АМФІПАТИЧНІ МОЛЕКУЛИ: БУДОВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

У амфіпатіческіх або амфіфільних молекулах є ті , які можуть відчувати спорідненість або відштовхування в той же час для даного розчинника. Розчинники хімічно класифікуються як полярні або аполярні; гідрофільні або гідрофобні. Таким чином, ці типи молекул можуть «любити» воду, так як вони також можуть її «ненавидіти».

Згідно з попереднім визначенням, це можливо лише одним способом: ці молекули повинні мати полярні та аполярні області в межах своїх структур; Або вони більш-менш однорідно розподілені (як, наприклад, білки), або гетерогенно локалізовані (у випадку ПАР)

Бульбашки - фізичне явище, спричинене зниженням поверхневого натягу поверхні повітря-рідина внаслідок дії поверхнево-активної речовини, яка є амфіфільною сполукою. Джерело: Пікселі.

Поверхнево-активні речовини, які також називаються миючими засобами, мабуть, найвідоміші амфіпатичні молекули з усіх незапам’ятних часів. З тих пір, як людину зачарували дивні фізіономії міхура, стурбовані підготовкою мила та миючих засобів, він знову і знову стикався з явищем поверхневого натягу.

Спостереження за міхуром - це те саме, що спостерігати за «пасткою», стінки якої, утворені вирівнюванням амфіпатичних молекул, утримують газоподібний вміст повітря. Їх сферичні форми найбільш математично та геометрично стійкі, оскільки вони мінімізують поверхневий натяг поверхні повітря-вода.

З цього приводу обговорювались ще дві характеристики амфіпатичних молекул: вони мають тенденцію до асоціації або самозбірки, а деякі менші поверхневі напруги в рідинах (ті, що можуть це зробити, називаються поверхнево-активними речовинами).

Внаслідок високої тенденції до асоціації ці молекули відкривають поле морфологічного (і навіть архітектурного) дослідження своїх наноагрегатів та надмолекул, що їх складають; з метою розробки сполук, які можуть бути функціоналізовані та взаємодіяти незмірно з клітинами та їх біохімічними матрицями.

Будова

Загальна структура амфіпатичної молекули. Джерело: Габріель Болівар.

Кажуть, що амфіфільні або амфіпатичні молекули мають полярну область і аполярну область. Аполярна область зазвичай складається з насиченого або ненасиченого вуглецевого ланцюга (з подвійними або потрійними зв’язками), який представлений у вигляді "неполярного хвоста"; супроводжується «полярною головою», в якій мешкає найбільше електронегативних атомів.

Верхня загальна структура ілюструє коментарі в попередньому пункті. Полярна головка (фіолетова сфера) може бути функціональними групами або ароматичними кільцями, які мають постійні дипольні моменти, а також здатні утворювати водневі зв’язки. Тому тут має бути найвищий вміст кисню та азоту.

У цій полярній голові також можуть бути іонні, негативні або позитивні заряди (або обидва одночасно). Ця область є тією, яка демонструє високу спорідненість до води та інших полярних розчинників.

З іншого боку, аполярний хвіст, враховуючи свої переважаючі зв'язки СН, взаємодіє через сили розсіювання Лондона. Цей регіон відповідає за те, що амфіпатичні молекули також виявляють спорідненість до жирів та аполярних молекул у повітрі (N ₂ , CO ₂ , Ar тощо).

У деяких текстах з хімії модель верхньої структури порівнюється з формою льодяника.

Міжмолекулярні взаємодії

Коли амфіпатна молекула вступає в контакт з полярним розчинником, скажімо, водою, його області надають різний вплив на молекули розчинника.

Для початку молекули води прагнуть сольвати або гідратацію полярної голови, тримаючись подалі від аполярного хвоста. У цьому процесі створюється молекулярний розлад.

Тим часом молекули води навколо аполярного хвоста, як правило, розташовуються так, ніби вони являють собою маленькі кристали, що дозволяє їм мінімізувати відштовхування. У цьому процесі створюється молекулярний порядок.

Між розладами і порядками настане момент, коли амфіпатична молекула буде прагнути взаємодіяти з іншою, що призведе до набагато більш стабільного процесу.

Різне

До обох будуть звертатися через їхні неполярні хвости або полярні голови таким чином, що спочатку взаємодіють споріднені регіони. Це те саме, що уявити, що два "фіолетові льодяники" у верхньому зображенні підходять, переплітаючи свої чорні хвостики або з'єднуючи їх дві фіолетові голови.

І так починається цікаве явище асоціації, в якому декілька цих молекул послідовно з'єднуються. Вони пов'язані не довільно, а відповідно до ряду структурних параметрів, які в кінцевому підсумку виокремлюють аполярні хвости у своєрідне «неполярне ядро», оголюючи полярні головки як полярну оболонку.

Тоді кажуть, що народилася сферична міцела. Однак під час утворення міцелу відбувається попередня стадія, що складається з того, що відоме як ліпідний двошаровий. Ці та інші - це деякі з багатьох макроструктур, які можуть перейняти амфіфільні молекули.

Характеристика амфіпатичних молекул

Асоціація

Сферична річ, утворена амфіпатичними молекулами. Джерело: Габріель Болівар.

Якщо аполярні хвости сприймати як чорні одиниці, а полярні голівки - як фіолетові одиниці, буде зрозуміло, чому на верхньому зображенні кора міцели фіолетовий, а ядро ​​- чорне. Ядро є неполярним, і його взаємодія з молекулами води або розчинника є нульовою.

Якщо, з іншого боку, розчинник або середовище є неполярними, саме полярні головки зазнають відштовхування, і, отже, вони будуть розташовані в центрі раковини; тобто перевернуте (А, нижнє зображення).

Різні типи різних структур або морфологій. Джерело: Габріель Болівар.

Спостерігається, що перевернутий мішкан має чорну неполярну оболонку та пурпурне полярне ядро. Але перед тим, як утворюються ракети, амфіфільні молекули виявляються індивідуально, змінюючи порядок молекул розчинника. При підвищеній концентрації вони починають зв'язуватися в одно- або двошарову структуру (В).

З B пластинки починають криволінійно утворювати D, везикулу. Інша можливість, залежно від форми аполярного хвоста по відношенню до його полярної головки, полягає в тому, що вони асоціюються, щоб породжувати циліндричну раковину (С).

Наноагрегати і надмолекули

Тому існує п'ять основних структур, які виявляють фундаментальну характеристику цих молекул: їх високу схильність до асоціації та самозбірки в супрамолекули, які агрегуються, утворюючи наноагрегати.

Таким чином, амфіфільні молекули знаходять не поодинці, а в асоціації.

Фізичні

Амфіпатичні молекули можуть бути нейтральними або іонно зарядженими. Ті, хто має негативні заряди, мають атом кисню з негативним формальним зарядом у своїй полярній голові. Деякі з цих атомів кисню походять з функціональних груп, таких як -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- або -PO ₄ ^- .

Щодо позитивних зарядів, вони, як правило, походять з амінів, RNH ₃ ⁺ .

Наявність або відсутність цих зарядів не змінює факту, що ці молекули зазвичай утворюють кристалічні тверді речовини; або, якщо вони відносно легкі, їх можна знайти у вигляді олії.

Приклади

Деякі приклади амфіпатичних або амфіфільних молекул будуть згадані нижче:

-Фофоліпіди: фосфатидилетаноламін, сфінгомієлін, фосфатидилсерин, фосфатидилхолін.

-Холестерин.

-Глюколіпіди.

-Натрий лаурилсульфат.

-Протеїни (вони амфіфільні, але не поверхнево-активні речовини).

-Фенольні жири: карданол, кардоли та анакардіальні кислоти.

-Бетилметиметиламмоній бромід.

-Жисті кислоти: пальмітинова, лінолева, олеїнова, лауринова, стеаринова.

-Дігові ланцюгові спирти: 1-додеканол та інші.

-Амфіфільні полімери: такі як етоксильовані фенольні смоли.

Програми

Клітинні мембрани

Одним з найважливіших наслідків здатності цих молекул до асоціації є те, що вони будують своєрідну стінку: ліпідний двошаровий (В).

Цей двошаровий поширюється на захист та регулювання входу та виходу сполук у клітини. Він динамічний, оскільки його аполярні хвости обертаються, допомагаючи амфіпатним молекулам рухатися.

Так само, коли ця мембрана кріпиться до двох кінців, щоб мати її вертикально, вона використовується для вимірювання її проникності; і з цим отримують цінні дані для конструювання біологічних матеріалів і синтетичних мембран при синтезі нових амфіпатичних молекул з різними структурними параметрами.

Дисперсанти

У нафтовій промисловості ці молекули та синтезовані з них полімери використовуються для диспергування асфальтенів. Основна увага цієї програми спирається на гіпотезу, що асфальтени складаються з колоїдного твердого тіла, що має високу схильність до флокуляції та осаду як коричнево-чорного твердого речовини, що спричиняє серйозні економічні проблеми.

Амфіпатичні молекули допомагають тримати час диспергування асфальтенів на тлі фізико-хімічних змін олії.

Емульгатори

Ці молекули допомагають двом рідинам змішуватися, що не було б змішуваним у звичайних умовах. Наприклад, у морозиві вони допомагають воді та повітрю утворювати частину одного твердого речовини разом із жиром. Серед найбільш широко використовуваних для цієї мети емульгаторів є ті, що отримуються з харчових жирних кислот.

Миючі засоби

Амфіфільна природа цих молекул використовується для уловлювання жирів або неполярних домішок, щоб потім одночасно змиватися полярним розчинником, таким як вода.

Як на прикладі бульбашок, де потрапляє повітря в пастку, миючі засоби захоплюють жир всередині міцел, які, маючи полярну оболонку, ефективно взаємодіють з водою для видалення бруду.

Антиоксиданти

Полярні головки мають життєво важливе значення, оскільки вони визначають багаторазове використання цих молекул в організмі.

Якщо вони матимуть, наприклад, набір ароматичних кілець (включаючи похідні фенольного кільця) та полярних, здатних нейтралізувати вільні радикали, тоді будуть амфіфільні антиоксиданти; і якщо їм також не вистачає токсичної дії, то на ринку з’являться нові антиоксиданти.

Список літератури

1. Альбертс Б, Джонсон А, Льюїс Дж. Та ін. (2002). Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Гарленд Наука; Ліпід Білайер. Відновлено з: ncbi.nlm.nih.gov
2. Цзяньхуа Чжан. (2014). Амфіфільні молекули. Спрингер-Верлаг Берлін Гейдельберг, Е. Дролі, Л. Джорно (ред.), Енциклопедія Мембран, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. - сказав Йосип. (2019). Визначення амфіпатичних молекул. Вивчення. Відновлено з: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Біохімія. (2-е видання). Варто видавців, вкл.
5. Mathews, CK, van Holde, KE та Ahern, KG (2002). Біохімія. (3-е видання). Пірсон Аддісон Вешлі.
6. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (31 березня 2019 р.). Що таке ПАР? Відновлено з: thinkco.com
7. Доменіко Ломбардо, Михайло Олександрович Кисельов, "Сальваторе", "П'єтро Каландра" (2015). Самосборка амфіфілів: основні поняття та перспективи майбутнього надмолекулярних підходів. Успіхи фізики конденсованих речовин, т. 2015, стаття ID 151683, 22 сторінки, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). Нова група синтетичних фенольних містять амфіфільних молекул для багатоцільових застосувань: Фізико-хімічна характеристика та дослідження токсичності клітин. Наукові звіти, том 8, артикул: 832.