Гидрофобный эффект — наблюдаемая тенденция неполярных веществ агрегировать в водном растворе и исключать молекулы воды . [1] [2] Слово «гидрофобный» буквально означает «водобоязненный» и описывает разделение воды и неполярных веществ, которое максимизирует водородные связи между молекулами воды и минимизирует площадь контакта между водой и неполярными молекулами. С точки зрения термодинамики гидрофобный эффект представляет собой изменение свободной энергии воды, окружающей растворенное вещество. [3] Положительное изменение свободной энергии окружающего растворителя указывает на гидрофобность, тогда как отрицательное изменение свободной энергии указывает на гидрофильность.
Гидрофобный эффект отвечает за разделение смеси масла и воды на два компонента. Он также отвечает за эффекты, связанные с биологией, в том числе: образование клеточной мембраны и пузырьков, сворачивание белков , встраивание мембранных белков в неполярное липидное окружение и ассоциации белков с малыми молекулами . Следовательно, гидрофобный эффект необходим для жизни. [4] [5] [6] [7] Вещества, для которых наблюдается этот эффект, известны как гидрофобы .
Амфифилы представляют собой молекулы, которые имеют как гидрофобные, так и гидрофильные домены. Моющие средства состоят из амфифилов, которые позволяют растворять гидрофобные молекулы в воде, образуя мицеллы и бислои (как в мыльных пузырях ). Они также важны для клеточных мембран , состоящих из амфифильных фосфолипидов , которые предотвращают смешивание внутренней водной среды клетки с внешней водой.
В случае сворачивания белка гидрофобный эффект важен для понимания структуры белков, которые имеют гидрофобные аминокислоты (такие как глицин , аланин , валин , лейцин , изолейцин , фенилаланин , триптофан и метионин ), сгруппированные вместе в белке. Структуры водорастворимых белков имеют гидрофобное ядро, в котором боковые цепи зарыты от воды, что стабилизирует свернутое состояние. Заряженный и полярныйбоковые цепи расположены на поверхности, подверженной воздействию растворителя, где они взаимодействуют с окружающими молекулами воды. Минимизация количества гидрофобных боковых цепей, подвергающихся воздействию воды, является основной движущей силой процесса сворачивания, [8] [9] [10] , хотя образование водородных связей внутри белка также стабилизирует структуру белка. [11] [12]
Было установлено, что энергетика сборки третичной структуры ДНК обусловлена гидрофобным эффектом, в дополнение к спариванию оснований Уотсона-Крика , которое отвечает за селективность последовательности, и стэкинг-взаимодействия между ароматическими основаниями. [13] [14]
В биохимии гидрофобный эффект можно использовать для разделения смесей белков на основе их гидрофобности. Колоночная хроматография с гидрофобной стационарной фазой, такой как фенил - сефароза , заставит более гидрофобные белки перемещаться медленнее, в то время как менее гидрофобные элюируются из колонки быстрее. Для лучшего разделения можно добавить соль (более высокие концентрации соли усиливают гидрофобный эффект) и уменьшить ее концентрацию по мере продвижения разделения. [15]