Warum löst das Zytosol die polaren Strukturen nicht auf?

Viele Zellbestandteile sind nicht einfach nur hydrophob oder hydrophil, sondern haben doppelte Affinitäten. Proteine ​​haben typischerweise Strukturen, die dazu führen, dass das Innere des Proteins hydrophob ist und das Äußere, das dem Wasser im Zytosol ausgesetzt ist, hydrophil ist. Somit ermöglichen Unterschiede in der Polarität zwischen verschiedenen Regionen, dass Proteine ​​​​im Zytosol gelöst werden, während immer noch eine stabile Struktur beibehalten wird.

In ähnlicher Weise besteht die Lipiddoppelschicht aus Phospholipiden, die als "Schwänze" hydrophober Kohlenstoffketten beschrieben werden können, die mit hydrophilen Phosphat-"Köpfen" verbunden sind. Die Phospholipid-Doppelschicht ist so organisiert, dass sich die Phosphatköpfe auf der Oberfläche jeder Seite der Doppelschicht befinden, wobei die Kohlenstoffketten von jeder Seite der Doppelschicht im Inneren miteinander verflochten sind.

NACHTRAG

Wasser kann die intramolekularen Wasserstoffbrücken durch Bindung an die Donoren/Akzeptoren aufbrechen. Wasser kann aber in vielen Fällen auch wie eine Brücke wirken und die Proteinstrukturen stabilisieren. Wie bereits von jarlemag betont, können die hydrophoben Reste schiebendas Wasser aus den Taschen, in denen intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden sollen. Sie können feststellen, dass die Kerne der Proteine ​​​​meistens hydrophob sind, während die Oberfläche hydrophil ist. Wasser spielt also eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Struktur. Daher benötigen viele Proteine ​​die Unterstützung von Chaperonen, um sich zu einer stabilen Struktur zu falten; einmal gefaltet behalten sie ihre Struktur bei, während sie in Wasser suspendiert bleiben (ich verwende den Begriff suspendiert, weil Proteine ​​keine echten Lösungen bilden: sie bilden eine kolloidale Mischung). Chaotrope Mittel wie Harnstoff üben ihre denaturierende Wirkung aus, indem sie Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen sowie die Entropie der Wassermoleküle um die hydrophoben Bereiche herum erhöhen und dadurch die Nettohydrophobie verringern.

(ich hoffe es ist jetzt klar)

Diese Antwort fügt den anderen nichts hinzu, ist jedoch ein Versuch, dies in einer anderen Sprache zu erklären.

"Meine Frage ist, warum das Wasser des Cytosols den ionischen Teil der Lipiddoppelschicht nicht auflöst"

In gewisser Weise tut es das. Siehe mein Diagramm unten. Die Doppelschicht besteht aus Phospholipiden, klassischen Amphiphilen mit einer polaren Kopfgruppe und einer unpolaren Schwanzgruppe. Die polare Kopfgruppe kann über Wasserstoffbrücken günstig (im thermodynamischen Sinne) mit dem Cytosol wechselwirken. Im Gegensatz dazu können die Kohlenwasserstoffschwänze nicht über Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser wechselwirken. Das bedeutet, dass sie dem umgebenden Wasser eine Struktur aufzwingen, die die Entropie des Systems verringert (ungünstig). Die thermodynamische Lösung dafür besteht darin, dass sich die Doppelschicht bildet – dies maximiert die Wechselwirkungen zwischen den Kopfgruppen und der wässrigen Umgebung und minimiert die ungünstigen Wechselwirkungen zwischen den Schwanzgruppen und dem Lösungsmittel. Ein vorteilhafter Nebeneffekt ist, dass die dichte Packung der Schwanzgruppen die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen ihnen maximiert.

Alles in allem ist die „geordnete“ Natur der Doppelschicht stabil, weil sie durch erhöhte Unordnung des Lösungsmittels und günstige Wechselwirkungen zwischen den Kohlenwasserstoffschwänzen bezahlt wird.

Genau die gleichen Argumente gelten für Proteine: Proteine ​​falten sich, um die Exposition unpolarer Aminosäureseitenketten zu minimieren.

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