Водневий хімічний зв’язок

Розглядом водневого зв’язку ми завершуємо наше знайомство з типами хімічного зв’язку. І це не випадково.

По-перше, воднева зв’язок – це окремий випадок міжмолекулярної взаємодії. Енергія такого зв’язку приблизно в 10 разів менше, ніж ковалентних і іонних хімічних зв’язків, і складає всього лише 4-40 кДж / моль, т. Е. Вписується в енергетичну характеристику міжмолекулярних сил.

По-друге, розгляд водневого зв’язку дозволить порівняти цю хімічний зв’язок з іншими типами і тим самим узагальнити наші уявлення про природу хімічного зв’язку взагалі.

По-третє, це найбільш значуща на нашій планеті хімічний зв’язок, бо вона визначає структуру сполук, які є носіями життя на Землі (білки і нуклеїнові кислоти), відповідають за збереження і відтворення спадкової інформації живих організмів.

Усі розглянуті раніше типи хімічного зв’язку (згадайте які) мають назви, в основу яких покладено такі хімічні поняття: «іони», «атоми», «метали». А воднева зв’язок – специфічний термін, пов’язаний з конкретним хімічним елементом – воднем. Очевидно, це пов’язано з особливістю будови атома водню, що має один-єдиний валентний електрон. Беручи участь в утворенні хімічного зв’язку, цей електрон оголює крихітне ядро ​​атома водню, що представляє собою не що інше, як звичайний протон.

Освітою межмолекулярной водневого зв’язку пояснюється той факт, що навіть речовини з невеликими відносними молекулярними масами при звичайних умовах являють собою рідини (вода; спирти – метанол, етанол, пропанол; карбонові кислоти – мурашина, оцтова) або легко зріджується гази (аміак, фтороводород).

Механізм утворення водневого зв’язку полягає в електростатичному тяжінні атома водню, що має частковий позитивний заряд, і атома кисню (фтору або азоту), що має частковий негативний заряд.

У освіту водневої зв’язку вносить свій внесок і донорно-акцепторний зв’язок між майже вільними орбиталями атомів водню і неподелён- нимі електронними парами атомів кисню (фтору або азоту). Наприклад, вода асоційована в рідину за рахунок водневих зв’язків, що виникають між молекулами-диполями.

Саме освітою водневих зв’язків пояснюються аномально високі температури кипіння (100 ° С) і плавлення (0 ° С) води. При цьому, на відміну від більшості інших рідин, щільність води при переході в твердий стан (лід, сніг) не збільшується, а зменшується. Це пояснює той факт, що лід легше води і не тоне в ній (рис. 31), а тому глибокі водойми не промерзають зимо до дна, тим самим зберігаючи життя водним мешканцям (рис. 32).

Водневі зв’язки в чималому ступені сприяють утворенню кристалів у вигляді нескінченного розмаїття сніжинок та паморозі (рис. 33).

Вторинна структура молекули білка створюється за рахунок водневих зв’язків
Всі розглянуті вище приклади стосувалися такого різновиду водневого зв’язку, яку називають межмолекулярной водневим зв’язком. Однак ще більш важлива в організації структур молекул біополімерів внутримолекулярная воднева зв’язок. Цей зв’язок визначає вторинну структуру білкових молекул. Поліпептидний ланцюг закручена в спіраль, витки якої утримуються від розкручування за рахунок утворення водневих зв’язків між пептидними фрагментами ділянок білкової молекули (рис. 34).

Будучи дуже неміцною, воднева зв’язок в білках може легко руйнуватися – білки денатурують. Така денатурація може бути оборотною і безповоротною.

Оборотна денатурація білкових молекул має соціальне значення. Так, денатурують факторами білків людського організму можуть служити механічні дії, яким піддаються працівники дорожніх служб, шахтарі, гірники та інші фахівці, що використовують вібруючі інструменти, дія високих температур (робітники гарячих цехів – металурги, скловарів і т. Д.), Електромагнітне випромінювання ( лікарі-рентгенологи, працівники АЕС), хімічний вплив (працівники хімічних виробництв) (рис. 35). Всі перераховані категорії працівників для компенсації шкідливого впливу умов праці на організм користуються передбаченими законодавством РФ пільгами: скорочений робочий день, тривалий оплачувану відпустку, спецхарчування, ранній вихід на пенсію, більш висока заробітна плата.

Необоротна денатурація білка вам добре відома по процесу варіння яєць або приготування м’яса, риби та інших білкових продуктів. Про те, які фактори можуть призвести до руйнування природної структури білкових молекул, красномовно розкажуть нескладні досліди. Якщо до розчину білка курячого яйця прилить трохи етилового спирту або солі важкого металу (мідного купоросу, нітрату свинцю (II)), то неважко буде помітити випадання осаду внаслідок денатурації білка. Аналогічною дією володіє нікотин. Можливо, ці досліди допоможуть вам зрозуміти, як згубні такі шкідливі звички, як куріння і вживання спиртного.

Ділянку подвійної спіралі ДНК
Водневий зв’язок відіграє найважливішу роль в організації структури та функціонування таких природних біополімерів, як нуклеїнові кислоти.

Так, подвійна спіраль (рис. 36) дезоксирибонуклеїнової кислоти – ДНК (з курсу органічної хімії згадайте, з чого вона складається) – побудована в повній відповідності з принципом комплементарності, або додатковості. Він полягає в тому, що навпроти адениновую нуклеотиду (А) однієї полінукле- отідной ланцюга завжди розташовується не будь, а тільки тимінових нуклеотид (Т), а навпроти гуанінових нуклеотиду (Г) – обов’язково цитозинових нуклеотид (Ц) (рис. 37). Вся справа в тому, що між цими нуклеотидами виникають водневі зв’язки: між А і Т – два водневі зв’язки, між Ц і Г – три.

Схема реплікації ДНК
Аналогічну роль грають водневі зв’язки і в процесі передачі спадкової інформації. Так, при Самоудвоение ДНК (цей процес, як ви пам’ятаєте, називають реплікацією) водневі зв’язки розриваються, полінуклеотидні ланцюга розкручуються і розходяться. Кожна ланцюг служить матрицею для утворення на ній комплементарної ланцюга за рахунок виникнення нових водневих зв’язків.

Таким чином, після реплікації утворюються дві дочірні молекули ДНК, в кожній з яких одна спіраль була взята з батьківської ДНК, а друга (комплементарна) спіраль синтезована заново (див. Рис. 37).

Не менш важливі водневі зв’язки і в процесі транскрипції, тобто. Переписування інформації про склад синтезованого згодом білка на полінуклеотидних ланцюг ДНК.

Аналогічна роль водневих зв’язків і в трансляції, тобто Передачі інформації про послідовність амінокислот у білковій молекулі в рибосоми, де відбувається її складання.

Посилання на основну публікацію