- מהן אינטראקציות הידרופוביות?
- חשיבות ביולוגית
- דוגמאות לאינטראקציות הידרופוביות
- ממברנות
- חֶלְבּוֹן
- חומרי ניקוי
- הפניות
אינטראקציות הידרופוביות (HI) הם הכוחות השומרים על לכידות בין תרכובות אי-קוטבי שקוע בפתרון או ממס קוטבי. בניגוד לאינטראקציות לא-קוולנטיות אחרות, כמו קשרי מימן, אינטראקציות יוניות או כוחות של ואן-וואל, אינטראקציות הידרופוביות אינן תלויות בתכונות המהותיות של המומסים, אלא בממסים.
דוגמה מאוד להמחשה לאינטראקציות אלה יכולה להיות הפרדת השלבים המתרחשת כשמדובר בערבוב מים עם שמן. במקרה זה, מולקולות השמן "מתקשרות" זו עם זו כתוצאה מהסידור של מולקולות המים סביבן.
תחליב שומן במים (Catrin Sohrabi, מתוך Wikimedia Commons)
הרעיון של אינטראקציות אלה קיים עוד לפני שנות הארבעים. עם זאת, המונח "קשר הידרופובי" נטבע על ידי קאוזמן בשנת 1959, תוך כדי לימוד הגורמים החשובים ביותר לייצוב המבנה התלת ממדי של חלבונים מסוימים.
קשרי מחלה הם אחד מהאינטראקציות הלא ספציפיות החשובות ביותר שמתרחשות במערכות ביולוגיות. הם גם ממלאים תפקיד חשוב במגוון רחב של יישומים הנדסיים ותעשיית הכימיקלים והתרופות שאנו מכירים כיום.
מהן אינטראקציות הידרופוביות?
הגורם הפיזי ל- IH מבוסס על חוסר היכולת של חומרים לא קוטביים ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים בתמיסה.
הם ידועים כ"אינטראקציות לא ספציפיות "מכיוון שאינם קשורים לזיקה שבין מולקולות מומסות, אלא לנטייה של מולקולות מים לשמור על אינטראקציות עצמן באמצעות קשר מימן.
כאשר הם במגע עם מים, מולקולות אפולריות או הידרופוביות נוטות להצטבר באופן ספונטני, על מנת להשיג את היציבות הגדולה ביותר על ידי הקטנת שטח המגע עם מים.
ניתן לטעות בהשפעה זו כמשיכה חזקה, אך זו רק תוצאה של האופי הלא פולוטרי של החומרים ביחס לממיס.
אסוציאציות ספונטניות אלה, שהוסברו מנקודת מבט תרמודינמית, מתרחשות בחיפוש אחר מצב חיובי אנרגטי, שם יש את השונות הפחות טובה של אנרגיה חופשית (∆G).
אם לוקחים בחשבון ש- G = ∆ H - T∆ S, המצב החיובי ביותר מבחינה אנרגטית יהיה זה שבו האנטרופיה (∆ S) גדולה יותר, כלומר, במקום שיש פחות מולקולות מים שהחופש הסיבובי והתרגומי שלהן מופחת על ידי מגע עם מומס אחיד.
כאשר מולקולות אפולארות מתקשרות זו לזו, כבולות במולקולות מים, מתקבל מצב חיובי יותר מאשר אם מולקולות אלה נותרו נפרדות, וכל אחת מהן מוקפת "כלוב" שונה של מולקולות מים.
חשיבות ביולוגית
מחלות קשב וריכוז הן רלוונטיות ביותר מכיוון שהן מופיעות במגוון תהליכים ביוכימיים.
תהליכים אלו כוללים שינויים בקונפורמציה בחלבונים, קשירת מצעים לאנזימים, שיוך של יחידות משנה של קומפלקסים אנזים, צבירה והיווצרות של ממברנות ביולוגיות, ייצוב חלבונים בתמיסות מימיות ואחרים.
במונחים כמותיים, מחברים שונים קיבלו על עצמם את המשימה לקבוע את חשיבות ה- HI ביציבות המבנה של מספר גדול של חלבונים, והגיעו למסקנה כי אינטראקציות אלה תורמות יותר מ- 50%.
חלבונים ממברניים רבים (אינטגרליים והיקפיים) קשורים לשכבות דו-ממדיות הודות ל HI כאשר, במבנים שלהם, חלבונים אלה הם בעלי תחומים הידרופוביים. יתרה מזאת, היציבות של המבנה השלישוני של חלבונים מסיסים רבים תלויה ב- HI.
כמה טכניקות במחקר של ביולוגיה של תאים מנצלות את המאפיין שיש לחומרים דטרגנטים יוניים שיש בהם כדי ליצור מיקרונים, שהם מבנים "חצי כדוריים" של תרכובות אמפיפיליות שהאזורים האפולולריים שלה מקשרים זה לזה בזכות HI.
מיקלים מועסקים גם במחקרים פרמצבטיים הכוללים משלוח תרופות מסיסות בשומן והיווצרותם חיונית גם לספיגת ויטמינים וליפידים מורכבים בגוף האדם.
דוגמאות לאינטראקציות הידרופוביות
ממברנות
דוגמה מצוינת ל- HI היא היווצרות קרומי תאים. מבנים כאלה מורכבים משכבה דו-פוספוליפדית. הארגון שלה נובע מה- HI המתרחשים בין הזנבות האפולים ב"דחייה "למדיום המימי שמסביב.
חֶלְבּוֹן
ל- HI יש השפעה רבה על קיפול חלבונים כדוריים, אשר צורתם הביולוגית הפעילה מתקבלת לאחר הקמת תצורה מרחבית מסוימת, הנשלטת על ידי נוכחות של שאריות חומצות אמיניות מסוימות במבנה.
- המקרה לאפומיוגלובין
אפומיוגלובין (מיוגלובין חסר קבוצת ההם) הוא חלבון אלפא-סלילי קטן ששימש מודל לחקר תהליך הקיפול וחשיבות ה- IH בקרב שאריות אפולריות בשרשרת הפוליפפטיד שלו.
במחקר שנערך על ידי דייסון ואח 'בשנת 2006, בו נעשה שימוש ברצפי מוטציה של אפומיוגלובין, הוכח כי התחלת אירועי קיפול אפומיוגלובין תלויה בעיקר ב- HIs בין חומצות אמינו עם קבוצות אפוליארות של האלפים.
לפיכך, שינויים קטנים המוצגים ברצף חומצות האמינו משמעותם שינויים חשובים במבנה השלשוני, מה שמביא לחלבונים לא יצוקים ולא פעילים.
חומרי ניקוי
דוגמה ברורה נוספת ל- HI היא אופן הפעולה של חומרי ניקוי מסחריים שאנו משתמשים בהם למטרות ביתיות מדי יום.
דטרגנטים הם מולקולות אמפיפטיות (עם אזור קוטבי ואזור אפולרי). הם יכולים "להמחיש" שומנים מכיוון שיש להם את היכולת ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים ויש להם אינטראקציות הידרופוביות עם הליפידים הקיימים בשומנים.
כאשר הם במגע עם שומנים בתמיסה מימית, מולקולות הניקוי נקשרות זו בזו באופן שהזנבות האפולארים פונים זה אל זה, סוגרים את מולקולות השומנים, והאזורים הקוטביים נחשפים לעבר פני המייקל שנכנסים פנימה. מגע עם מים.
הפניות
- צ'נדלר, ד (2005). ממשקים וכוח המניע של הרכבה הידרופובית. טבע, 437 (7059), 640-647.
- Cui, X., Liu, J., Xie, L., Huang, J., Liu, Q., Israelachvili, JN, & Zeng, H. (2018). אפנון של אינטראקציה הידרופובית על ידי תיווך של מבנה ננומטרי משטח וכימיה, לא מונוטוני על ידי הידרופוביות. Angewandte Chemie - המהדורה הבינלאומית, 57 (37), 11903–11908.
- דייסון, ג'יי, רייט, PE, ושראגה, HA (2006). תפקיד האינטראקציות ההידרופוביות בהתחלה והפצת קיפול החלבון. PNAS, 103 (35), 13057-13061.
- לודיש, ה., ברק, א., קייזר, קליפורניה, קריגר, מ., ברצ'ר, א., פלוג, ה., אמון, א., סקוט, מ. ומרטין, ק. (2003). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה חמישית). פרימן, WH & Company.
- Luckey, M. (2008). ביולוגיה מבנית ממברנת: עם יסודות ביוכימיים וביו-פיזיים. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג '. נשלח מ- www.cambrudge.org/9780521856553
- מאייר, EE, Rosenberg, KJ, and Israelachvili, J. (2006). התקדמות אחרונה בהבנת האינטראקציות ההידרופוביות. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים, 103 (43), 15739–15746.
- נלסון, DL ו- Cox, MM (2009). עקרונות לינגינגר של ביוכימיה. מהדורות אומגה (מהדורה חמישית).
- Némethy, G. (1967). אנג'וונדה כמי. Int. Chem., 6 (3), 195-280.
- אוטו, ס. ואנגרטס, JBFN (2003). אינטראקציות הידרופוביות ותגובה כימית. כימיה אורגנית וביומולקולרית, 1 (16), 2809-2820.
- פייס, סי.נ., פו, ה., פרייאר, קל, לנדואה, ג'., טרווינו, סר., שירלי, ב.א., הנדריקס, מ., אימורה, ש., דג'יוואלה, ק. 2011). תרומה של אינטראקציות הידרופוביות ליציבות חלבון. Journal of Molecular Biology, 408 (3), 514–528.
- סילברסטיין, TP (1998). הסיבה האמיתית לכך ששמן ומים לא מתערבבים. כתב העת לחינוך כימי, 75 (1), 116–118.