загрузка...
 
РАСТВОРИМОСТЬ
Повернутись до змісту

РАСТВОРИМОСТЬ

Хорошая растворимость в воде обусловлена полярными свойствами аминокислот. Вообще полярными называют такие молекулы или фрагменты молекул, у которых «центр тяжести» отрицательных зарядов (т.е., электронов) не совпадает с «центром тяжести» положительных зарядов (т.е., ядер атомов).

Типичным полярным веществом является молекула воды. В этом смысле ее правильнее изображать не симметрично (Н-О-Н), а примерно так:

Асимметричность молекулы обусловлена тем, что атом кислорода гораздо сильнее притягивает к себе обобществленные электроны, чем соединенный с ним атом водорода. Поэтому электронное облако, формирующее ковалентную связь, заметно смещено в сторону кислорода, который приобретает некоторую избыточность отрицательных зарядов. Она меньше заряда одного электрона и потому получила название «частичный отрицательный заряд» и обозначается символом «6~». Соответственно на атомах водорода возникает явный дефицит электронной плотности ~ частичный положительный заряд (8+). Таким образом, в целом молекула воды представляет собой диполь, т.е. частицу с некоторым преобладанием электронной плотности на одном полюсе и соответствующей избыточностью положительного заряда - на другом:

Выраженность поляризации зависит от абсолютного значения частичных зарядов и от расстояния между их центрами. Произведение этих величин обозначается термином диполь- ный момент и является мерой полярности данной молекулы (или полярного фрагмента крупной молекулы).

Молекулы воды обладают высоким ди- пол ьным моментом (1,84 Дебай). Очевидна поэтому их склонность к межмолекулярным взаимодействиям. Электростатическое притяжение одного полюса молекулы воды к противоположно заряженному полюсу другой молекулы может привести к формированию, например. линейных цепочек из множества диполей воды; такие цепочки могут замыкаться сами на себя, образуя кольцо.

Экспериментально установлено, что, действительно. даже в жидком состоянии вода явно структурирована. Расчеты показали, однако, что сила межмолекулярного притяжения в таких структурах значительно больше (соответственно. межмолекулярные расстояния меньше), чем это можно объяснить только притяжением противоположных зарядов разных диполей. Как оказалось, значительная поляризация ковалентной связи между водородом и кислородом в молекуле воды приводит к тому, что появившийся вблизи атом кислорода другой молекулы начинает притязать на «чужой» для него водород. Реализации притязаний благоприятствуют малые размеры атома водорода, которые позволяют ему сблизиться с кислородом другой молекулы воды, «подтянуться» к нему. Такого рода притяжение обозначается термином водородная связь. Она во много раз слабее простой ковалентной связи и обозначается обычно пунктирной линией.

В жидком состоянии на каждую молекулу воды приходится обычно от 3 до 4 (в среднем около 3,4) соседних молекул, связанных с нею водородными связями. Если диполь-дипольные взаимодействия легко обеспечивают двумерную структуру (например, замкнутую в кольцо линейную последовательность молекул-дн- полей), то способность молекулы воды образовывать более двух водородных связей со своими соседями создает предпосылки для формирования более сложных структур - трехмерных. В жидкой воде возникают упорядоченные скопления молекул, - так называемые кластеры (рис. 1-2).

Рис. 1-2. Схема кластерного структурирования жидкой воды (модель Франка-Уэно) (затененные пятна - кластеры, остальное - окружающая их свободная вода).

Кластеры находятся в динамическом равновесии с окружающей их свободной (неструктурированной) водой. Средняя продолжительность жизни кластера меньше миллиардной доли секунды (порядка 10'1О-10'п с). Однако молекулы каждого распадающегося кластера сразу же реорганизуются в новые кластеры, взаимодействуя с молекулами свободной воды и других распавшихся кластеров. При этом очень важную роль играет кооперативный характер образования водородных связей: возникновение одного такого межмолекулярного «мостика» способствует появлению второго, третьего и т.д. Таким образом» размеры кластеров весьма непостоянны, а границы - довольно расплывчаты (другое их обозначение - «мерцающие гроздья»). Подсчитано, что каждый кластер содержит в среднем 57 молекул воды. Несмотря на крайнюю нестабильность каждого отдельного кластера, само по себе кластерное структурирование жидкой воды существует постоянно. При этом обычно около 70% всех молекул воды структурировано, и лишь примерно 30% пребывает в составе «свободной» воды. По другим данным, только 15% воды структурировано при 37°С. Очевидно, наличие микропримесей, температура и ряд других факторов могут очень сильно влиять на кластерную организацию жидкой воды.

Схема на рис. 1-2 позволяет убедиться, что в структуру кластеров могут встраиваться только такие молекулы, которые сами поляр- ны. Более того, молекула полярного вещества хорошо взаимодействует и с неструктурированной водой, а нередко способна даже стать центром, вокруг которого формируется структура, подобная кластеру. Только ее уже не называют кластером, а обозначают термином «гидратная оболочка» молекулы полярного вещества.

Понятным становится, почему именно полярные вещества хорошо растворимы в воде, т.е. обладают свойством гидрофильности. Напротив, гидрофобность («неприязнь» к воде, неспособность в ней растворяться) присуща тем органическим молекулам (или фрагментам крупных молекул), которые неполярны. Самый яркий пример этому - углеводороды и их смеси (нефть, бензин, керосин и т.п.). В молекулах таких веществ атомы водорода очень симметрично расположены вокруг атомов углерода, так что центр тяжести всех электронов молекулы совпадает с центром тяжести всех протонов (дипольный момент равен или очень близок нулю). Такие соединения растворяются только в себе подобных (неполярных) растворителях, но не в аоде. Более того, в силу поверхностного натяжения на границе фаз, они стремятся максимально уменьшить поверхность своего соприкосновения с водой. В качестве простой иллюстрации: если в пробирке встряхнуть смесь растительного масла с водой, то образовавшиеся капли масла (имеющие большую площадь соприкосновения с водой) будут довольно быстро сливаться (уменьшается площадь контакта с водной фазой) и в конечном счете смесь расслоится на воду и масло с минимально возможной поверхностью их соприкосновения.

Полярными являются все те молекулы или фрагменты молекул, в которых есть так называемые электроотрицательные атомы. Так обозначают атом, который сильнее, чем его партнер по химической связи, притягивает к себе обобществленные электроны, формирующие эту связь. В аминокислотах (и белках) электроотрицательными являются атомы О, N и, в гораздо меньшей степени, в. Обладая полярностью, аминокислоты (а, следовательно, и белки) гидрофильны, т.е. способны растворяться в воде. Аминокислотам это качество присуще уже хотя бы в силу высокой полярности их стандартного фрагмента молекулы (см. рис.

1), содержащего два атома кислорода и один атом азота. Нередко и в составе радикала И тоже имеются электроотрицательные атомы, которые усиливают гидрофильность молекулы.

Однако есть и такие аминокислоты, у которых радикал Н построен только из атомов углерода и водорода. Это делает молекулу ам- фифильиой, т.е., сочетающей в себе участки с противоположными свойствами: стандартный фрагмент гидрофилен, а ковалентно соединенный с ним радикал Е гидрофобен (растворим в жирах). Такая двойственность физико-химических свойств одной и той же молекулы (её «двуличие») сильно расширяет диапазон возможностей и играет очень важную роль в механизмах её функционирования в живых объектах. Особенно это относится к белкам, в молекуле которых причудливо чередуются гидрофильные фрагменты и гидрофобные радикалы аминокислот.

В сущности, двойственность свойств любого белка (и иных биологических молекул) относится к числу фундаментальных принципов, лежащих в основе явлений жизни.



загрузка...