CZĄSTECZKI AMFIPATYCZNE: BUDOWA, CHARAKTERYSTYKA, PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

W amfipatycznych i amfifilowych cząsteczek, są te, które mogą czuć powinowactwa lub odpychania w tym samym czasie dla danego rozpuszczalnika. Rozpuszczalniki są chemicznie klasyfikowane jako polarne lub niepolarne; hydrofilowy lub hydrofobowy. Zatem tego typu cząsteczki mogą „kochać” wodę, tak jak mogą jej „nienawidzić”.

Zgodnie z poprzednią definicją, jest to możliwe tylko w jeden sposób: te cząsteczki muszą mieć w swoich strukturach obszary polarne i niepolarne; czy są one rozmieszczone mniej lub bardziej jednorodnie (jak np. w przypadku białek), czy też są zlokalizowane niejednorodnie (w przypadku surfaktantów)

Pęcherzyki, zjawisko fizyczne spowodowane zmniejszeniem napięcia powierzchniowego na granicy faz powietrze-ciecz na skutek działania środka powierzchniowo czynnego będącego związkiem amfifilowym. Źródło: Pexels.

Środki powierzchniowo czynne, zwane także detergentami, są prawdopodobnie najbardziej znanymi amfipatycznymi cząsteczkami od niepamiętnych czasów. Odkąd Człowieka urzekła dziwna fizjonomia bańki, zaniepokojony przygotowywaniem mydeł i środków czystości, wielokrotnie zetknął się ze zjawiskiem napięcia powierzchniowego.

Obserwowanie bańki to to samo, co obserwowanie „pułapki”, której ściany, utworzone w wyniku ustawienia cząsteczek amfipatycznych, zatrzymują gazową zawartość powietrza. Ich kuliste kształty są najbardziej stabilne matematycznie i geometrycznie, ponieważ minimalizują napięcie powierzchniowe granicy faz powietrze-woda.

To powiedziawszy, omówiono dwie inne cechy cząsteczek amfipatycznych: mają one tendencję do asocjacji lub samoorganizacji oraz pewne niższe napięcia powierzchniowe w cieczach (te, które mogą to robić, nazywane są środkami powierzchniowo czynnymi).

W wyniku wysokiej skłonności do asocjacji cząsteczki te otwierają pole do badań morfologicznych (a nawet architektonicznych) ich nanoagregatów i składających się z nich supramolekuł; w celu zaprojektowania związków, które można sfunkcjonalizować i oddziaływać w niewymierny sposób z komórkami i ich matrycami biochemicznymi.

Struktura

Ogólna budowa cząsteczki amfipatycznej. Źródło: Gabriel Bolívar.

Mówiono, że cząsteczki amfifilowe lub amfipatyczne mają region polarny i region niepolarny. Region niepolarny zwykle składa się z nasyconego lub nienasyconego łańcucha węglowego (z wiązaniami podwójnymi lub potrójnymi), który jest reprezentowany jako „ogon apolarny”; towarzyszy jej „głowa polarna”, w której znajduje się najwięcej atomów elektroujemnych.

Górna ogólna struktura ilustruje komentarze w poprzednim akapicie. Głowica polarna (fioletowa kula) może być grupami funkcyjnymi lub pierścieniami aromatycznymi, które mają trwałe momenty dipolowe, a także są zdolne do tworzenia wiązań wodorowych. Dlatego musi tam znajdować się najwyższa zawartość tlenu i azotu.

W tej polarnej głowie mogą również znajdować się ładunki jonowe, ujemne lub dodatnie (lub oba jednocześnie). Region ten wykazuje wysokie powinowactwo do wody i innych polarnych rozpuszczalników.

Z drugiej strony, ogon niepolarny, biorąc pod uwagę jego dominujące wiązania CH, oddziałuje poprzez siły rozpraszające Londyn. Region ten odpowiada za to, że cząsteczki amfipatyczne wykazują również powinowactwo do tłuszczów i niepolarnych cząsteczek w powietrzu (N ₂ , CO ₂ , Ar, itp.).

W niektórych tekstach chemicznych model struktury górnej jest porównywany do kształtu lizaka.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Kiedy amfipatyczna cząsteczka wchodzi w kontakt z polarnym rozpuszczalnikiem, np. Wodą, jej regiony wywierają różny wpływ na cząsteczki rozpuszczalnika.

Po pierwsze, cząsteczki wody dążą do solwatacji lub hydratacji głowy polarnej, trzymając się z dala od ogona niepolarnego. W tym procesie powstają zaburzenia molekularne.

Tymczasem cząsteczki wody wokół apolarnego ogona mają tendencję do układania się tak, jakby były małymi kryształami, co pozwala im zminimalizować odpychanie. W tym procesie powstaje porządek molekularny.

Pomiędzy zaburzeniami a porządkami dojdzie do punktu, w którym amfipatyczna cząsteczka będzie dążyć do interakcji z inną, co spowoduje znacznie bardziej stabilny proces.

Różne

Do obu podejdzie się przez swoje niepolarne ogony lub polarne głowy, w taki sposób, że pokrewne regiony oddziałują w pierwszej kolejności. To to samo, co wyobrażanie sobie, że dwa „fioletowe lizaki” na górnym obrazie zbliżają się, przeplatają swoje czarne ogony lub łączą dwie fioletowe głowy.

I tak zaczyna się interesujące zjawisko asocjacyjne, w którym kilka z tych cząsteczek jest kolejno połączonych. Nie są one powiązane arbitralnie, ale według szeregu parametrów strukturalnych, które kończą się izolowaniem ogonów niepolarnych w swego rodzaju „jądro apolarne”, jednocześnie odsłaniając głowy biegunów jako polarną powłokę.

Mówi się wtedy, że narodziła się kulista miscela. Jednak podczas formowania miscela następuje wstępny etap składający się z tak zwanej dwuwarstwy lipidowej. Te i inne to tylko niektóre z wielu makrostruktur, które mogą przyjąć cząsteczki amfifilowe.

Charakterystyka cząsteczek amfipatycznych

Stowarzyszenie

Sferyczna różnorodność utworzona przez amfipatyczne cząsteczki. Źródło: Gabriel Bolívar.

Jeśli ogony niepolarne zostaną potraktowane jako czarne jednostki, a głowy polarne jako fioletowe, będzie zrozumiałe, dlaczego na górnym obrazie kora miscela jest fioletowa, a jej jądro jest czarne. Jądro jest niepolarne, a jego interakcje z cząsteczkami wody lub rozpuszczalnika są zerowe.

Z drugiej strony, jeśli rozpuszczalnik lub ośrodek jest niepolarny, to głowy polarne będą cierpieć z powodu odpychania iw konsekwencji będą znajdować się w środku miscelli; to znaczy jest odwrócony (A, dolny obraz).

Różne typy różnych struktur lub morfologii. Źródło: Gabriel Bolívar.

Zaobserwowano, że odwrócona miscelaina ma czarną niepolarną powłokę i fioletowe jądro polarne. Ale zanim utworzą się miscela, znajdują się cząsteczki amfifilowe, które indywidualnie zmieniają kolejność cząsteczek rozpuszczalnika. Przy zwiększonej koncentracji zaczynają się łączyć w strukturę jedno- lub dwuwarstwową (B).

Od B blaszki zaczynają się zakrzywiać, tworząc D, pęcherzyk. Inną możliwością, w zależności od kształtu apolarnego ogona w stosunku do jego polarnej głowy, jest to, że łączą się one, tworząc cylindryczną miscelę (C).

Nanoagregaty i supramolekuły

Istnieje zatem pięć głównych struktur, które ujawniają podstawową cechę tych cząsteczek: ich wysoką skłonność do asocjacji i samoorganizacji w supramolécules, które agregują, tworząc nanoagregaty.

Zatem cząsteczki amfifilowe nie występują same, ale w połączeniu.

Fizyczny

Amfipatyczne cząsteczki mogą być obojętne lub naładowane jonowo. Te, które mają ładunki ujemne, mają atom tlenu z ujemnym ładunkiem formalnym w swojej polarnej głowie. Niektóre z tych atomów tlenu pochodzą z grup funkcyjnych, takich jak -COO ^- , -SO ₄ ^- , -SO ₃ ^- lub -PO ₄ ^- .

W odniesieniu do dodatnich ładunków, na ogół pochodzą z aminami RNH ₃ ⁺ .

Obecność lub brak tych ładunków nie zmienia faktu, że cząsteczki te generalnie tworzą krystaliczne ciała stałe; lub, jeśli są stosunkowo lekkie, występują jako oleje.

Przykłady

Niektóre przykłady cząsteczek amfipatycznych lub amfifilowych zostaną wymienione poniżej:

-Fofolipidy: fosfatydyloetanoloamina, sfingomielina, fosfatydyloseryna, fosfatydylocholina.

-Cholesterol.

-Glukolipidy.

-Laurylosiarczan sodu.

-Białka (są amfifilowe, ale nie są środkami powierzchniowo czynnymi).

-Tłuszcze fenolowe: kardanol, kardol i kwasy anakardialne.

-Bromek cetylotrimetyloamoniowy.

-Kwasy tłuszczowe: palmitynowy, linolowy, oleinowy, laurynowy, stearynowy.

-Alkohole o długich łańcuchach: 1-dodekanol i inne.

-Polimery amfifilowe: takie jak etoksylowane żywice fenolowe.

Aplikacje

Błony komórkowe

Jedną z najważniejszych konsekwencji zdolności tych cząsteczek do asocjacji jest to, że tworzą one rodzaj ściany: dwuwarstwę lipidową (B).

Ta dwuwarstwowa rozciąga się, aby chronić i regulować wchodzenie i wychodzenie związków do komórek. Jest dynamiczny, ponieważ jego apolarne ogony obracają się, pomagając poruszać się amfipatycznym cząsteczkom.

Podobnie, gdy ta membrana jest przymocowana do dwóch końców, aby mieć ją pionowo, służy do pomiaru jej przepuszczalności; Dzięki temu uzyskuje się cenne dane dotyczące projektowania materiałów biologicznych i syntetycznych membran z syntezy nowych amfipatycznych cząsteczek o różnych parametrach strukturalnych.

Dyspergatory

W przemyśle naftowym te cząsteczki i syntetyzowane z nich polimery są wykorzystywane do rozpraszania asfaltenów. Przedmiotem niniejszego zgłoszenia jest hipoteza, że ​​asfalteny składają się z koloidalnej substancji stałej o dużej tendencji do flokulacji i osadzania się w postaci brązowo-czarnej substancji stałej, która powoduje poważne problemy ekonomiczne.

Amfipatyczne cząsteczki pomagają utrzymać asfalteny w dyspersji przez dłuższy czas w obliczu zmian fizykochemicznych w oleju.

Emulgatory

Te cząsteczki pomagają w mieszaniu dwóch cieczy, które nie byłyby mieszalne w zwykłych warunkach. Na przykład w lodach pomagają wodzie i powietrzu tworzyć razem z tłuszczem tę samą substancję stałą. Do najczęściej stosowanych do tego celu emulgatorów należą te pochodzące z jadalnych kwasów tłuszczowych.

Detergenty

Amfifilowy charakter tych cząsteczek jest wykorzystywany do zatrzymywania tłuszczów lub niepolarnych zanieczyszczeń, a następnie w tym samym czasie wypłukiwany przez polarny rozpuszczalnik, taki jak woda.

Podobnie jak w przykładzie pęcherzyków, w których uwięzione zostało powietrze, detergenty zatrzymują tłuszcz w swoich micelach, które dzięki polarnej powłoce skutecznie oddziałują z wodą, usuwając brud.

Przeciwutleniacze

Głowy polarne mają ogromne znaczenie, ponieważ definiują wielorakie zastosowania, jakie te cząsteczki mogą mieć w organizmie.

Jeśli posiadają np. Zestaw pierścieni aromatycznych (w tym pochodne pierścienia fenolowego) i polarnych zdolnych do neutralizacji wolnych rodników, to będą amfifilowe przeciwutleniacze; a jeśli nie mają również efektów toksycznych, na rynku pojawią się nowe przeciwutleniacze.

Bibliografia

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J i wsp. (2002). Biologia molekularna komórki. Wydanie 4. Nowy Jork: Garland Science; Dwuwarstwowy lipid. Odzyskany z: ncbi.nlm.nih.gov
2. Jianhua Zhang. (2014). Cząsteczki amfifilowe. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (red.), Encyclopedia of Membranes, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. Powiedział Joseph. (2019). Definicja cząsteczek amfipatycznych. Badanie. Odzyskany z: study.com
4. Lehninger, AL (1975). Biochemia. (Wydanie 2). Worth Publishers, inc.
5. Mathews, CK, van Holde, KE and Ahern, KG (2002). Biochemia. (Wydanie trzecie). Pearson Addison Weshley.
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (31 marca 2019). Co to jest środek powierzchniowo czynny? Odzyskany z: thinkco.com
7. Domenico Lombardo, Mikhail A. Kiselev, Salvatore Magazù i Pietro Calandra (2015). Samoorganizacja amfifili: podstawowe koncepcje i przyszłe perspektywy podejść supramolekularnych. Postępy w fizyce materii skondensowanej, vol. 2015, identyfikator artykułu 151683, 22 strony, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). Nowa grupa syntetycznych cząsteczek amfifilowych zawierających fenole do zastosowań wielofunkcyjnych: charakterystyka fizykochemiczna i badanie toksyczności komórkowej. Raport naukowy tom 8, numer artykułu: 832.