A hidrofób hatás (effektus)

A hidrofób hatást, mint jelenséget mindenki ismeri. Az apoláros molekulák, mint például a szénhidrogének, nem oldódnak vízben, mintegy „utálják a vizet”, emiatt nevezik ezeket hidrofób molekuláknak. Ennek okára egy népszerű, de hibás magyarázat az, hogy a vízmolekulák egymással erősebb kölcsönhatást létesítenek, mint az apoláros molekulákkal, és ezért mintegy kitaszítják maguk közül azokat. Ha közelebbről megvizsgáljuk ezt a kérdést, akkor világossá válik, hogy a magyarázat ennél összetettebb. Az igaz ugyan, hogy a vízmolekulák egymással erősebb kölcsönhatást létesítenek (lásd dipól-dipól; hidrogénhíd) mint apoláros molekulákkal (lásd dipól-indukált dipól), de az apoláros molekulák a vízzel erősebb kölcsönhatást létesítenek (dipól - indukált dipól) mint egymással (indukált dipól - indukált dipól). A kölcsönhatási energia alapú mérlegben tehát nem csak azt kell figyelembe venni, hogy a poláros oldószer-molekulák egymással stabilabb kölcsönhatást létesítenek, mint az oldandó apoláros anyaggal, hanem azt is, hogy az apolárosak egymással kevésbé stabil kölcsönhatást létesítenek, mint a vízzel.

Emiatt nem egyértelmű, hogy pusztán a kötéserősségeket tekintve magyarázható-e a jelenség. Ráadásul számos poláros, a vízzel jól elegyedő oldószer, mint például az acetonitril, vagy a dimetil-szulfoxid kifejezetten jól oldja az apoláros molekulákat.

A jelenség tehát nem pusztán azért áll elő, mert a víz poláros. Ezen túlmenően valami más, egyedi tulajdonsága is van a víznek, ami a hidrofób effektust kiváltja. Maga a kifejezés (hidrofób) is jelzi a „hidro” előtag révén, hogy ez az effektus kifejezetten a vízzel kapcsolatos.

A jelenség megértéséhez nem elegendő az egyedi kölcsönhatásokat figyelembe venni. Ahidrofób effektusjó okkal nem is került felsorolásra a másodlagos kölcsönhatások között. Ez ugyanisnem egy közönséges kétoldalú kölcsönhatás, hanem egy termodinamikai rendszer komplex viselkedésének a végső eredménye, amelynekkiváltó oka elsősorban az entrópiával kapcsolatos.

A vízmolekulák a jégben, mint már említettük, egymással maximális számú (molekulánként négy) hidrogénhidat képeznek. Folyékony vízben a hőmozgás miatt kevesebb, átlagosan ~3,4 hidrogénhíd alakul ki molekulánként.

Ezek a kölcsönhatások folyadékfázisban természetesen folyamatosan felszakadnak, és újraalakulnak, a vízmolekulák emiatt folyékony halmazállapotban nem alkotnak tartósan rendezett szerkezeteket. Más a helyzet, amikor a vízben apoláros molekulák is vannak. Amikor azapoláros molekulák felszínén a vízmolekulákegymással hidrogénhíd kölcsönhatást létesítenek, akkor a hidrogénhidak számának maximálása során szabályosan rendeződnek el, és a jégben mutatott elrendeződéshez hasonló, úgynevezettklatrát szerkezetet hoznak létre(lásd2.26. ábra).

Természetesen ez a szerkezet sem állandó, de jóval kevésbé dinamikus, és jóval rendezettebb, mint a tiszta vízben kialakuló szerkezetek. A vízmolekuláknak ez a rendeződése a termodinamika fogalomrendszerével kifejezve azt jelenti, hogya klatrátban lévő vízmolekulák rendezettebb állapota miatt a rendszer entrópiája a tiszta vízéhez képest csökken, ami növeli a rendszer szabadentalpiáját. Mint később látni fogjuk, a spontán, munkavégzés nélkül, tehát maguktól végbemenő, visszafordíthatatlan folyamatokra az jellemző, hogy általunk csökken a rendszer szabadentalpiája.

2.26. ábra: Apoláros molekulák körül a vízmolekulák klatrát szerkezetbe rendeződnek

A konkrét esetben azáltal csökken a vizet és apoláros molekulákat tartalmazó rendszer szabadentalpiája, hogy csökken az apoláros molekulák vízzel érintkező összesített felszíne. Ennek a spontán folyamatnak a során az apoláros molekulák egymást veszik körbe. A víz felé akkor mutatják a legkisebb felszínt, ha gömb alakú terekbe csoportosulnak. Jó példa erre, amikor olajat elegyítünk vízzel. Ennek végeredménye (súlytalanság esetén) egyetlen gömb alakú olajcsepp a vizes fázisban. Normál földi körülmények között a sűrűségi viszonyoknak megfelelően egymásra rétegződő, két nem elegyedő fázist kapunk.

Amikor nem apoláros, hanem amfipatikus molekulákat elegyítünk vízzel, akkor a fentivel azonos okok miatt hasonló jelenség lép fel, aminek végeredménye mégis eltérő. Ebben az esetben is egymással lépnek kapcsolatba az apoláros molekularészek, tehát itt is mintegy „kimenekülnek” a vízből, de mivel kovalensen kapcsolva vannak egy poláros részhez, ezért a végeredmény eltérő lesz (lásd2.27. ábra).

2.27. ábra: A víz az amfipatikus molekula apoláros csoportja körül rendeződni kényszerül Azamfipatikus molekulaalakjától függően jellemzően kétféle végeredmény születhet (lásd2.28. ábra).

Ha az apoláros rész kisebb átmérőjű, mint a poláros(feji résznek nevezett) rész, akkor a molekula ék alakú lesz. Ebben az esetben az apoláros részek úgy temetődhetnek el, ha apoláros belsejű, poláros külsejű gömböket, micellákat képeznek. A micellák sugara megegyezik az amfipatikus molekulák hosszával.

Ha az apoláros rész átmérője nagyjából megegyezik a poláros (feji) rész átmérőjével, akkor nem gömbök képződnek, hanemkettős membránok. Ezek olyan síkok, amelyeket két, amfipatikus molekulákból álló réteg alkot. Az apoláros molekularészek ebben a kettősrétegben egymás felé, míg a poláros részek kifelé, a víz felé fordulnak. A kettősmembránok maguk is gömböket képeznek, így nem alakulnak ki a kettősmembrán sík szélén olyan területek, ahol az apoláros részek vízzel érintkeznek.

Ahidrofób hatásnak (a szakirodalomban:hidrofób effektus) óriásijelentőségevan a biológiai rendszerekben.

Aglobuláris fehérjék natív szerkezetének kialakulásábanpéldáuldöntő szerepe van a makromolekula belsejébe temetődő, zömmel apoláros oldalláncokat tartalmazó úgynevezett hidrofób magnak. A globuláris fehérjék felszínén zömmel poláros csoportok helyezkednek el, tehát natív térszerkezete a micellákra emlékeztet (bár a részletek tekintetében természetesen sokkal összetettebb).

2.28. ábra: Az amfipatikus molekulák vízben szerkezetüktől függően micellákat, vagy membrán kettősréteget képeznek

A biológiai membránok, például a sejtmembrán, vagy az eukarióták számos organellumának a membránjai döntőenfoszfolipidekből állnak. A foszfolipidek olyan amfipatikus molekulák, amelyek apoláros részének átmérője nagyjából akkora, mint a poláros feji rész átmérője. Ez a szerkezeti oka annak, hogy a foszfolipidekmembrán kettősréteget képeznek.

Tehát a biológiai membrán kettősrétegek is a hidrofób effektus következtébenalakulnak ki. Ezek a lipid kettősrétegek, (lásd sejtmembrán, vagy különböző organellumok, vakuólumok membránja), gömbszerűen zárt képződményeket alkotnak, így a síknak nincsenek lezáratlan, a víz felé apoláros részeket mutató szélei, a víz felé csak poláros részek fordulnak.

A hidrofób hatásnak aDNS kettősspirál szerkezet stabilizálásában is fontos szerepjut. A láncban egymást követő bázisok egymással átfedve egymásra lapolódnak, apoláros részük a víztől elzárva szoros térkitöltésű belső térrészt alakít ki.