疎水性相互作用（hydrophobic interaction）は、水溶液中で無極性分子が集まる現象を指す。この現象は、単に無極性分子同士の引力ではなく、水という溶媒の特性と分子間の相互作用によって引き起こされる。
本記事では、疎水性相互作用のメカニズムを科学的に掘り下げ、その重要性を具体例とともに説明する。
疎水性相互作用の基本原理
水分子間の水素結合の役割
水分子は極性分子であり、隣接する水分子との間に強力な水素結合を形成する。この水素結合は、エネルギー的に安定な構造を作り出す重要な要因である。無極性分子が水中に存在すると、これらの水素結合が乱される。
無極性分子と水分子の相互作用
無極性分子は極性を持たず、水分子との間で水素結合を形成できない。そのため、無極性分子が水中に溶解すると、周囲の水分子は無極性分子との弱い分散力しか働かず、安定性が低下する。このため、水分子はできる限り自己の間で水素結合を多く形成することで安定化を図る。
エンタルピーとエントロピーの観点からの解析
無極性分子周辺のエンタルピー的影響
無極性分子の周囲では、水分子同士の水素結合が強化されるが、無極性分子との相互作用は弱い。この変化はエンタルピー的に不利な状況を引き起こす。
エントロピー的影響
無極性分子周辺の水分子は、強化された水素結合のために自由度が制限される。具体的には、回転や並進の自由度が低下し、エントロピーが減少する。溶解に伴う全体の自由エネルギー変化（ΔG）は、次式で表される。
ΔG=ΔH−TΔS
ここで、エンタルピー変化（ΔH）が不利であり、エントロピー変化（ΔS）も負となるため、溶解が自発的に進まない。
無極性分子の会合と疎水性相互作用
自由エネルギーの低減
無極性分子が水中で会合すると、無極性分子と水の接触面積が減少する。この結果、疎水性分子周囲の水分子の秩序が緩和され、エントロピーが回復する。同時に自由エネルギー（ΔG）が低下し、熱力学的に安定な状態が得られる。
分散力の役割
無極性分子間には主にロンドン分散力が働くが、これは疎水性相互作用の主要因ではない。むしろ、水分子が形成するネットワークの特性が重要である。
疎水性相互作用の具体例
タンパク質の高次構造形成
疎水性相互作用は、タンパク質が正しい高次構造を形成する際に中心的な役割を果たす。疎水性アミノ酸残基がタンパク質内部に集合し、外部の水と接する部分を減らすことで安定化する。
界面活性剤と脂質二重層
界面活性剤や脂質分子は、疎水性部分と親水性部分を持つ両親媒性分子である。これらが集合してミセルや脂質二重層を形成する際にも疎水性相互作用が駆動力となる。
疎水性相互作用の重要性
疎水性相互作用は、水という特殊な溶媒の性質に依存しており、化学や生物学の広範な分野で重要な役割を果たす。特に、細胞膜の形成やタンパク質の構造解析では、この概念が欠かせない。
練習問題と解説
問題1: 疎水性相互作用において、エントロピーが減少する理由を説明せよ。
解説: 無極性分子周辺の水分子は、強化された水素結合を形成するため、並進や回転の自由度が制限される。これにより、系全体のエントロピーが減少する。
解答: 無極性分子周辺の水分子の自由度が低下するため。
問題2: 疎水性相互作用がタンパク質構造に及ぼす影響を述べよ。
解説: 疎水性アミノ酸残基はタンパク質内部に集合し、疎水性相互作用を形成することで高次構造を安定化する。
解答: 疎水性相互作用により、タンパク質内部で疎水性残基が集合し、構造が安定化する。
問題3: 疎水性相互作用がエンタルピー的に不利である理由を示せ。
解説: 無極性分子は水分子との水素結合を形成できず、周囲の水分子の安定性を低下させる。このため、エンタルピー的に不利な状況となる。
解答: 無極性分子が水分子との水素結合を妨げるため。
