Введение в физику белка (стр. 11 )

  Итак, приведенные на Рис.5-1 цифры говорят, что по энергии молекулы (СН2)6 притягиваются к воде так же сильно  —  т. е. с той же энергией DH =  —8ккал/моль  —  как жидкому циклогексану,  —  но в воду они ни за что не хотят лезть (а в жидкий циклогексан  —  с большим удовольствием). И виной этой гидро_фобии, как показывает Рис.5-1  —  энтропия: уж очень она падает, когда молекула (СН2)6 погружается в воду...

  Почему же неполярные молекулы, скажем, СН4 или (СН2)6 убегают из воды? Видимо, дело в том, что молекулы Н2О умеют завязывать водородные связи, а неполярные Н2 или Ar, СН4 или (СН2)6  —  нет. Это подтверждается и тем, что этиловый спирт, СН3СН2ОН, тоже (как и Н2О) умеющий завязывать Н-связи, из воды не бежит...

  Можно наивно предположить, что все дело в том, что СН4 или (СН2)6, внедряясь в воду, рвет водородные связи молекул Н2О. Но не все так просто! Если бы (СН2)6, внедряясь в воду, просто рвал бы водородные связи в ней, энергия раствора сильно росла бы при внедрении в него (СН2)6,  —  а на самом деле она даже падает (см. Рис.5-1)  —  на восемь килокалорий на моль внедренного (СН2)6... А вместо роста энергии падает энтропия (и сильно падает: TDS = -12ккал/моль!).
  И именно это не дает циклогексану растворяться в воде: все решает свободная энергия G=H-TS, а она растет не только с ростом энергии, но и с падением энтропии S (S входит в G со знаком минус!). То есть сильное падение энтропии S ведет, даже при некотором падении энергии Н, к росту свободной энергии G  —  и, в результате (см. формулу 5.1),  —  к падению вероятности пребывания молекул в соответствующем состоянии (иными словами  —  к падению их концентрации в этом состоянии).

  Теперь мы дошли до главного физического вопроса: Почему же энтропия воды падает?

  Потому, что неполярная молекула загораживает своей поверхностью часть заполненного водой пространства для каждой прилегающей к неполярной поверхности молекулы Н2О  —  и тем самым угрожает порвать Н-связи этой молекулы, если она будет смотреть на такую поверхность, скажем, своими Н-атомами (см. Рис.5-2; напомню, что Н-связи  —  направленные, они завязываются лишь при определенной взаимной ориентации молекул).
 

Рис.5-2. Молекулы H2O у поверхности неполярного тела . Верхняя молекула способна завязать обе Н-связи, но за ее "подходящее" расположение относительно поверхности  приходится платить падением энтропии. Нижняя молекула теряет одну Н-связь с водой: ее О-Н группа смотрит прямо на неполярную преграду.

 

  Вспомним также, что в воде завязаны почти все возможные водородные связи, так что жертвовать возможностью их образования без большой потери свободной энергии воды нельзя, а каждая такая связь требует, чтобы О-Н группа прямо смотрела бы на тот О атом, с которым образуется связь. Чтобы избежать потери Н-связей, молекулы Н2О изворачиваются (см. верхнюю молекулу на Рис.5-2)  —  и частично замораживают на гидрофобной поверхности свободу своих тепловых движений. Они Н-связей не теряют  —  но платят за это своей энтропией.
  При невысокой температуре, частично замороженные у поверхности неполярного тела молекулы Н2О уже легче вступают между собой в Н-связи. При этом, если температура низка (менее 20оС, а для многих углеводородных гостей  —  до 60оС), приповерхностные водородные связи даже немного выигрывают в энергии (теперь они меньше деформированы движениями полузамороженных приповерхностных молекул воды)  —  но этот выигрыш не может компенсировать потерю энтропии, сопровождающую замораживание этих приповерхностных молекул.

  Обратите внимание: снова эффект носит энтропийную, а не энергетическую природу  —  и именно потому, что энергия Н-связей очень высока: раз так, молекулам Н2О лучше заморозиться (хотя это все равно термодинамически невыгодно) и пожертвовать часть своей свободы, т. е. часть энтропии, чем потерять большую энергию водородной связи.
  Подчеркну, что результирующий энтропийный эффект имеет тот же знак, что наивно ожидаемый энергетический эффект, но меньше его по величине.

  То, что молекулы Н2О у поверхности неполярного тела как бы заморожены, дополнительно подтверждается аномально высокой теплоемкостью циклогексана (и других углеводородов) в воде. В водном окружении у (СН2)6 в 10 (!) раз (см. Рис.5-1) выше теплоемкость, чем в окружении своих братьев  —  циклогексанов. Точнее  —  высока теплоемкость не самого углеводорода, а его льдоподобной гидратной оболочки в воде: этот айсберг как бы подплавляется с ростом температуры  —  отсюда и его аномально высокая теплоемкость.

  При этом важно помнить, что замороженные и связанные Н-связями поверхностные молекулы Н2О ориентированы друг относительно друга не совсем так, как в обычном льду. Во льду молекулы должны стоять регулярно, в узлах кристаллической решетки: им надо сформировать огромный трехмерный кристалл. На поверхности же они могут стоять как угодно  —  лишь бы завязались водородные связи. Трансляционная симметрия кристаллической решетки этим молекулам не указ, т. к. образованный ими кристаллик, микроайсберг и не собирается расти до бесконечности  —  ему лишь бы тонким слоем облепить собой внедренную гидрофобную молекулу (Рис.5-3).
 
 
 

  Рис.5-3. Схема нерегулярной упаковки связанных водородными связями молекул Н2О вокруг неполярной молекулы.
 
 

  Экстремальный случай упорядочения воды при гидрофобном эффекте демонстрируют так называемые клатраты  —  кристаллы из воды и неполярных молекул. Клатраты далеко не столь стабильны, как известные вам из химии кристаллогидраты, сложенные из воды и полярных молекул. Они возникают только при низких (ближе к 0оС) температурах и высоких давлениях, когда  —  из-за давления  —  в воду внедряется много молекул неполярного газа. В клатратах молекулы Н2О насыщают все свои водородные связи, как во льду  —  но этот лед имеет другую, чем обычный лед, геометрию. При этом создается как бы кристалл, где квази-лед обволакивает и держит в своих ячейках регулярно расположенные молекулы газа. Кстати, говорят, что в клатратах содержится много больше природного газа, чем в обычных его залежах, и, возможно, добыча газа из залежей клатратов (правда, с большой глубины, где высокое давление позволяет им существовать)  —  дело будущего.

  Гидрофобный эффект довольно сильно зависит от температуры (Рис.5-4). Особенно сильно температура сказывается не на величине самой свободной энергии DG, а на величине (и даже знаке!) ее компонент DH и DS.
  При повышении температуры водородные связи в поверхностном слое плавятся, но гидрофобный эффект от этого сначала (до 140oС) только растет  —  ведь термодинамически невыгодное упорядочение поверхностных молекул воды остается, а их выгодные Н-связи гибнут.
  Если при комнатной температуре гидрофобный эффект создается только энтропией, то при повышении температуры свыше все большую и большую роль в этом эффекте начинает играть энергия утерянных (на поверхности неполярной молекулы) водородных связей. Но сам эффект (определяемый величиной DG) все возрастает, пока ТDS < 0, т. е. до 140оС.
  При еще более высоких температурах в воде (теперь она остается жидкой только под высоким давлением) и так разорвано слишком много Н-связей, гидрофобная поверхность мешает их образованию все меньше и меньше, и гидрофобный эффект начинает спадать.
 
 
 

  Рис.5-4. Термодинамика переноса типичной неполярной молекулы, пентана С5Н12, из жидкого пентана в воду при разных температурах. Свободная энергия переноса DG=DH-ТDS, ее энтальпийная (DH) и энтропийная (ТDS) составляющие даны в ккал в расчете на моль переносимых молекул. DG достигает своего максимума в точке, где DS=0, а константа распределения пентана между водной и жидкой фазами [она пропорциональна ехр(-DG/RТ)] экстремальна в точке, гдеDН=0. Картинка взята из [6].
 
 

  В последнем рисунке я специально привел данные по переносу неполярной молекулы в воду только из неполярного растворителя, а не из пара. Ведь интересующий нас в белках гидрофобный эффект связан с переносом аминокислотных остатков в воду из ядра белка  —  а оно моделируется скорее неполярным растворителем, чем паром.

  Гидрофобности аминокислот измеряются на опыте  —  по величине констант равновесного распределения аминокислот между водой и слабо полярным растворителем, в качестве какового часто берутся спирты (например  —  октанол) или диоксан. Эти опыты довольно сложны, так как одни аминокислоты практически не растворяются в воде, а другие  —  в органике (например, в чисто неполярном циклогексане или бензоле практически не растворяются полярные аминокислоты). Приходится специально подбирать вместо неполярного  —  слабополярный растворитель (удовлетворительный и для более, и для менее полярных аминокислот) и идти на другие ухищрения. При этом, в зависимости от используемых слабополярных растворителей, получаются несколько расходящиеся по величине результаты, особенно для заряженных и сильно полярных аминокислот. Однако качественно они неплохо согласуются.