Hidrofobik Etki

Açılış sahnesi

Biyokimya otoanalizörünün ekranında sarı bir uyarı yanıyor: acil servisten gelen bir serumda lipemi indeksi yüksek. Cumartesi sabahı, saat yediyi yirmi geçiyor ve laboratuvarda nöbeti Güllizar Hanım tutuyor. Numune kabulden tüpü getiren Turgut Bey onu pencereye doğru kaldırıyor. Serum saman sarısı olması gerekirken sulandırılmış süt gibi bulanık.

Güllizar Hanım tüpü yüksek devirli santrifüje yerleştiriyor, on dakika sonra çıkarıyor. Tüpün tepesinde krema kıvamında beyaz bir tabaka toplanmış, altındaki serum neredeyse berrak. Turgut Bey tabakaya bakıp gülüyor: "Çarşamba zeytinyağını konuştuk, su ile heksanın arasında bile çekim var dedik. Ama işte, su yağı yine kenara itmiş". Güllizar Hanım pipeti alırken düzeltiyor: "İtmiş mi, yoksa kendine yer açmış mı? Bu sabah onu ayıralım".

Bu derste ne olacak

Su ile yağın ayrışmasını enerji değil düzen üzerinden okuyacaksın. Önce iki sıvı arasındaki yapışma işini yüzey gerilimlerinden hesaplayıp suyun apolar molekülü itmediğini göreceksin. Sonra ölçülmüş bir çözünme tablosunda serbest enerjiyi iki parçaya bölecek, sıcaklığın ve molekül boyutunun tabloyu nasıl değiştirdiğini tartışacaksın. En sonda damlaların birleşmesini, sabun benzeri moleküllerin kümelenmesini ve safra tuzlarının yağ sindirimindeki işini aynı ilkeyle ele alacağız.

Metin

Çekim var, itme yok

Van der Waals etkileşimlerini işlediğimiz derste (L02-P06-M02-D05) dağılma kuvvetinin elektronu olan her molekül çifti arasında bulunduğunu görmüştük. Su ile heksan da bu kuralın dışında değil. Asıl soru, bu çekimin boyunun karışmayı açıklayıp açıklamadığıdır.

Yüzey gerilimi bir sıvının yüzeyini bir metrekare büyütmenin bedelidir. Oda sıcaklığında su için yaklaşık 72, heksan için 18 mN/m ölçülür; heksan ile su arasındaki arayüzün gerilimi 51 mN/m civarındadır. Chaudhury'nin 1996'daki yüzey kimyası derlemesi heksan için 25 °C'de 18,4 veriyor ve alkan–su arayüzünü 50 dolayında gösteriyor, Münih Üniversitesi'nin arayüz bilimi ders notu da 51, 18 ve 72 değerlerini yazıyor.

Bu üç sayıdan yapışma işi hesaplanır: bir metrekarelik su–heksan temasını koparıp iki ayrı yüzey açmanın bedeli. W = 72 + 18 − 51 = 39 mJ/m² çıkar. Heksanı heksandan koparmanın bedeli ise 2 × 18 = 36 mJ/m²'dir. Oran 39 ÷ 36 ≈ 1,08 olur; su bir heksan molekülünü, heksanın kendi komşusunu tuttuğundan biraz daha güçlü çeker. Suyu sudan ayırmak ise 2 × 72 = 144 mJ/m² ister ve 39 ÷ 144 ≈ 0,27 bulunur. Su heksana, kendine gösterdiği çekimin dörtte birini gösteriyor.

Ağın düzen bedeli

Hidrojen bağı dersinde (L02-P06-M02-D04) sıvı sudaki her molekülün komşularına sürekli bağ verip aldığını görmüştük. Bir heksan molekülü suya girdiğinde ağda bir boşluk açılır. Boşluğun kenarındaki su molekülleri bağlarını koparmamak için yönlerini daraltır: bir kolunu apolar yüzeye doğrultmak yerine bağlarını boşluğun çevresinde teğet dizer. Bağ sayısı pek azalmaz, ama her molekülün seçebileceği yön sayısı azalır.

Bu dersin ihtiyacı kadarını söylemek yeter: kendi kendine gerçekleşen bir süreçte ΔG = ΔH − TΔS eksi olmalıdır. ΔH bağ ve çekimlerin enerji hesabını, −TΔS ise düzenin bedelini taşır. Entropinin tam tanımı, Gibbs serbest enerjisinin türetilmesi ve denge sabitiyle bağı Termodinamik ve Kinetik modülünde ayrıntılı işlenecek.

Walter Kauzmann 1959'da Advances in Protein Chemistry'deki uzun derlemesinde (14: 1–63) apolar grupların sudan kaçışını proteinlerin kararlılığında başlıca etkenlerden biri olarak öne sürdü. Charles Tanford'un 1973'te Wiley'den çıkan The Hydrophobic Effect kitabı aynı ilkeyi misellere ve biyolojik zarlara taşıdı.

Apolar yüzeyin çevresindeki suyun nasıl dizildiği için 1945'te Frank ile Evans'ın önerdiği "buzdağı" benzetmesi uzun süre ders kitaplarında kaldı. Bugün bu tablo tartışmalıdır. Bazı spektroskopi ve benzetim çalışmaları kabuktaki su moleküllerinin dönmesinin yavaşladığını gösterir, bazıları ise kabukta buza benzer katı bir düzen bulmaz. Güvenle söylenebilen daha dar bir iddiadır: kabuktaki suyun hareket ve yön seçenekleri kısıtlanır.

Bir tabloyu ikiye bölmek

LibreTexts'in iki ayrı biyokimya ders kitabı, saf sıvı hâlindeki alkollerin suya aktarılmasına ait 25 °C ölçümlerini aynı tabloyla veriyor; entalpi sütunu kalorimetreyle ölçülmüş. Aşağıda kalori cinsinden verilen değerler 4,184 ile çarpılarak kilojoule'e çevrildi, −TΔS de tablodaki entropiden 298,15 K ile hesaplandı.

Bütanolun satırı dersin tezini tek başına taşıyor. ΔH eksidir: alkol molekülü suya girdiğinde ısı açığa çıkar, yani enerji hesabı çözünmeden yanadır. Buna karşılık −TΔS artıdır ve büyüktür. Oranı hesaplarsak 19,46 ÷ 10,04 ≈ 1,94 çıkar. Düzen bedeli, sonuçtaki serbest enerji engelinin neredeyse iki katıdır ve lehteki entalpiyi silip üstüne bir o kadar ekler.

Bu sayıyı bağımsız bir yoldan sınayabiliriz. PubChem'in derlediği veriye göre 25 °C'de bir litre suda en çok kabaca 0,92 mol bütanol çözünür. Mol kesri 0,0175 civarındadır ve −RT ln x bağıntısı 10,0 kJ/mol verir; tablodaki 10,04 ile uyuşur. Pentanolda aynı yol 13,4 kJ/mol verir, tablo 13,48 der.

Tablonun ikinci dersi zincir uzunluğudur. Etanoldan pentanola her CH₂ grubu serbest enerji engelini aynı ölçüde büyütüyor: (13,48 − 3,18) ÷ 3 ≈ 3,43 kJ/mol. Aynı dört satırda ΔH biraz daha az eksiye kayarken −TΔS düzenli olarak büyüyor. Uzayan her apolar parça suyun çevresinde daha geniş bir kabuk açıyor ve bedel oradan geliyor.

Sıcaklık ve boyut

Düzen bedelinin payı sabit değildir. Robert Baldwin 1986'da PNAS'ta altı sıvı hidrokarbonun suya aktarılmasına ait kalorimetri verilerini bir araya getirdi. Verilerden dışdeğerlenen, aktarma entropisinin sıfıra indiği sıcaklık altısında da neredeyse aynıydı: 112,8 ± 2,2 °C. Baldwin'in özetine göre hidrofobik etkileşim 22 °C'de entropinin, 113 °C'de entalpinin sürüklediği bir süreçtir. Oda sıcaklığında suyun ağı sıkıdır ve kabuk düzeni pahalıdır. Isınan su zaten daha düzensiz olduğundan kabuğun ek bedeli azalır, entalpi payı öne çıkar.

Boyut da tabloyu değiştirir. David Chandler 2005'te Nature'da yayımladığı derlemede (437: 640–647) küçük ve büyük apolar yüzeylerin farklı çözündüğünü anlattı. Bir metan molekülü kadar küçük bir boşluğun çevresinde su bağlarını teğet dizerek neredeyse hiçbirini kaybetmez; bedeli çoğunlukla entropiktir. Bir nanometreyi aşan geniş ve düz bir yüzeyde ise bağların bir kısmını gerçekten koparmak zorunda kalır. Yüzey artık hava ile suyun arasındaki bir arayüze benzer, bedelin entalpi payı artar. İki rejim arasındaki geçiş nanometre ölçeğindedir.

Damlalar neden birleşir

Bedel apolar yüzeyin alanıyla büyüdüğüne göre, en ucuz düzen apolar molekülleri toplam yüzeyi en küçük olacak biçimde bir araya getirendir. Bin küçük damlayı tek bir damlada birleştirelim. Hacim korunduğu için büyük damlanın yarıçapı küçüğünkünün 1000'in küp kökü kadarı, yani on katıdır. Yüzey yarıçapın karesiyle büyür: büyük damla bir küçük damlanın yüz katı yüzeye sahiptir. Önceki toplam bin küçük damlanın yüzeyi olduğundan 1000 ÷ 100 = 10 bulunur; birleşme suyla temas eden alanı onda birine indirir.

Genel kural, n eşit damla birleştiğinde toplam alanın n'nin küp kökü kadar küçülmesidir. Güllizar Hanım'ın tüpündeki beyaz tabaka bu kuralın tek yönlü sonucu gibi görünse de biraz farklıdır. Lipemik serumdaki yağ çıplak damlalar hâlinde değil, başta kilomikronlar olmak üzere iri lipoprotein tanecikleri içinde taşınır. Tanecikler düşük yoğunlukludur ve santrifüjde kaynaşmadan yüzeye çıkar. Onları suda dağılmış tutan şey, yüzeylerindeki iki yüzlü moleküllerdir.

İki yüzlü moleküller

Amfipatik moleküller suda belli bir derişimin üstünde kendiliğinden kümelenir. Kuyruklar içe toplanıp sudan saklanır, başlar dışarıda suya döner.

Mukerjee ile Mysels'in 1971'de ABD Ulusal Standartlar Bürosu için hazırladığı derleme, kritik misel derişimlerini güvenilirlik derecesiyle listeler. Aşağıdaki 25 °C değerleri o derlemeden alındı; Wikipedia'nın kritik misel derişimi tablosu sekiz ve on dört karbonluk satırlarda aynı değerleri, on iki karbonda 8,2 yerine 8,3 veriyor.

Her iki karbonlu adımda derişim yaklaşık dörtte birine iniyor: 130 ÷ 33 ≈ 3,94, 33 ÷ 8,2 ≈ 4,02 ve 8,2 ÷ 2,1 ≈ 3,90. Tek bir CH₂ grubu kümelenme eğilimini kabaca iki katına çıkarıyor. Uzun kuyruk sudaki yalnızlığa daha az dayanır.

Fosfolipitlerin iki kuyruğu tek bir küreye sığmayacak kadar hacimlidir, bu yüzden kümelenmeleri başka bir biçim alır.

Hücre zarının bütünlüğü bir kovalent bağ ağına dayanmaz. Lipitler zarda yanlamasına kayabilir ve zar yırtıldığında kenarlar kendiliğinden kapanmaya yönelir, çünkü açık bir kenar kuyrukları suya gösterir. Kilomikronun kabuğu ise tek bir fosfolipit katmanıdır. İçteki trigliserit çekirdeğine kuyruklarını, plazmaya başlarını çevirir ve yüzeydeki apolipoproteinler taneciği tanınır kılar.

Safra tuzları kolesterolden türeyen düzlemsel moleküllerdir; bir yüzleri hidroksil gruplarıyla polar, öteki yüzleri apolardır. İnce bağırsakta yağ damlalarını küçük parçalara ayrılmış hâlde tutarlar. Yağı parçalayan pankreas lipazı yalnız yağ ile suyun arayüzünde çalışabildiği için bu önemlidir. Bir milimetre çaplı bir damla bir mikrometrelik damlalara bölünürse çap bin kat küçülür ve hacim korunduğu için 10⁹ damla çıkar. Her küçük damlanın yüzeyi büyüğünkünün 10⁶'da biridir, dolayısıyla toplam alan 10⁹ ÷ 10⁶ = 1000 kat büyür. Lipazın ayırdığı yağ asitleri ve monogliseritler safra tuzlarıyla karışık miseller kurarak bağırsak duvarının yüzeyine taşınır. Bu mekanizma bir beslenme önerisi değil, ilkenin bedende nasıl çalıştığının bir örneğidir.

Analizörün başına dönüş

Güllizar Hanım berrak alt katmandan pipetle örnek alıp cihaza yeniden yüklüyor. Turgut Bey beyaz tabakaya bir kez daha bakıyor: "Demek su onları kovmadı. Kendi el ele tutuşmasını bozmamak için yağı bir köşeye topladı". Güllizar Hanım bu cümleyi kabul ediyor, ama bir kayıt düşüyor: tanecikler birbirine kaynaşmıyor, çünkü yüzeylerinde iki yüzlü bir kabuk var. Aynı mantığın, bir proteinin kendi zincirini katlarken apolar yan zincirlerini nereye koyacağını da belirleyeceğini söylüyor. Proteinin içinde hidrofobik bir çekirdek bulunup bulunmadığı sonraki dersin sorusu olacak.

Kendini sına

1. Su ile oktan arasındaki arayüz gerilimi 51 mN/m, oktanın yüzey gerilimi 21,8 mN/m ise yapışma işi ne olur? Oktanın kendi kohezyon işiyle kıyasla.
2. Pentanol satırında −TΔS'nin ΔG'ye oranını hesapla ve bütanolunkiyle karşılaştır. Oran zincir uzadıkça neden küçülüyor?
3. Sekiz eşit damla tek bir damlada birleşirse toplam yüzey hangi orana iner?
4. Baldwin'in sonucuna göre 60 °C'de bir hidrokarbonun sudan ayrılmasında entropinin payı 22 °C'dekine göre nasıl değişir?
5. Dodesil sülfattan heksadesil sülfata geçildiğinde kritik misel derişimi için tablodaki eğilimden bir tahmin yap. Bu tahmin hangi varsayıma dayanıyor?

Bir sonraki derse köprü

Bir protein zinciri suda kıvrılırken lösin, valin ya da fenilalanin gibi apolar yan zincirler nereye gider? Sıradaki mekanizma okuması, Protein Yapısında Zayıf Etkileşimler, bu soruyu hidrofobik çekirdekle açacak, sonra aynı zincirde hidrojen bağlarının sarmal ve tabaka gibi ikincil yapıları nasıl tuttuğunu, zıt yüklü yan zincirler arasındaki tuz köprüsünün ne kadar katkı verdiğini soracak: her biri tek başına zayıf olan bu etkileşimler bir araya geldiğinde katlanmayı nasıl kararlı kılar?