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疎水効果とは、非極性物質が水溶液中で凝集し、水によって排除される傾向のことです。[1] [2] 疎水性という言葉は文字通り「水を恐れる」という意味で、水と非極性物質の分離を表し、水のエントロピーを最大化し、水と非極性分子の接触面積を最小化します。熱力学の観点から言えば、疎水効果は溶質を取り囲む水の自由エネルギー変化です。[3]周囲の溶媒の正の自由エネルギー変化は疎水性を示し、負の自由エネルギー変化は親水性を意味します。
疎水効果は、油と水の混合物を2つの成分に分離させる原因となります。また、細胞膜と小胞の形成、タンパク質の折り畳み、膜タンパク質の非極性脂質環境への挿入、タンパク質と小分子の会合など、生物学に関連する効果にも関係しています。したがって、疎水効果は生命にとって不可欠です。[4] [5] [6] [7]この効果が観察される物質は疎水物質として知られています。
両親媒性物質
両親媒性物質は、疎水性ドメインと親水性ドメインの両方を持つ分子です。洗剤は両親媒性物質で構成されており、ミセルと二重層（石鹸の泡のように）を形成することで疎水性分子を水に溶解できます。両親媒性物質は、細胞の内部水性環境が外部水と混ざるのを防ぐ 両親媒性リン脂質で構成される細胞膜にとっても重要です。
高分子の折り畳み
タンパク質の折り畳みの場合、疎水性アミノ酸（バリン、ロイシン、イソロイシン、フェニルアラニン、トリプトファン、メチオニンなど）がタンパク質内に密集しているタンパク質の構造を理解するには、疎水効果が重要です。球状タンパク質の構造には疎水性コアがあり、その中に疎水性側鎖が水から埋め込まれているため、折り畳まれた状態が安定します。荷電した極性側鎖は溶媒にさらされた表面に位置し、周囲の水分子と相互作用します。水にさらされる疎水性側鎖の数を最小限に抑えることが、折り畳みプロセスの主な原動力ですが、[8] [9] [10]、タンパク質内での水素結合の形成もタンパク質構造を安定化させます。[11] [12]
DNAの三次構造形成のエネルギーは、配列選択性を担うワトソン・クリック塩基対形成と芳香族塩基間のスタッキング相互作用に加えて、疎水効果によって駆動されることが判明した。 [13] [14]
タンパク質精製
生化学では、疎水効果を利用してタンパク質の混合物を疎水性に基づいて分離することができます。フェニルセファロースなどの疎水性固定相を使用したカラムクロマトグラフィーでは、疎水性が高いタンパク質はよりゆっくりと移動し、疎水性が低いタンパク質はより早くカラムから溶出します。より良い分離を実現するために、塩を添加し（塩の濃度が高いほど疎水効果が高まります）、分離が進むにつれて塩の濃度を下げます。[15]
原因
疎水効果の起源は完全には解明されていない。疎水相互作用は主に、非極性溶質によって液体の水分子間の非常に動的な水素結合が破壊されることから生じるエントロピー効果であると主張する人もいる。 [16]炭化水素鎖または大きな分子の同様の非極性領域は、水と水素結合を形成することができない。そのような非水素結合表面を水中に導入すると、水分子間の水素結合ネットワークが破壊される。水素結合は、そのような表面に対して接線方向に再配向され、水分子の水素結合 3D ネットワークの破壊を最小限に抑え、非極性表面の周囲に構造化された水の「ケージ」が形成される。「ケージ」（またはクラスレート）を形成する水分子は、移動性が制限されている。小さな非極性粒子の溶媒和シェルでは、制限は約 10% になる。たとえば、室温で溶解したキセノンの場合、移動性の制限は 30% であることがわかっている。[17]より大きな非極性分子の場合、溶媒和殻内の水分子の再配向および並進運動は2～4倍に制限される可能性があり、したがって25℃では水の再配向相関時間は2ピコ秒から4～8ピコ秒に増加する。一般に、これは水分子の並進および回転エントロピーの大幅な損失につながり、システム内の自由エネルギーの観点からプロセスが不利になります。 [18]非極性分子は凝集することで水にさらされる表面積を減らし、その破壊的影響を最小限に抑えます。
疎水効果は、水と非極性溶媒間の非極性分子の分配係数を測定することで定量化できます。分配係数は、エンタルピー成分とエントロピー成分を含む移動自由エネルギーに変換できます。ΔG = ΔH - TΔS 。これらの成分は、熱量測定によって実験的に決定されます。疎水効果は、非極性溶質の溶媒和殻内の水分子の移動性が低下するため、室温ではエントロピーによって駆動されることがわかっています。ただし、移動エネルギーのエンタルピー成分は有利であることがわかりました。つまり、水分子の移動性が低下するため、溶媒和殻内の水-水水素結合が強化されるということです。温度が高くなり、水分子の移動性が高まると、このエネルギー利得はエントロピー成分とともに減少します。疎水効果は温度に依存し、タンパク質の「冷変性」につながります。[19]
疎水効果は、溶媒和の自由エネルギーをバルク水と比較することによって計算できます。このようにして、疎水効果は局所化できるだけでなく、エンタルピーとエントロピーの寄与に分解することもできます。[3]
参照
参考文献
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熱力学の議論については137-144ページも参照のこと
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