное в структурном отношении [83], проявляют также и боковые неполярные цепи с концевой полярной группой или просто полярные группы, а также Н⁺ и ОН^- ионы, и во всех этих случаях величина F отрицательна.

Поэтому, по-видимому, правильнее говорить, что макромолекула принимает конфигурацию, в которой наилучшим образом проявляются противоположные тенденции различных групп, так что результирующая свободная энергия отрицательна [71].

Необходимо иметь в виду, что если часть групп порождает гидрофобные связи, стремятся сделать структуру более компактной, и лишь частично, как печальную необходимость, упорядочивает воду, то вторая часть групп в основном упорядочивает воду и обеспечивает растворимость макромолекулы в воде. Оценить вклад одной и второй тенденции можно лишь на основе конкретных экспериментальных данных по взаимодействию макромолекул с водой.