Interacciones hidrofóbicas

Comúnmente se dice que una sustancia es hidrofóbica cuando no es miscible con el agua. Desde el punto de vista químico, las moléculas de la sustancia hidrofóbica no son capaces de interactuar con las moléculas de agua, ni por puentes de hidrógeno ni mediante interacciones ion-dipolo.

Uno de los ejemplos mas frecuentes de sustancias hidrofóbicas son los hidrocarburos saturados. Al hidratar solutos hidrofóbicos las moléculas de agua pasan a estar unidas por enlaces de hidrógeno y sin estructura fija, formando pentágonos y  hexágonos que “encierran” en una especie de “jaula” los dominios y estructuras más apolares.

Esta nueva conformación que toman las moléculas de agua se conoce como clatrato. En la figura que sigue se representa esquemáticamente un clatrato formado alrededor de cadenas apolares de hidrocarburos.

Por otro lado, esta nueva disposición de las moléculas de agua disminuye la entropía de la misma.

Suponiendo que tenemos dos moléculas de hidrocarburo en agua, podrían estar cada una de esas moléculas rodeadas con su clatrato, o las dos juntas con un solo clatrato, como se ve en la siguiente figura:

El estado más estable de los dos será el de menor energía libre DG:

El más estable es el de mayor entropía, o sea, donde hay menor número de moléculas de agua dispuestas en clatratos, por lo tanto  el sistema tiende espontáneamente  a disponerse como en la figura número dos.

Es por eso que cuando intentamos mezclar ciclohexano con agua, por ejemplo, el agua “expulsa” al ciclohexano de su interior. A pesar de que las moléculas del hidrocarburo se unen entre sí por fuerzas de dispersión, la contribución de estas interacciones a la energía del efecto hidrofóbico es muy poca.

Por ejemplo, si al mismo ciclohexano se lo  mezcla con decano, las moléculas no muestran tendencia a unirse entre sí. La interacción hidrofóbica depende casi exclusivamente de la estructura molecular del agua, y aparece siempre que se mezcle agua con otra sustancia incapaz de interaccionar con ella.

Sería importante resaltar que la energía de estas interacciones es mayor cuando sube  la temperatura. La entropía del agua aumenta con la temperatura, en consecuencia  la energía de la reacción hidrofóbica es mayor.

Un ejemplo de interacción hidrofóbica en la estructura celular es la membrana: las moléculas de agua se encuentran dentro y fuera de la bicapa lipídica, muy desordenadas, pero no la atraviesan gracias a su hidrofobia, resultando una estructura muy estable.

Otro ejemplo de las interacciones hidrofóbicas se encuentra en el plegamiento de las proteínas. Los aminoácidos con cadenas laterales no polares tienden a localizarse en el interior de la proteína, en donde se asocian con otras cadenas no polares, mientras que los aminoácidos polares suelen localizarse en la superficie de la proteína, para que la estructura resultante sea lo más estable posible.

Hay algunas excepciones a esta disposición, por ejemplo en las proteínas que cumplen funciones de “poro” o de “canal”, en donde los aminoácidos con cadenas no polares están en contacto con los lípidos de la membrana celular, y los aminoácidos polares se encuentran en el interior de la proteína, realizando el trabajo de poro o canal.