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Schwache Wechselwirkungen in biologischen Systemen

Hydrophobe Wechselwirkungen

Hydrophobe Wechselwirkung
Hydrophobe Wechselwirkungen beruhen auf der Verringerung von Kontaktflächen zwischen Wasser und lipophilen Grenzflächen. Sie entstehen durch enge räumliche Nachbarschaft zwischen unpolaren Molekülen oder Molekülseitenketten in wässerigen Systemen. Typische Beispiele für solche Molekülreste sind aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Fettsäureester, Halogensubstituenten, unpolare Heterocyclen, Terpene oder Steroide. Im Gegensatz zu Wasserstoff-Brücken sind hydrophobe Wechselwirkungen nicht gerichtet.
Diese Wechselwirkung beruht also nicht auf der Van-der-Waals-Anziehung zwischen den hydrophoben Resten selbst, sondern entsteht durch die Verdrängung von Wassermolekülen aus dem Bereich zwischen zwei lipophilen Grenzflächen. Hieraus resultiert ein Entropiegewinn des Systems.

Im Wasser sind die Wassermoleküle an den hydrophoben Grenzflächen so angeordnet, dass alle Wasserstoff-Brücken vom hydrophoben Bereich weggerichtet sind. Die Ausrichtung der Wassermoleküle verringert ihre Beweglichkeit, und die freie Clusterstruktur des Wassers bricht hier zusammen. Wenn sich die unpolaren Kohlenwasserstoffreste annähern, werden die Wassermoleküle an den hydrophoben Grenzflächen in das freie Lösungsmittel überführt. Dadurch erhöht sich ihre Beweglichkeit. Da sie sich jetzt frei ausrichten können, steigt auch die Zahl der Wasserstoff-Brücken.

Diese größere Beweglichkeit der Wassermoleküle bedeutet eine Zunahme an Entropie, die wiederum nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung: ΔG = ΔH- TΔS mit ΔH = Enthalpie- und ΔS = Entropiedifferenz, zur Abnahme der Gibbs-Energie ΔG führt. Aus diesem Grund nennt man die hydrophobe Wechselwirkung auch den Entropieeffekt.

Abb.1

Die Animation zeigt die Annäherung zweier hydrophober Aminosäure-Reste. Durch ihr Zusammenkommen verringert sich die Zahl der hochgeordneten Wassermoleküle an der Grenzfläche - die Anzahl der "freien Lösungsmittelmoleküle" erhöht sich hingegen.

Abb.2

Die Animation zeigt eine stark vereinfachte Darstellung der Bildung einer Micelle. Die dunklere blaue Farbe um den Fettsäure-Rest symbolisiert die hochgeordnete Struktur der Wassermoleküle an molekularen Grenzfläche. Durch die Aggregation der Phospholipid-Monomere können diese Wassermoleküle in das freie Lösungsmittel übergehen.

Bedeutung in biologischen Systemen

Phospholipide, Glycolipide, Cholesterol und Cholesterol-Fettsäureester sind die wichtigsten amphiphilen Membranbestandteile, die aus einem hydrophoben (lipophilen) und einem hydrophilen Rest bestehen. Dispergiert man Phospho- und Glycolipide in Wasser, so erfolgt je nach Geometrie der Lipidketten ein spontaner Aufbau von geordneten Lipid-Doppelschichten zu Membranen bzw. Liposomen oder zu Micellen mit nur einer Lipid-Schicht. Die treibende Kraft bei der Bildung von Lipid-Aggregaten ist somit fast ausschließlich der hydrophobe Effekt.

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Abb.3

Die dargestellte Micelle besteht aus 54 DPC Lipiden und 5238 Wassermolekülen nach einer Zeit von 1100 ps.

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Abb.4

Die Lipid-Doppelschicht besteht aus 128 DPPC Lipid-Molekülen und 3655 Wassermolekülen.

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In den Darstellungen sind die hydrophoben Fettsäurereste grün und die hydrophilen Enden blau eingefärbt. Die PDB-Darstellungen sind dankend entnommen aus http://moose.bio.ucalgary.ca

Bei der Bindung eines Liganden oder eines Substrates an das aktive Zentrum liefert dieser Effekt bei großen lipophilen Gruppen ebenfalls einen entscheidenden Beitrag zur Bindungsaffinität. Dieser Beitrag steigt proportional zur Oberfläche des unpolaren Molekülrestes.

Weiterhin hat diese Wechselwirkung eine Bedeutung bei der Stabilisierung von Peptidkonformationen mit aliphatischen oder aromatischen Seitenketten und ist ebenfalls wichtig bei der Faltung von Proteinen. Hier kommt es durch einen hydrophoben Kollaps (ein schnelles Zusammenlagern hydrophober Seitenketten im Inneren des Proteins) zur Ausbildung von Sekundärstrukturen.

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