水和油不能相溶：疏水性这个词一般用来形容一些物质如油与水不能相溶。虽然看起来好像是水排斥油，但实际上水和油的分开并不是因为水和油分子之间互相排斥，而主要是因为水分子之间的氢键。每个水分子可以形成四个氢键——它的两个氢原子分别与另两个水分子的氧原子形成一对氢键，而它的氧原子与另外两个水分子的氢原子又形成两对氢键。冰就是由这样依靠氢键结合在一起的水分子有序排列而形成的四面体晶体，而水却是由这些水分子无规则排列而形成的网络结构。

水分子和油分子实际上也是相互吸引的，但它们之间的作用力却比水分子之间的作用力要小好多。如果水分子间有足够多的油分子，就会减弱氢键的结合力。水分子之间的相互吸引使水分子和油分子分开，并使油分子间形成了有效的结合力。物以类聚，人以群分说的也就是这个道理。这种由水分子诱导而使油分子相互聚合在一起的反应就叫作疏水反应。

沃尔特考兹曼在20世纪50年代发现，疏水反应有利于蛋白质保持稳定。蛋白质是氨基酸组成的肽链，它的氨基酸顺序决定了它特异的、功能性的三维结构。沃尔特考兹曼认为，氨基酸分子要么是疏水的，要么是亲水的，一条肽链将会折叠成一定构象，以便使疏水氨基酸尽量不与水分子接触。当人们可以用X-线晶体衍射法来获得蛋白质的结构后，沃尔特考兹曼的假设被证明是正确的。但直到现在，人们想通过找到某单一参数或功能作为疏水反应力大小的标准，来对沃尔特考兹曼的假设进行定量研究的尝试还未成功。

这些困难主要是由长度尺度造成的。在适当的条件下，经典的沃尔特考兹曼疏水反应可以出现，但只在水中有大的油性表面的情况下才会出现。当油分子较少时，会出现另一种较弱的疏水反应。因为水分子之间的作用力实在是太强了，因此即使是在只有少量疏水性分子如一个十碳或更少碳原子数目烷链分子存在的情况下，水分子之间的相互作用力依然存在。氢键只在疏水分子的周围存在，在与油性分子紧密接触时，氢键的构象可能会被限制，但整个氢键的数目仍保持相对不变。因此想要水化疏水的溶质，氢键形成方式的数目比氢键本身的结合力大小更加重要。这就是说系统的溶解释放能是熵的而不是焓的。当油性表面扩大时，氢键的几何构型就被破坏了，因为并不是所有的氢键都能接近它的表面。当油性表现越来越大而氢键的数目越来越少时，就会出现另一种较弱的疏水反应。正是因为失去氢键的这种能量效应促使水和油的分开。

分子大小对溶解性大小不同的疏水溶质的水化过程有何影响呢？对体积较小的溶质来说，它所影响的水分子数目是与它的体积成正比的。因而溶解释放能也与它的体积成正比。根据乙烷、丙烷和其他类似分子的溶解释放能已知其比率常数为1108焦耳/立方米。

相反，对于有着较大疏水表面的大体积溶质来说，它的溶解释放能与它和水接触的表面积成正比，其比率常数可从水油交界的表面张力而估计出，大约是6102焦耳/平方米。因此当其表面积超过1纳米时，使这些分子聚合在一起时所释放的能量要比使它们分开的熵损失要大，而分子数较少的溶质结合在一起时所释放的能量不足以使它克服其热能而聚集在一起。

疏水性分子想要聚合在一起，需要它与水接触表面上的氢键全部断裂开，这就如同水想要变成水蒸气时水分子之间的氢键也必须全部断裂一样。疏水性分子想要聚合在一起也需要将它们之间的水分子排开。因此，如果水分子越容易进行液气态转换，与其接触的疏水性分子就越容易聚集在一起，这也解释了为什么蛋白质分子在低温和高压时容易变性。降低温度和升高压力都使水分子不易进行液气态转换。而且升高温度可以增加小体积的、分散的疏水分子的溶解释放能，因为这些溶质的水化过程是熵的，但这同时也减少了大体积的疏水性分子的溶解释放能，因为它们的水化过程是焓的。如果在水性环境中溶质小于1纳米或更小，如水和酒精分子混合在一起时，氢键在它们中间存在就如同在水分子间存在一样。

在没有水的环境下，疏水反应当然也就不会出现，但是易溶的、非极性的大分子的溶解释放能是无法克服的，而在溶液中加入足够数目的极性和带电基团就可补偿这一损失。因此，大的非极性分子可以很容易的与水相溶。大自然利用了这种态间分离的现象造成了非极性物质的局部富集。这种集合最小可到纳米数量级，因为这恰好就是水分子和非极性分子分离的临界范围。

上面所说的可能解释了蛋白质在折叠时各亚基之间是如何配合协作的。这是一个值得进行实验研究的课题。

[Nature，2002年5月30日]