التفاعلات الكارهة للماء: ما هي وأهميتها والأمثلة - مادة الاحياء - 2025

و التفاعلات مسعور (مرحبا) هي القوى التي تحافظ على التماسك بين المركبات عديم الأقطاب مغمورة في محلول أو المذيبات القطبية. على عكس التفاعلات غير التساهمية الأخرى ، مثل الروابط الهيدروجينية أو التفاعلات الأيونية أو قوى فان دير فال ، لا تعتمد التفاعلات الكارهة للماء على الخصائص الجوهرية للمذابات ، بل على المذيبات.

مثال توضيحي للغاية لهذه التفاعلات يمكن أن يكون فصل الطور الذي يحدث عندما يتعلق الأمر بخلط الماء بالزيت. في هذه الحالة ، "تتفاعل" جزيئات الزيت مع بعضها البعض نتيجة لترتيب جزيئات الماء حولها.

مستحلب الدهون في الماء (كاترين سهرابي ، من ويكيميديا ​​كومنز)

وُجد مفهوم هذه التفاعلات منذ ما قبل الأربعينيات. ومع ذلك ، فقد صاغ Kauzmann مصطلح "رابطة كارهة للماء" في عام 1959 ، أثناء دراسة أهم العوامل في تثبيت البنية ثلاثية الأبعاد لبعض البروتينات.

HIs هي واحدة من أهم التفاعلات غير المحددة التي تحدث في النظم البيولوجية. كما أنها تلعب دورًا مهمًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية والصناعات الكيماوية والصيدلانية التي نعرفها اليوم.

ما هي التفاعلات الكارهة للماء؟

يعتمد السبب المادي لـ IH على عدم قدرة المواد غير القطبية على تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء في محلول.

تُعرف باسم "التفاعلات غير المحددة" نظرًا لأنها لا تتعلق بالألفة بين الجزيئات الذائبة ، ولكنها مرتبطة بميل جزيئات الماء إلى الحفاظ على تفاعلاتها الخاصة من خلال الروابط الهيدروجينية.

عند ملامسة الماء ، تميل الجزيئات القطبية أو الكارهة للماء إلى التجمع تلقائيًا ، من أجل تحقيق أكبر قدر من الاستقرار عن طريق تقليل مساحة سطح التلامس مع الماء.

يمكن أن يخطئ هذا التأثير باعتباره عامل جذب قوي ، ولكنه فقط نتيجة للطابع غير القطبي للمواد فيما يتعلق بالمذيب.

من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، تحدث هذه الارتباطات التلقائية بحثًا عن حالة مواتية بقوة ، حيث يوجد أقل اختلاف في الطاقة الحرة (∆ G).

مع الأخذ في الاعتبار أن ∆ G = ∆ H - T∆ S ، فإن الحالة الأكثر ملاءمة من حيث الطاقة ستكون الحالة التي تكون فيها الانتروبيا (∆ S) أكبر ، أي حيث يوجد عدد أقل من جزيئات الماء التي يتم تقليل حريتها الدورانية والانتقالية عن طريق الاتصال مع مذاب Apolar.

عندما ترتبط الجزيئات القطبية ببعضها البعض ، مرتبطة بجزيئات الماء ، يتم الحصول على حالة أكثر ملاءمة مما لو بقيت هذه الجزيئات منفصلة ، كل منها محاط بـ "قفص" مختلف من جزيئات الماء.

الأهمية البيولوجية

تعتبر HIs وثيقة الصلة بالموضوع لأنها تحدث في مجموعة متنوعة من العمليات البيوكيميائية.

تشمل هذه العمليات التغييرات التوافقية في البروتينات ، وربط الركائز بالإنزيمات ، وترابط الوحدات الفرعية لمجمعات الإنزيمات ، وتجميع وتشكيل الأغشية البيولوجية ، وتثبيت البروتينات في المحاليل المائية ، وغيرها.

من الناحية الكمية ، تولى مؤلفون مختلفون مهمة تحديد أهمية HI في استقرار بنية عدد كبير من البروتينات ، وخلصوا إلى أن هذه التفاعلات تساهم بأكثر من 50٪.

ترتبط العديد من بروتينات الغشاء (المتكاملة والطرفية) بطبقات ثنائية الدهون بفضل HI عندما يكون لهذه البروتينات في هياكلها مجالات كارهة للماء. علاوة على ذلك ، يعتمد استقرار البنية الثلاثية للعديد من البروتينات القابلة للذوبان على HI.

تستغل بعض التقنيات في دراسة بيولوجيا الخلية الخاصية التي تمتلكها بعض المنظفات الأيونية لتكوين مذيلات ، وهي هياكل "نصف كروية" من المركبات البرمائية التي ترتبط مناطقها القطبية ببعضها البعض بفضل HI.

تُستخدم Micelles أيضًا في الدراسات الصيدلانية التي تتضمن توصيل الأدوية التي تذوب في الدهون ، كما أن تكوينها ضروري أيضًا لامتصاص الفيتامينات المعقدة والدهون في جسم الإنسان.

أمثلة على التفاعلات الكارهة للماء

أغشية

مثال ممتاز على HI هو تكوين أغشية الخلايا. وتتكون هذه الهياكل من طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. يرجع تنظيمها إلى HIs التي تحدث بين ذيول القطبية في "التنافر" للوسط المائي المحيط.

بروتين

HIs لها تأثير كبير على طي البروتينات الكروية ، التي يتم الحصول على شكلها النشط بيولوجيًا بعد إنشاء تكوين مكاني معين ، يحكمه وجود بعض بقايا الأحماض الأمينية في الهيكل.

• قضية الأبوميوغلوبين

Apomyoglobin (الميوجلوبين الذي يفتقر إلى مجموعة الهيم) هو بروتين حلزوني ألفا صغير كان بمثابة نموذج لدراسة عملية الطي وأهمية IH بين البقايا القطبية في سلسلة البولي ببتيد الخاصة به.

في دراسة أجراها دايسون وآخرون في عام 2006 حيث تم استخدام متواليات طفرة من الأبوميوغلوبين ، تبين أن بدء أحداث طي الأبوميوغلوبين يعتمد بشكل أساسي على HIs بين الأحماض الأمينية ذات المجموعات القطبية من حلزونات ألفا.

وبالتالي ، فإن التغييرات الصغيرة التي تم إدخالها في تسلسل الأحماض الأمينية تعني تعديلات مهمة في البنية الثلاثية ، مما يؤدي إلى تكوين بروتينات ضعيفة وغير نشطة.

منظفات

مثال واضح آخر على HI هو طريقة عمل المنظفات التجارية التي نستخدمها للأغراض المنزلية كل يوم.

المنظفات عبارة عن جزيئات برمائية (منطقة قطبية ومنطقة قطبية). يمكنهم "استحلاب" الدهون لأن لديهم القدرة على تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء ولديهم تفاعلات كارهة للماء مع الدهون في الدهون.

عند ملامستها للدهون في محلول مائي ، ترتبط جزيئات المنظف مع بعضها البعض بطريقة تجعل ذيول القطبية تواجه بعضها البعض ، وتحيط بها جزيئات الدهون ، وتتعرض المناطق القطبية نحو سطح الميلي الذي يدخل ملامسة الماء.

المراجع

1. تشاندلر ، د. (2005). الواجهات والقوة الدافعة للتجمع الكارهة للماء. الطبيعة، 437 (7059) ، 640-647.
2. Cui، X.، Liu، J.، Xie، L.، Huang، J.، Liu، Q.، Israelachvili، JN، & Zeng، H. (2018). تعديل التفاعل المضاد للماء عن طريق التوسط في التركيب النانوي السطحي والكيمياء ، وليس بشكل رتيب عن طريق كره الماء. Angewandte Chemie - الطبعة الدولية ، 57 (37) ، 11903-11908.
3. دايسون ، جيه إتش ، رايت ، بي ، وشيراغا ، ها (2006). دور التفاعلات الكارهة للماء في بدء وانتشار طي البروتين. PNAS، 103 (35) ، 13057-13061.
4. لوديش ، هـ ، بيرك ، أ ، كايزر ، كاليفورنيا ، كريجر ، إم ، بريتشر ، إيه ، بلويج ، إتش ، آمون ، إيه ، سكوت ، إم ومارتن ، ك. (2003). بيولوجيا الخلية الجزيئية (الطبعة الخامسة). فريمان ، دبليو إتش وشركاه.
5. لوكي ، م. (2008). البيولوجيا التركيبية الغشائية: مع الأسس البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية. صحافة جامعة كامبرج. تم الاسترجاع من www.cambrudge.org/9780521856553
6. Meyer ، EE ، Rosenberg ، KJ ، & Israelachvili ، J. (2006). التقدم الأخير في فهم التفاعلات الكارهة للماء. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 103 (43) ، 15739-15746.
7. نيلسون ، DL ، & Cox ، MM (2009). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية. إصدارات أوميغا (الطبعة الخامسة).
8. Némethy ، G. (1967). أنجواندت كيمي. علم كثافة العمليات ، 6 (3) ، 195-280.
9. أوتو ، س. ، وإنجبرتس ، JBFN (2003). التفاعلات الكارهة للماء والتفاعل الكيميائي. الكيمياء العضوية والجزيئية الحيوية ، 1 (16) ، 2809-2820.
10. Pace، CN، Fu، H.، Fryar، KL، Landua، J.، Trevino، SR، Shirley، BA، Hendricks، M.، Iimura، S.، Gajiwala، K.، Scholtz، J. & Grimsley، GR (2011). مساهمة التفاعلات الكارهة للماء في استقرار البروتين. مجلة البيولوجيا الجزيئية ، 408 (3) ، 514-528.
11. سيلفرشتاين ، تي بي (1998). السبب الحقيقي لعدم اختلاط الزيت والماء. مجلة التربية الكيميائية ، 75 (1) ، 116-118.