AMFIPATICKÉ MOLEKULY: ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2025

Tieto amfipatické alebo amfifilickej molekuly sú tie, ktoré môžu cítiť afinitu alebo odpudzovanie sa súčasne pre danú rozpúšťadlá. Rozpúšťadlá sú chemicky klasifikované ako polárne alebo nepolárne; hydrofilné alebo hydrofóbne. Tieto druhy molekúl tak môžu „milovať“ vodu, pretože ju tiež „nenávidia“.

Podľa predchádzajúcej definície je to možné iba jedným spôsobom: tieto molekuly musia mať vo svojich štruktúrach polárne a nepolárne oblasti; Buď sú viac-menej homogénne distribuované (ako je to napríklad v prípade proteínov) alebo sú heterogénne lokalizované (v prípade povrchovo aktívnych látok)

Bubliny, fyzikálny jav spôsobený znížením povrchového napätia rozhrania vzduch-kvapalina v dôsledku pôsobenia povrchovo aktívnej látky, ktorá je amfifilnou zlúčeninou. Zdroj: Pexels.

Povrchovo aktívne látky, tiež nazývané detergenty, sú pravdepodobne najznámejšími amfipatickými molekulami všetkých čias od nepamäti. Odvtedy, čo bol človek podmanený podivnou fyziognómiou bubliny, starajúcou sa o prípravu mydiel a čistiacich prostriedkov, stretával sa s povrchovým napätím znova a znova.

Pozorovanie bubliny je rovnaké ako pozorovanie „pasce“, ktorej steny tvorené zarovnaním amfipatických molekúl zadržujú plynný obsah vzduchu. Jeho guľové tvary sú najviac matematicky a geometricky stabilné, pretože minimalizujú povrchové napätie rozhrania vzduch-voda.

To znamená, že sa diskutovalo o dvoch ďalších vlastnostiach amfipatických molekúl: majú tendenciu združovať sa alebo sa zostavovať a niektoré nižšie povrchové napätia v tekutinách (tie, ktoré to môžu robiť, sa nazývajú povrchovo aktívne látky).

V dôsledku vysokej tendencie združovať sa tieto molekuly otvárajú morfologické (a dokonca aj architektonické) štúdium svojich nanoagregátov a supramolekúl, ktoré ich tvoria; s cieľom navrhnúť zlúčeniny, ktoré môžu byť funkcionalizované a nezmerateľne interagovať s bunkami a ich biochemickými matricami.

štruktúra

Všeobecná štruktúra amfipatickej molekuly. Zdroj: Gabriel Bolívar.

O amfifilných alebo amfipatických molekulách sa uvádza, že majú polárnu oblasť a nepolárnu oblasť. Nepolárna oblasť obvykle pozostáva z nasýteného alebo nenasýteného uhlíkového reťazca (s dvojitou alebo trojitou väzbou), ktorý je predstavovaný ako „nepolárny koniec“; sprevádzané „polárnou hlavou“, v ktorej sú umiestnené najviac elektregatívne atómy.

Horná všeobecná štruktúra ilustruje pripomienky v predchádzajúcom odseku. Polárnou hlavou (fialová guľa) môžu byť funkčné skupiny alebo aromatické kruhy, ktoré majú trvalé dipólové momenty a sú tiež schopné tvoriť vodíkové väzby. Preto sa tam musí nachádzať najvyšší obsah kyslíka a dusíka.

V tejto polárnej hlave môžu byť tiež iónové, negatívne alebo pozitívne náboje (alebo oboje súčasne). Táto oblasť je oblasťou, ktorá vykazuje vysokú afinitu k vode a iným polárnym rozpúšťadlám.

Na druhej strane, nepolárny chvost, vzhľadom na jeho prevažujúce CH väzby, interaguje cez Londýnske rozptylové sily. Táto oblasť je zodpovedná za to, že amfipatické molekuly tiež vykazujú afinitu pre tuky a nepolárnych molekúl vo vzduchu (N ₂ , CO ₂ , Ar, atď).

V niektorých textoch chémie je model hornej štruktúry porovnávaný s tvarom lízatka.

Medzimolekulové interakcie

Keď amfipatická molekula príde do kontaktu s polárnym rozpúšťadlom, povedzme vodou, jeho regióny majú rôzne účinky na molekuly rozpúšťadla.

Na začiatku sa molekuly vody snažia solvatovať alebo hydratovať polárnu hlavu a držať sa ďalej od nepolárneho chvosta. V tomto procese sa vytvára molekulárna porucha.

Medzitým molekuly vody okolo nepolárneho chvosta majú tendenciu usporiadať sa, akoby to boli malé kryštály, čo im umožňuje minimalizovať odpor. V tomto procese sa vytvorí molekulárny poriadok.

Medzi poruchami a rádmi príde bod, v ktorom sa amfipatická molekula bude snažiť interagovať s ďalšou, čo bude mať za následok oveľa stabilnejší proces.

Miscellas

K obom sa bude pristupovať prostredníctvom ich nepolárnych chvostov alebo polárnych hláv takým spôsobom, že príbuzné regióny vzájomne interagujú ako prvé. To je to isté, ako si predstaviť, že sa dva „fialové lízanky“ v hornom obrázku priblížia, spájajú ich čierne chvosty alebo spájajú svoje dve fialové hlavy.

A tak začína zaujímavý fenomén asociácie, v ktorom je niekoľko z týchto molekúl postupne spojených. Nie sú spojené ľubovoľne, ale podľa série štruktúrnych parametrov, ktoré nakoniec izolujú nepolárne chvosty v akomsi „nepolárnom jadre“, zatiaľ čo polárne hlavy sú exponované ako polárne puzdro.

Hovorí sa, že sa zrodila sférická miscela. Avšak počas tvorby miscelau je prípravná fáza pozostávajúca z tzv. Lipidovej dvojvrstvy. Tieto a ďalšie sú niektoré z mnohých makroštruktúr, ktoré môžu amfifilné molekuly prijať.

Charakteristika amfipatických molekúl

združenie

Sférická miscellany tvorená amfipatickými molekulami. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Ak sú nepolárne chvosty brané ako čierne jednotky a polárne hlavy ako fialové jednotky, je zrejmé, že na hornom obrázku je kôra miscela fialová a jej jadro je čierne. Jadro je nepolárne a jeho interakcie s vodou alebo s molekulami rozpúšťadla sú nulové.

Ak je na druhej strane rozpúšťadlo alebo médium nepolárne, odrazenie bude postihnuté polárnymi hlavami, a preto budú umiestnené v strede miscelly; to znamená, že je obrátený (A, dolný obrázok).

Rôzne typy miscelulárnych štruktúr alebo morfológií. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Invertovaný miscelain má čierny nepolárny obal a fialové polárne jadro. Ale skôr, ako sa vytvoria miscelázy, sa zistí, že amfifilné molekuly jednotlivo menia poradie molekúl rozpúšťadla. So zvýšenou koncentráciou sa začnú spájať v jedno- alebo dvojvrstvovej štruktúre (B).

Z B začnú krivky tvoriť D, vezikulu. Ďalšou možnosťou v závislosti od tvaru nepolárneho chvosta vzhľadom na jeho polárnu hlavu je to, že sa spájajú a vytvárajú valcovú miscellu (C).

Nanoagregáty a supramolekuly

Preto existuje päť hlavných štruktúr, ktoré odhaľujú základnú charakteristiku týchto molekúl: ich vysoká tendencia združovať sa a samoskupiť sa do supramolekúl, ktoré sa agregujú a vytvárajú nanoagregáty.

Amfifilné molekuly sa teda nenachádzajú samostatne, ale v spojení.

fyzický

Amfipatické molekuly môžu byť neutrálne alebo iónové. Tí, ktorí majú záporné náboje, majú vo svojej polárnej hlave atóm kyslíka s negatívnym formálnym nábojom. Niektoré z týchto atómov kyslíka pochádzajú z funkčných skupín, ako je -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- alebo -po ₄ ^- .

Pokiaľ ide o kladné náboje, zvyčajne pochádzajú z amínov, RNH ₃ ⁺ .

Prítomnosť alebo neprítomnosť týchto nábojov nemení skutočnosť, že tieto molekuly všeobecne tvoria kryštalické pevné látky; alebo ak sú relatívne ľahké, nachádzajú sa ako oleje.

Príklady

Niektoré príklady amfipatických alebo amfifilných molekúl budú uvedené nižšie:

-Folipidy: fosfatidyletanolamín, sfingomyelín, fosfatidylserín, fosfatidylcholín.

Cholesterol.

-Glucolipids.

Laurylsulfát sodný.

-Proteíny (sú amfifilné, ale nie povrchovo aktívne látky).

- Fenolové tuky: kardanol, kardoly a kyseliny anakardiálne.

-Cetyltrimetylamóniumbromid.

- Mastné kyseliny: palmitová, linolová, olejová, laurová, stearová.

- Alkoholy s dlhým reťazcom: 1-dodekanol a iné.

-Ahiphipické polyméry: ako sú etoxylované fenolové živice.

aplikácia

Bunkové membrány

Jedným z najdôležitejších dôsledkov schopnosti týchto molekúl asociovať je, že vytvárajú druh steny: lipidovú dvojvrstvu (B).

Táto dvojvrstva sa rozširuje na ochranu a reguláciu vstupu a výstupu zlúčenín do buniek. Je dynamický, pretože jeho nepolárne chvosty sa otáčajú, čo pomáha amfipatickým molekulám v pohybe.

Podobne, keď je táto membrána pripevnená k dvom koncom, používa sa na meranie vertikálnej priepustnosti; a tým sa získajú cenné údaje pre návrh biologických materiálov a syntetických membrán zo syntézy nových amfipatických molekúl s rôznymi štruktúrnymi parametrami.

dispergujúce

V ropnom priemysle sa tieto molekuly a z nich syntetizované polyméry používajú na dispergovanie asfalténov. Táto prihláška sa zameriava na hypotézu, že asfaltény pozostávajú z koloidnej pevnej látky s vysokou tendenciou flokulácie a sedimentovania ako hnedo-čiernej pevnej látky, ktorá spôsobuje vážne ekonomické problémy.

Amfipatické molekuly pomáhajú udržiavať dispergované asfaltény dlhšie počas fyzikálno-chemických zmien v oleji.

emulgátory

Tieto molekuly pomáhajú zmiešať dve tekutiny, ktoré by za bežných podmienok neboli miešateľné. Napríklad v zmrzlinách pomáhajú vode a vzduchu tvoriť súčasť tej istej pevnej látky spolu s tukom. Medzi najpoužívanejšie emulgátory na tento účel patria tie, ktoré sú odvodené od jedlých mastných kyselín.

detergenty

Amfifilná povaha týchto molekúl sa používa na zachytávanie tukov alebo nepolárnych nečistôt, ktoré sa potom súčasne vymývajú polárnym rozpúšťadlom, napríklad vodou.

Rovnako ako v prípade bublín, kde sa zachytil vzduch, detergenty zachytávajú tuk vo svojich micelách, ktoré majú polárne puzdro, účinne interagujú s vodou, aby odstránili nečistoty.

antioxidanty

Polárne hlavy sú životne dôležité, pretože definujú viacnásobné použitia, ktoré tieto molekuly môžu mať v tele.

Ak majú napríklad skupinu aromatických kruhov (vrátane derivátov fenolového kruhu) a polárnych kruhov schopných neutralizovať voľné radikály, potom budú existovať amfifilné antioxidanty; a ak tiež nemajú toxické účinky, budú na trhu dostupné nové antioxidanty.

Referencie

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, a kol. (2002). Molekulárna biológia bunky. 4. vydanie. New York: Garland Science; Lipidová dvojvrstva. Získané z: ncbi.nlm.nih.gov
2. Jianhua Zhang. (2014). Amfifilné molekuly. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (eds.), Encyclopedia of Membranes, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. Povedal Jozef. (2019). Definícia amfipatických molekúl. Štúdia. Obnovené z: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Biochémie. (2. vydanie). Worth Publishers, inc.
5. Mathews, CK, van Holde, KE a Ahern, KG (2002). Biochémie. (3. vydanie). Pearson Addison Weshley.
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31. marca 2019). Čo je povrchovo aktívna látka? Získané z: thinkco.com
7. Domenico Lombardo, Michail A. Kiselev, Salvatore Magazù a Pietro Calandra (2015). Vlastné zhromažďovanie amfifilov: základné koncepcie a perspektívy supramolekulárnych prístupov. Advances in Condensed Matter Physics, zv. 2015, ID článku 151683, 22 strán, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). Nová skupina syntetických amfifilických molekúl obsahujúcich fenolové látky pre viacúčelové aplikácie: Fyzikálno-chemická charakterizácia a štúdia bunkovej toxicity. Vedecké správy, zväzok 8, číslo článku: 832.