AMFIPAATTISET MOLEKYYLIT: RAKENNE, OMINAISUUDET, ESIMERKIT - KEMIA - 2025

Amfipaattisia tai amfifiilisiä molekyylejä ovat ne, jotka voidaan tuntea affiniteetti tai repulsio samaan aikaan tietyn liuotinta. Liuottimet luokitellaan kemiallisesti polaarisiksi tai polaarisiksi; hydrofiilinen tai hydrofobinen. Siten tämäntyyppiset molekyylit voivat "rakastaa" vettä, koska ne voivat myös "vihata" sitä.

Edellisen määritelmän mukaan tähän on mahdollista vain yksi tapa: näiden molekyylien rakenteissa on oltava polaarinen ja apolaarinen alue; jakautuvatko ne enemmän tai vähemmän homogeenisesti (kuten esimerkiksi proteiinien kohdalla) vai ovatko heterogeenisesti paikallisia (pinta-aktiivisten aineiden tapauksessa)

Kuplat, fysikaalinen ilmiö, joka johtuu ilman ja nesteen rajapinnan pintajännityksen pienenemisestä pinta-aktiivisen aineen, joka on amfifiilinen yhdiste, vaikutuksesta. Lähde: Pexels.

Pinta-aktiiviset aineet, joita kutsutaan myös pesuaineiksi, ovat ehkä kaikkien aikojen tunnetuimpia amfipaattisia molekyylejä. Siitä lähtien, kun Ihminen oli kiehtonut saippua- ja puhdistusaineiden valmistuksesta huolissaan olevan kuplan omituisesta fysiologisesta näkökohdasta, hän on toistuvasti törmännyt pintajännityksen ilmiöön.

Kuplan havaitseminen on sama kuin todistaja “ansaan”, jonka seinät, jotka muodostuvat amfipaattisten molekyylien kohdistamisesta, pitävät ilman kaasumaisen sisällön. Niiden pallomaiset muodot ovat matemaattisesti ja geometrisesti vakaimpia, koska ne minimoivat ilma-vesi-rajapinnan pintajännityksen.

Kaksi muuta amfipaattisten molekyylien ominaisuutta on kuitenkin keskusteltu: niillä on taipumus assosioitua tai itse koota, ja nesteiden alhaisemmat pintajännitykset (niitä, joita niin voidaan tehdä, kutsutaan pinta-aktiivisiksi aineiksi).

Korkean assosioitumisaltistuksen seurauksena nämä molekyylit avaavat nanoaggregaattiensa ja niitä muodostavien supramolekyylien morfologisen (ja jopa arkkitehtonisen) tutkimuksen kentän; tavoitteena suunnitella yhdisteet, jotka voidaan funktionalisoida ja olla vuorovaikutuksessa mittaamattomasti solujen ja niiden biokemiallisten matriisien kanssa.

Rakenne

Amfipaattisen molekyylin yleinen rakenne. Lähde: Gabriel Bolívar.

Amphipiilisillä tai amfipaattisilla molekyyleillä sanottiin olevan polaarinen alue ja apolaarinen alue. Apolaarinen alue koostuu tavallisesti tyydyttyneestä tai tyydyttymättömästä hiiliketjusta (kaksois- tai kolmoissidoksilla), jota edustaa "apolaarinen häntä"; mukana "polaarinen pää", jossa kaikkein elektronegatiivisimmat atomit sijaitsevat.

Ylempi yleinen rakenne kuvaa edellisen kappaleen kommentteja. Napapää (violetti pallo) voi olla funktionaalisia ryhmiä tai aromaattisia renkaita, joilla on pysyvät dipolimomentit ja jotka myös pystyvät muodostamaan vety sidoksia. Siksi korkeimman happi- ja typpipitoisuuden on sijaittava siellä.

Tässä napapäässä voi olla myös ionisia, negatiivisia tai positiivisia varauksia (tai molemmat samanaikaisesti). Tämä alue on alue, jolla on korkea affiniteetti veteen ja muihin polaarisiin liuottimiin.

Toisaalta, apolaarinen häntä, ottaen huomioon sen hallitsevat CH-sidokset, vuorovaikutuksessa Lontoon sirontavoimien kautta. Tämä alue on vastuussa siitä, että amfipaattisen molekyylin myös affiniteettia rasvojen ja poolittomat molekyylien ilmassa (N ₂, CO ₂, Ar, jne.).

Joissakin kemiallisissa tekstissä ylärakenteen mallia verrataan tikkarin muotoon.

Molekyylien väliset vuorovaikutukset

Kun amfipaattinen molekyyli joutuu kosketukseen polaarisen liuottimen, esimerkiksi veden, kanssa, sen alueilla on erilaisia ​​vaikutuksia liuotinmolekyyleihin.

Aluksi vesimolekyylit pyrkivät solvoimaan tai hydratoimaan polaarisen pään pysyen poissa apolaarisesta häntästä. Tässä prosessissa syntyy molekyylihäiriö.

Sillä välin apolaarisen pyrstön ympärillä olevat vesimolekyylit pyrkivät yleensä järjestäytymään ikään kuin ne olisivat pieniä kiteitä, mikä antaa niille mahdollisuuden minimoida heijastumat. Tässä prosessissa luodaan molekyylijärjestys.

Häiriöiden ja käskyjen välillä tulee kohta, jossa amfipaattinen molekyyli pyrkii vuorovaikutukseen toisen kanssa, mikä johtaa paljon vakaampaan prosessiin.

Miscellas

Molemmat lähestytään apolaaristen pyrstöidensä tai napapääidensä kautta siten, että läheiset alueet ovat vuorovaikutuksessa ensin. Tämä on sama kuin kuvitella, että kaksi "purppuraa tikkaria" ylemmässä kuvassa lähestyy toisiaan, kietoutuvat mustiinsa hännään tai yhdistävät kaksi purppuraista pääään.

Ja niin alkaa mielenkiintoinen assosiaatioilmiö, jossa useita näistä molekyyleistä yhdistetään peräkkäin. Niitä ei liitetä mielivaltaisesti, vaan joukon rakenneparametreja, jotka päätyvät eristämään apolaariset häntä eräänlaisessa "apolaarisessa ytimessä", samalla kun paljastavat polaariset päät polaarisena kuorena.

Sitten sanotaan, että pallomainen miskela on syntynyt. Misselan muodostumisen aikana on kuitenkin alustava vaihe, joka koostuu niin kutsutusta lipidikaksoiskerroksesta. Nämä ja muut ovat joitain monista makrorakenteista, jotka amfifiiliset molekyylit voivat omaksua.

Amfipaattisten molekyylien ominaisuudet

yhdistys

Amfipaattisten molekyylien muodostama pallomainen miscellany. Lähde: Gabriel Bolívar.

Jos apolaariset hännät otetaan mustina yksikköinä ja napapäät purppuraisina yksikköinä, ymmärretään, miksi yläkuvassa miskelin kuori on violetti ja sen ydin on musta. Ydin on apolaarinen ja sen vuorovaikutus vesi- tai liuotinmolekyylien kanssa on nolla.

Jos toisaalta liuotin tai väliaine on polaarinen, heijastus kohdistuu napapäähän, ja sen seurauksena ne sijaitsevat misellan keskuksessa; eli se on käännetty (A, alempi kuva).

Erityyppiset seinärakenteet tai morfologiat. Lähde: Gabriel Bolívar.

Käänteisessä misselainissa havaitaan olevan musta apolaarinen kuori ja violetti polaarinen ydin. Mutta ennen kuin misselat muodostuvat, amfifiiliset molekyylit löytyvät erikseen muuttaen liuotinmolekyylien järjestystä. Lisääntyneellä pitoisuudella ne alkavat liittyä yhden tai kahden kerroksen rakenteeseen (B).

B-pisteestä kerrokset alkavat kaareutua muodostaen D, vesikkeli. Toinen mahdollisuus, riippuen apolaarisen pyrstön muodosta suhteessa polaariseen päähän, on, että ne yhdistyvät sylinterimäisen miscella (C) muodostamiseksi.

Nanoaggregaatit ja supramolekyylit

Siksi on olemassa viisi päärakennetta, jotka paljastavat näiden molekyylien perustavanlaatuisen ominaisuuden: niiden suuri taipumus assosioitua ja koota itsensä supramolekyyleiksi, jotka aggregoituvat muodostamaan nanoaggregaatteja.

Siksi amfifiilisiä molekyylejä ei löydy yksin, vaan yhdessä.

fyysinen

Amfipaattiset molekyylit voivat olla neutraaleja tai ionisesti varautuneita. Niillä, joilla on negatiivisia varauksia, on happiatomi, jonka polaarisessa päässä on negatiivinen muodollinen varaus. Jotkut näistä happiatomien tulevat funktionaalisia ryhmiä, kuten -COO ^-, -SO ₄ ^-, -SO ₃ ^- tai -PO ₄ ^-.

Positiivisten varausten suhteen ne tulevat yleensä amiineista, RNH ₃ ⁺.

Näiden varausten esiintyminen tai puuttuminen ei muuta sitä tosiasiaa, että nämä molekyylit muodostavat yleensä kiteisiä kiinteitä aineita; tai jos ne ovat suhteellisen kevyitä, ne löytyvät öljyistä.

esimerkit

Seuraavassa mainitaan joitain esimerkkejä amfipaattisista tai amfifiilisistä molekyyleistä:

-Fofolipidit: fosfatidyylietanoliamiini, sfingomyeliini, fosfatidyyliseriini, fosfatidyylikoliini.

-Kolesteroli.

-Glucolipids.

-Natriumlauryylisulfaatti.

-Proteiinit (ne ovat amfifiilisiä, mutta eivät pinta-aktiivisia aineita).

-Fenoliset rasvat: kardanoli, sydän- ja anakardiinihapot.

-Setyylitrimetyyliammoniumbromidi.

- Rasvahapot: palmitiini, linolihappo, öljyhappo, lauriinihappo, steariinihappo.

-Pitketjuiset alkoholit: 1-dodekanoli ja muut.

- amfifiiliset polymeerit: kuten etoksyloidut fenolihartsit.

Sovellukset

Solukalvot

Yksi tärkeimmistä seurauksista näiden molekyylien assosiointikyvyltä on, että ne rakentavat eräänlaisen seinän: lipidikaksoiskerroksen (B).

Tämä kaksikerros ulottuu suojaamaan ja säätelemään yhdisteiden kulkeutumista ja poistumista soluihin. Se on dynaaminen, koska sen apolaariset pyrstöt pyörivät auttaen amfipaattisia molekyylejä liikkumaan.

Samoin kun tämä kalvo on kiinnitetty kahteen päähän, jotta se olisi pystysuorassa, sitä käytetään sen läpäisevyyden mittaamiseen; ja tällä tavoin saadaan arvokasta tietoa biologisten materiaalien ja synteettisten membraanien suunnitteluun uusien amfipaattisten molekyylien synteesistä, joilla on erilaisia ​​rakenneparametreja.

dispergointiaineet

Öljyteollisuudessa näitä molekyylejä ja niistä syntetisoituja polymeerejä käytetään asfalteenien dispergointiin. Tämän sovelluksen painopiste on hypoteesissa, jonka mukaan asfalteenit koostuvat kolloidisesta kiinteästä aineesta, jolla on suuri taipumus flokkulaatioon ja sedimenttiin ruskeanmustana kiinteänä aineena, joka aiheuttaa vakavia taloudellisia ongelmia.

Amfipaattiset molekyylit auttavat pitämään asfalteenit dispergoituneina pidemmän aikaa öljyn fysikaalis-kemiallisten muutosten edessä.

emulgointiaineet

Nämä molekyylit auttavat kahta nesteseosta, joka ei olisi sekoittuva normaaleissa olosuhteissa. Esimerkiksi jäätelöissä ne auttavat vettä ja ilmaa muodostamaan osan samasta kiinteästä aineesta yhdessä rasvan kanssa. Tätä tarkoitusta varten yleisimmin käytettyjen emulgointiaineiden joukossa ovat ne, jotka on johdettu syötävistä rasvahapoista.

pesuaineet

Näiden molekyylien amfifiilistä luonnetta käytetään rasvojen tai apolaaristen epäpuhtauksien pidättämiseen, minkä jälkeen ne pestään samanaikaisesti polaarisella liuottimella, kuten vedellä.

Kuten esimerkissä kuplia, joissa ilmaa oli juuttunut, pesuaineet vangitsevat rasvan niiden miselleihin, jotka, joilla on napainen kuori, toimivat tehokkaasti veden kanssa lian poistamiseksi.

Antioksidantit

Napapäät ovat elintärkeitä, koska ne määrittelevät näiden molekyylien monikäyttöisyydet kehossa.

Jos niillä on esimerkiksi joukko aromaattisia renkaita (mukaan lukien fenolirenkaan johdannaiset) ja polaarisia renkaita, jotka pystyvät neutraloimaan vapaita radikaaleja, niin siellä on amfifiilisiä antioksidantteja; ja jos niistä puuttuu myös myrkyllisiä vaikutuksia, markkinoilla on uusia antioksidantteja.

Viitteet

1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et ai. (2002). Solun molekyylibiologia. 4. painos. New York: Garland Science; The Lipid Bilayer. Palautettu: ncbi.nlm.nih.gov
2. Jianhua Zhang. (2014). Amphipiiliset molekyylit. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, E. Droli, L. Giorno (toim.), Encyclopedia of Membranes, DOI 10.1007 / 978-3-642-40872-4_1789-1.
3. Sanoi Joseph. (2019). Määritelmä Amfipaattiset molekyylit. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
4. Lehninger, AL (1975). Biokemia. (2. painos). Worth Publishers, Inc.
5. Mathews, CK, van Holde, KE ja Ahern, KG (2002). Biokemia. (3. painos). Pearson Addison Weshley.
6. Helmenstine, tohtori Anne Marie (31. maaliskuuta 2019). Mikä on pinta-aktiivinen aine? Palautettu osoitteesta: gondo.com
7. Domenico Lombardo, Mikhail A. Kiselev, Salvatore Magazù ja Pietro Calandra (2015). Amphiphiles-omakokoonpano: Supramolekulaaristen lähestymistapojen peruskäsitteet ja tulevaisuudennäkymät. Advances in Condensed Matter Physics, voi. 2015, artikkeli ID 151683, 22 sivua, 2015. doi.org/10.1155/2015/151683.
8. Anankanbil S., Pérez B., Fernandes I., Magdalena K. Widzisz, Wang Z., Mateus N. & Guo Z. (2018). Uusi ryhmä synteettisiä fenolia sisältäviä amfifiilisiä molekyylejä monikäyttösovelluksiin: Fysikaalis-kemiallinen karakterisointi ja solutoksisuustutkimus. Tieteellinen raporttivolyymi 8, artikkelinumero: 832.