Гидрофобные взаимодействия
Вода является хорошим растворителем как для
солей, легко диссоциирующих на ионы, так и для многих соединений с полярными
связями (см. с. 32). Такие вещества обычно называют полярными или
гидрофильными ("водолюбивыми"). В то же время углеводороды растворяются в
воде плохо. Такие вещества называют неполярными или гидрофобными.
А. Растворимость в воде жирных кислот
Растворимость в воде органических соединений
определяется соотношением полярных или неполярных групп. Это положение хорошо
иллюстрируется на примере жирных кислот. Карбоксильная группа жирных кислот
ионизирована и способна образовывать водородные связи. Однако по мере увеличения
длины углеводородной цепи растворимость жирных кислот заметно снижается. Жирные
кислоты, содержащие в цепи более 10 углеродных атомов, практически нерастворимы
в воде. Поэтому в крови они переносятся в виде комплекcа с альбумином (см. с.
270).
Б. Растворимость в воде метана
Для объяснения плохой растворимости
углеводородов в воде необходимо прежде всего рассмотреть энергетику такого
процесса (см. с. 26). На схеме 1 приведены данные для наиболее простого
углеводорода метана. Известно, что растворение газообразного метана в воде —
процесс экзотермический (ΔΗ° < 0). Тем не менее изменение свободной энергии
(ΔG°) — величина положительная, поскольку в уравнении преобладает энтропийный
член (-Т • ΔS°). Очевидно, что изменение энтропии процесса (ΔS°) —
величина отрицательная, т.е. растворение метана в воде требует повышения степени
упорядоченности системы. При окружении молекул метана молекулами воды
подвижность молекул метана должна уменьшаться. Однако при этом существенно
важнее то обстоятельство, что молекулы воды, располагаясь вокруг этих неполярных
молекул, образуют собственную сетчатую структуру, "клатраты", стабилизированную,
как и в структуре льда, водородными связями. Таким образом, растворение метана в
воде — процесс, приводящий к более высокой
упорядоченности водной фазы. Чем больше поверхность контакта между водой и
неполярной фазой, тем выше степень такой упорядоченности
В. Эффект «масляных капель»
Энергетически невыгодное образование
клатратных структур является причиной самопроизвольного расслоения эмульсий
масла в воде. Как известно, при встряхивании такой смеси образуется множество
мелких масляных капелек, которые, однако. вновь самопроизвольно сливаются в
крупные капли — обе фазы вновь расслаиваются. Крупные капли обладают меньшей
поверхностью по сравнению с множеством мелких капелек того же суммарного объема.
При расслаивании фаз уменьшается площадь контакта между фазами, а следовательно,
и степень образования клатратов. Поэтому ΔS такого процесса — величина
положительная, а отрицательный член уравнения -T •
ΔS свидетельствует о том, что расслаивание — процесс экзергонический
(ΔG < 0). Иными словами, такой процесс будет идти
спонтанно.
Г. Растворимость соединений с
амфифильными свойствами
Вещества, имеющие в структуре как полярные,
так и неполярные группы, называются амфифильными. К этой группе
принадлежат, например, жиры (см. с. 56), фосфолипиды
(см. с. 56) и желчные
кислоты (см. с. 63). Вследствие эффекта "масляных капель"
(Б) амфифилы при
контакте с водой склонны образовывать структуры, у которых площадь контакта не
полярной части молекул с водой минимальна. На поверхности воды такие вещества
обычно образуют монослойные пленки, у которых полярные группы
ориентированы в воду. Мыльные пузырьки образованы липидными бислоями с
тонким наружным слоем воды. В воде амфифилы образуют протяженные бислойные
мембраны или мицеллы, у которых полярные группы ориентированы в воду.
По этому принципу построено большинство биологических мембран (см. с. 216).
Полые мембранные пузырьки носят название везикул. В клетках и крови такие
структуры играют ключевую роль при выполнении транспортных функций (см. сс. 230,
272).