מולקולות אמפיפטיות: מבנה, מאפיינים, דוגמאות - כִּימִיָה - 2025

מולקולות amphipathic או amphiphilic הם אלה שיכולים להרגיש זיקה או דחייה לאותו הזמן ממיס נתון. ממסים מסווגים כימית כקוטבים או אפולים. הידרופילי או הידרופובי. לפיכך, סוגים אלה של מולקולות יכולים "לאהוב" מים, שכן הם יכולים גם "לשנוא" אותם.

על פי ההגדרה הקודמת, קיימת דרך אחת בלבד לכך: מולקולות אלה חייבות להיות באזורים קוטביים ואפולאריים בתוך המבנים שלהם; או שהם מופצים פחות או יותר הומוגניים (כמו שקורה לחלבונים למשל), או שהם מקומיים הטרוגניים (במקרה של פעילי שטח)

בועות, תופעה פיזיקלית הנגרמת על ידי הפחתת מתח פני השטח של הממשק האוויר-נוזלי כתוצאה מפעולה של חומר פעילי שטח, שהוא תרכובת אמפיפילית. מקור: Pexels.

חומרי שטח, הנקראים גם חומרי ניקוי, הם אולי המולקולות האמפיפטיות הידועות ביותר מאז ימי קדם. מאז שהאדם נשבה על ידי פיזיונומיה מוזרה של בועה, מודאג מהכנת סבונים ומוצרי ניקיון, הוא נתקל שוב ושוב בתופעת מתח הפנים.

התבוננות בבועה זהה לחזות ב"מלכודת "שקירותיה, הנוצרים על ידי יישור מולקולות אמפיפטיות, שומרים על התוכן הגזי באוויר. הצורות הכדוריות שלהם יציבות ביותר מבחינה מתמטית וגיאומטרית, מכיוון שהן ממזערות את מתח השטח של ממשק האוויר-מים.

עם זאת, שני מאפיינים נוספים של מולקולות אמפיפטיות נדונו: הם נוטים לחבר או להרכיב את עצמם וכמה מתחים על פני השטח הנמוכים בנוזלים (אלה שיכולים לעשות זאת נקראים פעילי שטח).

כתוצאה מהנטייה הגבוהה להתאגדות, מולקולות אלה פותחות שדה של מחקר מורפולוגי (ואפילו אדריכלי) של הננו-מצטבר שלהן וה- superpramolecules המרכיבות אותם; במטרה לתכנן תרכובות שניתן לתפקד ולקיים אינטראקציה בדרכים שלא ניתן להבחין בהן עם תאים ומטריצות הביוכימיה שלהם.

מִבְנֶה

מבנה כללי של מולקולה אמפיפטית. מקור: גבריאל בוליבר.

נאמר כי על מולקולות אמפפיליות או אמפיפטיות יש אזור קוטבי ואזור אפולרי. האזור האפולולי מורכב בדרך כלל משרשרת פחמן רוויה או בלתי רוויה (עם קשרים כפולים או משולשים), המיוצגת כ"זנב אפולרי "; מלווה ב"ראש קוטבי ", בו שוכנים האטומים האלקטרוניים-רגילים ביותר.

המבנה הכללי העליון ממחיש את ההערות בפסקה הקודמת. ראש הקוטב (כדור סגול) יכול להיות קבוצות פונקציונליות או טבעות ארומטיות שיש להם רגעים דיפוליים קבועים, והם גם מסוגלים ליצור קשרי מימן. לכן, יש למצוא שם את תכולת החמצן והחנקן הגבוהה ביותר.

בראש קוטב זה יכולים להיות גם מטענים יוניים, שליליים או חיוביים (או שניהם בו זמנית). אזור זה הוא זה שמראה זיקה גבוהה למים וממיסים קוטביים אחרים.

מצד שני, הזנב האפוליארי, בהתחשב בקשרי ה- CH השולטים שלו, מתקיים באינטראקציה בין כוחות הפיזור של לונדון. אזור זה אחראי לכך שמולקולות אמפיפטיות מראות גם זיקה לשומנים ומולקולות אפולריות באוויר (N ₂ , CO ₂ , Ar וכו ').

בחלק מהטקסטים הכימיים מודל המבנה העליון לעומת צורת סוכרייה על מקל.

אינטראקציות בין מולקולריות

כאשר מולקולה אמפיפטית באה במגע עם ממס קוטבי, נניח מים, אזוריהם משפיעים על מולקולות הממיס.

ראשית, מולקולות המים מבקשות להמיס או לחות את הראש הקוטב, תוך התרחקות מהזנב האפולולי. בתהליך זה נוצרת הפרעה מולקולרית.

בינתיים, מולקולות המים סביב הזנב האפולרי נוטות לסדר את עצמן כאילו היו גבישים קטנים, ובכך מאפשרות להם למזער את הדחות. בתהליך זה נוצר סדר מולקולרי.

בין הפרעות לפקודות, תגיע נקודה בה המולקולה האמפיפטית תבקש ליצור אינטראקציה עם אחר, שתביא לתהליך יציב בהרבה.

שונות

אל שניהם ניגשים דרך זנבותיהם האפוליארים או הראשים הקוטביים, באופן שאזורים קשורים יחדיו יוצרים אינטראקציה. זה כמו לדמיין ששני "סוכריות על מקל" בסגנון העליונה מתקרבות, שזורות את זנבותיהן השחורות, או חיבור לשני ראשן הסגול.

וכך מתחילה תופעה של אסוציאציה מעניינת, בה כמה ממולקולות אלה מצטרפות ברצף. הם אינם קשורים באופן שרירותי, אלא על פי סדרה של פרמטרים מבניים, שבסופו של דבר מבודדים את הזנבות האפולריים במעין "גרעין אפולרי", תוך חשיפת ראשי הקוטב כקליפה קוטבית.

נאמר אז שנולדה מיסה כדורית. עם זאת, במהלך היווצרות המיסלה יש שלב מקדים המורכב ממה שמכונה דו שכבה דו שומנית. אלה ואחרים הם כמה מהמבנים המקרו הרבים שמולקולות אמפיפיליות יכולות לאמץ.

מאפיינים של מולקולות אמפיפטיות

אִרגוּן

אי תאים כדוריים הנוצרים על ידי מולקולות אמפיפטיות. מקור: גבריאל בוליבר.

אם הזנבות האפוליארים נלקחים כיחידות שחורות, וראשי הקוטב כיחידות סגולות, יובן מדוע בתמונה העליונה קליפת המיסלה סגולה והגרעין שלה שחור. הגרעין הוא אפולולי, והאינטראקציה שלו עם מולקולות המים או הממס הם אפסיים.

אם, לעומת זאת, הממס או המדיום הם אפולים, הרי שראשי הקוטב הם אלו שיסבלו מהדחות, וכתוצאה מכך הם ימוקמו במרכז המיתולה; כלומר הוא הפוך (A, תמונה נמוכה יותר).

סוגים שונים של מבנים או מורפולוגיות לא שונות. מקור: גבריאל בוליבר.

נראה כי במוטה העצמי ההפוך יש מעטפת אפולרית שחורה וגרעין קוטב סגול. אך לפני היווצרות המוטה, המולקולות האמפיפיליות נמצאות באופן נפרד ומשנות את סדר מולקולות הממס. עם ריכוז מוגבר הם מתחילים להתחבר למבנה שכבה או שתיים (B).

מ- B המאמינים מתחילים להתעקם ליצירת D, שלפוחית. אפשרות נוספת, תלויה בצורת הזנב האפוליארי ביחס לראש הקוטב שלו, היא שהם משייכים להוליד מוטה גלילי (C).

ננו-אגרגטים וסופרמולקולולות

לפיכך ישנם חמישה מבנים עיקריים, החושפים מאפיין מהותי של מולקולות אלה: הנטייה הגבוהה שלהם לקשר ולהרכבה עצמית לסופרמולקולקות, המצטברים ליצירת ננו-אגרגטים.

לפיכך, מולקולות אמפיפיליות אינן נמצאות לבדן אלא יחד.

גוּפָנִי

מולקולות אמפיפטיות יכולות להיות נטרליות או טעונות באופן יוני. לאלה שיש להם מטענים שליליים יש אטום חמצן עם מטען רשמי שלילי בראש הקוטב שלהם. חלק מאטומי החמצן הללו מגיעים מקבוצות פונקציונליות כמו -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- או -PO ₄ ^- .

לגבי המטענים החיוביים, הם בדרך כלל מגיעים מאמינים, RNH ₃ ⁺ .

נוכחותם או היעדרם של מטענים אלה לא משנה את העובדה שמולקולות אלה בדרך כלל יוצרות מוצקים גבישיים; או אם הם יחסית קלים הם נמצאים כשמנים.

דוגמאות

להלן כמה דוגמאות למולקולות אמפיפיות או אמפיפיליות:

-פופוליפידים: פוספטידיל-אתנולמין, ספינגומילין, פוספטידילסרין, פוספטידילילן.

-כולסטרול.

-גלוקוליפידים.

-סודיום לוריל סולפט.

חלבונים (הם אמפפילים, אך אינם פעילי שטח).

-שומנים פניוליים: קרדנול, קרדולות וחומצות אנקרדיאליות.

-צטיל-טרימתיל אמוניום ברומיד.

חומצות שומן: פלמיטיות, לינולאיות, אולאיות, אוריות, סטאריות.

-אלכוהולים בעלי שרשרת ארוכה: 1-דודקנול ואחרים.

פולימרים אמפיפיליים: כגון שרפים פנווליים אתוקסילטים.

יישומים

קרומי התא

אחת ההשלכות החשובות ביותר של יכולתם של מולקולות אלה להתקשר היא שהן בונות סוג של קיר: דו שכבתי השומנים (B).

דו שכבתי זה משתרע כדי להגן על ויסות כניסה ויציאה של תרכובות לתאים. זה דינמי, מכיוון שהזנבות הפולאריים שלו מסתובבים עוזרים למולקולות אמפיפטיות לנוע.

באופן דומה, כאשר ממברנה זו מחוברת לשני קצוות, על מנת שהיא תהיה אנכית, היא משמשת למדידת החדירות שלה; ועם זה מתקבלים נתונים יקרי ערך עבור תכנון של חומרים ביולוגיים וממברנות סינתטיות מהסינתזה של מולקולות אמפיפטיות חדשות עם פרמטרים מבניים שונים.

פיזור

בתעשיית הנפט, מולקולות אלה, והפולימרים המסונתזים מהם משמשים לפיזור אספלטנים. המוקד של יישום זה נשען על ההשערה כי אספלטנים מורכבים ממוצק קולואידלי, עם נטייה גבוהה להתנעה ולמשקע כמו מוצק חום-שחור הגורם לבעיות כלכליות חמורות.

מולקולות אמפיפטיות עוזרות לשמור על אספלטנים המפוזרים במשך זמן רב יותר לנוכח שינויים פיזיקוכימיים בשמן.

מתחלבים

מולקולות אלה עוזרות לשני נוזלים לערבב שלא ניתן יהיה לערבב אותם בתנאים רגילים. בגלידות, למשל, הם עוזרים למים ואוויר להיווצר חלק מאותו מוצק יחד עם שומן. בין התחליבים הנפוצים ביותר למטרה זו הם אלו שמקורם בחומצות שומן אכילות.

חומרי ניקוי

האופי האמפילי של מולקולות אלה משמש לכידת שומנים או זיהומים אפולריים, ואז נשטפים באותו זמן על ידי ממס קוטבי, כגון מים.

כמו הדוגמא של בועות בהן נלכד אוויר, חומרי ניקוי לוכדים שומן בתוך המייקל שלהם, שיש להם קליפה קוטבית ביעילות אינטראקציה עם מים בכדי להסיר לכלוך.

נוגדי חמצון

יש חשיבות חיונית לראשי הקוטב שכן הם מגדירים את השימושים המרובים שיכולים להיות למולקולות אלה בגוף.

אם יש להם, למשל, קבוצה של טבעות ארומטיות (כולל נגזרות של טבעת פנולית) וקוטביות המסוגלות לנטרל רדיקלים חופשיים, אז יהיו נוגדי חמצון אמפיפיליים; ואם יש להם גם השפעות רעילות, אז יהיו נוגדי חמצון חדשים זמינים בשוק.

הפניות

1. אלברטס ב, ג'ונסון א ', לואיס ג'יי, ואח' (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית. ניו יורק: גרלנד מדע; The Lipid Bilayer. התאושש מ: ncbi.nlm.nih.gov
2. ג'יאנהואה ג'אנג. (2014). מולקולות אמפיפיליות. שפרינגר-ורלאג ברלין היידלברג, א. דרולי, ל. ג'ורנו (עורכים), אנציקלופדיה ממברנס, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. אמר יוסף. (2019). הגדרת מולקולות אמפיפטיות. לימוד. התאושש מ: study.com
4. Lehninger, AL (1975). בִּיוֹכִימִיָה. (מהדורה שנייה). מפרסם שווה, כולל
5. Mathews, CK, van Holde, KE ו- Ahern, KG (2002). בִּיוֹכִימִיָה. (מהדורה שלישית). פירסון אדיסון וושלי.
6. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (31 במרץ, 2019). מהו חומר משטח? התאושש מ: thoughtco.com
7. דומניקו לומברדו, מיכאיל א 'קיסלב, מגזין סלווטורה, ופייטרו קלנדרה (2015). הרכבה עצמית של אמפיפילים: מושגים בסיסיים ונקודות מבט עתידיות על גישות סופרמולקולריות. התקדמות בפיזיקה של חומר מעובה, כרך א '. 2015, מס '151683, 22 עמודים, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. אננקנביל ס., פרז ב., פרננדס הראשון. מגדלנה ק. ווידז'יס, וואנג ז. מטוס נ. וגו ז. (2018). קבוצה חדשה של מולקולות אמפפיליות סינתטיות המכילות פנול ליישומים רב-תכליתיים: אפיון פיזיקלי-כימי ומחקר רעילות תאים. דוחות מדעיים כרך 8, מספר מאמר: 832.