Hydrofob effekt och entropi?

kuff skrev:

Jag läste att fosfolipider har molekyler med kolkedjorna vända inåt för att minska kontaktytan mot vatten och på så sätt skapa större entropi hos vattenmolekylerna. Det skulle vara anledningen till att cellmembran är vattentäta, eftersom de inte släpper igenom polära molekyler.

Då undrar jag, gör högre entropi att vattenmolekylerna blir polära och hur går det till?

Vattenmolekyler är alltid polära. Eftersom vattenmolekylen är böjd har molekylen en positiv ände (vätena) och en negativ ände (syret).

Varför vill inte fosfoliper reagera med polära vattenmolekyler?

Har du sett att om man försöker blanda olja och vatten, så blir det ändå två lager?

Smaragdalena skrev:

kuff skrev:

Jag läste att fosfolipider har molekyler med kolkedjorna vända inåt för att minska kontaktytan mot vatten och på så sätt skapa större entropi hos vattenmolekylerna. Det skulle vara anledningen till att cellmembran är vattentäta, eftersom de inte släpper igenom polära molekyler.

Då undrar jag, gör högre entropi att vattenmolekylerna blir polära och hur går det till?

Vattenmolekyler är alltid polära. Eftersom vattenmolekylen är böjd har molekylen en positiv ände (vätena) och en negativ ände (syret).

Varför vill inte fosfoliper reagera med polära vattenmolekyler?

Har du sett att om man försöker blanda olja och vatten, så blir det ändå två lager?

Jo det har jag nog sett. Fetter löser sig inte i vatten. Men jag ville ha en förklaring på kemisk nivå, eftersom jag tycker att kursboken har en otillräcklig förklaring som lämnar en del frågor obesvarade. Det du pratar om är högstadienivå.

Det är inte lätt att veta vilken nivå jag skall skriva på, när du inte verkar ha koll på att en vattenmolekyl alltid är polär.

Är du med på att en fosfolipid har en ände som är polär (fosfatgruppen) och därmed vattenlöslig, och en ände som är opolär (fettsyrorna) och därmed fettlöslig?

Smaragdalena skrev:

Det är inte lätt att veta vilken nivå jag skall skriva på, när du inte verkar ha koll på att en vattenmolekyl alltid är polär.

Är du med på att en fosfolipid har en ände som är polär (fosfatgruppen) och därmed vattenlöslig, och en ände som är opolär (fettsyrorna) och därmed fettlöslig?

Jag tror det. Polära ämnen kan alltså reagera med vatten och opolära med fetter? Polär drar till polär och tvärtom? Jag har glömt en del av Kemi 1 så det kan vara därför jag inte har så bra koll.

Jag vet att vattenmolekyler är polära men enligt boken låter det som att den hydrofoba effekten är till för att hålla vattnet polärt så att det inte tränger igenom cellmembranet. Vad är det som kan göra det opolärt? Det blev ännu mer komplicerat nu när jag vet att en fosfolipid har en polär ände och en opolär. Nu förstår jag inte alls hur den hydrofoba effekten hanterar det.

Förlåt om jag lät dryg i förra kommentaren.

Nej, det är inte några kemiska reaktioner som sker, däremot bildas det svaga (intermolekylära) bindningar, d v s bindningar mellan en partikel och en annan partikel. Svaga van der Waals-krafter kan alltid bildas, men om de starkare vätebindningarna kan bildas, kan vdW-bindningarna försummas. Vatten är en dipol som kan bilda vätebindningar. När man skriver "polära ämnen" menar man "ämnen som kan bilda vätebindningar", i alla fall när det handlar om vattenlösningar.

Vattenmolekyler är polära, de kan inte sluta vara det. Den hydrofoba effekten är att vattenmolekylerna håller ihop med varandra (med vätebindningar) och inte släpper in några opolära ämnen. Vatenmolekylerna beter sig alltså som riktiga mobbare! De opolära ämnena kan i alla fall klumpa ihop sig med varandra, så de slipper vara alldeles ensamma. Det är väl detta som kallas hydrofob effekt - att de opolära ämnena dras till varandra (fast det gör de inte, egentligen).

Smaragdalena skrev:

Nej, det är inte några kemiska reaktioner som sker, däremot bildas det svaga (intermolekylära) bindningar, d v s bindningar mellan en partikel och en annan partikel. Svaga van der Waals-krafter kan alltid bildas, men om de starkare vätebindningarna kan bildas, kan vdW-bindningarna försummas. Vatten är en dipol som kan bilda vätebindningar. När man skriver "polära ämnen" menar man "ämnen som kan bilda vätebindningar", i alla fall när det handlar om vattenlösningar.

Vattenmolekyler är polära, de kan inte sluta vara det. Den hydrofoba effekten är att vattenmolekylerna håller ihop med varandra (med vätebindningar) och inte släpper in några opolära ämnen. Vatenmolekylerna beter sig alltså som riktiga mobbare! De opolära ämnena kan i alla fall klumpa ihop sig med varandra, så de slipper vara alldeles ensamma. Det är väl detta som kallas hydrofob effekt - att de opolära ämnena dras till varandra (fast det gör de inte, egentligen).

Tack för svaret.

Smaragdalena skrev:

Nej, det är inte några kemiska reaktioner som sker, däremot bildas det svaga (intermolekylära) bindningar, d v s bindningar mellan en partikel och en annan partikel. Svaga van der Waals-krafter kan alltid bildas, men om de starkare vätebindningarna kan bildas, kan vdW-bindningarna försummas. Vatten är en dipol som kan bilda vätebindningar. När man skriver "polära ämnen" menar man "ämnen som kan bilda vätebindningar", i alla fall när det handlar om vattenlösningar.

Vattenmolekyler är polära, de kan inte sluta vara det. Den hydrofoba effekten är att vattenmolekylerna håller ihop med varandra (med vätebindningar) och inte släpper in några opolära ämnen. Vatenmolekylerna beter sig alltså som riktiga mobbare! De opolära ämnena kan i alla fall klumpa ihop sig med varandra, så de slipper vara alldeles ensamma. Det är väl detta som kallas hydrofob effekt - att de opolära ämnena dras till varandra (fast det gör de inte, egentligen).

Försökte läsa om det i boken igen för att se om jag förstod det bättre men icke. Det jag inte förstår är varför vattnet ökar i entropi och varför det gör att vattnet inte kan tränga igenom cellens yttersta lager. Jag vet att bara opolära ämnen kan tränga igenom men vattnet är ju polärt från början så varför behöver det ha högre entropi? Vad skulle hända om vattnet utanför cellen uppnådde ett mer ordnat tillstånd? Skulle cellen lösas upp då?

Läste även den här tråden som har en likande frågeställning men det är fortfarande oklart hur vattnet interagerar med det polära hydrofila lagret i en fosfolipid.

https://www.pluggakuten.se/trad/hydrofob-effekt-uppstar-pga-hog-entropi/

Vattnets blandning med icke-polära ämnen leder till en förändring i vattnets entropi, som då minskar, vilket kanske inte är intuitivt. Denna förändring av vattnets entropi kan användas för att förklara den hydrofoba effekten. Som Smaragdalena skrev bildar vatten gärna dynamiska vätebindningar, som hela tiden bildas och bryts. När ett icke-polärt ämne tillsätts till vattnet (eller tvärt om) störs vattnets vätebindningar.

Skulle istället vattnet försöka ordna sig runt om det hydrofoba ämnet, skulle vattenmolekylerna bilda ett mer ordnat tillstånd, med ett fåtal vattenmolekyler som binder till varandra och samtidigt omsluter det hydrofoba ämnet likt en bur kring ämnet. I detta mer ordnade tillstånd sitter dessa vattenmolekyler lite mer fast, de kan inte röra sig lika fritt jämfört med om det endast vore vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i burens "väggar" sitter kvar där lite längre, och deras vätebindningar bryts/bildas inte lika snabbt som för "fria" vattenmolekyler i lösningen, och de burbildande vattenmolekylerna blandar sig därför inte heller lika mycket med resten av vattenmolekylerna. Och en sådan ökad ordning leder till en en minskad entropi, jämfört med vattenmolekylerna i "bara vatten".

När vattenmolekylerna istället fortsätter att snabbt/dynamiskt bilda och bryta vätebindningar till varandra, och exkludera det hydrofoba ämnet, så kommer vattnets entropi att fortsätta vara hög. Att vattnet exkluderar hydrofoba (icke-polära) ämnen bibehåller en ett tillstånd med hög entropi, medans motsatsen att vattnet ordnar sig runt om det hydrofoba ämnet, leder till en lägre entropi. Och den lägre entropin är termodynamiskt sätt inte gynnsamt. Gibbs fria energi är helt enkelt högre om vattenmolekylerna skulle omsluta det hydrofoba ämnet.

Att vattenmolekylen inte kan tränga igenom cellens membran kan förklaras med den hydrofoba effekten, och förenklas till att vattenmolekylen kemiskt inte kommer att kunna lösa sig tillräckligt länge i membranets hydrofoba mitt för att kunna ta sig hela vägen genom membranet själv. Det är med andra ord mycket mer sannolikt att en vattenmolekyl, som börjar försöka tränga sig igenom membranets hydrofoba del, kommer att kastas ut till vattnet igen, jämfört med att vattenmolekylen lyckas tränga sig in mellan lipiderna hela vägen genom membranet.

Skulle vattnet utanför (och inuti) cellen nå ett mer ordnat tillstånd, d.v.s. kylas ner till nära noll och sedan frysa, så kommer ju vattnets volym som bekant att öka, och cellen spricka/skäras sönder av de bildade iskristallerna.

mag1 skrev:

Vattnets blandning med icke-polära ämnen leder till en förändring i vattnets entropi, som då minskar, vilket kanske inte är intuitivt. Denna förändring av vattnets entropi kan användas för att förklara den hydrofoba effekten. Som Smaragdalena skrev bildar vatten gärna dynamiska vätebindningar, som hela tiden bildas och bryts. När ett icke-polärt ämne tillsätts till vattnet (eller tvärt om) störs vattnets vätebindningar.

Skulle istället vattnet försöka ordna sig runt om det hydrofoba ämnet, skulle vattenmolekylerna bilda ett mer ordnat tillstånd, med ett fåtal vattenmolekyler som binder till varandra och samtidigt omsluter det hydrofoba ämnet likt en bur kring ämnet. I detta mer ordnade tillstånd sitter dessa vattenmolekyler lite mer fast, de kan inte röra sig lika fritt jämfört med om det endast vore vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i burens "väggar" sitter kvar där lite längre, och deras vätebindningar bryts/bildas inte lika snabbt som för "fria" vattenmolekyler i lösningen, och de burbildande vattenmolekylerna blandar sig därför inte heller lika mycket med resten av vattenmolekylerna. Och en sådan ökad ordning leder till en en minskad entropi, jämfört med vattenmolekylerna i "bara vatten".

När vattenmolekylerna istället fortsätter att snabbt/dynamiskt bilda och bryta vätebindningar till varandra, och exkludera det hydrofoba ämnet, så kommer vattnets entropi att fortsätta vara hög. Att vattnet exkluderar hydrofoba (icke-polära) ämnen bibehåller en ett tillstånd med hög entropi, medans motsatsen att vattnet ordnar sig runt om det hydrofoba ämnet, leder till en lägre entropi. Och den lägre entropin är termodynamiskt sätt inte gynnsamt. Gibbs fria energi är helt enkelt högre om vattenmolekylerna skulle omsluta det hydrofoba ämnet.

Att vattenmolekylen inte kan tränga igenom cellens membran kan förklaras med den hydrofoba effekten, och förenklas till att vattenmolekylen kemiskt inte kommer att kunna lösa sig tillräckligt länge i membranets hydrofoba mitt för att kunna ta sig hela vägen genom membranet själv. Det är med andra ord mycket mer sannolikt att en vattenmolekyl, som börjar försöka tränga sig igenom membranets hydrofoba del, kommer att kastas ut till vattnet igen, jämfört med att vattenmolekylen lyckas tränga sig in mellan lipiderna hela vägen genom membranet.

 

Skulle vattnet utanför (och inuti) cellen nå ett mer ordnat tillstånd, d.v.s. kylas ner till nära noll och sedan frysa, så kommer ju vattnets volym som bekant att öka, och cellen spricka/skäras sönder av de bildade iskristallerna.

Tack! Äntligen en utförlig förklaring som förklarar entropin väldigt bra. Dock verkar det som att vattnet faktiskt kan tränga igenom membranet. När jag frågade min lärare om detta började han prata om osmos. Då fick jag även veta att vattnet tränger igenom membranet för att utjämna skillnader i koncentration, av till exempel salter på olika sidor om membranet. Vattnet fungerar då som lösningsmedel. Det blir lite motsägelsefullt i sammanhanget.

Så om jag förstår det rätt är den hydrofoba effektens uppgift att hålla ihop membranet, som utgör en slags filter för cellen, där bara vissa ämnen släpps igenom?

Teoretiskt sätt kan vatten ta sig igenom ett fosfolipidmembran, men det är inga betydande mängder vattenmolekyler som gör detta (p.g.a. av membranets sammansättning). Men vatten behöver komma in i cellen, eller ut ur cellen, vilket sker hela tiden, och vid osmos. Men då det är så svårt för vattnet att ta sig genom membranet, användes vattenkanaler aquaporiner. Genom dessa kanaler kan vattnet flöda in/ut ur cellen, då aquaporinets mitt, "poren", är hydrofil, och omges av hydrofoba delar, vilka gärna interagerar med de hydrofoba lipiderna. Membranproteinet aquaporin skapar på så vis en hydrofil por/kanal, rakt genom cellmembranet. Cellerna i vår kropp har aquaporiner i sitt cellmembran, just för att kunna låta vatten lämna cellen, eller komma in i cellen, på ett effektivt och selektivt vis. Och om vatten kommer in i cellen, eller lämnar cellen, beror koncentrationen av osmotiskt aktiva ämnen i/utanför cellen. Finns det en högre koncentration osmotiskt aktiva ämnen i cellen dras vatten in i cellen, genom osmos, och omvänt.

Skulle inte cellmembranet vara (i princip) ogenomträngligt för vatten, skulle vatten och vattenlösliga ämnen diffundera in/ut ur cellen. Cytoplasman skulle då få motsvarande sammansättning av vattenlösliga ämnen som utsidan av cellen, vilket t.ex. skulle göra det omöjligt för en alg eller bakterie att överleva i vatten, alla bildade organiska ämnen och lösta joner skulle då lämna cellen.

mag1 skrev:

Teoretiskt sätt kan vatten ta sig igenom ett fosfolipidmembran, men det är inga betydande mängder vattenmolekyler som gör detta (p.g.a. av membranets sammansättning). Men vatten behöver komma in i cellen, eller ut ur cellen, vilket sker hela tiden, och vid osmos. Men då det är så svårt för vattnet att ta sig genom membranet, användes vattenkanaler aquaporiner. Genom dessa kanaler kan vattnet flöda in/ut ur cellen, då aquaporinets mitt, "poren", är hydrofil, och omges av hydrofoba delar, vilka gärna interagerar med de hydrofoba lipiderna. Membranproteinet aquaporin skapar på så vis en hydrofil por/kanal, rakt genom cellmembranet. Cellerna i vår kropp har aquaporiner i sitt cellmembran, just för att kunna låta vatten lämna cellen, eller komma in i cellen, på ett effektivt och selektivt vis. Och om vatten kommer in i cellen, eller lämnar cellen, beror koncentrationen av osmotiskt aktiva ämnen i/utanför cellen. Finns det en högre koncentration osmotiskt aktiva ämnen i cellen dras vatten in i cellen, genom osmos, och omvänt.

Skulle inte cellmembranet vara (i princip) ogenomträngligt för vatten, skulle vatten och vattenlösliga ämnen diffundera in/ut ur cellen. Cytoplasman skulle då få motsvarande sammansättning av vattenlösliga ämnen som utsidan av cellen, vilket t.ex. skulle göra det omöjligt för en alg eller bakterie att överleva i vatten, alla bildade organiska ämnen och lösta joner skulle då lämna cellen.

Perfekt. Nu faller alla pusselbitarna på plats. :)