Визначення та приклади водневого зв’язку

Більшість людей добре сприймають ідею іонних і ковалентних зв’язків, але не знають, що таке водневі зв’язки, як вони утворюються та чому вони важливі.

Ключові висновки: водневі зв’язки

• Водневий зв’язок – це притягання між двома атомами, які вже беруть участь в інших хімічних зв’язках. Одним з атомів є водень, а іншим може бути будь-який електронегативний атом, наприклад кисень, хлор або фтор.
• Водневі зв’язки можуть утворюватися між атомами всередині молекули або між двома окремими молекулами.
• Водневий зв’язок слабший за іонний або ковалентний зв’язок, але сильніший за сили Ван-дер-Ваальса.
• Водневі зв’язки відіграють важливу роль у біохімії та забезпечують багато унікальних властивостей води.

Визначення водневого зв’язку

Водневий зв’язок — це тип привабливої ​​(диполь-дипольної) взаємодії між електронегативним атомом і атомом водню , зв’язаним з іншим електронегативним атомом. Цей зв’язок завжди включає атом водню. Водневі зв’язки можуть виникати між молекулами або всередині частин однієї молекули.

Водневий зв’язок, як правило, сильніший за сили Ван-дер-Ваальса , але слабший за ковалентний або іонний зв’язок . Це приблизно 1/20 (5%) сили ковалентного зв’язку, утвореного між OH. Однак навіть цей слабкий зв’язок достатньо міцний, щоб витримати незначні коливання температури.

Але атоми вже пов’язані

Як можна притягнути водень до іншого атома, якщо він уже зв’язаний? У полярному зв’язку одна сторона зв’язку все ще створює невеликий позитивний заряд, тоді як інша сторона має невеликий негативний електричний заряд. Утворення зв’язку не нейтралізує електричну природу атомів-учасників.

Приклади водневих зв’язків

Водневі зв’язки знаходяться в нуклеїнових кислотах між парами основ і між молекулами води. Цей тип зв’язку також утворюється між атомами водню та вуглецю різних молекул хлороформу, між атомами водню та азоту сусідніх молекул аміаку, між повторюваними субодиницями в полімерному нейлоні та між воднем і киснем в ацетилацетоні. Багато органічних молекул підпорядковані водневим зв’язкам. Водневий зв’язок:

• Допомагають зв’язувати фактори транскрипції з ДНК
• Сприяти зв’язуванню антиген-антитіло
• Організуйте поліпептиди у вторинні структури, такі як альфа-спіраль і бета-лист
• Тримайте разом дві нитки ДНК
• Зв’язують транскрипційні фактори один з одним

Водневий зв’язок у воді

Хоча водневі зв’язки утворюються між воднем і будь-яким іншим електронегативним атомом, зв’язки у воді є найбільш повсюдними (і, на думку деяких, найважливішими). Водневі зв’язки утворюються між сусідніми молекулами води, коли водень одного атома потрапляє між атомами кисню його власної молекули та атома його сусіда. Це відбувається тому, що атом водню притягується як своїм власним киснем, так і іншими атомами кисню, які підходять досить близько. Ядро кисню має 8 «плюсових» зарядів, тому воно притягує електрони краще, ніж ядро ​​водню з його єдиним позитивним зарядом. Отже, сусідні молекули кисню здатні притягувати атоми водню з інших молекул, створюючи основу для утворення водневих зв’язків.

Загальна кількість водневих зв’язків, утворених між молекулами води, дорівнює 4. Кожна молекула води може утворювати 2 водневі зв’язки між киснем і двома атомами водню в молекулі. Між кожним атомом водню та сусідніми атомами кисню можуть утворюватися додаткові два зв’язки.

Наслідком водневих зв’язків є те, що водневі зв’язки мають тенденцію розташовуватися у вигляді тетраедра навколо кожної молекули води, що призводить до добре відомої кристалічної структури сніжинок. У рідкій воді відстань між сусідніми молекулами більша, а енергія молекул достатньо висока, тому водневі зв’язки часто розтягуються та розриваються. Однак навіть рідкі молекули води в середньому мають тетраедричну структуру. Завдяки водневим зв’язкам структура рідкої води стає впорядкованою при нижчій температурі, що значно перевищує структуру інших рідин. Водневі зв’язки утримують молекули води приблизно на 15% ближче, ніж якби зв’язків не було. Зв’язки є основною причиною того, що вода демонструє цікаві та незвичайні хімічні властивості.

• Водневий зв’язок зменшує екстремальні зміни температури поблизу великих водойм.
• Водневий зв’язок дозволяє тваринам охолоджуватися за допомогою поту, оскільки для розриву водневих зв’язків між молекулами води необхідна така велика кількість тепла.
• Водневі зв’язки зберігають воду в рідкому стані в ширшому діапазоні температур, ніж для будь-якої іншої молекули порівнянного розміру.
• З’єднання дає воді надзвичайно високу теплоту випаровування, що означає, що для перетворення рідкої води на водяну пару потрібна значна теплова енергія.

Водневі зв’язки у важкій воді навіть сильніші, ніж зв’язки у звичайній воді, утвореній за допомогою звичайного водню (протію). Водневий зв’язок у тритієвій воді ще міцніший.

Приклади розв’язування задач з молекулярної біології

Некодуючий ланцюг ДНК має таку будову: ТГГ – ТЦГ – ААА – ГАА – ТГЦ А) амінокислотний склад кодованого білка цією ДНК Б) антикодони В) довжину відповідного гена Г) масу гена.

Розв’язання

У задачі чітко сказано, що ми маємо некодуючий ланцюг ДНК, тому спершу знаходимо кодуючий (за принципом комплементарності Чаргаффа), з якого інформацію переписуватиме іРНК: ДНК (к): АЦЦ – АГЦ – ТТТ – ЦТТ – АЦГ іРНК: УГГ – УЦГ – ААА – ГАА – УГЦ Тепер, беремо таблицю генетичного коду і знаходимо послідовність амінокислот у білку: білок: три – сер – ліз – глу – цис Маючи іРНК, можемо тепер знайти антикодони тРНК: Б) тРНК: АЦЦ, АГЦ, УУУ, ЦУУ, АЦГ (коми між антикодонами ставимо по тій причині, що це окремі молекули, а не як іРНК – одна) В) щоб визначити довжину гена, рахуємо кількість нуклеотидів ДНК (АЛЕ ТІЛЬКИ В 1 ЛАНЦЮЗІ, бо вони йдуть антипаралельно разом) і множимо на 0,34 нм (відстань між 2 сусідніми нуклеотидами): 15 * 0,34 нм = 5,1 нм (довжина гена) Г) для маси гена необхідно знати кількість нуклеотидів (у 2 ЛАНЦЮГАХ ОБОВ’ЯЗКОВО) і помножити на масу 1 нуклеотида: 30 * 345 = 10 345 (маса гена)

Приклад №2

Відносна молекулярна маса білка – 68 400. Визначте довжину і масу гена, що кодує цей білок.

Розв’язання

Щоб знати масу чи довжину гена, перш за все потрібно знати кількість в ньому нуклеотидів. Можна їх знайти, знаючи кількість амінокислот: 68 400 : 100 = 684 амінокислот (ділимо на 100, бо це маса 1 амінокислоти) Коли ми шукаємо амінокислоти, то беремо для цього таблицю генетичного коду та комбінуємо 3 нуклеотиди іРНК. Тому 684 * 3 = 2 052 нуклеотиди (іРНК) А ДНК, на відміну від іРНК, має 2 ланцюги, тому: 2 052 * 2 = 4 104 нуклеотиди (ДНК, 2 ланцюги) Тепер, знаходимо масу: 4 104 * 345 = 1 415 880 І довжину (пам’ятаємо, що для довжини ми беремо лише кількість нуклеотидів в 1 ланцюгу)^ 2 052 * 0,34 нм = 697,68 нм (довжина гена)

Приклад №3

Фрагмент одного з ланцюгів молекули ДНК має такий нуклеотидний склад: ГГЦААТГЦАТ. Яка кількість водневих зв’язків утворюється між нуклеотидами наведеного фрагмента? Скільки даний фрагмент ДНК має фосфодиефірних зв’язків?

Розв’язання

Згадаймо, що водневі зв’язки виникають між комплементарними нуклеотидами 2 ланцюгів. Тому дописуємо 2 ланцюг ДНК і враховуємо, що між аденіном і тиміном є 2 зв’язки, а між гуаніном і цитозином – 3: ГГЦААТГЦАТ ЦЦГТТАЦГТА 3 3 32 22 3 3 2 2 Додаємо: 25 водневих зв’язків Фосфодиефірні зв’язки є між сусідніми нуклеотидами в межах кожного ланцюга. 1 ланцюг має 10 нуклеотидів, отже фосфодиефірних зв’язків в ньому – 9, а оскільки ДНК має 2 ланцюги, тому їх буде – 18.

Приклад №4

Фрагмент молекули ДНК містить 23% гуанілових нуклеотидів. Визначте (у відсотках) уміст інших нуклеотидів у наведеному фрагменті молекули ДНК.

Розв’язання

За правилом комплементарності, можна сказати, що якщо Г = 23%, то і Ц = 23% Разом: Г + Ц = 23% + 23% = 46% Отже, на А і Т припадає: 100% – 46% = 54% А = Т = 54% : 2 = 27%

Приклад №5

Довжина фрагмента ДНК – 510 нм. Визначити число азотистих основ іРНК. Скільки часу триватиме синтез білка на рибосомі?

Розв’язання

Знаючи довжину гена, можна визначити скільки в ньому є нуклеотидів: 510 : 0,34 нм = 1 500 нуклеотидів (ЛИШЕ в 1 ЛАНЦЮЗІ) Отже, іРНК теж має 1 500 нуклеотидів (в неї є 1 ланцюг) Згадаймо, що кожен нуклеотид має 3 компоненти (пенотозу, фосфатний залишок та азотисту основу). Отже, в 1 нуклеотиді є 1 азотиста основа. Тому іРНК має 1 500 азотистих основ. 1 Амінокислоту кодує триплет іРНК. Визначаємо кількість амінокислот (їх в 3 рази менше, ніж нуклеотидів в іРНК): 1 500 : 3 = 500 амінокислот Час синтезу білка: 500 * 0,2 с = 100 секунд Сподіваюся, що ця стаття для вас була інформативною та корисною.