Водородная связь

Наряду c Ван-дер-ваальсовыми и гидрофобными взаимодействиями водородные связи являются важнейшими для формирования биомакромолекул. Биополимеры функционируют в водном окруже­нии. Вода - особая жидкость, обладающая рядом аномалий, которые обусловлены во многом водородными связями. Понятие «водород­ная связь» было впервые введено в 1920 г. Латимером и Родебушем. Природа водородной связи специфична. Атом Н не обобществляется. Методом - нейтроно­графии установлено, что обычная связь 0-Н – короче, а значит и прочнее. Водородная связь всегда образуется между заряженными атомами, и она определяет структуру и свойства воды и даже макро­молекулы.

Вода, как один из основных компонентов биологических систем, обладает весьма необычными свойствами. В отличие от многих других жидкостей, для воды характерно увеличение объема при замерзании. При плавлении льда происходит уменьшение объема и при 4°С вода имеет максимальную плотность: при 273,15 К ρ=0,9167*103кг*м-3. при 277,15 К =1*103кг*м-3. Вода кипит и затвердевает при аномально высоких, для ее малого молекулярного веса, температурах. Действительно, вода — Н2О — кипит при 373оК, а твердеет при 273оК, в то время как О2 кипит при 90оК и твердеет при 54оК; Н2 кипит при всего 20оК и плавится при 4 оК; СН4 кипит при 114оК Все эти аномалии связаны со структурой вода.

Водородная связь молекул воды носит электрическую природу. То, что она связана именно с электронами и зарядами, а не с ядрами водородных атомов, прямо следует из того, что температуры и теплоты кипения и плавления легкой (Н2О) и тяжелой (D2О) воды практически совпадают, — несмотря на двукратное различие в массах ядер D и Н.

Все электронное облако атома водорода (у водорода только 1 электрон) сильно смещено к атому, с которым водород ковалентно связан, отталкивание оболочек контактирующих партнеров мало и притяжение зарядов может их еще более сблизить.

Каждая молекула воды может выступать донором и акцептором водо­родных связей, в результате чего вода сильно ассоциирована с коор­динационным число 4. Атомы кислорода молекул воды 1,2, 3 и 4 располагается в вершинах тетраэдра, в центре которого размещает­ся молекула воды "О". Одновременно каждая молекула тетраэдра свя­зана водородными связями с соседними молекулами воды. Это способ­ствует образованию трехмерной сетки водородных связей. Если моделировать молекулы воды в виде шариков радиусом 0,14 нм, то структура льда да представляет плотную упаковку. Образуется ажурная конструк­ция, скрепленная водородными связями. В результате наличия внут­ренних пустот кристаллическая вода представляет собой рыхлую структуру с меньшей плотностью.

Водородная связь образуется между полярными грушами, содержащими атом водорода (О-H, N-Н, S-H) и такими атомами, как 0, N, S. Водородные связи имеют резко направленным характер обозначаются пунктирными линиями. Энергия водородных связей -4... -30 кДж*моль. Раньше считалось, что водородная связь обусловлена в значительной мере электростатическим притяжением, возникающим из-за наличия нескомпенсированного положительного заряда на водороде и электроотрицательного заряда на атомах 0, N, S. Квантово-механические расчеты показали, что наряду с электростатическим взаимодействием определенный вклад в энергии водородной связи вносит дисперсионное взаимодействие между атомами. Водородные связи играют главную роль в стабилизации вторичной структуры белков (связь между пептидными группами) и вторичной структурой ДНК (связь между основаниями).

Водородная связь осуществляется между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом кислорода (О), азота (N), фтора (F), или хлора (Cl), принадлежащего другой молекуле (известны случаи образования и внутримолекулярных водородных связей). Природа водородной связи сложна и не сводится только к электростатическому притяжению, хотя оно и дает основной вклад в энергию водородной связи.