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Schwache Wechselwirkungen in biologischen Systemen

Wasserstoff-Brückenbindung

Die Wasserstoff-Brückenbindung ist die wichtigste schwache Wechselwirkung.

Die Wasserstoff-Brückenbindung
Eine Wasserstoff-Brücke entsteht, wenn sich ein partiell positiv geladenes Wasserstoff-Atom in einem bestimmten Abstand zwischen zwei elektronegativen Atomen wie Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff befindet. Die Anziehungskraft zwischen Wasserstoff-Atom und Akzeptoratom ist eine elektrostatische Dipol-Dipol-Wechselwirkung und unterliegt dem Coulomb-Gesetz.
Die Voraussetzungen für die Bildung einer Wasserstoff-Brücke sind ein oder mehrere freie Elektronenpaare beim Wasserstoff-Akzeptoratom und eine Positivierung des Wasserstoff-Atoms durch das elektronegative Wasserstoff-Donoratom.
Abb.1
Typischen Längen einer Wasserstoff-Brücke zwischen zwei Wasser-Molekülen

Strukturelle Eigenschaften eines über eine Wasserstoff-Brücke gebundenen Komplexes X-H...Y

  • Die Länge der Wasserstoff-Brücke H...Y ist deutlich geringer als die Summe der Van-der-Waals-Radien der beiden verbundenen Atome. Die typischen Längen (X-H...Y) von Wasserstoff-Brücken variieren von O-H...O: 0,263 nm bis N-H...O: 0,304 nm.
  • Die Stärke der Wasserstoff-Brücke ist richtungsabhängig und dann groß, wenn alle Bindungspartner auf einer Geraden liegen. Tatsächlich finden sich für O-H...O- - Brücken typische Winkel von 167 ± 20° und für O-H...N-Brücken 161 ± 20°.
  • Der Gleichgewichtskernabstand (X-H) wird gegenüber dem freien Molekül vergrößert und die Elektronendichte am Brücken-Wasserstoff-Atom reduziert.
  • Die Dissoziationsenergien liegen zwischen 1 und 50 kJ/mol. Wasser: 15,0 kJ/mol.

Stärke von Wasserstoff-Brücken

Je nach der Elektronegativität der beteiligten Atome können Wasserstoff-Brücken in schwache und starke Wasserstoff-Brücken eingeteilt werden.

Die meisten Wasserstoff-Brücken sind High-barrier H-Brücken (HBHB). Das H-Atom ist hier stärker an das Donoratom gebunden als an das Akzeptoratom.

Hingegen liegt bei den Low-barrier H-Brücken (LBHB) das Wasserstoff-Atom gleichermaßen zwischen den beiden Atomen verteilt vor. Diese Brücken sind daher symmetrisch aufgebaut, haben einen Winkel von 180° und sind sehr stark.

Das Lösungsmittel spielt bei der Wasserstoff-Brückenbindung eine wichtige Rolle. Im Wasser verringert sich die Stärke der Wasserstoff-Brücken, da hier das Lösungsmittel mit dem Akzeptor um das Wasserstoff-Atom konkurriert. Auch eine Gabelung wie z.B. bei den Nucleobasen ist möglich, bei der ein Wasserstoff-Atom mit mehreren Akzeptoratomen wechselwirkt. Jede dieser H-Brücken ist dann entsprechend schwächer.

Abb.2
Stärke von Wasserstoff-Brücken

Wasserstoff-Brücken in Molekülen oder Molekülverbänden

Wasserstoff-Brücken können entweder zwischen einzelnen Molekülen - intermolekular - oder innerhalb eines Moleküls - intramolekular - vorliegen.

Abb.3
Polypeptidketten
Abb.4
Komplementäre Basen Adenin und Thymin
Abb.5
γ-Aminobuttersäure (GABA)
Abb.6
Salicylsäure
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