The hydrogen bond

これまで述べてきた相互作用は、特定の組成の分子に限定されるものではない。 しかし、水素原子に結合している酸素、窒素、フッ素原子を含む分子に特有の重要な分子間相互作用がある。 この相互作用は水素結合であり、A-H-Bという形の相互作用である。ここで、AおよびBは上記の3元素のいずれかの原子であり、水素原子はAとBの原子核の間の直線上に位置している。 例えば、水はモル質量が小さいので気体であることが予想されるが、常温で液体として存在するのは水素結合のおかげである。 水素結合はまた、水酸基 (-OH) を含む多くの有機分子が固体として存在する理由でもある。糖類のグルコースやスクロースはその例である。 この記事の一般的な図式に合うものは、A-HユニットをA原子軌道と水素1s軌道で構成されると考え、B上の単独電子対をB軌道を占めると考えるものである。 3つの原子を並べると、この3つの軌道は結合型、大きく非結合型、反結合型の3つの分子軌道を形成することができます。 収容する電子は4個(元のA-H結合から2個、ローンペアから2個)である。 これらの電子は、結合軌道と非結合軌道を占有し、反結合軌道は空席となる。 したがって、AHB結合のエネルギーが低下し、分子間結合が形成されるのである。 このように、水素結合を見ると、従来の常識が覆される。この解釈から生じる疑問は、なぜこのような結合が生じるのかではなく、なぜもっと一般的な結合が生じないのかということである。 その理由は、水素原子のサイズが小さいため、分子軌道スキームのエネルギーのバランスが結合に有利になることにある。

水素結合は、窒素、酸素、フッ素以外の原子でも、負の電荷を持ち、それゆえ容易に利用できる電子が豊富であれば起こる。 したがって、水素結合は水溶液中のアニオンの水和(溶質種へのH2O分子の結合)の主要なメカニズムの1つであり、それゆえ、水がイオン性化合物の良溶媒として作用する能力に寄与しているのである。 また、酸素または窒素原子を含む有機化合物の水和にも寄与し、したがって、炭化水素よりもアルコールの水溶性がはるかに高いことを説明する。

水素結合は、生物学的に重要な化合物、特にタンパク質とデオキシリボ核酸 (DNA) の構造を決定するのに大きな意味を持つ。 タンパク質(アミノ酸から形成されるポリペプチド)の構造の重要な特徴は、隣接するアミノ酸の各対の間に現れる、-CO-NH-というグループのペプチド結合の存在である。 このリンクは、受容体として働く酸素原子と水素結合を形成するNH基を提供する。 つまり、ペプチド結合は、水素結合に不可欠な2つの要素を備えているのである。 図17に示すような水素結合によるペプチド基の結合は、ポーリングとロバート・コーリーによって詳細に検討され、ポーリング-コーリー規則と呼ばれる一連の規則が制定された。 このルールの意味するところは、ポリペプチドには、らせん型(α-ヘリックス)とプリーツ型(β-プリーツシート)の2種類の構造が存在することである。 すべてのポリペプチドは、どちらかの構造を持っており、多くの場合、それぞれの領域が交互に存在している。 酵素分子(ポリペプチドの一種)の特性や挙動は、その形状、特に作用する分子が付着する必要のある領域の形状によって決まるので、水素結合が生命の機能にとって中心的に重要であることがわかる。

hydrogen bond
hydrogen bond

図17:2つのペプチドリンクの原子が形成できる水素結合でつながる様子。

Encyclopædia Britannica, Inc.

水素結合は、ある世代から別の世代への遺伝情報の伝達にも関係しており、DNA二重らせんの構造を特徴付ける、グアニン部分とチミン部分と一緒にシトシンの特定のキーイングに関係しているからです 。

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