Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις σε αυτό που είναι, βιολογική σημασία και παραδείγματα



Το Οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις (ΗΙ) αυτές είναι οι δυνάμεις που διατηρούν τη συνοχή μεταξύ απολικών ενώσεων βυθισμένων σε διάλυμα ή πολικό διαλύτη. Σε αντίθεση με άλλες αλληλεπιδράσεις χαρακτήρα μη ομοιοπολική, όπως σύνδεση υδρογόνου, ιοντικών αλληλεπιδράσεων ή δυνάμεις Van der Waals, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις δεν εξαρτώνται από τις εγγενείς ιδιότητες των διαλυμένων ουσιών, αλλά μάλλον διαλύτες.

Ένα πολύ ενδεικτικό παράδειγμα αυτών των αλληλεπιδράσεων μπορεί να είναι ο διαχωρισμός φάσεων που συμβαίνει όταν προσπαθεί να αναμίξει νερό με λάδι. Στην περίπτωση αυτή, τα μόρια του πετρελαίου "αλληλεπιδρούν" μεταξύ τους ως αποτέλεσμα της παραγγελίας των μορίων του νερού γύρω από αυτά.

Η έννοια αυτών των αλληλεπιδράσεων υπάρχει ήδη πριν από την δεκαετία του '40. Ωστόσο, ο όρος "υδρόφοβος σύνδεσμος" επινοήθηκε από τον Kauzmann το 1959, ενώ μελέτησε τους σημαντικότερους παράγοντες στη σταθεροποίηση της τρισδιάστατης δομής ορισμένων πρωτεϊνών.

Οι ΗΙ είναι οι σημαντικότερες μη ειδικές αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε βιολογικά συστήματα. Έχουν επίσης σημαντικό ρόλο σε μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών μηχανικής και στη χημική και φαρμακευτική βιομηχανία που γνωρίζουμε σήμερα.

Ευρετήριο

  • 1 Τι είναι οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις;?
  • 2 Βιολογική σπουδαιότητα
  • 3 Παραδείγματα υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων
    • 3.1 Μεμβράνες
    • 3.2 Πρωτεΐνες
    • 3.3 Απορρυπαντικά
  • 4 Αναφορές

Ποιες είναι οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις;?

Η φυσική αιτία του ΗΙ βασίζεται στην ανικανότητα των μη πολικών ουσιών να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού σε μια λύση.

Είναι γνωστά ως «μη-ειδικές αλληλεπιδράσεις» επειδή δεν σχετίζεται με την συγγένεια μεταξύ μορίων διαλυμένης ουσίας, αλλά μάλλον με την τάση των μορίων του νερού να διατηρήσουν τη δική τους αλληλεπιδράσεις μέσω δεσμών υδρογόνου.

Όταν έρχονται σε επαφή με νερό, τα απολιτικά ή υδρόφοβα μόρια τείνουν να συσσωματώνονται αυθόρμητα, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη σταθερότητα με τη μείωση της επιφάνειας επαφής με το νερό.

Αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να συγχέεται με μια ισχυρή έλξη, αλλά είναι μόνο μια συνέπεια του μη πολικού χαρακτήρα των ουσιών σε σχέση με το διαλύτη.

Εξηγούμενες από θερμοδυναμική άποψη, αυτοί οι αυθόρμητοι συσχετισμοί εμφανίζονται στην αναζήτηση μιας ενεργειακά ευνοϊκής κατάστασης, όπου υπάρχει η μικρότερη διακύμανση της ελεύθερης ενέργειας (ΔΓ).

Δεδομένου ότι .DELTA.G = AH - TΔS, το πιο ενεργειακά ευνοϊκή κατάσταση είναι εκείνη όπου η εντροπία (ΔS) είναι μεγαλύτερη, δηλαδή, όπου υπάρχουν λιγότερα μόρια του νερού του οποίου η περιστροφική και μεταφορική ελευθερία μειώνεται κατά την επαφή με μια απολίνουσα διαλυμένη ουσία.

Όταν τα απολικά μόρια συνδέονται μαζί, δεσμεύονται από τα μόρια του νερού, μια πιο ευνοϊκή κατάσταση επιτυγχάνεται αν αυτά τα μόρια παραμένουν χωριστά, το καθένα περιβάλλεται από μια «κλωβό» των μορίων του νερού των διαφορετικών.

Βιολογική σημασία

Το ΗΙ έχει μεγάλη σημασία αφού εμφανίζεται σε μια ποικιλία βιοχημικών διεργασιών.

Αυτές οι διαδικασίες διαμορφωτικές μεταβολές σε πρωτεΐνες, το υπόστρωμα του ενζύμου δέσμευσης, σύνδεσης υπομονάδα συμπλοκών ενζύμου, συσσωμάτωση και ο σχηματισμός των βιολογικών μεμβρανών, τη σταθεροποίηση των πρωτεϊνών σε υδατικά διαλύματα και άλλοι είναι.

Από ποσοτικούς όρους, οι διαφορετικοί συγγραφείς έχουν αναλάβει το καθήκον να προσδιορίσουν τη σημασία της ΗΙ στη σταθερότητα της δομής μεγάλων ποσοτήτων πρωτεϊνών, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις συνεισφέρουν περισσότερο από το 50%.

Πολλές πρωτεΐνες μεμβράνης (ενσωματωμένες και περιφερειακές) συνδέονται με τις λιπιδικές διπλοστοιβάδες χάρη στο ΗΙ όταν, στις δομές τους, οι εν λόγω πρωτεΐνες διαθέτουν περιοχές με υδρόφοβο χαρακτήρα. Επιπλέον, η σταθερότητα της τριτοταγούς δομής πολλών διαλυτών πρωτεϊνών εξαρτάται από την ΗΙ.

Ορισμένες τεχνικές στη μελέτη της Βιολογίας Κυττάρου εκμεταλλεύονται την ιδιότητα κατέχεται από ορισμένους ιοντικά απορρυπαντικά για να σχηματίσουν μικκύλια, τα οποία είναι «ημισφαιρική» δομή των αμφιφιλικών ενώσεων μη πολικών περιοχών οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με HI.

Τα μικκύλια χρησιμοποιούνται επίσης σε φαρμακευτικές μελέτες που περιλαμβάνουν τη διανομή λιποδιαλυτών φαρμάκων και ο σχηματισμός τους είναι επίσης απαραίτητος για την απορρόφηση σύνθετων βιταμινών και λιπιδίων στο ανθρώπινο σώμα.

Παραδείγματα υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων

Μεμβράνες

Ένα εξαιρετικό παράδειγμα του ΗΙ είναι ο σχηματισμός κυτταρικών μεμβρανών. Τέτοιες δομές αποτελούνται από διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίων. Η οργάνωσή του δίνεται χάρη στο ΗΙ που συμβαίνει μεταξύ των απολιθικών ουρών σε "απόδραση" στο περιβάλλον υδατικό περιβάλλον.

Πρωτεΐνες

Το ΗΙ έχει μεγάλη επίδραση στην αναδίπλωση των σφαιρικών πρωτεϊνών, των οποίων η βιολογικώς δραστική μορφή επιτυγχάνεται μετά την δημιουργία μίας συγκεκριμένης χωρικής διαμόρφωσης, που διέπεται από την παρουσία ορισμένων υπολειμμάτων αμινοξέων στη δομή.

  • Η περίπτωση της απομιογλοβουλίνης

Η apomyoglobin (μυοσφαιρίνη λείπει αίμη) είναι μια μικρή πρωτεΐνη άλφα-ελικοειδή έχει χρησιμεύσει ως ένα μοντέλο για τη μελέτη της διαδικασίας αναδίπλωση και τη σημασία της ΗΙ μεταξύ μη πολικά υπολείμματα στην πολυπεπτιδική αλυσίδα αυτής.

Σε μία μελέτη από Dyson et αϊ στο 2006 όπου χρησιμοποιήθηκαν οι apomyoglobin μεταλλαγμένες αλληλουχίες, καταδείχθηκε ότι η έναρξη των γεγονότων πτυσσόμενα αυτό εξαρτάται κυρίως από τις HI αμινοξέα με μη πολικές ομάδες των άλφα-έλικες.

Έτσι, οι μικρές αλλαγές που εισάγονται στην αλληλουχία αμινοξέων σημαίνουν σημαντικές τροποποιήσεις στην τριτοταγή δομή, η οποία οδηγεί σε παραμορφωμένες και αδρανείς πρωτεΐνες.

Απορρυπαντικά

Ένα άλλο σαφές παράδειγμα του HI είναι ο τρόπος δράσης των εμπορικών απορρυπαντικών που χρησιμοποιούμε καθημερινά για οικιακούς σκοπούς.

Τα απορρυπαντικά είναι αμφιπαθητικά μόρια (με πολική και απολιτική περιοχή). Μπορούν να "γαλακτωματοποιούν" τα λίπη αφού έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού και έχουν υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις με τα λιπίδια που υπάρχουν στα λίπη.

Κατά την επαφή με τα λίπη σε ένα υδατικό διάλυμα, τα μόρια του απορρυπαντικού συνδέουν με το ένα το άλλο έτσι ώστε να αντιμετωπίσει τα μη πολικά ουρές, εσωκλείοντας τα μόρια των λιπιδίων και οι πολικές περιοχές εκτεθειμένες στην επιφάνεια του μικκυλίου, που εισέρχονται επαφή με το νερό.

Αναφορές

  1. Chandler, D. (2005). Διεπαφές και η κινητήρια δύναμη της υδροφοβικής συναρμολόγησης. Nature, 437 (7059), 640-647.
  2. Cui, Χ., Liu, J., Xie, L., Huang, J., Liu, Q., Israelachvili, J.N. & Zeng, Η. (2018). Διαμόρφωση της υδρόφοβης αλληλεπίδρασης με τη διαμεσολάβηση της επιφανειακής δομής νανοκλίμακας και της χημείας, όχι μονοτονικά με υδροφοβικότητα. Angewandte Chemie - Διεθνής Έκδοση, 57 (37), 11903-11908.
  3. Dyson, J. Η., Wright, Ρ. Ε. & Sheraga, Η. Α. (2006). Ο ρόλος των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων στην έναρξη και τη διάδοση της δίπλωσης πρωτεϊνών. PNAS, 103 (35), 13057-13061.
  4. Lodish, H., Berk, Α, Kaiser, C.A., Krieger, Μ, Bretscher, Α, Ploegh, H., Amon, Α, Scott, Μ & Martin, Κ (2003). Μοριακή κυτταρική βιολογία (5η έκδοση). Freeman, W. Η. & Company.
  5. Luckey, Μ. (2008). Διαρθρωτική βιολογία μεμβράνης: με βιοχημικά και βιοφυσικά θεμέλια. Cambridge University Press. Ανακτήθηκε από το www.cambrudge.org/9780521856553
  6. Meyer, Ε. Ε., Rosenberg, Κ. J. & Israelachvili, J. (2006). Πρόσφατη πρόοδος στην κατανόηση των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, 103 (43), 15739-15746.
  7. Nelson, D. L., & Cox, Μ. Μ. (2009). Αρχές Lehninger της Βιοχημείας. Omega εκδόσεις (5η έκδοση).
  8. Némethy, G. (1967). Angewandte Chemie. Chem. Int., 6 (3), 195-280.
  9. Otto, S., & Engberts, J. Β. Ρ. Ν. (2003). Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις και χημική αντιδραστικότητα. Organic and Biomolecular Chemistry, 1 (16), 2809-2820.
  10. Pace, CN, Fu, H., Fryar, KL, Landua, J., Trevino, SR, Shirley, ΒΑ, Hendricks, Μ, Iimura, S., Gajiwala, Κ, Scholtz, J. & Grimsley, GR ( 2011). Συμβολή των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων στη σταθερότητα της πρωτεΐνης. Journal of Molecular Biology, 408 (3), 514-528.
  11. Silverstein, Τ. Ρ. (1998). Ο πραγματικός λόγος για τον οποίο το πετρέλαιο και το νερό δεν αναμειγνύονται. Journal of Chemical Education, 75 (1), 116-118.