Сильное взаимодействие молекул воды за счет водородных связей и то, что эти связи возможны лишь при
определенной взаимной ориентации молекул, приводит к так называемому гидрофобного эффекта при погружении в воду неполярных молекул.
Неполярность молекулы означает, что она не способна образовывать водородные связи. А молекулы воды не только способны, но и стремятся обязательно их создать, поскольку энергия связи является высокой, терять его очень невыгодно. Единственный выход для молекул воды? создать связи между собой. Однако неполярная поверхность создает препятствия: как видно из рис. 1.10, группа ОН верхней молекулы смотрит? на неполярных (гидрофобных) поверхность и не может быть задействованной в образовании водородной связи. При сохранении водородных связей молекулам воды приходится платить ростом упорядоченности? они формируют вблизи гидрофобной поверхности, как показано на рис. 1.10, упорядоченный кригоподибний кластер.
Таким образом, погружение гидрофобной молекулы в водное окружение за счет снижения энтропии является очень невыгодным энергетически. Поскольку гидрофобный эффект имеет энтропийные природу, а энтропийный вклад в свободную энергию растет с температурой (уравнение (1.2)), эффективность гидрофобных взаимодействий увеличивается при повышении температуры (растет эффект освобождения воды в среду, где движение молекул воды ускоряется). Именно этим ростом гидрофобного эффекта объясняется хорошо известное снижение растворимости в воде не-полярных молекул газов при повышении температуры. Для биологических систем это также имеет большое значение: повышение температуры, даже не очень значительное (до 35? 37 ° С), изменяет энергетический баланс межмолекулярных взаимодействий и приводит в пойкилотермных организмов к так называемого теплового шока (см. главу 8).
Гидрофобные взаимодействия являются чрезвычайно важными для живых систем. Достаточно сказать, что именно они лежат в основе образования клеточных мембран, без которых существование клетки было бы невозможным. В следующих разделах будет показано, что гидрофобные взаимодействия играют также ведущую роль в поддержании структуры биологических макромолекул.