La liaison hydrogène

Les interactions décrites jusqu’à présent ne sont pas limitées aux molécules de composition spécifique. Cependant, il existe une importante interaction intermoléculaire spécifique aux molécules contenant un atome d’oxygène, d’azote ou de fluor qui est attaché à un atome d’hydrogène. Cette interaction est la liaison hydrogène, une interaction de la forme A-H—B, où A et B sont des atomes de l’un des trois éléments mentionnés ci-dessus et l’atome d’hydrogène se trouve sur une ligne droite entre les noyaux de A et B. Une liaison hydrogène est environ 10 fois plus forte que les autres interactions décrites ci-dessus, et lorsqu’elle est présente, elle domine tous les autres types d’interaction intermoléculaire. Elle est responsable, par exemple, de l’existence de l’eau sous forme liquide à des températures normales ; en raison de sa faible masse molaire, l’eau devrait être un gaz. La liaison hydrogène est également responsable de l’existence en tant que solides de nombreuses molécules organiques contenant des groupes hydroxyles (-OH) ; les sucres glucose et saccharose en sont des exemples.

De nombreuses interprétations de la liaison hydrogène ont été proposées. L’une d’elles, qui s’inscrit dans le schéma général de cet article, consiste à considérer que l’unité A-H est composée d’une orbitale atomique A et d’une orbitale 1s de l’hydrogène, et à considérer qu’une paire d’électrons solitaires sur B occupe une orbitale B. Lorsque les trois atomes sont alignés, ces trois orbitales peuvent former trois orbitales moléculaires : une orbitale liante, une orbitale largement non liante et une orbitale antiliante. Il y a quatre électrons à loger (deux provenant de la liaison A-H initiale et deux de la paire solitaire). Ils occupent les orbitales de liaison et de non-liaison, laissant l’orbitale de non-liaison vacante. L’effet net est donc de diminuer l’énergie du groupement AHB et donc de constituer une liaison intermoléculaire. Une fois encore, en rencontrant la liaison hydrogène, on se heurte à une entorse à l’attitude conventionnelle ; la question soulevée par cette interprétation n’est pas de savoir pourquoi une telle liaison se produit, mais pourquoi elle ne se produit pas de manière plus générale. L’explication réside dans la petite taille de l’atome d’hydrogène, qui permet à l’équilibre des énergies dans le schéma orbital moléculaire d’être favorable à la liaison.

La liaison hydrogène se produit avec des atomes autres que l’azote, l’oxygène et le fluor s’ils portent une charge négative et sont donc riches en électrons facilement disponibles. Ainsi, la liaison hydrogène est l’un des principaux mécanismes d’hydratation des anions en solution aqueuse (liaison des molécules de H2O à l’espèce soluté) et contribue donc à la capacité de l’eau à agir comme un bon solvant pour les composés ioniques. Elle contribue également à l’hydratation des composés organiques contenant des atomes d’oxygène ou d’azote et explique ainsi la solubilité aqueuse beaucoup plus grande des alcools que des hydrocarbures.

Les liaisons hydrogène sont d’une grande importance pour déterminer la structure des composés biologiquement significatifs, plus particulièrement les protéines et l’acide désoxyribonucléique (ADN). Une caractéristique importante de la structure des protéines (qui sont des polypeptides, ou polymères formés à partir d’acides aminés) est l’existence de la liaison peptidique, le groupe -CO-NH-, qui apparaît entre chaque paire d’acides aminés adjacents. Cette liaison fournit un groupe NH qui peut former une liaison hydrogène avec un atome accepteur approprié et un atome d’oxygène, qui peut agir comme un récepteur approprié. Par conséquent, une liaison peptidique fournit les deux ingrédients essentiels d’une liaison hydrogène. Le couplage de tels groupes peptidiques par une liaison hydrogène du type illustré à la figure 17 a été examiné en détail par Pauling et Robert Corey, qui ont formulé un ensemble de règles, les règles de Pauling-Corey, pour sa mise en œuvre. L’implication de ces règles est l’existence de deux types de structure pour un polypeptide, qui est soit une forme hélicoïdale (l’hélice α), soit une forme de feuille plissée (la feuille β-plissée). Tous les polypeptides présentent l’une ou l’autre structure et ont souvent des régions alternées de chacune. Puisque les propriétés et le comportement d’une molécule enzymatique (une classe particulière de polypeptides) sont déterminés par sa forme et, en particulier, par la forme de la région où la molécule sur laquelle elle agit doit s’attacher, il s’ensuit que les liaisons hydrogène sont d’une importance centrale pour les fonctions de la vie.

liaison hydrogène
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Figure 17 : La liaison des atomes de deux liaisons peptidiques par les liaisons hydrogène qu’ils peuvent former. Les liaisons peuvent faire partie de la même chaîne polypeptidique qui s’est doublée sur elle-même, ou bien elles peuvent appartenir à des chaînes différentes.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Les liaisons hydrogène sont également responsables de la transmission de l’information génétique d’une génération à l’autre, car elles sont responsables du clavetage spécifique des moitiés cytosine avec guanine et thymine avec adénine qui caractérise la structure de la double hélice de l’ADN.

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