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Schwache Wechselwirkungen in biologischen Systemen

Van-der-Waals Wechselwirkungen

Definition
Dipol-Dipol-Kräfte werden als Van-der-Waals-Wechselwirkungen bezeichnet und treten grundsätzlich zwischen allen Arten von Atomen, Molekülen und Ionen auf, auch wenn diese unpolar sind. Sie können anziehend oder abstoßend sein. Bei größerem Abstand zwischen den Teilchen überwiegt die Anziehung. Die Van-der-Waals-Kräfte sind sehr schwach, addieren sich jedoch bei größeren Assoziationsflächen. Ihre Stärke nimmt mit zunehmender Molekülgröße und Polarisierbarkeit zu.Bei zu nahem Kontakt der Atome kommt es zu einer starken Abstoßung sowohl der positiv geladenen Kerne als auch der vollbesetzten Orbitale (Verbot durch Pauli-Prinzip). Die Stärke der Van-der-Waals-Wechselwirkungen unter Berücksichtigung dieser Abstoßung wird annäherungsweise durch das Lennard-Jones-Potenzial beschrieben.

Man unterscheidet drei Komponenten der Van-der-Waals-Wechselwirkungen:

Wechselwirkung - permanenter Dipol-permanenter Dipol (Richteffekt)

Bei der Anziehung von permanenten Dipolen kommt es zur Ausrichtung der Dipole, die dadurch in einen energieärmeren Zustand übergehen. Die Änderung der Geometrie wird aber nur dann angenommen, wenn die Anziehungskraft größer ist als die thermische Energie. Von den drei Arten der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen sind diese Kräfte zwischen permanenten Dipolen die Stärksten.

Abb.1

Bei der Anordnung der Dipole sind zwei energetisch günstige Anordnungen denkbar.

Wechselwirkung - permanenter Dipol-induzierter Dipol (Induktionseffekt)

Der Induktionseffekt ist nur schwach temperaturabhängig. Seine Größe hängt von dem induzierenden Dipolmoment und der Polarisierbarkeit des benachbarten Atoms oder Moleküls ab

Abb.2

Ein permanenter Dipol induziert in einem benachbarten Atom oder Molekül ein Dipolmoment. Dadurch ziehen sich die beiden Dipole an.

Wechselwirkung - fluktuierender Dipol - induzierter Dipol (Dispersionseffekt)

Diese Kräfte werden auch London-Dispersionskräfte genannt. Sie sind die schwächsten Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und nur wenig temperaturabhängig.

Abb.3

Die wechselseitige Anziehung beruht auf der spontanen Fluktuation der Elektronendichte in einem Atom. Durch diese asymmetrische Ladungsverschiebung entsteht ein elektrisches Feld, welches in einem anderem Atom wiederum eine Ladungsverschiebung (Dipolmoment) induziert. Diese beiden temporären Dipole ziehen sich für kurze Zeit an.

Sonderfall
Abb.4
Mögliche Anordnung der Aromaten bei der Ausbildung der π-π-Wechselwirkungen

Ein Sonderfall der London-Kräfte sind π-π-Wechselwirkungen, die zwischen Aromaten auftreten können. Sie sind stärker als die London-Kräfte, da die Ladungen in konjugierten π-Systemen viel beweglicher sind. Diese aromatischen Wechselwirkungen können in π-π-Stapel-Wechselwirkungen (π-stacking oder Face-to-Face) und T-förmige Edge-to-Face-Wechselwirkungen unterteilt werden.

Bedeutung in biochemischen Systemen

In biochemischen Systemen spielen die Van-der-Waals-Wechselwirkungen vor allem dann eine Rolle, wenn sich zwei Moleküle mit vielen Atomen einander nähern. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine größere Anzahl von Atomen eines Liganden durch Zufall genau die passende Distanz zu Atomen der Bindungsstelle haben, ist äußerst gering. Daher geht die hohe Selektivität und Stereospezifität der Wechselwirkung zwischen Ligand und Protein unter anderem auf die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurück.

Die π-π-Wechselwirkungen können speziell für die Ausbildung von Tertiärstrukturen bei Proteinen mit aromatischen Seitenketten und die Anlagerung von aromatischen Verbindungen an die DNA verantwortlich sein. In der DNA selbst kommt es zu einer intensiven Wechselwirkung zwischen den gestapelten Basen, die zu einer Abnahme der UV-Absorption führt.

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