Samoorganizacja molekularna - proces spontanicznej
samoorganizacji
cząsteczek
w struktury ponadcząsteczkowe, zwane supramolekularnymi. Zjawiskiem tym zajmuje się
chemia supramolekularna
.
Przyczyny samoorganizacji
W zasadzie wszystkie przypadki samoorganizacji molekularnej są wynikiem działania
anizotropowych
(czyli ukierunkowanych przestrzennie)
oddziaływań międzycząsteczkowych
wynikających ze struktury chemicznej cząsteczek tworzących dany samoporządkujący się system. Struktura ta wymusza taki układ cząsteczek, w którym
energia
oddziaływań międzycząsteczkowych jest jak najniższa. Zysk energetyczny tworzenia się takiego uporządkowanego układu musi być na tyle duży aby skutecznie przeciwdziałać tendencji do tworzenia się układu posiadającego maksymalny poziom
entropii
, czyli maksymalnie nieuporządkowanego.
W kategoriach
termodynamicznych
warunkiem samoorganizacji
układu
jest ujemna wartość
energii swobodnej
(ΔG < 0) procesu tworzenia się uporządkowanych struktur nadcząsteczkowych:
- ΔG = ΔH - TΔS
- gdzie:
- ΔH -
entalpia
procesu uporządkowania - odpowiadająca "zyskowi energetycznemu" sumy oddziaływań międzycząsteczkowych na skutek uporządkowania,
- T - temperatura procesu,
- ΔS - zmiana entropii układu na skutek procesu uporządkowania, która ma zawsze wartość ujemną.
Rodzaje i przykłady samoorganizacji
Wyróżnia się:
- między- i
- wewnątrzcząsteczkową samoorganizację molekularną.
Wewnątrzcząsteczkowa organizacja powoduje zwykle przyjmowanie przez cząsteczkę określonego kształtu przestrzennego. Ma to kluczowe znaczenie w układach biologicznych, gdzie ściśle określony kształt przestrzenny cząsteczek decyduje o ich aktywności biologicznej. Przykładem takiego zjawiska jest
zwijanie białka
.
Najprostszym przypadkiem samoorganizacji międzycząsteczkowej jest zwykły proces spontanicznej
krystalizacji
przechłodzonej cieczy, po wrzuceniu do niej małego kryształka.
Bardziej złożonym przypadkiem jest samoorganizacja
surfaktantów
. Surfaktanty to cząsteczki o własnościach
amfifilowych
, t.j. posiadające na jednym końcu grupę
hydrofilową
a na drugim
hydrofobową
. W mieszaninie
wody
z
olejem
tworzą one spontanicznie warstwę na granicy wody i oleju. Przykładem takiej warstwy jest np:
dwuwarstwa lipidowa
, która stanowi podstawowy budulec
błony komórkowej
.
Te same cząsteczki, gdy występują w odpowiednim stężeniu w samej wodzie, tworzą kuliste twory, zwane
micelami
, w których ich hydrofobowe części są skierowane do wnętrza, a na zewnątrz wystają części hydrofilowe. W ten sposób powstaje
emulsja
.
Innym przykładem samoorganizacji molekularnej jest tworzenie się
ciekłych kryształów
. Ciekłe kryształy są tworzone przez długie i sztywne cząsteczki, które w odpowiednich warunkach dążą do układania się w struktury, w których osie cząsteczek są ustawione równolegle do siebie.
Zobacz