Il legame idrogeno

Le interazioni descritte finora non sono limitate a molecole di una composizione specifica. Tuttavia, c’è un’importante interazione intermolecolare specifica per le molecole contenenti un atomo di ossigeno, azoto o fluoro attaccato a un atomo di idrogeno. Questa interazione è il legame idrogeno, un’interazione della forma A-H—B, dove A e B sono atomi di uno dei tre elementi menzionati sopra e l’atomo di idrogeno si trova su una linea retta tra i nuclei di A e B. Un legame idrogeno è circa 10 volte più forte delle altre interazioni descritte sopra, e quando è presente domina tutti gli altri tipi di interazione intermolecolare. È responsabile, per esempio, dell’esistenza dell’acqua come liquido a temperature normali; a causa della sua bassa massa molare, l’acqua dovrebbe essere un gas. Il legame a idrogeno è anche responsabile dell’esistenza come solidi di molte molecole organiche contenenti gruppi idrossilici (-OH); gli zuccheri glucosio e saccarosio ne sono un esempio.

Sono state proposte molte interpretazioni del legame a idrogeno. Una che si adatta allo schema generale di questo articolo è di pensare all’unità A-H come composta da un orbitale atomico A e un orbitale 1s dell’idrogeno e di considerare una coppia solitaria di elettroni su B come occupante un orbitale B. Quando i tre atomi sono allineati, questi tre orbitali possono formare tre orbitali molecolari: uno di legame, uno largamente non legante e uno antilegante. Ci sono quattro elettroni da ospitare (due dal legame A-H originale e due dalla coppia solitaria). Essi occupano gli orbitali di legame e di non legame, lasciando libero l’orbitale di antibonding. Quindi, l’effetto netto è quello di abbassare l’energia del raggruppamento AHB e quindi di costituire un legame intermolecolare. Ancora una volta, incontrando il legame a idrogeno, si incontra una torsione nell’atteggiamento convenzionale; la questione sollevata da questa interpretazione non è perché un tale legame si verifica, ma perché non si verifica più in generale. La spiegazione risiede nella piccola dimensione dell’atomo di idrogeno, che permette all’equilibrio delle energie nello schema degli orbitali molecolari di essere favorevole al legame.

Il legame a idrogeno si verifica con atomi diversi da azoto, ossigeno e fluoro se questi portano una carica negativa e quindi sono ricchi di elettroni facilmente disponibili. Quindi, il legame a idrogeno è uno dei principali meccanismi di idratazione degli anioni in soluzione acquosa (il legame delle molecole di H2O alle specie solute) e quindi contribuisce alla capacità dell’acqua di agire come un buon solvente per i composti ionici. Contribuisce anche all’idratazione dei composti organici contenenti atomi di ossigeno o azoto e quindi spiega la solubilità acquosa molto maggiore degli alcoli rispetto agli idrocarburi.

I legami a idrogeno sono di grande importanza nel determinare la struttura di composti biologicamente significativi, in particolare le proteine e l’acido desossiribonucleico (DNA). Una caratteristica importante della struttura delle proteine (che sono polipeptidi, o polimeri formati da aminoacidi) è l’esistenza del legame peptidico, il gruppo -CO-NH-, che appare tra ogni coppia di aminoacidi adiacenti. Questo legame fornisce un gruppo NH che può formare un legame a idrogeno con un atomo accettore adatto e un atomo di ossigeno, che può agire come recettore adatto. Pertanto, un legame peptidico fornisce i due ingredienti essenziali di un legame a idrogeno. L’aggancio di tali gruppi peptidici mediante un legame a idrogeno del tipo mostrato nella figura 17 è stato esaminato in dettaglio da Pauling e Robert Corey, che hanno formulato una serie di regole, le regole Pauling-Corey, per la sua attuazione. L’implicazione di queste regole è l’esistenza di due tipi di struttura per un polipeptide, che è o una forma elicoidale (l’elica α) o una forma a foglio plissettato (il foglio β-pleato). Tutti i polipeptidi hanno una struttura o l’altra e spesso hanno regioni alternate di entrambe. Poiché le proprietà e il comportamento di una molecola di enzima (una classe particolare di polipeptidi) sono determinati dalla sua forma e, in particolare, dalla forma della regione in cui la molecola su cui agisce deve attaccarsi, ne consegue che i legami idrogeno sono di importanza centrale per le funzioni della vita.

legame idrogeno
legame idrogeno

Figura 17: Il collegamento degli atomi in due legami peptidici tramite i legami idrogeno che possono formare. I legami possono far parte della stessa catena polipeptidica che si è raddoppiata su se stessa, o possono appartenere a catene diverse.

Encyclopædia Britannica, Inc.

I legami a idrogeno sono anche responsabili della trasmissione dell’informazione genetica da una generazione all’altra, perché sono responsabili della specifica combinazione di citosina con guanina e timina con adenina che caratterizza la struttura della doppia elica del DNA.

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