АМФИПАТНИ МОЛЕКУЛИ: СТРУКТУРА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На амфипатични или амфифилни молекули са тези, които могат да се чувстват афинитет или отблъскване за същото време за даден разтворител. Разтворителите са химически класифицирани като полярни или аполарни; хидрофилни или хидрофобни. Така тези видове молекули могат да "обичат" водата, тъй като те също могат да я "мразят".

Според предишното определение има само един начин това да е възможно: тези молекули трябва да имат полярни и аполарни области в своите структури; дали са разпределени повече или по-малко хомогенно (както е например с протеините), или са хетерогенно локализирани (в случай на ПАВ)

Мехурчета, физическо явление, причинено от намаляването на повърхностното напрежение на интерфейса въздух-течност поради действието на повърхностно активно вещество, което е амфифилно съединение. Източник: Pexels

Повърхностноактивните вещества, наричани още детергенти, са може би най-известните амфипатични молекули от всички незапомнени времена. Откакто човек беше пленен от странната физиономия на балон, загрижен за приготвянето на сапуни и почистващи препарати, той отново и отново се натъква на феномена на повърхностно напрежение.

Наблюдаването на балон е същото като свидетел на „капан“, чиито стени, образувани от подравняването на амфипатните молекули, задържат газообразното съдържание на въздуха. Техните сферични форми са най-математически и геометрично стабилни, тъй като намаляват до минимум повърхностното напрежение на интерфейса въздух-вода.

Освен това бяха обсъдени още две характеристики на амфипатните молекули: те са склонни да се свързват или да се самосглобяват, а някои по-ниско повърхностно напрежение в течностите (тези, които могат да направят това, се наричат ​​повърхностно активни вещества).

В резултат на високата тенденция за асоцииране тези молекули отварят поле за морфологично (и дори архитектурно) изследване на техните наноагрегати и надмолекулите, които ги съставят; с цел създаване на съединения, които могат да бъдат функционализирани и взаимодействат по неизмерими начини с клетките и техните биохимични матрици.

структура

Обща структура на амфипатна молекула. Източник: Габриел Боливар.

За амфифилните или амфипатните молекули се казва, че имат полярна област и аполарна област. Аполарната област обикновено се състои от наситена или ненаситена въглеродна верига (с двойни или тройни връзки), която е представена като "аполарна опашка"; придружен от "полярна глава", в която пребивават най-много електроотрицателни атоми.

Горната обща структура илюстрира коментарите в предходния параграф. Полярната глава (лилава сфера) може да бъде функционални групи или ароматни пръстени, които имат постоянни диполни моменти, а също така са способни да образуват водородни връзки. Следователно там трябва да се намира най-високото съдържание на кислород и азот.

В тази полярна глава може да има и йонни, отрицателни или положителни заряди (или и двете едновременно). Този регион е този, който показва висок афинитет към вода и други полярни разтворители.

От друга страна, аполарната опашка, имайки предвид преобладаващите си връзки на СН, взаимодейства чрез силите на разсейване в Лондон. Този регион е отговорен за това, че амфипатични молекули показват афинитет към мазнини и неполярни молекули във въздуха (N ₂, CO ₂, Аг, и т.н.).

В някои химически текстове моделът за горната структура се сравнява с формата на близалка.

Междумолекулни взаимодействия

Когато амфипатната молекула влиза в контакт с полярния разтворител, например с вода, нейните региони оказват различни ефекти върху молекулите на разтворителя.

Като начало водните молекули се стремят да солватират или хидратират полярната глава, като стоят далеч от аполарната опашка. В този процес се създава молекулярно разстройство.

Междувременно водните молекули около аполарната опашка са склонни да се подреждат така, сякаш са малки кристали, като по този начин им позволяват да минимизират отблъскванията. В този процес се създава молекулен ред.

Между разстройствата и заповедите ще настъпи момент, в който амфипатната молекула ще се стреми да взаимодейства с друг, което ще доведе до много по-стабилен процес.

Miscellas

И двамата ще бъдат приближени чрез аполарните си опашки или полярни глави по такъв начин, че най-напред взаимодействат свързани региони. Това е същото като да си представите, че два "лилави близалки" в горния образ приближават, преплитайки черните си опашки или съединявайки двете си лилави глави.

И така започва интересен феномен на асоциация, при който няколко от тези молекули се присъединяват последователно. Те не са свързани произволно, но според поредица от структурни параметри, които в крайна сметка изолират аполарните опашки във вид „аполярно ядро“, докато излагат полярните глави като полярна обвивка.

Тогава се казва, че се е родила сферична мицела. Въпреки това, по време на образуването на мисцелата има предварителен етап, състоящ се от това, което е известно като липиден двуслоен. Тези и други са някои от многото макроструктури, които амфифилните молекули могат да възприемат.

Характеристики на амфипатните молекули

сдружаване

Сферично разни форми, образувани от амфипатични молекули. Източник: Габриел Боливар.

Ако аполарните опашки се вземат като черни единици, а полярните глави като лилави единици, ще се разбере защо в горното изображение кората на мисцелата е лилава, а ядрото й е черно. Ядрото е аполарно и взаимодействията му с молекулите вода или разтворител са нулеви.

Ако, от друга страна, разтворителят или средата са аполярни, полярните глави ще претърпят отблъскването и следователно те ще бъдат разположени в центъра на мискулата; тоест той е обърнат (A, долно изображение).

Различни видове различни структури или морфологии. Източник: Габриел Боливар.

Наблюдава се, че обърнатият гребен има черна аполарна обвивка и лилаво полярно ядро. Но преди да се образуват мисцелите, се откриват амфифилни молекули поотделно, променящи реда на молекулите на разтворителя. С повишена концентрация те започват да се свързват в едно или двуслойна структура (В).

От B ламините започват да се извиват и образуват D, везикул. Друга възможност, в зависимост от формата на аполарната опашка по отношение на полярната й глава, е, че те се свързват, за да създадат цилиндрична миска (С).

Наноагрегати и супрамолекули

Следователно, има пет основни структури, които разкриват основна характеристика на тези молекули: тяхната висока склонност към асоцииране и самосглобяване в супрамолекули, които се агрегират и образуват наноагрегати.

По този начин амфифилните молекули не се намират сами, а в асоциация.

физически

Амфипатните молекули могат да бъдат неутрални или йонно заредени. Тези, които имат отрицателни заряди, имат кислороден атом с отрицателен формален заряд в полярната си глава. Някои от тези кислородни атома са от функционални групи, като например -СОО ^-, -SO ₄ ^-, -SO ₃ ^- или -РО ₄ ^-.

По отношение на положителните заряди, те обикновено произлизат от амини, RNH ₃ ⁺.

Наличието или отсъствието на тези заряди не променя факта, че тези молекули обикновено образуват кристални твърди частици; или, ако са сравнително леки, те се намират като масла.

Примери

Някои примери на амфипатни или амфифилни молекули ще бъдат споменати по-долу:

-Фофолипиди: фосфатидилетаноламин, сфингомиелин, фосфатидилсерин, фосфатидилхолин.

Холестерол.

-Glucolipids.

-Натриев лаурил сулфат.

-Протеини (те са амфифилни, но не са повърхностно активни вещества).

-Фенолни мазнини: карданол, кардоли и анакардиални киселини.

-Цетилтриметиламониев бромид.

-Мастни киселини: палмитинова, линолова, олеинова, лауринова, стеаринова.

-Дълговерижни алкохоли: 1-додеканол и други.

-Амфифилни полимери: като етоксилирани фенолни смоли.

Приложения

Клетъчни мембрани

Едно от най-важните последици от способността на тези молекули да се асоциират е, че те изграждат един вид стена: липидният двуслоен (В).

Този двуслоен се разширява, за да защити и регулира влизането и излизането на съединенията в клетките. Той е динамичен, тъй като неговите аполарни опашки се въртят, помагайки на амфипатните молекули да се движат.

По същия начин, когато тази мембрана е прикрепена към два края, за да я има вертикално, тя се използва за измерване на нейната пропускливост; и с това се получават ценни данни за проектирането на биологични материали и синтетични мембрани от синтеза на нови амфипатни молекули с различни структурни параметри.

Дисперзантите

В петролната индустрия тези молекули и синтезираните от тях полимери се използват за диспергиране на асфалтените. Фокусът на това приложение се основава на хипотезата, че асфалтените се състоят от колоидно твърдо вещество, с висока склонност към флокулация и утаяване като кафеникаво-черно твърдо вещество, което причинява сериозни икономически проблеми.

Амфипатните молекули помагат за по-дълго време диспергирането на асфалтените на фона на физикохимичните промени в маслото.

Емулгатори

Тези молекули помагат на две течности да се смесват, което не би било смесимо при обикновени условия. Например в сладоледите те помагат на водата и въздуха да образуват част от едно и също вещество заедно с мазнини. Сред най-използваните за тази цел емулгатори са тези, получени от ядливи мастни киселини.

Почистващи препарати

Амфифилната природа на тези молекули се използва за улавяне на мазнини или неполярни примеси, след което едновременно се измива от полярния разтворител, като вода.

Подобно на примера с мехурчета, където въздухът е бил в капан, детергентите улавят мазнините в мицелите си, които, като имат полярна обвивка, ефективно взаимодействат с водата, за да премахнат мръсотията.

Антиоксидантите

Полярните глави са от жизненоважно значение, тъй като те определят множеството употреби, които тези молекули могат да имат в тялото.

Ако те притежават например набор от ароматни пръстени (включително производни на фенолен пръстен) и полярни, способни да неутрализират свободните радикали, тогава ще има амфифилни антиоксиданти; и ако те също нямат токсични ефекти, тогава на пазара ще има нови антиоксиданти.

Препратки

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002 г.). Молекулярна биология на клетката. 4-то издание. Ню Йорк: Garland Science; Липидът Билайер. Възстановени от: ncbi.nlm.nih.gov
2. Джанхуа Джан. (2014). Амфифилни молекули. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (ред.), Енциклопедия на мембраните, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. - каза Йосиф. (2019). Определение на амфипатични молекули. Изследване. Възстановено от: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Биохимия. (2-ро издание). Worth Publishers, вкл.
5. Mathews, CK, van Holde, KE и Ahern, KG (2002). Биохимия. (3-то издание). Пиърсън Аддисън Уешли.
6. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (31 март 2019 г.). Какво е ПАВ? Възстановено от: thinkco.com
7. Доменико Ломбардо, Михаил А. Киселев, Салваторе списание и Пиетро Каландра (2015). Самосглобяване на амфифилите: основни понятия и бъдещи перспективи на супрамолекулярните подходи. Напредък във физиката на кондензираните вещества, кн. 2015, ID на член 151683, 22 страници, 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 синтетични фенолни съдържащи амфифилни молекули за многофункционални приложения: Физико-химична характеристика и изследване на клетъчна токсичност. Научни доклади том 8, Артикулен номер: 832.