Гидрофобные взаимодействия

Ван-дер-Ваальсовы силы

Реакционные свойства в химии определяются, прежде всего, сильными взаимодействиями химическими валентными связями. В биологических же системах ответственными за передачу и рецепцию химичес­ких сигналов - слабые невалентные взаимодействия. Это связано с тем, что клетка и весь организм существуют в мягких условиях физиологической температуры и нормального давления. Биохимические процессы реализуют тонкую перестройку химических связей, зачастую не сопровождаемую значительными изменениями свободной энергии, но суммарный вклад слабых взаимодействий в эти изменения может быть соизмерим, с “химическим”.

Существование биологической системы определя­ется наличием слабых (невалентных) взаимодействий между отдель­ными группами макромолекул, различают несколько слабых взаимодействий в биологических макромолекулах: Ван-дер-ваальсово взаимодейст­вие - это неспецифические взаимодействия между атомами и молекулами, имеющие электрическую природу. Они обусловлены взаимодействиями электронных оболочек атомов и молекул. Взаимодействие электронных оболочек характеризуют две физические величины - это дипольный момент и поляризуемость. Дипольный момент молекул выражается асимметричным распределением электрических зарядов в электрической нейтральной молекуле. Поляризуемость характеризует способность электронной оболочки деформироваться под действием внешнего электрического поля.

Рассматриваемое Ван-дер-ваалъсово взаимодействие дипольных молекул (в данном случае взаимное притяжение) слагается из трех эффектов: ориентационного (Кезон), индукционного (Дебай) и дисперсионного (Лондоном).

Дисперсионное взаимодействие - возникает тогда, когда молекула лишена собственного дипольного момента и между ними действуют лишь дисперсионные силы.

Индукционный эффект состоит во взаимодействии диполя одной молекулы с диполем соседней молекулы.

Ориентационный эффект возникает при взаимодействии двух диполей (электрически заряженных групп с несимметричным зарядом).

Очень важное значение для пространственной структуры макромолекул имеют гидрофобные взаимодействия. Физическая природа гидрофобных взаимодействий своеобразна. Плохая растворимость углеводоро­дов связана с уменьшением энтропии. В частности, образование мицелл молекулами в воде сопровождается значительным понижением энтропии. Батлером показано, что эти эффекты характеризуют изменение состояния воды, а не углеводорода. Гидрофобные силы - отталкивание молекул воды и неполярных молекул. Гидрофобное взаимодействие - это взаимодействие полярных молекул воды. Это можно понимать как внедрение неполярных молекул в структуированные (льдоподобные) области воды и в более плотные неструктурированные области. В первом случае молекулы размещаются в пустотах рыхлой структуры (имеются полости в структуре H₂O). В другом случае увеличение числа контактов углеводород-вода приводит к нарушению упорядоченности структуры воды и уменьшается число контактов водорода. В результате этого и происходит увеличение энергии системы. В настоящее время имеется ряд попыток построения количественной теории гидрофобных взаимодействий, основанных на моделях структуры воды. Шерага и сотрудники предложили модель, которая учитывает возможные состояния воды без водородных связей и с 1,2,3 и 4/мя водородными связями. Последнее состояние отвечает льдододобной структуре. В принципе можно сказать, что гидрофобное взаимодействие (силы) это обычные Ван-дер-Ваальсово взаимодействие с Н₂О, как с упорядоченной структурой.