Гідрофобні взаємодії

Сильна взаємодія молекул води за рахунок водневих зв’язків і те, що ці зв’язки можливі лише за певної взаємної орієнтації молекул, приводить до так званого гідрофобного ефекту при зануренні у воду неполярних молекул. Неполярність молекули означає, що вона нездатна утворювати водневі зв’язки. А молекули води не тільки здатні, а й прагнуть обов’язково їх утворити, оскільки енергія зв’язку є високою, втрачати його дуже невигідно. Єдиний вихід для молекул води – утворити зв’язки між собою. Проте неполярна поверхня створює перешкоди: як видно з рис. 10, група ОН верхньої молекули дивиться на неполярну (гідрофобну) поверхню і не може бути задіяною в утворенні водневого зв’язку. За збереження водневих зв’язків молекулам води доводиться платити зростанням упорядкованості – вони формують поблизу гідрофобної поверхні, як показано на рис. 10, упорядкований кригоподібний кластер.

Таким чином, занурення гідрофобної молекули у водне оточення за рахунок зниження ентропії є дуже невигідним енергетично.

Якщо додати ще одну таку гідрофобну поверхню, у системи буде дуже простий вихід (рис. 11): злипання поверхонь супроводжується визволенням молекул води, тобто зростанням ентропії. Отже, гідрофобні взаємодії мають цілком ентропійну природу.

З рисунків 10 і 11 зрозуміло, що величина гідрофобного ефекту (енергетичний виграш від визволення води) є пропорційним площі гідрофобної поверхні.

Рис. 10. Кластер молекул води біля гідрофобної поверхні. Верхня молекула займає невигідну орієнтацію відносно поверхні.

Рис. 11. Гідрофобна взаємодія між двома неполярними поверхнями.

Оскільки гідрофобний ефект має ентропійну природу, а ентропійний внесок у вільну енергію зростає з температурою (рівняння (1.2)), ефективність гідрофобних взаємодій збільшується при підвищенні температури (зростає ефект визволення води в середовище, де рух молекул води прискорюється). Саме цим зростанням гідрофобного ефекту пояснюється добре відоме зниження розчинності у воді неполярних молекул газів при підвищенні температури.

Для біологічних систем це також має велике значення: підвищення температури, навіть не дуже значне (до 35 – 37 °С), змінює енергетичний баланс міжмолекулярних взаємодій і призводить у пойкілотермних організмів до так званого теплового шоку. Гідрофобні взаємодії є надзвичайно важливими для живих систем. Достатньо сказати, що саме вони лежать в основі утворення клітинних мембран, без яких існування клітини було б неможливим.

Контрольні запитання

1. Дайте визначення вільної енергії. Поясніть, як вона залежить від ентальпії та ентропії системи? В якому напрямку змінюється вільна енергія при переході системи до стану рівноваги?

2. Чи може при переході до стану рівноваги зрости ентальпія системи? За якої умови? Чи може зрости ступінь упорядкованості при переході до рівноважного стану?

3. Скориставшись рівнянням 1.6, розрахуйте відносну частку компонента А у складі комплексу С при концентраціях вільного компоненту В, що дорівнюють 10^–6, 10^–5, 10^–4 моль/л. Вважайте, що К = 105 л/моль.

4. Що таке ковалентний зв’язок і які основні властивості йому притаманні? За рахунок чого полімерний ланцюг може змінити свою конформацію?

5. Назвіть дві умови, за яких буде відбуватися хімічна реакція. Якою величиною визначається швидкість реакції?

6. У чому полягає фізичний механізм вандерваальсових взаємодій?

7. Поясніть ентропійну природу іонних взаємодій між двома високозарядженими макромолекулами.

8. Які властивості мають бути притаманні двом хімічним групам, щоб між ними міг утворитися водневий зв’язок? Чи можливий водневий зв’язок між двома метильними групами? Між метильною та ОН-групою?

9. Чому водневий зв’язок часто буває важливим для специфічного міжмолекулярного впізнання?

10. Поясніть фізичну природу гідрофобного ефекту.