Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980

Как молекулы соединяются друг с другом
Силы, действующие между молекулами
Гидрофобные связи

Как объяснить агрегацию неполярных групп, имеющую место в мицеллах, во внутренних областях белковых молекул и в клеточных мембранах? Попытаемся сделать это, воспользовавшись соображениями, высказанными Дженксом [2].

Рассмотрим процесс перехода гидрофобной молекулы из инертного растворителя (например, четыреххлористого углерода) в воду, выделив две основные стадии. I. В воде образуется «полость», размер которой примерно соответствует размеру растворенной молекулы. Свободная энергия образования такой полости довольно велика, поскольку этот процесс сопровождается разрывом большого числа водородных связей. В основном это энтальпийный (∆Н) эффект. 2. Теперь молекулы воды будут стремиться изменить свою ориентацию, приспосабливаясь к присутствию в полости неполярной молекулы. Ясно, что они переориентируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для вандерваальсовых взаимодействий и образовать максимальное число водородных связей. В результате такой переориентации число водородных связей может даже увеличиться, поскольку водородные связи в воде могут образовываться самым разным образом. Особенно это относится к низким температурам, когда в воде присутствуют в значительном количестве льдоподобные структуры. Во многих случаях ограничение подвижности молекул воды, окружающих гидрофобные группы, т. е. возрастание структурированности воды, оказывается самым важным результатом действия гидрофобных сил. При растворении углеводородов энтальпия образования новых водородных связей почти полностью компенсируется энтальпией образования полости. В результате суммарное изменение энтальпии (∆Н) при переходе неполярных молекул из инертного растворителя в воду обычно близко к нулю (как правило, это небольшая положительная или отрицательная величина). Вместе с тем уменьшение подвижности молекул воды приводит к значительному уменьшению энтропии, т. е. дает отрицательное значение ∆S. Поскольку ∆G = ∆H—T∆S, а член T∆S положителен, изменение свободной энергии при переходе гидрофобной молекулы из инертного растворителя в воду также является величиной положительной, т. е. такой переход невыгоден с энергетической точки зрения. Именно этим объясняется плохая растворимость углеводородов в воде.

По тем же причинам молекулы углеводородов стремятся агрегировать в воде. Процесс образования гидрофобной связи можно представить себе как перемещение неполярных частей молекул из воды в «гидрофобные» области, образуемые за счет ассоциации этих частей. В результате неполярные части оказываются в непосредственной близости друг от друга, т. е. как бы в окружении неполярного растворителя. Вследствие такого перемещения происходит уменьшение числа молекул воды, контактирующих с гидрофобными участками растворенного вещества, т. е. разрушение части областей структурированной воды, окружающих гидрофобные поверхности, в результате чего энтропия раствора возрастает. Следовательно, образование гидрофобной связи между двумя углеводородными молекулами или алкильными группами сопровождается обычно увеличением энтропии. Поскольку энтропийный член T∆S чаще всего вносит наибольший вклад в величину свободной энергии, определяющую значение константы K_f, часто говорят, что гидрофобное связывание имеет энтропийную природу. Однако, как подчеркивал Дженкс, важную роль в гидрофобном взаимодействии играет сильно выраженная способность молекул воды «сцепляться» друг с другом, вследствие чего заметный вклад может вносить не только энтропийный член, но и энтальпийная составляющая свободной энергии.

В зависимости от характера взаимодействия растворенного вещества с водой энтропия образования гидрофобных связей (∆S_f) может быть иногда равной нулю или даже отрицательной. Именно это имеет место в случае гетероциклических соединений, которые содержат как гидрофобные участки, так и полярные группы, способные образовывать водородные связи с водой. Хотя эти группы действительно образуют водородные связи, тем не менее они все же вызывают уменьшение структурированности окружающей их воды. Это уменьшение иногда компенсирует или даже превышает то возрастание структурированности, которое имеет место в областях, окружающих гидрофобные участки. Следовательно, изменение энтропии при переносе гетероциклических молекул в воду может быть положительным. И наоборот, изменение энтропии при ассоциации гетероциклических молекул в воде может быть отрицательным.

Поскольку структурированность воды, окружающей гетероциклические основания, меньше, чем воды, окружающей полностью неполярные молекулы, изменение энтальпии, которое сопровождает гидрофобную ассоциацию гетероциклических молекул, может быть достаточно отрицательным, чтобы ассоциация оказалась выгодной, даже несмотря на уменьшение энтропии [см. уравнение (2-13), табл. 2-6]. Именно поэтому основным фактором, определяющим стабилизацию двойной спирали ДНК, является стопкообразное расположение оснований (стэкинг), обусловленное опять-таки гидрофобным взаимодействием, сопровождающимся в данном случае уменьшением энтропии (∆S ≈ s —30 Дж∙К^-1 на пару оснований) и понижением этальпии от —14 до —30 кДж∙моль^-1 (табл. 2-6) [4].

Константа образования K_t при гидрофобной ассоциации часто возрастает с ростом температуры, что отличает процесс гидрофобного взаимодействия от большинства реакций ассоциации с участием полярных молекул. Из уравнения RlnK_f = —∆0/T = —∆H⁰/T + ∆S⁰видно, что для образования прочных ассоциатов необходимо, чтобы либо величина ∆H⁰ имела достаточно большое отрицательное значение, либо ∆S⁰ было достаточно большой положительной величиной. Если ∆Н отрицательно, как это имеет место для большинства экзергонических реакций (например, при протонировании NH₃ ∆Н⁰ = —52 кДж∙моль^-1), то K_tбудет уменьшаться с повышением температуры. Однако если ∆S⁰ — это большая положительная величина, то ∆Н⁰ может быть и положительным, что часто наблюдается при образовании гидрофобных ассоциатов. В этом случае K_tбудет возрастать с ростом температуры.

Возрастание стабильности при повышении температуры иногда используют в качестве показателя гидрофобной природы связывания. Следует, однако, отметить, что эта закономерность не характерна для стэкинг-взаимодействия между комплементарными парами оснований в полинуклеотидах, которые при высоких температурах становятся менее стабильными (гл. 2, разд. Г. 10).