Водородная связь
В биологических системах слабые силы взаимодействия играют существенную роль, так как многие звенья метаболических процессов могут реализоваться лить при условии, что разрываемые связи не обладают высокой энергией. Кроме тех видов взаимодействий, которые были рассмотрены выше, особенно важной является водородная связь. Теория водородной связи построена на экспериментальных данных, полученных с помощью инфракрасных спектров и спектров комбинационного рассеяния соединении, содержащих атомы водорода, которые расположены так, что они могут взаимодействовать одновременно с двумя другими атомами, как, например, в кристаллах щавелевой кислоты:
В зависимости от окружения атома водорода наблюдаются характерные смешения спектральных линий и изменения их интенсивности и формы. Повышенное значение температуры кипения и диэлектрической проницаемости ряда жидкостей, из которых на первое место следует поставить воду, также наводит на мысль об ассоциации молекул и существовании каких-то сил связи, действующих между ними. Данные ядёрного магнитного резонанса и анализа размещения атомов водорода в твердых кристаллических телах дают дополнительные подтверждения, что атом водорода (точнее протон) может быть связующим звеном между атомами, имеющими пары электронов: А:Н:В.
Протон, находящийся между атомами Л и В, совершает колебательные движения, так что кривая потенциальной энергии его должна иметь один (иногда два) минимум. Как правило, в образовании водородной связи участвуют полярные связи типа азот — водород, кислород — азот, сера — водород, фтор — водород, но не связь углерод — водород!
Электростатический характер водородной связи и ее специфичность, по-видимому, обусловлены тем, что протон не имеет электронов, и это обстоятельство исключает возникновение сил отталкивания при сближении атомов, участвующих в образовании связи. Надо подчеркнуть, что это относится лишь к слабым водородным связям, энергия которых равна приблизительно 8,2—25,2 Дж/моль. Небольшие атомы, например атомы фтора или бора, могут образовывать сильные водородные связи, энергия которых на целый порядок выше (около 210 к Дж/моль). Таковы связи в анионе плавиковой кислоты F:H:F— или в днборане В:H:В. В этих связях электроны, несомненно, делокализованы. Водородные связи играют важную роль в стабилизации структуры белковой молекулы, формировании структуры воды и льда, во взаимодействиях нуклеотидов и т. д.
Реакции, связанные с переносом протона, могут протекать по ионному механизму (одна молекула теряет протон, а другая затем его присоединяет). Однако при наличии свободной электронной пары энергетически выгоднее, как показал А. И. Бродский, течение реакции через переходное состояние с водородными связями. В системах, содержащих сопряжение π-электроны, водородная связь имеет гораздо большую энергию — до 84 кДж/моль (Д. Н. Шигорин) и большую прочность. Водородные связи могут возникать не только между разными молекулами, но и внутри одной молекулы (внутримолекулярная водородная связь), как это происходит, например, в молекуле салицилового альдегида.
«Биохимическая фармакология»,
под ред. проф. П.В.Сергеева
